海洋物理學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

海洋物理學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史物理001班邢玉春海洋物理學(xué)是以物理學(xué)的理論、技術(shù)和方法，研究海洋中的物理現(xiàn)象及其變化規(guī)律，并研究海洋水體與大氣圈、巖圈和生物圈的相互作用的科學(xué)。它是海洋科學(xué)的一個(gè)重要分支，與大氣科學(xué)、海洋化學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)、海洋生物學(xué)有密切的關(guān)系，在海洋運(yùn)輸、資源開(kāi)發(fā)、環(huán)境保護(hù)、軍事活動(dòng)、海岸設(shè)施和海底工程等方面有重要的應(yīng)用。海洋物理學(xué)作為海洋科學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支學(xué)科，始于19世紀(jì)末葉，但其下屬一些分支的發(fā)展歷史，卻可追溯到自然地理學(xué)和海洋學(xué)的萌芽時(shí)代。海洋物理學(xué)發(fā)展史，可概括為三個(gè)階段：海洋考察；早期的理論研究和觀測(cè)儀器的研制；現(xiàn)代海洋學(xué)。早在公元前三世紀(jì)，希臘學(xué)者畢塞亞斯在北?？疾熘?，就初步進(jìn)行了潮汐和地磁偏角的觀測(cè)，但是專門的海洋考察則始自19世紀(jì)。其中較著名的有"閃電"號(hào)(1868)、"豪豬"號(hào)(1869～1870)等的海洋考察。特別是英國(guó)"挑戰(zhàn)者"號(hào)(1872～1876)具有劃時(shí)代意義的環(huán)球海洋考察。19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，德國(guó)"羚羊"號(hào)對(duì)世界大洋的考察，法國(guó)"勞動(dòng)者"號(hào)和"法寶"號(hào)對(duì)北大西洋的考察，美國(guó)"企業(yè)"號(hào)的環(huán)球考察，都涉及到海洋物理學(xué)的內(nèi)容。這些考察，從實(shí)踐上為海洋物理學(xué)的早期發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。以后陸續(xù)出現(xiàn)許多專門的海洋考察活動(dòng)，內(nèi)容更加廣泛和深入，例如德國(guó)"流星"號(hào)的南大西洋考察，美國(guó)"卡內(nèi)基"號(hào)的地磁觀測(cè)，瑞典"信天翁"號(hào)對(duì)三大洋赤道無(wú)風(fēng)帶的深?？疾斓龋紡牟煌姆矫娲龠M(jìn)了海洋物理學(xué)的發(fā)展。從17世紀(jì)到19世紀(jì)末葉，一些杰出的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家曾對(duì)海洋中的某些物理現(xiàn)象進(jìn)行過(guò)研究，為海洋物理學(xué)中一些分支的形成和發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。在潮汐理論方面。1687年，英國(guó)牛頓根據(jù)他發(fā)現(xiàn)的萬(wàn)有引力定律，用引潮力解釋了潮汐的成因；1740年，瑞士伯努利建立了平衡潮學(xué)說(shuō)；1775年，法國(guó)拉普拉斯建立了潮汐動(dòng)力學(xué)理淪，給出了考慮地轉(zhuǎn)偏向力影響的潮汐動(dòng)力學(xué)方程組，及在特定條件下的特解；1845年，英國(guó)艾里提出了潮汐的長(zhǎng)渠波動(dòng)理論，并對(duì)其進(jìn)行了較深入的研究；1872～1879年，英國(guó)湯姆遜(開(kāi)爾文)設(shè)計(jì)了潮汐分析和預(yù)報(bào)的機(jī)械裝置；1878～1891年，英國(guó)達(dá)爾文研究了地球潮汐，并提出了海洋潮汐分析和預(yù)報(bào)的調(diào)和分析方法。在波浪理論方面。1802年，捷克格爾斯特納發(fā)表了深水表面波的理論；1839年，英國(guó)格林建立了小振幅波理論，并導(dǎo)出了以波長(zhǎng)表示的相速公式；1847年，英國(guó)斯托克斯建立了有限振幅波理論和小振幅內(nèi)波理論，后來(lái)在1876年又提出了與波動(dòng)能量傳播有關(guān)的群速公式。1857年，英國(guó)湯姆遜(開(kāi)爾文)首先導(dǎo)出了深海海水的絕熱溫度梯度公式；1898年，挪威皮耶克尼斯推廣了理想斜壓流體的環(huán)流定理，發(fā)表了適用于旋轉(zhuǎn)地球上的環(huán)流定理。在海洋聲學(xué)研究方面。1825年，瑞士科拉東和法國(guó)斯圖謨?cè)谌諆?nèi)瓦測(cè)量了聲在水中的傳播速度；1912年，美國(guó)費(fèi)森登設(shè)計(jì)并制造了一種新型的動(dòng)圈換能器，從而制成第一臺(tái)水下發(fā)信和回聲探測(cè)設(shè)備。此后，又開(kāi)始了聲在海洋中的傳播規(guī)律的研究。在海洋電磁理論方面。