海洋工程环境综述
能动1101班 0121105830110 田帅奇
论文摘要
海洋是我们地球的主要组成部分，所以海洋的环境也是值得我们研究和讨论的话题。海洋工程环境主要包括海水的特性、海风、海浪、潮汐、海流以及海冰等主要的范畴，其中海水的特性主要是包括海水的温度、盐度、密度以及其变化特点等。而其他方面的特点也是海洋工程环境必不可少的方面。在我看来，每一个海洋工程环境的分支都起到很大的作用，都是海洋工程环境必不可少的环节，也都有着非常重要的存在意义。
论文正文
海洋的面积占地球总表面积的71%，可以说是地球的主要组成部分。而海洋工程环境也是我们许多人在研究和讨论的话题。固然海水有很多其固有的特性，也有许多其特有的环境，这些环境可以说都起着很大的作用。下面就来简单介绍一下海洋工程的各种环境。
首先来介绍海水的特性，即海水的温度、盐度以及密度等。海水温度、盐度和密度是三个重要的海洋水文要素。它们与航海的关系非常密切。低温海水是造成海难死亡的重要原因；海水盐度的变化直接影响船舶的吃水和某些与海水导电性能有关的器材的使用，某些盐类对船体起腐蚀作用；海水密度的变化影响海流的分布及海冰的形成。因此，这些要素对航海来说也是必须了解的知识。
海洋中表层水温变化的幅度一般为-2℃～30℃。在海洋深处，温度一般都很低，而且较稳定，大约在-1℃～4℃之间。 在各大洋中，年平均表面水温以太平洋最高，为19.1℃；印度洋次之，为17.0℃；大西洋较低，为16.9℃。三大洋平均水温为17.4℃，比近地面年平均气温（14.4℃）高3℃。从总体上来说，海水温度随海水深度的增加而降低的，在1000米以下深度，水温随深度的变化很缓慢，在3000米以下，水温随深度基本不变，保持在2℃左右。但由于海水的混合、季节变化和海流等的影响，水温不是随深度简单地递减，而有时会出现同温、水温递增以及水温剧减或剧增的跃变层。
一般来说，大洋中海水盐度的高低，主要取决于蒸发量和降水量的对比关系。大洋表面盐度分布的规律是：从南北半球的副热带海区分别向两侧的高纬度和低纬度递减（如图1.18所示）。这是因为：副热带海区，蒸发量大于降水量，海洋表面海水的盐度最大；赤道北区，降水多于蒸发，盐度较低；从副热带向两极，蒸发逐渐减少，盐度也逐渐降低。红海位于副热带，蒸发量大，降水量很少，又由于从陆地流入的淡水也少，因此盐度很高大，达41‰，是世界盐度最高的海域；波罗的海地处高纬度，蒸发量小，又由于陆地上汇入大量的淡水，因此盐度很低，不超过0.1‰，是世界上盐度最低的海域。 各大洋的边缘受径流的影响，盐度较低。海洋中盐度的垂直分布，受海流、降水、蒸发等较多因素的影响。由于主要影响因子随时间和地点而异，因此盐度的垂直分布是多变的。但在1000m的深海中，盐度无大变化，保持在34.7～34.9‰之间。
海水密度是随温度、盐度和压强的改变而改变的。通常是温度低、盐度高、压力大，密度就大。对于固定深度来讲，海水密度只是温度和盐度的函数。在赤道地区，由于温度高，降水大于蒸发，盐度低，因而海水的密度小，约1.0230。由赤道向两极，密度逐渐增大。在南极海区，密度很大，可达1.0270以上。密度受海流影响很大，有海流存在的地方，密度的水平梯度就大。海水密度在垂直方向上的分布比较稳定，通常密度随深度递增而增大。在海洋上层，密度垂直梯度大；约从15000m开始，密度垂直梯度变小；在深层，密度几乎不随深度而变化。
下面来介绍一下海风。海风的风级有12级，分别是无风、软风、轻风、微风、和风、劲风、强风、疾风、大风、烈风、狂风、暴风、飓风。海上也避免不了会有台风，台风就包括超强台风（SuperTY），也即16级或以上的台风；强台风（STY）也即14-15级。和台风（TY也即12-13级另外还有强热带风暴（STS）也即风力10-11级，热带风暴（TS）也即风力8-9级和热带低压（TD）也即风力为6-7级。
在海滩上我们会经常看见一朵朵的浪花飘过，但是海浪却有着更深的学问。海浪是发生在海洋中的一种波动现象。我们这里指的海浪是由风产生的波动，其周期为0.5至25秒，波长为几十厘米到几百米，一般波高为几厘米到20米，在罕见的情况下波高可达30米以上。
