利用绝对盐度参数的海水盐度新计算方法

卢晓亭，濮兴啸，王 丹，李韦华

(1.海军潜艇学院，山东 青岛 266000;2.总参谋部水文气象局，北京 100091)

利用绝对盐度参数的海水盐度新计算方法

卢晓亭1，2，濮兴啸1，王 丹1，李韦华1

(1.海军潜艇学院，山东 青岛 266000;2.总参谋部水文气象局，北京 100091)

通过总结前人工作和理论分析，简要介绍了海水盐度传统定义方法及其优缺点;详细叙述了采用绝对盐度来表述海水盐度新定义方法;概括比较了盐度新定义对盐度旧定义的改进之处，与实用盐度标度相比，利用绝对盐度作为表述盐度的参数具有多方面的优点。介绍了1种绝对盐度估计方法，对其发展进行了展望。

盐度定义;实用盐标;绝对盐度;绝对盐度偏差;参考成分盐度

0 引言

海水盐度是物理海洋学研究的重要参数，盐度涉及到水产养殖、气象预测、军事战场海洋环境等领域。盐度的定义和测量方法一直是国际海洋学界研究的重要课题，人们一直在深化自己的认识，探索盐度的实质，研究并测量盐度，逼近绝对盐度值，盐度的定义和测定方法也几经变革［1］。但是，现行国际“实用盐度标度(PSS78)”还存在许多缺点和不足。为了更精确地确定海水盐度，来自澳大利亚联邦科学与工业研究组织的Trevor McDougall博士提出采用绝对盐度来表述海水盐度的新盐度定义，并给出了估计绝对盐度的计算法则。

1 旧盐度定义

绝对盐度SA为单位海水中的溶质质量与海水质量之比，是指1 kg海水中含溶解物质的质量［2］。但是绝对盐度SA是不能直接测量的，所以在实际应用中盐度的定义经历了数次变化。

1902年，Knudsen等人基于化学分析测定方法首次定义盐度，依据海水组成恒定性定律，通过AgNO3滴定法测定海水氯含量来间接计算盐度，给出了Kundsen盐度公式:

用AgNO3滴定法测定海水氯度时，采用国际统一标准，操作简单，计算方便，延用长达60多年。但式(1)是以海水组成恒定性规律为基础，由于受到试验仪器和人为因素影响，测定海水主要成分的含量很不精确，而且各成分含量间的比值只是近似恒定的;其次所取海水水样，集中于北海、波罗的海、红海海区表层水样，不能充分代表整个大洋水的规律［2］。

1969年，随着电导盐度计的发展，考克斯(Cox)等人给出了盐度S‰与电导比R15公式:

依据式(2)可使测盐精度达0.003‰，测定速度快4～5倍。1969年，国际海洋学常用表和标准联合专家小组(JPOTS)推荐式(2)为海水盐度的新定义［2］。此定义依然基于海水组成恒定性规律和氯度的测量，与Knudsen方法存在同样的缺点;而氯度的测定只与海水中的特定离子相对应，电导率的测量却与海水中所有离子都有关，这显然是不足之处［3］。因此，依此定义制定的国际海洋常用表(UNESCO，1966)，温度范围限定于10～30℃，具有很大局限性。

1978年，“国际海洋学常用表和标准联合专家小组”(JPOTS)提出实用盐度标度(the Practical Salinity Scale)，其盐度值用实用盐度SP表述，依然依赖电导率的测定。采用1种精确浓度(32.435 6‰)的KCl溶液作为盐度的准确参考标准，依据海水相对于KCl溶液的电导比确定海水盐度。实用盐度彻底摆脱了氯度的测量，不再使用符号“‰”，因而实用盐度值是之前旧盐度值的1 000倍。实用盐度标度延用至今已经30多年，测量简单，精确度比较高。通过测量海水温度、实用盐度和压力，可以得到海水的主要物理性质，如密度、热容、冰点温度等。但是随着实践、研究的深入和对误差精读要求的提高，实用盐标也表现出一些局限性。海水的热物理性质受大量溶解成分直接影响，而实用盐度只依赖于电导率的测量［3］。这就带来一些问题，对于一些非离子物质，例如硅酸盐，假设在同一温度和压力下，取一海水水样，水样中硅酸盐的含量是确定的，取少量淡水替换其中一部分水样，则硅酸盐的浓度降低了，含量减少了;又由于硅酸盐是非离子物质，所以电导率并没有改变，即实用盐度没有改变，但是很显然绝对盐度改变了。假如是用同样浓度的NaCl溶液替换具有相同浓度的硅酸盐水样，绝对盐度没有改变，密度也没有改变，但是电导率改变了，实用盐度将会增加。实用盐度无单位量纲，这也一直是倍受争议的问题，从科学的角度这是不能接受的［3］。

