文摘
我们探索皮肤层的温度的动态死海表面通过原位气象和水文测量浮标附近的中心湖。皮肤温度是最高度相关的空气温度(0.93 - -0.98)在所有季节。皮肤温度是不太相关的大部分地表水温度在夏季(0.80),当湖热分层和不相关的在冬天,当死海垂直混合。低的相关性被发现之间的皮肤温度和太阳辐射和风速在所有季节。皮肤,以其较低的热惯性,立即大气强迫响应。整个海面热通量也提出了。皮肤温度与空气温度的高相关性最小的时间延迟的结果几乎立即回应的皮薄层表面热通量,主要是显热通量。
1。介绍
海表面温度(SST)是一个至关重要的参数在海气相互作用的研究。海温有重要作用在大气模型,天气预报,气候变化模型和能量平衡计算。海温可以测量卫星和代表一个非常薄的边界层(~ 10μ动荡的海洋和大气之间的皮肤层)层。边界层,明智的和潜热发生交流,长波辐射散发和吸收(1]。不同过程作用于皮肤层和地下水体(批量层),导致皮肤和大部分的温度之间的区别。
桑德斯[2)提出了一个简单的理论在总体温度和皮肤温度之间的区别,通常称为“集肤效应”()、热通量成正比(包括合理的、潜在的和大气长波辐射从海洋热通量)和运动压力成反比(风摩擦);的理论是有限的条件可以忽略低太阳辐射和排除风力强度很低。这个模型的一个预测是海洋通常覆盖着一个“酷”皮肤。皮肤效果估计使用原位测量体积温度和长波辐射的皮肤温度计算(3]。
风的影响,波浪,上层混合在边界层进行了调查3- - - - - -5]。这些研究表明,混合了上层,冷却皮肤层,碎波暂时破坏皮肤层,重新确立自己在不到一秒(6]。
物理过程控制皮肤的效果在不同季节和昼夜周期。金刚砂et al。1]描述三个混合政权的水体影响皮肤效果:自由对流,强制对流由风驱动压力,强制对流驱动微尺度波打破。他们用不同的模型来代表皮肤层和应用的物理模型来测量数据集。虽然这些模型复制的整体可变性测量皮肤的效果,然而大部分的方差不解释(最高的模型)。
在过去的十年里已经有改善卫星测量SST原位测量的校准。大部分工作是通过组织协调的高分辨率海洋表面温度(GHRSST),利用辐射传输模型(7,8[]或回归检索9- - - - - -11]。
对皮肤层和皮肤的动态死海(图的影响1(一))。死海是一个咸水湖泊,由于低水分活度降低蒸发率(约0.7的蒸汽压盐水的纯水在同一温度)(12),是地球上最热的大型水体。Nehorai et al。13]死海表面温度特征用15分钟的时间间隔序列的卫星图像和原位测量风速、太阳辐射、空气温度。他们发现在晚上对海温在死海相对统一,而白天的空间变异性要大得多。他们得出的结论是,死海表面温度的横向均匀性在夜间是由于强烈的夜晚风引起的垂直混合上几米。白天,皮肤温度上升由于强烈的太阳辐射和风速较低。皮肤层是非常敏感的风强度(6]。在死海,甚至弱风(< 5 m / s)白天局部破坏皮肤层,导致海温(观察到的不均匀性13]。相比之下,在夜间强风(> 5 m / s)与地中海海风加强垂直混合在整个死海表面,导致均匀风场在死海。海温在封闭湖泊分层受风力影响上升流事件驱动,如热敏电阻链和热红外图像时,冷却器变温层或斜温层到达表面(例如,在太浩湖,14])。热敏电阻链数据在死海15- - - - - -18)和卫星热图像(13]表明,上层混合,温跃层深度在整个分层季节~ 25米,和水冷却器深水层不到达海面在典型风事件。循环在死海以前学过一些短期内,零星的观察。Neev和金刚砂19]和金刚砂Csanady [20.]1959年测量电流,死海部分循环时,有两个连接盆地,盆地北部深和浅盆地南部。自那时以来,北部和南部盆地断开连接由于海平面下降,和死海转向了全循环条件由于上层盐度的增加。
(一)
(b)
在这篇文章中,我们使用的原位测量皮肤,散装和空气温度、太阳辐射、风速测量从一个浮标附近的中心死海探索昼夜和季节周期和皮肤温度的主要要求。
2。数据和方法