1831年，英國(guó)法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并于1832年指出，在地磁場(chǎng)中流動(dòng)的海水，就像在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的金屬導(dǎo)體一樣，也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；1851年，英國(guó)渥拉斯頓在橫過(guò)英吉利海峽的海底電纜上，檢測(cè)到與潮汐周期相同的電位變化，證實(shí)了法拉第的預(yù)言。19世紀(jì)末葉到20世紀(jì)初，隨著海洋調(diào)查的進(jìn)一步發(fā)展，海洋物理學(xué)的研究進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。這一階段的主要標(biāo)志是，應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)的方法來(lái)研究海洋環(huán)流。例如，1902年，挪威桑德斯特勒姆和海蘭·漢森基于旋轉(zhuǎn)地球上的環(huán)流定理，發(fā)展了在現(xiàn)代海洋環(huán)流研究和海洋調(diào)查中廣泛應(yīng)用的"動(dòng)力計(jì)算"方法。1901年和1905年，瑞典?？寺鼘?duì)美國(guó)莫里在1855年指出的海面風(fēng)和表層海流之間的關(guān)系，作出了理論的解釋，從而建立了風(fēng)漂流理論。自此以后，海洋物理學(xué)的研究即以海洋環(huán)流理論研究為重點(diǎn)，密切結(jié)合水文物理和化學(xué)要素的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，不斷地向前發(fā)展。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，海洋物理要素的調(diào)查監(jiān)測(cè)技術(shù)和研究設(shè)備日益完善，各種海洋過(guò)程的理論模式和海洋信息處理系統(tǒng)相繼建立，以浮標(biāo)陣為主體的海上現(xiàn)場(chǎng)對(duì)測(cè)試驗(yàn)，及包括航天遙感技術(shù)在內(nèi)的新技術(shù)，得到廣泛應(yīng)用，都有力地促進(jìn)了現(xiàn)代海洋物理學(xué)的研究，沿著理論和觀測(cè)實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合的途徑向前發(fā)展。海洋物理學(xué)基本內(nèi)容海洋物理學(xué)的主要研究海水各類運(yùn)動(dòng)和海洋與大氣及巖圈的相互作用的規(guī)律，為海況和天氣的監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)提供依據(jù)；研究海洋中的聲、光、電現(xiàn)象和過(guò)程，以掌握其變化和機(jī)制；研究海洋探測(cè)的各種物理學(xué)方法，從而實(shí)現(xiàn)有計(jì)劃地在海上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的專題觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這三方面的研究，形成了海洋物理學(xué)中一系列的分支學(xué)科，其中主要的有物理海洋學(xué)、海洋氣象學(xué)、海洋聲學(xué)、海洋光學(xué)、海洋電磁學(xué)和河口海岸帶動(dòng)力學(xué)等等。物理海洋學(xué)是現(xiàn)代海洋物理學(xué)中最早發(fā)展起來(lái)的一個(gè)分支學(xué)科，其研究?jī)?nèi)容最為廣泛。物理海洋學(xué)主要研究發(fā)生在海洋中的流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程，其中包括海洋中的熱量平衡和水量平衡，海水的溫度、鹽度和密度等海洋水文狀態(tài)參數(shù)的分布和變化，海洋中各種類型和各種時(shí)空尺度的海水運(yùn)動(dòng)(如海流、海浪、潮汐、內(nèi)波、風(fēng)暴潮、海水層結(jié)的細(xì)微結(jié)構(gòu)和湍流等)及其相互作用的規(guī)律等等。海洋氣象學(xué)是物理海洋學(xué)和氣象學(xué)密切結(jié)合的一個(gè)邊緣學(xué)科，它主要研究發(fā)生在誨洋和大氣邊界層中的熱量、動(dòng)量和物質(zhì)交換過(guò)程，海洋與大氣的大。中尺度相互作用和中、長(zhǎng)期的海況及氣候變遷規(guī)律，海上天氣過(guò)程和現(xiàn)象，特別是危險(xiǎn)性天氣過(guò)程的預(yù)報(bào)。海洋聲學(xué)是研究聲波在海洋水層、沉積層和海底巖層中的傳播規(guī)律，及在海洋探測(cè)和海洋開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用的學(xué)科，其主要研究?jī)?nèi)容包括海洋中聲的傳播和聲速分布、聲吸收和聲散射、海洋中的自然噪聲、海洋水層中的聲學(xué)探測(cè)。海底聲學(xué)特性和海底聲學(xué)勘探等等。