2 新盐度定义——绝对盐度(SA)

2.1 参考成分盐度

基于实用盐度标度定义的不完善和实践中遇到的种种不确定因素，Millero打破传统盐度定义，基于一个标准海水的参考成分模型，定义了海水参考成分和参考成分盐度SR(Reference-Composition Salinity)。参考成分盐度SR用于海水绝对盐度的最优估计，此定义考虑了海水组成区域的变化性，不再假设世界大洋海水都一致［4］。标准海水参考成分模型精确确定了标准海水各成分的克分子比、摩尔质量和质量分数等，以温度25℃，1个标准大气压力101 325 Pa条件下，标准海水中钠离子(Na+)为例，其克分子比为 4 188 071×10－7，摩尔质量为 22.989 769 28(2)g·mol－1，质量分数为0.306 595 8。参考成分模型的海水样品取自北大西洋经过过滤的表层海水，利用海水样品中各成分最精确测量值来确定克分子比。为了确定海水水样参考组成盐度，定义一种规范氯化钾海水(KCl-normalized seawater)。规范KCl海水(简称规范海水)与实用盐度SP为35的海水样品相对应，并且定义纯水的参考成分盐度SR=0。据此，给出规范海水定义:在1990年国际温标(ITS－90)温度t=14.996℃，1个标准大气压力p=101 325 Pa条件下，在纯水中加入氯化钾(KCl)组成混合溶液，该混合溶液中KCl质量分率为32.436 5 g·kg－1，任何与该溶液具有相同电导率的海水样品都可作为规范海水，规范海水参考成分盐度SR=35.165 04 g·kg－1［3］。

Millero给出了参考成分盐度SR与实用盐度SP(2＜SP＜42)的近似关系:

其中:uPS≡ (35.16504/35)g·kg－1。

在实际应用中，式(3)可以看做等式计算，近似度只取决于实用盐度SP的测量精确程度［4］。从式(3)可以得出，实用盐度SP等于35时，参考成分盐度SR等于35.165 04 g·kg－1，其绝对误差等于±0.007 g·kg－1［3］。因此，SP和SR的之间的差值 0.165 04接近于参考成分盐度绝对误差的24倍，与目前测量海水盐度的能力相比(可以精确到 +0.002 g·kg－1)，这个差值也是很大的［3］。这个值差的主要误差源有2个:其一，早期在利用蒸发方法估计盐度时，溶解质中一些挥发性物质挥发了，所以溶解质的数量被低估了;其二，Knudsen盐度公式依据氯度近似确定盐度时，只是基于分析了4个海区的9个样品，并不能准确代表其他海区的状况。

2.2 绝对盐度SA

绝对盐度SA为单位海水中的溶质质量与海水质量之比，按定义是1 kg海水中所含溶解物质的质量。与实用盐度标度相比，利用绝对盐度作为表述盐度的参数具有巨大的优势。采用绝对盐度作为盐度表述参量来计算海水热物理性质将会更加简单。因为海水热物理性质依赖于绝对盐度，而不是实用盐度。具有相同温度、压力、实用盐度SP的海水，不一定具有相同的密度和焓，除非他们具有相同的绝对盐度。所以，依据海水吉布斯(Gibbs)函数(是绝对盐度SA，温度t和压力p的函数，与实用盐度SP无关)和国际海水热动力方程2010(TEOS－10)，可以准确计算海水的内能、焓、熵、位焓和化学势等性质，而依赖于实用盐标的国际海水状态方程(EOS－80)是不能计算上述性质的。这些热性质的获得对于计算海气之间的热量交换是非常重要的。随着绝对盐度的使用，计算盐度时海水成分区域的变化性得到了系统的考虑，在开阔的海域，这对有海水状态方程计算得到的水平密度梯度具有不平凡的影响［3］。实用盐度标度没有给定国际标准单位，实际上是1个无单位的量纲，而绝对盐度可以用单位(g·kg－1)来表达，这就终止了在海洋科学文献中关于使用“pss”或“psu”而继续存在的争议，可以使海洋学研究文献对于海洋学科以外的科学界更具可读性，达到与国际标准相一致;PSS－78限制了实用盐度SP的范围2＜SP＜42，但是对于一些低盐海冰或者盐度饱和的海水，其盐度范围超过了这个限制，盐度在这些条件下必须给予重新定义，但是对于绝对盐度就不会存在这样的问题。

2.3 绝对盐度计算法则

下面是Millero给出的估计绝对盐度的一个实用方法:首先测量取样海水的实用盐度SP和密度ρ，然后依据国际海水状态方程(EOS－80)，使用取样海水的参考成分盐度SR作为盐度参量替代方程中的实用盐度SP计算海水参考成分密度ρR;然后通过实测密度ρ和参考成分密度ρR之间的差值，估计出绝对盐度偏差