气象数据,包括空气温度()、风速(Ws)和太阳辐射(Ra),收集每20分钟以上3.7米的海面水文气象浮标由以色列Oceanological和湖沼学的研究(IOLR),位于~ 5公里离岸的恩戈地,靠近湖的中心(数据1(一)和1 (b))。Aanderaa所有计量器具的制造,在[16,21]。
总体温度()测量使用热敏电阻放置在5厘米的深度。热敏电阻被绑在小浮标2 m的水文气象浮标,避免影响的水文气象浮标的热结构顶部(图5厘米1 (b))。我们使用热敏电阻(Solinst型号3001,levelogger初级)的精度±0.1°C和温度分辨率为0.1°C。另一个热敏电阻是位于1米的深度。
皮肤温度()是用两个长波辐射仪(Kipp & Zonen CGR4)安装在浮筒上。CGR4辐射计红外辐射敏感的波长范围从4.5到42μ(它有一个极低的窗口类金刚石涂层加热抵消和最优保护环境影响灵敏度和低的温度依赖性)。向下的定向辐射仪放置在一个扩展的边缘臂2 m远离水面上方的浮标和1米,减少大气对测量的影响和浮标好热结构的影响。旁边的第二个辐射计是放置气象仪器水面以上(3.7米),直接向上。从大气中收到向下长波辐射(↓)。向下的定向辐射仪收到了长波辐射通量(总↑)组成的海洋表面的辐射和辐射从海面向上反映。计算我们使用以下方程: 在哪里是水发射率(吸收);是水的反射,是斯蒂芬玻尔兹曼常数。
我们用互相关分析之间的相关性和时间滞后和其他测量数量(,、Ws和Ra)。因为皮肤层很薄,很短的热响应时间(秒),我们预计,测定量显示的最小时间滞后和最高的相关性是指示性的主要强迫的皮肤层。
热通量计算后Lensky et al。12),包括所需的适应死海的独特条件。在这个工作我们测量净辐射,利用4辐射计。短波和长波向上和向下。在接下来的解释的矛盾点。潜热(和明智的)热计算使用批量公式(2)和(3),职责),数值适用于死海,占热量和水平衡: 在哪里蒸汽压的盐水,盐水的水分活度计算(),大气的蒸汽压,是鲍文常数(0.61 hPa /°C),是空气压力(hPa),是风函数(4)参数化占死海的能量和质量平衡(12,15]: 波文比,,(5)也提出了结果: 的净热量()使用两个独立的方法:计算残余热通量,从湖的蓄热的变化(6)和(7),职责。): 在哪里比热容,是总质量,温度变化的速度。
3所示。结果
3.1。皮肤的昼夜和季节周期的影响
本研究的主要发现是,昼夜循环是最高度相关呢(0.93 - -0.98)有一个最小的时间差在所有季节。它是不太相关有一个较大的时间差。更不相关Ws, Ra与更高的时间滞后。图2介绍了时间序列的测量量的四天代表冬天,夏天,秋天。图3礼物的散点图与,在三个赛季,Ws和Ra。相关性计算5、45岁和17天在夏天,冬天,分别和秋天。数据4和5现在这些成对的交叉相关性。图6是一个原理图的昼夜和季节周期温度资料,从空气中,通过皮肤的不同层主要水体。图7介绍了热通量时间序列。
(一)
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(c)
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(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
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(k)
(左)
(一)
(b)
(c)
(一)
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(c)
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(e)
(f)
3.2。的相关性来和
在冬季,对流完全混合死海;因此,水的温度几乎是统一在整个水柱(300米)。的日振幅~ 0.2°C,而和表现出更大的振幅的2 - 4°C。在一天中高于由1 - 5°C,导致整个水柱的连续冷却的速度通过皮肤~ 0.02°C /天。皮肤层是冷却器和咸由于密度高于蒸发和下面的层,因此不稳定。这种差异驱动冬季对流和冷却。因此,和展览在冬天几乎没有相关性(−0.17),而之间的相关性和非常高(0.97),几乎没有时间延迟(参见图吗4(一)和5)。