海洋電磁學(xué)主要研究海洋的電磁特性，海洋中的天然電磁場(chǎng)和電磁波的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及傳播規(guī)律，電磁波在海洋探測(cè)和通信及海洋開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。海洋光學(xué)的研究?jī)?nèi)容，在基礎(chǔ)研究方面主要是海洋輻射傳遞過(guò)程的研究，以及海面光輻射、水中能見(jiàn)度、海水光學(xué)傳遞函數(shù)、激光與海水相互作用等研究；在應(yīng)用研究方面主要是遙感、激光、水中照相工程等海洋探測(cè)方法和技術(shù)的研究河口海岸帶動(dòng)力學(xué)主要研究河口地帶和海岸地帶中海水的各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律，河口海岸帶地形地貌的變化及產(chǎn)生這些變化的動(dòng)力因素。這些研究對(duì)海岸防護(hù)、港口建筑等都有密切的關(guān)系。此外，隨著現(xiàn)代海洋資源開(kāi)發(fā)和近岸海區(qū)海洋學(xué)研究的進(jìn)一步發(fā)展，在海洋物理學(xué)的研究領(lǐng)域中，正在形成一些帶有區(qū)域性的派生學(xué)科，如陸架物理海洋學(xué)等等。海洋物理學(xué)的發(fā)展，在很大程度上取決于觀測(cè)技術(shù)和觀測(cè)方法?，F(xiàn)代海洋物理學(xué)的觀測(cè)技術(shù)，將朝著自動(dòng)化、遙感化的方向發(fā)展。人們將廣泛利用人造衛(wèi)星進(jìn)行全球性海洋物理方面的觀測(cè)，并建立國(guó)際間的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，以儲(chǔ)存、交換和處理海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)。這些將促進(jìn)海洋物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。海洋開(kāi)發(fā)將是未來(lái)海洋科學(xué)的發(fā)展方向。在海洋農(nóng)牧化、捕撈、海洋石油勘探、海洋能源利用等開(kāi)發(fā)活動(dòng)中，將不斷對(duì)海洋物理學(xué)提出更高的要求。物理海洋學(xué)是運(yùn)用物理學(xué)的觀點(diǎn)和方法研究海洋中的力場(chǎng)、熱鹽結(jié)構(gòu)、以及相關(guān)的各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)的時(shí)空變化，并研究海洋中的物質(zhì)交換、動(dòng)量交換、能量的交換和轉(zhuǎn)換的學(xué)科，是海洋物理學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科。物理海洋學(xué)所研究的對(duì)象，是人類和生物賴以生存和生活的海洋中的物理環(huán)境。這種環(huán)境中的物理過(guò)程，與地球上的氣候和天氣的形成和變化、海洋生物的生存和生活、海洋中物質(zhì)和熱量的輸送、海岸和海底的侵蝕和變化，以及海洋的交通運(yùn)輸和軍事活動(dòng)等，都有密切的關(guān)系。在物理海洋學(xué)的理論研究中，主要是運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的原理，對(duì)一些理想化的或經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的問(wèn)題，通過(guò)解析求解，進(jìn)行模式化的研究；對(duì)于比較復(fù)雜的問(wèn)題，則借助于電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬求解。在解析的和數(shù)值的求解手段以外，還可通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行研究。由于海洋中的物理現(xiàn)象和過(guò)程，具有隨機(jī)性，故常應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)和隨機(jī)過(guò)程的理論，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。物理海洋學(xué)所研究的問(wèn)題，可概括為海洋熱鹽結(jié)構(gòu)、海水宏觀運(yùn)動(dòng)、海-氣相互作用、海洋湍流四個(gè)主要方面。海水熱鹽結(jié)構(gòu)是研究海洋水體的熱平衡和物質(zhì)平衡、溫度、鹽度、壓力、密度等的時(shí)空變化、鉛直斷面上的溫度和密度分布、海洋中的海水混合、擴(kuò)散和層結(jié)、鋒面和躍層的形成、溫度-鹽度曲線和水團(tuán)的生成、水團(tuán)的邊界(鋒面)和混合、暖水和冷水間成篦齒狀的水平交錯(cuò)排列、海冰的成因和消長(zhǎng)，海水的絕熱壓縮、絕熱膨脹和位溫，海洋中等熵面的形成及其分布等。海水宏觀運(yùn)動(dòng)是研究重力場(chǎng)中海水的非周期性和周期性運(yùn)動(dòng)，一般又分為海洋環(huán)流、海洋波動(dòng)和海洋潮汐三種，這是物理海洋學(xué)的主要研究對(duì)象。