然后利用关系式

估计绝对盐度。图1是估计绝对盐度的机理图。

由于，目前海水密度观测数据还不充足，基于上述测量密度和参考成分密度的方法受困于资料缺乏的限制。McDougall设计了1种估计绝对盐度的算法，其绝对盐度计算公式为

图1 估计绝对盐度流程图Fig.1 Estimate absolute salinity flowsheet

绝对盐度偏差δSA是经度φ、纬度λ和压力p的函数。当取样海水具有标准成分(如海水参考成分的百分数与北大西洋表层海水一样)，绝对盐度偏差为0，若海水不具有标准成分，则需要估计绝对盐度偏差，在北太平洋最北部，这个偏差可以达到0.025 g·kg－1［4］。下面给出估计绝对盐度偏差δSA的法则。

前面已经提到，目前海水密度观测数据还不充足，通过实测密度和计算参考成分密度来估计绝对盐度的方法受困于数据资料缺乏的限制。为了扩充数据来源，需要利用绝对盐度偏差与硅酸盐浓度之间的近似关系，下面是适用于不同海域的绝对盐度偏差δSA计算公式［2］:

1)适用于全球

2)适用于南半球高纬度海域(南纬30°以南海域，λ≤ －30°)

3)分别适用于太平洋、印度洋、大西洋海域(南纬30°以北海域，λ≥ －30°)

依据上述McDougall绝对盐度模型，已知取样海水实用盐度、地理位置(包括压力、纬度、所属海域)和硅酸盐浓度，选择模型公式计算出绝对盐度偏差，进而计算出绝对盐度。

3 结语

与实用盐度标度相比，利用绝对盐度作为表述盐度的参数将会具有多方面的优点，利用绝对盐度计算海水热学性质和物理性质(如密度、内能、焓、熵、位焓和化学势等)将会更加简单和准确。在世界大洋不同海域，海水密度受区域海水成分变化影响的研究的逐渐深入，随着密度测量数据的增加，计算绝对盐度偏差的方法及估计绝对盐度的方法将会得到进一步的改进;而且新旧盐度定义的优缺点比较需要在理论分析的基础上，通过大量试验数据来验证;新盐度定义被广泛运用后，之前使用实用盐度标度表述盐度的各种数据资料是否需要转化成新盐度定义资料、转化方法以及转化过程中出现的问题都是值得研究的问题。

［1］包万友，刘喜民，张昊.盐度定义的狭义性与广泛性［J］.海洋学报，2001，23(2):52 －56.

BAO Wan-you，LIU Xi-min，ZHANG Hao.The narrow and broad senses on the salinty scale［J］.Acta Oceanologica Sinica，2001，23(2):52 －56.

［2］冯士莋，李凤歧，李少菁.海洋科学导论［M］北京:高等教育出版社，1999.58 －69.

［3］McDOUGALL T J，FEISTEL R，MILLERO F J，et al.Calculation of the thermophysical properties of seawater［R］.Global Ship-based Repeat Hydrography Manual(14)，2009.

［4］IOC，SCOR and IAPSO.The international thermodynamic equation of seawater-2010:.Calculation and use of the thermodynamicproperties［R］.IntergovernmentalOceanographic Commission，Manuals and Guides(56)，2010.

［5］McDOUGALL T J，JACKETT D R，MILLERO F J.An algorithm for estimating absolute salinity in the global ocean［J］.Ocean Science Discussions.2009，(6):215 －242.

［6］韩悦文.用于溶液盐度测量的光纤传感技［A］.中国学位论文全文数据库［C］.福州:福建师范大学，2005.

The new algorithm of seawater salinity based on the parameter of absolute salinity

LU Xiao-ting1，2，PU Xing-xiao1，WANG Dan1，LI Wei-hua1
(1.Navy Submarine Academy，Qingdao 266000，China;2.Meteorological and Hydrographical Bureau of General Staff，Beijing 100091，China)

Via summarize and analyse the literaturethe of former oceanographers，first of all，the paper introduces both the traditional and new definition of seawater salinity，which based on the parameter of absolute salinity.Their virtue and disadvantage were compared and analyzed.Come to the conclusion that it is more convenience and accurate to use absolute salinity than practical salinity to describe seawater salinity.At the end of this paper，the author introduces an algorithm for estimating absolute salinity，and some existed key problems which need to be solved in the future are proposed.

definition of salinity;practical salinity;absolute salinity;absolute salinity anomaly;reference composition salinity

P731.12

A

1672－7649(2012)03－0126－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.029

2011－04－14;

2011－05－18

卢晓亭(1972－)，男，硕士生导师，专业方向为海洋物理及其军事应用。