海浪是海水的波动现象。海浪是海面起伏形状的传播，是水质点离开平衡位置，作周期性振动，并向一定方向传播而形成的一种波动，水质点的振动能形成动能，海浪起伏能产生势能，这两种能的累计数量是惊人的。在全球海洋中，仅风浪和涌浪的总能量相当于到达地球外侧太阳能量的一半。海浪的能量沿着海浪传播的方向滚滚向前。因而，海浪实际上又是能量的波形传播。海浪波动周期从零点几秒到数小时以上，波高从几毫米到几十米，波长从几毫米到数千千米。风浪、涌浪和近岸波的波高几厘米到20余米，最大可达30米以上。风浪是海水受到风力的作用而产生的波动，可同时出现许多高低长短不同的波，波面较陡，波长较短，波峰附近常有浪花或片片泡沫，传播方向与风向一致。一般而言，状态相同的风作用于海面时间越长，海域范围越大，风浪就越强；当风浪达到充分成长状态时，便不再继续增大。风浪离开风吹的区域后所形成的波浪称为涌浪。根据波高大小，通常将风浪分为10个等级，将涌浪分为5个等级。0级无浪无涌，海面水平如镜；5级大浪、6级巨浪，对应4级大涌，波高2～6米；7级狂浪、8级狂涛、9级怒涛，对应5级巨涌，波高6.1米到10多米。海洋波动是海水重要的运动形式之一。从海面到海洋内部，处处都存在着波动。大洋中如果海面宽广、风速大、风向稳定、吹刮时间长，海浪必定很强，如南北半球西风带的洋面上，常的浪涛滚滚；赤道无风带和南北半球副热带无风带海域，虽然水面开阔，但因风力微弱，风向不定，海浪一般都很小。
海浪是十分复杂的现象，研究海浪对海洋工程建设、海洋开发、交通航运、海洋捕捞与养殖等活动具有重大意义。
凡是到过海边的人们，都会看到海水有一种周期性的涨落现象：到了一定时间，海水推波助澜，迅猛上涨，达到高潮；过后一些时间，上涨的海水又自行退去，留下一片沙滩，出现低潮。如此循环重复，永不停息。海水的这种运动现象就是潮汐。
潮汐现象是指海水在天体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周期性运动，习惯上把海面垂直方向涨落称为潮汐，而海水在水平方向的流动称为潮流。是沿海地区的一种自然现象，古代称白天的河海涌水为“潮”，晚上的称为“汐”，合称为“潮汐”。
由于日、月引潮力的作用，使地球的岩石圈、水圈和大气圈中分别产生的周期性的运动和变化，总称潮汐。作为完整的潮汐科学，其研究对象应将地潮、海潮和气潮作为一个统一的整体，但由于海潮现象十分明显，且与人们的生活、经济活动、交通运输等关系密切，因而习惯上将潮汐（tide）一词狭义理解为海洋潮汐。固体地球在日、月引潮力作用下引起的弹性—塑性形变，称固体潮汐，简称固体潮或地潮。 海水在日、月引潮力作用下引起的海面周期性的升降、涨落与进退，称海洋潮汐，简称海潮。大气各要素（如气压场、大气风场、地球磁场等）受引潮力的作用而产生的周期性变化（如8、12、24小时）称大气潮汐，简称气潮。其中由太阳引起的大气潮汐称太阳潮，由月球引起的称月球潮汐。
其中有一种潮汐叫做咸潮。
咸潮，主要是由旱情引起的，一般发生在上一年冬至到次年立春清明期间，由于上游江
水水量少，雨量少，使江河水位下降，由此导致沿海地区海水通过河流或其他渠道倒流到内陆区域。咸潮的影响主要表现在氯化物的含量上，按照国家有关标准，如果水的含氯度超过250毫克/升就不宜饮用。这种水质还会危害到当地的植物生存。 咸潮上溯属于沿海地区一种特有的季候性自然现象，多发于枯水季节、干旱时期。咸水上溯意味着位于江河下游的抽水口在咸潮上溯期间抽上来的不是能饮用、灌溉的淡水，而是陆地生命无法赖以生存的海水。我国的咸潮多发生在珠江口。
潮汐能是以位能的形态出现的海洋能，是指海水潮涨和潮落形成的水的势能。海水涨落的潮汐现象是由地球和天体运动以及它们之间的相互作用而引起的。在海洋中，月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升高。由于地球的旋转，这种水位的上升以周期为12小时25分和振幅小于1m的深海波浪形式由东向西传播。太阳引力的作用与此相似，但是作用力小些，其周期为12小时。当太阳、月球和地球在一条直线上时，就产生大潮（spring tides）；当它们成直角时，就产生小潮（neap tides）。除了半日周期潮和月周期潮的变化外，地球和月球的旋转运动还产生许多其他的周期性循环，其周期可以从几天到数年。同时地表的海水又受到地球运动离心力的作用，月球引力和离心力的合力正是引起海水涨落的引潮力。