海洋環(huán)流是研究風(fēng)引起的海流和密度分布不均勻所產(chǎn)生的密度流、大洋環(huán)流中流旋的生成和分布、大洋環(huán)流西向強(qiáng)化、海流的彎曲和變異、近赤道地區(qū)的流系結(jié)構(gòu)、南極繞極流，大洋熱鹽環(huán)流，深海環(huán)流和與主躍層的關(guān)系，海水的輻散和輻合運(yùn)動(dòng)與升降流及朗繆爾環(huán)流等的關(guān)系，中尺度渦及其能量轉(zhuǎn)換，冰漂流等特殊的流動(dòng)現(xiàn)象，海洋對(duì)風(fēng)應(yīng)力等的反應(yīng)，以及近岸海區(qū)的環(huán)流等等；海洋波動(dòng)是研究海浪的生成和消長(zhǎng)，風(fēng)浪中的能量，風(fēng)速、風(fēng)區(qū)、風(fēng)時(shí)與海浪要素之間的關(guān)系，海浪譜及其源函數(shù)的結(jié)構(gòu)，波-波非線性相互作用中的能量轉(zhuǎn)移，海浪的折射、繞射和反射，海洋近岸波及其相應(yīng)的沿岸流和高岸流，海洋中的羅斯比波、陸架攔獲波和邊緣波、海洋內(nèi)波、海嘯等等。海洋潮汐是研究引潮力、引潮勢(shì)和分潮之間的關(guān)系，潮汐靜力學(xué)理論和潮汐動(dòng)力學(xué)理論，潮波方程及其數(shù)值解，潮汐分析和推算原理，海平面及其變化，風(fēng)暴潮，港灣潮汐余流，淺海潮波和海底摩擦對(duì)潮流的影響，河口區(qū)的潮汐混合，以及潮汐表的制作，各種特殊海域的潮汐，潮流、潮汐和風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)等。海-氣相互運(yùn)動(dòng)是研究海-氣界面分子過(guò)程的動(dòng)量、熱量、水汽和其他物質(zhì)的輸送，近海面湍流邊界層中的湍流能量方程，湍流的鉛直結(jié)構(gòu)，湍流邊界層中各種參量的確定及邊界層模式，大氣與海洋間的動(dòng)量和能量的傳遞，及其與風(fēng)海流和風(fēng)浪生成的關(guān)系，大尺度和中尺度的運(yùn)動(dòng)，及其相互作用與天氣預(yù)報(bào)及海況預(yù)報(bào)的關(guān)系，海洋對(duì)大氣的反饋?zhàn)饔脤?duì)全球大氣環(huán)流及氣候變化的影響等。海洋湍流是研究在海洋的上混合層、內(nèi)層和近底邊界層中的湍流發(fā)生機(jī)制，風(fēng)生漂流和內(nèi)波場(chǎng)等流速鉛直梯度與湍流發(fā)生的關(guān)系，海洋湍流的譜結(jié)構(gòu)，湍流能量的轉(zhuǎn)換和守恒，海洋湍流的局地相似性，在低緯度和中緯度海域形成溫躍層時(shí)的表層水和下層水間的混合交換作用，以及由于雙擴(kuò)散等作用所導(dǎo)致的水溫階梯式分布和鹽指現(xiàn)象等海洋細(xì)微結(jié)構(gòu)。物理海洋學(xué)與海洋科學(xué)中的許多分支學(xué)科有著密切的關(guān)系，例如：在研究海洋中的熱鹽結(jié)構(gòu)、海流形成和熱鹽環(huán)流機(jī)制時(shí)，重要的是要了解海水的溫度和鹽度的分布和變化，從而了解海水密度的分布和變化，這就需要精確測(cè)定海水鹽度；要確定海洋中的地轉(zhuǎn)流無(wú)運(yùn)動(dòng)面的位置時(shí)，有時(shí)還須參照海洋中溶解氧的分布和含氧量最小的位置。某些海洋生物，如海水中的浮游生物，或被海流攜至遠(yuǎn)方，或棲息在某種海流之中，它們有時(shí)可用作確定海流分布及其位置的指標(biāo)，因此物理海洋學(xué)的研究，也與生物海洋學(xué)發(fā)生聯(lián)系。海岸的形狀和海底的地形，會(huì)改變和影響海流的方向和速度，起著摩擦阻遏作用，還可導(dǎo)致海流不穩(wěn)定，正因?yàn)槿绱?，陸架波和邊緣波也發(fā)生在近岸海域。然而海底摩擦的強(qiáng)弱和湍流邊界層的形成，都取決于海底沉積物的性質(zhì)和分布。海底沉積物可以隨海流遷移，故可以利用海洋沉積物的種類和來(lái)源，確定海流的來(lái)去動(dòng)向。這些又都是物理海洋學(xué)和地質(zhì)海洋學(xué)之間的聯(lián)系。另外，海水的許多運(yùn)動(dòng)，都是由風(fēng)驅(qū)動(dòng)的，而且海洋對(duì)大氣有著重要的影響，這就使物理海洋學(xué)和海洋氣象學(xué)之間有密切的關(guān)系。海洋光學(xué)海洋光學(xué)是光學(xué)與海洋學(xué)之間的邊緣科學(xué)。它主要研究海洋的光學(xué)性質(zhì)、光輻射與海洋水體的相互作用、光在海洋中的傳播規(guī)律，以及和海洋激光探測(cè)、光學(xué)海洋遙感、海洋中光的信息傳遞等應(yīng)用技術(shù)有關(guān)的基礎(chǔ)研究。海洋光學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史早在19世紀(jì)初，就有人用透明度盤目測(cè)自然光在海中的鉛直衰減。不過(guò)直到19世紀(jì)末，海洋學(xué)家才開(kāi)始注意研究海洋的光學(xué)性質(zhì)，并結(jié)合海洋初級(jí)生產(chǎn)力的研究，用光電方法測(cè)量海洋的輻照度。到了20世紀(jì)30年代，瑞典等國(guó)的科學(xué)家設(shè)計(jì)制造了測(cè)定海水的線性衰減系數(shù)、體積散射系數(shù)和光輻射場(chǎng)分布的海洋光學(xué)儀器，進(jìn)行了一系列現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。