在夏天,死海是分层上混合层上面一把锋利的温跃层的深度20 - 30米。上日层的厚度~ 5 m的发展由于太阳能加热和混合晚上下面层由于密度变化(图6)[16]。在冬天,是最高度相关呢(0.93)没有明显的时间延迟(数字4 (b)和5)。之间的相关性和夏天最高(0.79)滞后的一小时。这是高于的相关性和(数据4和5)。的日振幅小于和(±1°C和±2 - 3°C,分别地。,图2(b)),但仍显著高于在冬天,代表海洋和大气之间的强耦合分层期间。
在秋天,死海仍然是分层,但上层的稳定性降低水温的降低和减少一起日振幅。高度相关(0.98)没有时间间隔,减少相关(0.68,数据4 (c)和5)。的相关性来在秋季在夏季高于(数据吗4 (b)和4 (c)),可能由于传入的太阳辐射(数据走弱2(e)和2(f)),这导致日振幅降低在秋天。的冷却速度在秋天是~ 0.18°C /天,这是冬天的十倍。更有效的冷却在秋季与冬季是由于不同层的厚度与大气,交互在冬天是比在秋天厚十倍(~ 300 ~ 30米,职责)。
3.3。的相关性Ra和Ws
低之间的相关性和大量的时间滞后和大气强迫(Ws和Ra)(数据在所有季节3,4,5)。Ra和都显示一个高值的昼夜循环白天在夜间和低的值(数字2(d),2(e)2(f))。然而,有一个滞后Ra之前的4 - 5小时。散点图中这被视为一个逆时针周期,数据的最好证明3 (h)和2(e)。从日出(无太阳辐射和°C),太阳辐射增加~ 1100 Wm−2与小的变化。在中午,迅速增加到37°C,逐渐减少到36°C在日落时分,回落到33°C在夜间。
风速更相关−0.71 (0)。的相关性是负的,滞后的2 - 3.3小时。消极的变化发生在改变是积极的。这是由于强大的干风在夜间,蒸发冷却皮肤层的增加。
3.4。热通量
冬季热通量计算45天。图7提出了一种时间序列的热通量组件和通量的主要气象参数确定。净辐射(图7(一))有一个典型的昼夜循环高白天净辐射和重复周期与整个时期一个很弱的趋势。潜在和显热通量呈现在图7 (b)。潜热通量的特征是高通量时期(高蒸发率),这主要是与风强度(图7 (f))。显热通量有明显的昼夜循环与高通量在夜间,当气温低于大部分水温高达8°C(图7 (e))。注意,皮肤和空气温度高度相关,正如上面提到的,而大部分水温显示了一个微不足道的昼夜循环。图7 (c)介绍了净热通量计算通过两种独立的方法,通过计算剩余或净热通量,通过计算蓄热的变化(见部分的结束2)。因为死海是完全混合在此期间(全循环条件),蓄热计算相当简单。的一般趋势大体积的水温度随时间(图7 (e)~ 0.015°C /天)表明,净热通量是直接向上从湖到大气中,这也证实了使用剩余的净通量计算方法。死海在此期间的冷却驱动垂直对流的“引擎”,从而导致一个统一的水柱。注意的一般协议计算净热通量两个独立的方法。数据7 (d),7 (e),7 (f)呈现出波文比,空气,散装和皮肤温度和风速。波文比大约是0.2(图7 (d)),昼夜变化范围从0到0.5,与一个事件一个负值(当空气温度高于大体积的水温度)。图7 (f)介绍了风力强度通过时期,影响潜在和显热通量(图7 (b)和(2)- (4))。全年几乎是不相关的潜热通量(0.06和0.08在夏季和冬季,职责)。这并不奇怪,因为水温影响蒸发间接通过饱和蒸汽压的计算。然而,在夏天是高度相关的显热通量(0.93),但在冬天和秋天不太相关(0.62和0.66,分别地)。显热通量,根据(3),是非线性风速因子的乘积和海气温差、这是一个线性函数的水表面温度。从图3很明显,和一年四季都是高度相关的,从而表明显热通量的主要成分是大气强迫的。之间的相关性较低和显热通量在冬天和秋天是弱相关的依赖关系在这些季节的风速(图3)。
4所示。讨论
