《海洋科学导论》第6章潮汐课件.ppt

海洋科学导论第海洋科学导论第6章潮汐章潮汐潮汐现象潮汐现象潮汐概念p 潮汐现象是指海水在天体的引潮力作用下所产生的周期性运动。p这里的天体主要指月球和太阳，引潮力则与天体引力有联系又有区别，周期性运动包括垂直方向上的升降及水平方向上的往复运动，前者称为潮汐、后者则称为潮流。桃园竹园高低潮时示意图潮汐要素l 潮汐要素即描述潮汐曲线的参数。l潮汐曲线是指某固定地点的水面相对于某一基准面(潮汐基准面，通常与海图基准面一致)的铅直高度潮位z(t)间的变化曲线，其横轴为时间t，纵轴为高度z，原点位于平均海平面上。潮汐现象潮汐要素涨潮、高潮、平潮（涨平）、高潮时、高潮高、涨潮时；落潮、低潮、停潮（落停）、低潮高、低潮时、落潮时；潮差、高潮间隙、低潮间隙。r 潮汐要素主要包括：潮汐现象潮汐类型l正规半日潮：在一个太阴日(约24时50分)内有两次高潮和两次低潮，且涨、落潮时及涨、落潮差分别几乎相等。相应港口则为正规半日潮港。潮汐现象r不正规半日潮：潮汐类型 在一个朔望月中，基本上每个太阴日内有两次高潮和两次低潮，但涨、落潮时及涨、落潮差分别不相等。潮汐现象l 正规全日潮：潮汐类型 在一个朔望月中，极大多数太阴日内，只有一次高潮和一次低潮，少数天数里出现两次高潮和两次低潮。潮汐现象l 不正规全日潮：l 不正规半日潮和不正规全日潮通常又称为混合潮。潮汐类型 在一个朔望月中，不足半数的太阴日内，只有一次高潮和一次低潮，其余天数则出现两次高潮和两次低潮。潮汐现象全球各类潮汐分布图潮汐现象绿色：半日潮 黄色：全日潮 红色：混合潮潮汐周期l 潮汐的周期包括半日周期、日周期、半月周期、月周期、年周期及多年周期等。潮汐现象潮汐不等现象l 凡是一天之中两个潮的潮差不等，涨潮时和落潮时也不等，这种不规则现象称为潮汐的日不等现象。高潮中比较高的一个叫高高潮，比较低的叫低高潮；低潮中比较低的叫低低潮，比较高的叫高低潮。l 从潮汐过程曲线还可看出潮差也是每天不同。在一个朔望月中，“朔”、“望”之后二、三天潮差最大，这时的潮差叫大潮潮差；反之在上、下弦之后，潮差最小，这时的潮差叫小潮潮差。潮汐现象与潮汐有关的天文学知识天球l 天球是一个假想的以地球为圆心，无限长为半径的球面，地球之外的天体均分布于其上。l 与地球的南、北极和赤道相对应，天球有南、北天极和天赤道。l 地球上观测点位置与地心的连线分别向上和向下无限延伸与天球的交点称为天顶和天底。l 在天球上，通过南、北天极和天顶(或天底)的大圆称为天子午圈；l 通过天顶、天底和天体的大圆称为天体方位圈。l 通过南、北天极和天体的大圆称为天体时圈；日时圈北天极南天极天子午圈天赤道Earth天顶天底天体方位圈与潮汐有关的天文学知识天球天体视运动与潮汐有关的天文学知识以地球为中心，仰望天空，取任意长为半径的假想球体称为天球，而太阳、月球.等统称为天体，天体之真实运动反映在天球上的运动情形便叫做视运动。天体视运动轨道l 太阳在天球上的周年视运动轨道称为黄道；月球在天球上的月视运动轨道称为白道。l 太阳从南向北穿越天赤道时的交点为春分点(3月22-23日)、从北向南穿越天赤道时的交点则为秋分点(9月22日)；l 月球由南向北穿越黄道的交点为升交点，由北向南穿越黄道的交点为降交点。l 黄道与天赤道的夹角a为2327，而与白道的平均夹角 b为509。