從第二次世界大戰(zhàn)后到20世紀(jì)60年代中期，是海洋光學(xué)的形成時(shí)期，人們研制了各種測(cè)定海洋水體光學(xué)性質(zhì)的海洋光學(xué)儀器，對(duì)各大洋光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和調(diào)查。1947～1948年，瑞典科學(xué)家在環(huán)球深海調(diào)查中，首次將海洋光學(xué)調(diào)查列入海洋調(diào)查計(jì)劃，測(cè)量了海水中光的輻照度、衰減和散射等；1950～1952年，丹麥人在環(huán)球深海調(diào)查中，致力研究了重要海區(qū)的初級(jí)生產(chǎn)力和光輻照之間的關(guān)系；1957～1958年，在國(guó)際地球物理年的調(diào)查中，測(cè)量了北大西洋的水文要素和光學(xué)參數(shù)，并研究其相互的關(guān)系；美國(guó)普賴森多費(fèi)爾提出了比較系統(tǒng)的海洋光學(xué)理論，發(fā)展了海洋輻射傳遞理論；一些學(xué)者對(duì)水中能見(jiàn)度理論、海洋光學(xué)測(cè)量模型、光輻射場(chǎng)與海水固有光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。20世紀(jì)60年代中期以后，是海洋光學(xué)的發(fā)展階段。隨著近代光學(xué)、激光、計(jì)算機(jī)科學(xué)、光學(xué)遙感和海洋科學(xué)的發(fā)展，開(kāi)拓了海洋光學(xué)研究的新領(lǐng)域。特別是結(jié)合信息傳遞的要求，理論上用蒙特-卡羅法定量地計(jì)算各種復(fù)雜模型的海洋輻射傳遞過(guò)程，使海洋輻射傳遞基礎(chǔ)研究日趨完善，并較好地解決了激光在水中的傳輸、海面向上光輻射與海水固有光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系等問(wèn)題。目前，海洋光學(xué)已發(fā)展成為一門內(nèi)容豐富、有相當(dāng)應(yīng)用價(jià)值的光學(xué)分支學(xué)科，使海洋光學(xué)從傳統(tǒng)的唯象研究轉(zhuǎn)入物理的和技術(shù)的研究。海洋光學(xué)的研究?jī)?nèi)容海洋光學(xué)主要研究海洋水體對(duì)光輻射的散射、吸收、光譜等性質(zhì)及光輻射在海洋中的傳播規(guī)律。海水對(duì)光具有強(qiáng)散射和強(qiáng)吸收，其散射系數(shù)比大氣約高4～6個(gè)數(shù)量級(jí)。其散射函數(shù)前向性很強(qiáng)，海水的光譜透射分布主要決定于吸收。海中光傳播規(guī)律主要決定于多次散射，研究海中光傳播規(guī)律的海洋輻射傳遞理論是海洋光學(xué)的核心問(wèn)題。已知海洋水體的散射函數(shù)和吸收系數(shù)，對(duì)海洋輻射傳遞方程求解，即可得到日光、人工光源和激光在海水中的傳播規(guī)律。反之，由輻射場(chǎng)確定海水基本性質(zhì)，是遙測(cè)海洋技術(shù)的基本方法。海洋光學(xué)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究主要包括水中對(duì)比度及圖像傳輸研究，海洋水體光學(xué)傳遞函數(shù)研究，激光與海洋水體相互作用研究和探測(cè)海洋的光學(xué)遙感模式研究等。激光與海洋水體的相互作用主要是研究海水激光熒光光譜、受激喇曼散射。海洋激光雷達(dá)所激起的海水激光熒光光譜是探測(cè)海水化學(xué)組分的基本遙測(cè)方法。海水受激喇曼散射隨溫度增高而紅移，這種物理現(xiàn)象是激光雷達(dá)遙測(cè)海洋表層溫度剖面的有效方法，精度可達(dá)±0.5攝氏度。利用多光譜遙感資料，根據(jù)海水中葉綠素強(qiáng)吸收光譜和透射光譜的比值，探測(cè)海洋葉綠素含量的方法稱為光譜比值法。根據(jù)海水光譜透射特性及淺水海底反射光反映在多光譜遙感信息的差異，可大面積獲取淺水水深的資料。河口泥沙分布、海區(qū)峰面運(yùn)動(dòng)、水團(tuán)分布等都可由多光譜遙感信息經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理獲取。對(duì)海洋光學(xué)的開(kāi)發(fā)研究也稱為海洋光學(xué)工程。60年代以來(lái)比較活躍的領(lǐng)域有：水下攝影系統(tǒng)，包括潛水員操縱的水下攝像系統(tǒng)、水下照相系統(tǒng)以及深潛球裝備的水下觀察系統(tǒng)；海洋探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括激光測(cè)深儀、激光熒光光譜儀、激光喇曼光譜儀等；海洋光學(xué)儀器，包括水中照度計(jì)、水中準(zhǔn)直光透射率計(jì)、水中光散射儀、水中分光光度計(jì)等。海洋光學(xué)與物理海洋學(xué)的研究密切相關(guān)。通過(guò)測(cè)定海水的光學(xué)性質(zhì)，為研究海流、上升流、海洋峰、水團(tuán)等海洋細(xì)微結(jié)構(gòu)提供了一種有效的手段；隨機(jī)海面的光學(xué)研究，為遙測(cè)海浪方向譜建立了物理模型，并為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定海浪要素提供了快速而又有效的手段。