集肤效应的大小是受太阳辐射和风速的日周期(3,4,22]。Neohrai et al。13)表明,太阳辐射和风力强度控制的空间方差死海SST的昼夜和季节周期。在这里,我们表明,在死海皮肤温度主要是相关的空气温度和更少的大体积的水温度、风速和太阳辐射。测量进行了从一个浮标定位向湖的中心在60米的水深和离岸(图5公里1从重大影响),足够远边界效应(如上升流、下降或浅水效应)在海面上。表面冷却由于风诱导上升流事件没有被观察到在早些时候(17)或在最近(15,18测量时间;在冬天,湖是完全混合,和大体积的水温度几乎是统一的,同时,在夏季,温暖上混合层达到~ 25米,深度和冷却器深水层表面或斜温层不出路(参见[15- - - - - -17])。虽然SST在封闭和分层湖泊可以被风吹动的上升流影响事件(例如,在太浩湖,14),这似乎没有一个重要的因素在死海的热敏电阻链(15- - - - - -18)和通过卫星热图像(13]。此外,Sirkes [17)认为,由于内部振荡湖面,表面在夏季表现较差,并不直接风强迫的结果。
图6白天/黑夜和夏季/冬季示意图温度资料,总结我们的研究结果。而空气的振幅和皮肤温度昼夜周期中类似的夏季和冬季(4上虚线箭头),大部分温度昼夜循环的振幅是夏季和冬季之间非常不同(两个低的虚线箭头)。皮肤效果是在夏天的夜晚低,冬天虽然在夏天,冬天的夜晚增加(纯黑色和纯灰色箭头)。在夏天,每天温跃层积聚,导致明显的昼夜循环的振幅,而在冬季昼夜循环的振幅很小,由于垂直混合。因此,空气和皮肤温度之间的相关性是高在所有季节,而散装和皮肤温度之间的相关性更高的夏天,和冬天不存在相关性。最高的皮肤效果()发生在冬天的夜晚(黑色箭头),大体积的水温度时~ 24°C,而空气和皮肤温度低于19°C。
图5总结了相关性和时间滞后的皮肤温度和其他测量参数。风和太阳辐射强度相关的皮肤温度,但滞后几个小时。因为皮肤层的响应时间很短(<第二),这意味着太阳辐射和风力强度有一个间接影响皮肤层。高空气和皮肤温度之间的相关性和微不足道的时间滞后表明空气温度的强迫过程中起着重要作用的皮肤温度。这迫使通过显热通量,它是一个直接的海气温差的线性函数。这也体现在夏天晚上高的空气和皮肤温度降低峰值温度只有几小时后日落之后,大部分温度有所下降(数字2(b)和2(e))。当空气从地中海的微风(图2(e))加热绝热而降序从犹太人的山脉到死海,延迟晚上在日落之后冷却到几个小时。没有其他原因晚上皮肤层的高温空气温度的影响。
死海的皮肤层可以分为两个混合机制:(我)冬天不稳定条件时,皮肤温度由自由对流(控制)。海温较低的空间变异在这样的条件下(13]。皮肤层温度不受风力影响,因为它是不稳定的,它不断下沉和重建。在某种程度上这也是在夏天的晚上,当夜晚冷却,(2)稳定的条件在夏天白天当皮肤的影响稳定的热分层由于太阳辐射加热。上部水层的稳定结构非常敏感,狂风造成重大空间变化(13]。
5。结论
我们发现在死海皮肤温度是最高度相关的空气温度(0.93 - -0.98)在所有季节。在夏天,死海分层时,皮肤温度也与表面的大体积的水温度(0.80)。在冬天,然而,死海是垂直混合时,皮肤温度昼夜循环的振幅是~ 4°C,而大部分水显示了~ 0.2°C的振幅,因此没有冬天的皮肤和大部分的温度之间的相关性。低的相关性被发现之间的皮肤温度和太阳辐射和风速在所有季节。皮肤,以其较低的热惯性,立即响应管理强迫。因此空气温度的相关性最高,最小的时间延迟被认为是最重要的因素迫使皮肤层的温度,这是主要通过显热通量来完成。
确认
作者感谢艾萨克Gertman从浮标提供原位测量,使这一研究,对他的批判阅读。作者感谢Raanan Bodzin援助的领域工作,批判性阅读和有益的讨论。以太Gavrieli弗拉基米尔•Lyakhovsky和杰拉尔德·史坦希尔承认富有成果的讨论。作者还要感谢Uri马利克和Shabtai科恩帮助安装和校准的仪器,和已故的分量Gonen, Silvy Gonen,和船员的“Taglit”巡航服务。作者感谢Tal沉思和鲍里斯Katsanelson寻求帮助。阿里亚嫩河被公认为时间序列的统计分析。这项研究是地球科学研究支持的政府,国家基础设施部(以色列)。