Earth春分点夏至冬至秋分点白道北天极南天极天赤道黄道升交点降交点b ba a与潮汐有关的天文学知识赤纬、时角和天顶距l 沿天体时圈从天赤道至天体的弧度称为该天体的赤纬(相当于地理纬度)，用d d表示，范围090，向北为正、向南为负；l 天体时圈与观测者天子午圈在天赤道上的夹角称为该天体的时角，用T表示，规定自东向西计量(西行时角)，范围0360。T=0时称该天体位于上中天；T=180时称下中天。l 在天体方位圈上，天体与天顶之间所张开的弧度称为天顶距，用q q表示，规定由天顶起算，范围0180。与潮汐有关的天文学知识白道北天极南天极天赤道天体方位圈月时圈MZMZ天子午圈EdT上中天下中天q天体视运动ZZ =纬度jMM=月赤纬dSS =日赤纬ZM=月时角TZS =日时角ZEM=天顶距qrM =月赤经rS =日赤经春分夏至冬至E秋分日时圈月时圈MZZ白道北天极南天极SSM天子午圈天赤道黄道qjdTr时间单位l 平太阳及平太阳日、时：在天赤道（而非黄道）上作等速运行，其速度等于运行在黄道上真太阳的平均速度，这个假想的太阳连续两次上中天的时间间隔称为一个平太阳日，其1/24称为1平太阳时。此即通常的日和时。l 平太阴日与平太阳时关系：1平太阴日=24.8412平太阳时 24hr50min与潮汐有关的天文学知识Earth白道北天极南天极天赤道黄道MS天子午圈l 平太阴及平太阴日、时：在天赤道（而非黄道）上作等速运行，其速度等于运行在白道上真太阳的平均速度，这个假想的太阳连续两次上中天的时间间隔称为一个平太阴日，其1/24称为1平太阴时。时间单位l 地球、月球及太阳位于一直线时，若月球在地球和太阳之间，则称此时的月球为朔(或新月)，其日期为农历初一；若地球位于月球和太阳之间，则称为望(或满月)，日期为农历十五。l 相邻两个朔(望)之间的时间间隔称为一个朔望月。l 月球由朔向望转变过程中，处于月-地连线和地-日连线的垂直位置时，称为上弦，其日期为农历初七、八；l 月球由望向朔转变过程中，处于月-地连线和地-日连线的垂直位置时，称为下弦，其日期为农历二十二、二十三。与潮汐有关的天文学知识惯性离心力l 在地-月系统中，除了地球自转运动外，地球和月球还绕它们的公共质心(位于距地心0.74r处，r为地球半径)作公转。l 这个公转既是转动又是平动，结果使得地球任一点处单位质量质点受到一个大小相等、方向相同的惯性离心力。l 显然，地心处单位质量质点所受的惯性离心力必然与其所受到的月球的引力大小相等、方向相反，故惯性离心力大小为fc=KM/D2其中K为万有引力常数，D为地月中心距离，M为月球质量。fcfc引潮力月球引力l 地球上任一点处单位质量质点所受的月球万有引力简称为月球引力，用表示，其大小为fm=KM/L2，L为质点至月球中心的距离。l 显然，地球上各点的月球引力大小不等，方向彼此不平行，均指向月球。fmfc引潮力引潮力l 地球上任一点处单位质量质点所受的月球引力和惯性离心力的矢量和称为该处的引潮力，即fmfcFl 同理可得太阳引潮力的水平和垂直分量，只要将上式中的M和D分别换成太阳质量S和地球-太阳平均距离D即可。l 通常将引潮力分为水平分量和垂直分量，它们的公式如下Fh=-3/2g(r/D)3M/ESin2qFv=g(r/D)3M/E(3Cos2q-1)l 尽管SM，由于D D，月球引潮力要比太阳引潮力大得多，两者最大值之比约2.17。故可认为潮汐主要是由月球引潮力引起的。