海洋生物初級(jí)生產(chǎn)力的研究和調(diào)查，與海中輻照度的分布、海水輻射能密度分布海中輻射能的貯存等有直接的關(guān)系。例如，探測(cè)海洋的光學(xué)遙感傳感器的波段、視場(chǎng)角和動(dòng)態(tài)范圍等參數(shù)，都要根據(jù)海面光譜輻射的數(shù)據(jù)來(lái)確定。海洋光學(xué)的發(fā)展與近代光學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)，光電子學(xué)方法是海洋光學(xué)測(cè)量的主要手段。激光技術(shù)的發(fā)展，例如可調(diào)諧激光、水中新型藍(lán)-綠激光、高時(shí)間分辨率激光技術(shù)等，已成為海水激光光譜研究的重要手段，是發(fā)展海洋探測(cè)激光雷達(dá)的技術(shù)基礎(chǔ)。近代光學(xué)信息處理和信息傳遞理論，為海洋中光信息傳遞的研究及隨機(jī)量的統(tǒng)計(jì)分析研究奠定了基礎(chǔ)。在現(xiàn)代海洋光學(xué)的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面的研究中，還有不少課題有待于深入研究。例如，鑒于單色光輻射傳遞模型已不能滿足多光譜水色遙感的要求，必須進(jìn)一步研究海洋輻射傳遞的逆問(wèn)題，尤其是淺海和表層光譜輻射傳遞、非均勻水體光譜輻射傳遞、海-氣系統(tǒng)光譜輻射傳遞逆問(wèn)題的物理模型和計(jì)算方法；激光在水中單程的平衡態(tài)的傳輸過(guò)程的研究，已不能滿足激光雷達(dá)探測(cè)海洋的要求，必須深入研究窄光束反向多次散射的輻射傳遞，和非平衡態(tài)輻射傳遞模型及其計(jì)算方法。再如，傳統(tǒng)的船測(cè)方法已不能滿足近代海洋光學(xué)發(fā)展的要求，必須發(fā)展海洋光學(xué)參數(shù)的遙測(cè)方法，研究新的海洋光學(xué)測(cè)量模型，以發(fā)展新的測(cè)量技術(shù)和測(cè)量?jī)x器。同時(shí)，應(yīng)著重加強(qiáng)應(yīng)用研究，在海洋光學(xué)中不斷引入近代光學(xué)方法和激光新技術(shù)，繼續(xù)開(kāi)拓海洋光學(xué)在海洋開(kāi)發(fā)、海洋要素的探測(cè)及海洋技術(shù)中的應(yīng)用。海洋光學(xué)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究不斷沿用現(xiàn)代光學(xué)方法，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。海洋光學(xué)是許多學(xué)科的交叉點(diǎn)，其發(fā)展將與現(xiàn)代光學(xué)、海洋學(xué)、空間遙感技術(shù)、信息科學(xué)等密切相關(guān)。海洋光學(xué)所取得的成就及其發(fā)展，使它已成為一門新的光學(xué)分支學(xué)科。海洋聲學(xué)海洋聲學(xué)是研究聲波在海洋中傳播的規(guī)律，和利用聲波探測(cè)海洋的科學(xué)，是海洋學(xué)和聲學(xué)的邊緣學(xué)科。1826年，瑞士物理學(xué)家科拉東和法國(guó)數(shù)學(xué)家斯圖謨?cè)谌諆?nèi)瓦湖測(cè)量聲在水中傳播的速度，開(kāi)始了現(xiàn)代水聲學(xué)的研究。1911年，有人用炸藥筒作聲源，進(jìn)行了最初的水下回聲測(cè)探實(shí)驗(yàn)，并記錄到海底的回聲。1912年，美國(guó)科學(xué)家費(fèi)森登設(shè)計(jì)并制造的一種新型動(dòng)圈換能器，是第一臺(tái)水下發(fā)信和回聲測(cè)探設(shè)備。第一次世界大戰(zhàn)中，由于潛艇在水下作戰(zhàn)的需要而研制出聲吶，從而發(fā)展了聲波在海洋中傳播的理論。在不同海區(qū)、不同季節(jié)和晝夜使用聲吶時(shí)，發(fā)現(xiàn)聲吶的作用距離與海洋水文要素、波浪、海流、內(nèi)波、海底地質(zhì)地貌、海洋環(huán)境噪聲和海中浮游生物等有密切關(guān)系。因此，20世紀(jì)50年代以后，逐漸形成了研究聲波在海洋中傳播的規(guī)律，和利用聲波探測(cè)研究海洋的新的學(xué)科分支--海洋聲學(xué)。此后，聲波被廣泛應(yīng)用于探測(cè)海底沉積物和地層結(jié)構(gòu)，海底的地形地貌，海水的流動(dòng)，海水的溫度和流速的不均勻性，海水中各種物體如魚群、深海散射層、冰山和沉船，海面的波浪和水下的內(nèi)波等，并可用于臺(tái)風(fēng)和海嘯等自然災(zāi)害的預(yù)報(bào)。此外，它還用于水下導(dǎo)航、定位、信號(hào)傳遞和遙控等技術(shù)中。聲波能在海洋中遠(yuǎn)距離傳播，但在傳播的過(guò)程中，海水的溫度分布和鹽度分布、海面和海底的狀況、海水的運(yùn)動(dòng)，海中包含的各種不均勻體如氣泡和生物等，都能產(chǎn)生很大的影響。海水由于受太陽(yáng)輻射加熱和風(fēng)力攪拌等的影響，其溫度的垂直分布一般呈分層結(jié)構(gòu)，加上壓力的影響，使海洋中的聲速呈垂直分布。