潮汐是由于日月引潮力的作用，使地球上的海水产生周期性的涨落现象。它不仅可发电、捕鱼、产盐及发展航运、海洋生物养殖，而且对于很多军事行动有重要影响。历史上就有许多成功利用潮汐规律而取胜的战例。
海流又称洋流，是海水因热辐射、蒸发、降水、冷缩等而形成密度不同的水团，再加上风应力、地转偏向力、引潮力等作用而大规模相对稳定的流动，它是海水的普遍运动形式之一。海洋里有着许多海流，每条海流终年沿着比较固定的路线流动。它象人体的血液循环一样，把整个世界大洋联系在一起，使整个世界大洋得以保持其各种水文、化学要素的长期相对稳定。
海流形成的原因很多，但归纳起来不外乎两种。第一种是风海流海面上的风力驱动，形成风生海流。由于海水运动中粘滞性对动量的消耗，这种流动随深度的增大而减弱，直至小到可以忽略，其所涉及的深度通常只为几百米，相对于几千米深的大洋而言是一薄层。另一种是密度流不同海域海水温度和盐度的不同会使海水密度产生差异，从而引起海水水位的差异，在海水密度不同的两个海域之间便产生了海面的倾斜，造成海水的流动，这样形成的海流称为密度流。
综上所述，产生海流的主要原因是风力和海水密度差异。实际发生的海流总是多种因素综合作用的结果。
我国海域辽阔，既有风海流，又有密度流；有沿岸海流，也有深海海流。这些海流的流速多在每小时0.5海里，流量变化不大，而且流向比较稳定。若以平均流量每秒100立方米计算，我国近海和沿岸海流的能量就可达到一亿千瓦以上，其中以海峡和南海的海流能量最为丰富，它们将为发展我国沿海地区工业提供充足而廉价的电力。
利用海流发电比陆地上的河流优越得多，它既不受洪水的威胁，又不受枯水季节的影响，几乎以常年不变的水量和一定的流速流动，完全可成为人类可靠的能源。
海冰是淡水冰晶、“卤水”和含有盐分的气泡混合体。按发展阶段，可分为初生冰、尼罗冰、饼冰、初期冰、一年冰和 老年冰6大类；按运动状态可分为固定冰和流冰两大类。固定冰与海岸、海底或岛屿冻结在一起，能随海面升降，从海面向外可延伸数米或数百千米。流冰漂浮在海面，随着海面风向和海流向各处移动。 海水结冰需要三个条件：①气温比水温低，水中的热量大量散失；②相对于水开始结冰时的温度(冰点)，已有少量的过冷却现象；③水中有悬浮微粒、雪花等杂质凝结核。淡水在4℃左右
密度最大，水温降到0℃以下即可结冰。海水中含有较多的盐分，由于盐度比较高，结冰时所需的温度比淡水低，密度最大时的水温也低于4℃。随着盐度的增加，海水的冰点和密度最大时的温度也逐渐降低。
总之，海冰不仅对海洋水文状况自身，对大气环流和气候变化会产生巨大的影响，而且会直接影响人类的社会实践活动。例如，它能直接封锁港口和航道，阻断海上运输，毁坏海洋工程设施和船只；俄罗斯北方航线的某些区段，每年通航期仅有2～4 个月。冰山更是航海的大敌，45000 吨的“泰坦尼克”号大型豪华游船，就是在1912 年4 月14 日凌晨在北大西洋被冰山撞沉的，使1500 余人遇难。中国的海冰也能造成灾害，1969 年2～3 月间，渤海曾发生严重冰封，除了海峡附近外，渤海几乎全被冰覆盖，港口封冻，航道阻塞，海上石油钻井平台被冰推倒，海上航船被冰破坏，万吨级的货轮被冰挟持，随冰漂流达4 天之久，海上活动几乎全部停止。在1936 年和1947 年也曾发生过相当严重的冰情。20 世纪40 年代以来，高纬沿海国家相继开展了海冰观测和研究工作，发布冰山险情和海冰预报。目前，利用岸站、船舶、飞机、浮冰漂流站、雷达及卫星等多种途径对海冰和冰山进行观测，并利用数理统计、天气学和动力学数值方法发布[1]海冰的长、中、短期预报。中国目前也已加强了这方面的工作。
参考文献：
《海洋工程环境》 上海交通大学出版社 曾一非编著