從聲速最低的地方發(fā)射的聲波，由于上下層的聲速不同而發(fā)生折射，反映聲波傳播途徑的聲線，總是彎向聲速最低的地方。大部分聲波在海水中經(jīng)過(guò)這樣的往復(fù)彎曲折射，而不與海面和海底接觸，故能量損失很小，這種現(xiàn)象稱為聲道現(xiàn)象，聲速最低的地方稱為聲道軸。低頻聲波在聲道中能傳播到很遠(yuǎn)的地方，例如一千克TNT炸藥的爆炸聲，能在聲道中傳播一萬(wàn)公里以上，故可以利用聲道的這種特性，傳送失事的飛機(jī)和船只的呼救信號(hào)，監(jiān)測(cè)水下的地震、火山爆發(fā)和海嘯等。風(fēng)浪的攪拌，使表層海水形成等溫層。其中的靜壓力，使聲速隨深度的增加而略有增加。等溫層內(nèi)自聲源出發(fā)的聲線總是彎曲向上，經(jīng)海面反射而向前傳播，也可以傳播到較遠(yuǎn)的地方，稱為表面聲道。在無(wú)風(fēng)浪攪拌的條件下，表層海水經(jīng)日光照曬，往往出現(xiàn)上層的溫度和聲速都比下層高的情況，使聲速呈負(fù)梯度的垂直分布。在這種情況下，聲波傳播的曲線，總是彎曲向下，在聲能達(dá)不到的地方產(chǎn)生聲影區(qū)。另外，如果海比較淺，則聲線會(huì)碰到海底。由于海底的反射損失大，聲能衰減很大，因此不能傳播得很遠(yuǎn)。海底對(duì)聲波傳播的影響很大，所以聲在淺海中的傳播特征主要依賴于海底的反射本領(lǐng)。海底對(duì)聲波的反射損失，與海底物質(zhì)的密度、聲速和聲波的入射角有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，海底的密度愈大，聲速愈高，反射損失愈??；聲波頻率愈高，海底的反射損失愈大。聲波在海水中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)和粘滯性，使部分聲能被吸收而轉(zhuǎn)化為熱能。在聲波作用下，水分子的結(jié)構(gòu)有從比較松散變得比較緊密的弛豫過(guò)程，使海水對(duì)聲的吸收量增加。對(duì)頻率更低的聲波而言，其聲能的衰減是由于湍流引起的聲散射所造成的，海中的氣泡、海洋生物和懸浮體，都會(huì)散射和反射聲波。散射或反射系數(shù)與物體的大小、介質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同的物體有不同的散射頻率響應(yīng)。海中存在由生物體構(gòu)成的、能強(qiáng)烈散射聲波的深海散射層，它們遍布各大洋，往往分成幾層，其深度隨晝夜和季節(jié)不同而變化，這反映了生物的趨光性。海底底質(zhì)的不均勻和不平整，也會(huì)增加聲波的散射。聲波受波動(dòng)海面的反射，或者穿過(guò)溫度呈微觀不均勻的水團(tuán)時(shí)，其信號(hào)強(qiáng)度和相位都會(huì)發(fā)生起伏。海洋內(nèi)波對(duì)聲的傳播影響很大，會(huì)引起聲波大幅度的緩慢起伏。由于海面波浪、渦流、海洋生物發(fā)聲，水下火山爆發(fā)或地震，海水分子的熱運(yùn)動(dòng)和航船來(lái)往等原因，使海洋中存在噪聲，它是聲吶的一種強(qiáng)干擾。利用海洋水文要素對(duì)聲傳播的影響，可以反推海洋的特性，這是海洋聲學(xué)的重要課題。海水中的溫度、鹽度、壓力和流速，都影響著海水中的聲速。聲波在海流中傳播時(shí)，順流則聲速增加，逆流則反之。利用這種現(xiàn)象，在兩定點(diǎn)之間相對(duì)發(fā)出聲信號(hào)，測(cè)量聲波到達(dá)的時(shí)間差，就可以求得海水的流速。在若干點(diǎn)之間進(jìn)行這種測(cè)量，可以監(jiān)視海洋中的中尺度渦等現(xiàn)象，這是聲學(xué)遙測(cè)的重要方法，稱為海洋聲學(xué)層析術(shù)。水中的懸浮體，隨著水流而運(yùn)動(dòng)，故應(yīng)用聲學(xué)技術(shù)觀察這種散射體的運(yùn)動(dòng)，就可以了解海水的運(yùn)動(dòng)情況。利用這種方法，還可以觀察內(nèi)波的規(guī)律，了解沉積物的搬運(yùn)情況，也可以測(cè)量海水的流速。此外，利用聲波起伏規(guī)律來(lái)研究?jī)?nèi)波譜的方法，已很受重視；利用深海散射層的散射頻率響應(yīng)，可以進(jìn)行深海生物的區(qū)系劃分，其結(jié)果和一般的區(qū)系劃分一致；利用魚類對(duì)聲波的散射和反射，可以探測(cè)魚群和了解魚類資源的分布。由波浪產(chǎn)生的500～5000赫的噪聲，與海面的風(fēng)級(jí)和海況有關(guān)。利用此頻率的噪聲，可以監(jiān)測(cè)海面的風(fēng)級(jí)和海況。利用海嘯產(chǎn)生的水下噪聲，可以預(yù)報(bào)海嘯。海洋生物發(fā)出的聲音，與其種類和生活狀態(tài)有關(guān)。監(jiān)聽(tīng)這種聲音的特征以區(qū)分生物的種類，可以掌握其生活規(guī)律，為研究漁業(yè)資源提供信息。此外，有可能利用聲信號(hào)控制海洋生物的活動(dòng)，以滿足人類的需要。在海洋開(kāi)發(fā)中，聲技術(shù)是勘探海底唯一有效的手段，廣泛應(yīng)用的地震勘探儀便是聲技術(shù)應(yīng)用的一例。海底的界面不平整，底質(zhì)內(nèi)部的顆粒大小不一，以及分層和水千方向的不均勻性，都影響著聲波的散射和反射。使用高頻窄水平波束的測(cè)掃聲吶，可以得出海底凸出部分對(duì)聲波的強(qiáng)烈散射和凹下部分的聲陰影區(qū)所構(gòu)成的地貌聲圖。海底沉積物一般都是分層的。因各層的聲學(xué)特性不同，故可以利用聲學(xué)方法測(cè)定海底沉積物的分層情況和各層中的聲速。常用的方法有折射法和反射法，對(duì)于較淺的沉積層，也可以用淺地層剖面儀進(jìn)行測(cè)量。利用聲學(xué)遙感技術(shù)對(duì)海底的底質(zhì)進(jìn)行分類的工作，已得到迅速發(fā)展。它與最新的微電子學(xué)、微計(jì)算機(jī)和換能技術(shù)結(jié)合，廣泛用于水文、地質(zhì)、地貌和生物等領(lǐng)域的測(cè)量，并用于水下定位、導(dǎo)航、通信、遙控、遙測(cè)等各方面，在海洋調(diào)查和海洋開(kāi)發(fā)中起著重要的作用。聲學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，需要更深入地研究聲波在海中的傳播規(guī)律，研究溫度、鹽度、風(fēng)浪、海流、內(nèi)波、海底類型和海中懸浮物等因素對(duì)聲波傳播的影響，以便更好地獲取和識(shí)別聲信號(hào)。聲波在深海中的傳播規(guī)律，已有系統(tǒng)的理論，但在淺海中傳播時(shí)，由于海底和水文條件的多變性，理論計(jì)算很困難，應(yīng)用了電子計(jì)算技術(shù)之后，一些相當(dāng)復(fù)雜的淺海傳播問(wèn)題，已得到初步解決。海洋聲學(xué)的實(shí)驗(yàn)規(guī)模較大，除依靠調(diào)查船外，已大量采用浮標(biāo)和固定岸站來(lái)完成，有些實(shí)驗(yàn)因耗資過(guò)大，往往需要幾個(gè)國(guó)家聯(lián)合進(jìn)行。當(dāng)前利用電子計(jì)算機(jī)，把從發(fā)射到接收聲波的過(guò)程中的波形的變化，反推聲在海中傳播的規(guī)律，進(jìn)而判斷海洋媒質(zhì)的狀態(tài)，將是海洋聲學(xué)研究的一個(gè)新方向。此外，現(xiàn)代的微電子學(xué)、微計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理技術(shù)和換能技術(shù)等的發(fā)展，都對(duì)海洋聲學(xué)的發(fā)展有重要的影響。海洋氣象學(xué)海洋氣象學(xué)是研究海上大氣的物理信息，以及海洋與大氣相互作用規(guī)律的學(xué)科。海洋氣象學(xué)既涉及大氣又涉及海洋，因此它是大氣科學(xué)和海洋科學(xué)共同研究的領(lǐng)域。由于地球表面的絕大部分為海洋所覆蓋，而海水又具有和陸地迥然不同的物理、化學(xué)性質(zhì)，這就決定了海洋在海洋氣象學(xué)研究中的重要地位。海洋氣象學(xué)與人類的生活和生產(chǎn)息息相關(guān)，它的早期發(fā)展淵源于航海事業(yè)的需要。遠(yuǎn)在公元前4～5世紀(jì)，希臘人就已利用地中海特有的季風(fēng)，往返于愛(ài)琴海和埃及之間。后來(lái)，不僅利用季風(fēng)張帆航海，而且把季風(fēng)和陸上的天氣變化聯(lián)系起來(lái)。15世紀(jì)末，哥倫布幾次橫渡大西洋時(shí)，注意到大西洋上信風(fēng)和海流的存在；17世紀(jì)中葉，瑞士基歇爾繪制全球海流圖，指出了大洋環(huán)流和信風(fēng)的關(guān)系；英國(guó)丹皮爾觀察太平洋臺(tái)風(fēng)，提出了臺(tái)風(fēng)是有靜穩(wěn)中心的旋轉(zhuǎn)性風(fēng)暴等見(jiàn)解。此后，他們整理了全球航海記錄，編寫出了有關(guān)海洋氣象的專書。到了18世紀(jì)，英國(guó)哈得來(lái)提出南北兩半球的信風(fēng)理論；19世紀(jì)初，英國(guó)海軍中將蒲福根據(jù)他長(zhǎng)期航海的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出蒲氏風(fēng)級(jí)表；隨后美國(guó)莫里根據(jù)航海日志繪制了風(fēng)和海流圖，并寫出《海洋自然地理學(xué)》一書，專論海洋氣象問(wèn)題，為海洋氣象學(xué)勾劃了初步輪廓。從19世紀(jì)中葉至20世紀(jì)中葉的約一百年的工作，奠定了海洋氣象學(xué)的基礎(chǔ)。1853年在布魯塞爾召開(kāi)的國(guó)際氣象會(huì)議決定，航行于海上的船只必須定時(shí)進(jìn)行氣象觀測(cè)并作出報(bào)告，從此海洋氣象資料有了保障。隨后，英國(guó)"挑戰(zhàn)者"號(hào)考察船對(duì)大西洋和太平洋作了全面的海洋水文氣象調(diào)查；德國(guó)漢堡的海洋氣象臺(tái)，建立并發(fā)布了北海沿岸的暴風(fēng)警報(bào)；20世紀(jì)初，挪威氣象學(xué)家皮耶克尼斯等人提出氣旋生成的極鋒學(xué)說(shuō)，形成氣象學(xué)界獨(dú)樹(shù)一幟的學(xué)派；美國(guó)氣象局編印的全球海洋氣候圖集，為研究海洋氣候提供了便利。第二次世界大戰(zhàn)以后，海洋氣象觀測(cè)技術(shù)和手段的不斷進(jìn)步，特別是衛(wèi)星遙感技術(shù)和大型電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世并廣為應(yīng)用，開(kāi)創(chuàng)了海