引潮力引潮力l 地球引潮力分布图引潮力fmfcFl 引潮力的量级很小，其垂直和水平分量的量级相同，都为10-7g，相对于重力加速度而言，Fv可忽略不计，即潮汐的升降运动不可能由Fv产生；但Fh则能使海水发生辐合和辐散，从而形成海水的起伏涨落。故可得出结论：形成海洋潮汐的真正原动力是引潮力的水平分量。地球表面月球引潮力分布q q()垂直分量垂直分量(10(10-7-7g)g)方向方向水平分量水平分量(10(10-7-7g)g)方向方向0 01.121.12指向月球指向月球0 045450.230.23-0.84-0.84顺时针顺时针9090-0.56-0.56指向地心指向地心0 01351350.280.280.840.84逆时针逆时针1801801.121.12背离月球背离月球0 02252250.230.23-0.84-0.84顺时针顺时针270270-0.56-0.56指向地心指向地心0 03153150.280.280.840.84逆时针逆时针BACK引潮力基本假设l 不考虑风、热盐效应及科氏力等对海水运动的影响。海面等势面地球表面赤道l 海水没有粘滞性，也没有惯性，海面能随时与等势面重合l 不考虑陆地的存在，即地球是个被等深海水所包围的球体；平衡潮牛顿 Newton基本思想l 在上述假定条件下，不考虑引潮力的海面必然是个与重力处处垂直的球面，即海面是个球形等势面。此时，重力与压强梯度力相平衡，海水处于静止状态，从而没有潮汐现象。平衡潮PG基本思想l当考虑引潮力时，原先的静力平衡被打破，海水在水平引潮力作用下，分别向面向和背向月球一侧辐合，直至海面在重力、压强梯度力及引潮力共同作用下达成新的平衡状态为止，此时的海面呈椭球形，称为潮汐椭球，其长轴始终指向月球。PGFl 由于地球的自转，地球表面的固体部分与海面发生相对运动，这就造成地球表面上的固定点的水位产生周期性的升降即潮汐。A平衡潮赤道地球自转方向球形海面潮汐椭球面月球A地 球高潮 低潮 月赤纬为0时的潮汐椭球及潮汐zt0太阴日Bl 当月赤纬d=0时，潮汐椭球对称于赤道，地球上各点均为正规半日潮，此时的潮汐称为分点潮；主要结论平衡潮赤道月球ABCC月赤纬不为0时的潮汐椭球面及其潮汐高潮 低潮平衡潮BtA太阴日z0l 当d0时，潮汐椭球与赤道不对称，此时除赤道仍为正规半日潮外，低纬度出现日不等现象，高纬度为正规日潮；当d达到最大值(2836)时，日不等现象最显著，此时的潮汐称为回归潮。平衡潮主要结论l如同时考虑月球和太阳潮汐椭球，则在每月朔、望日(即农历初一、十五)，月球和太阳潮汐椭球长轴方向相同，太阴和太阳潮汐相互叠加，形成朔望大潮；上、下弦之日，月球和太阳潮汐椭球长轴相互垂直，太阴和太阳潮汐部分相互抵消，形成上、下弦小潮。平衡潮主要结论平衡潮大小潮平衡潮潮高l 不考虑引潮力的原静止海面是水平的，考虑月球引潮力后，在其水平分量的作用下，海面发生倾斜，相对于原静止海面倾角为a，当重力g、压强梯度力P及水平引潮力Fh三力平衡时，海面达到平衡状态，此时海面与原静止海面垂直距离称为平衡潮潮高，用zm表示。l 如图所示，显然有tga=Fh/g=dzm/dx，于是dzm=1/gFhdx，代入Fh表达式，并根据海面升高和降低的水体体积之和应为零，可得zm=1/2M/E(r/D)3r(3Cos2q-1)。l 同理得太阳平衡潮潮高zs公式为zs=1/2S/E(r/D)3r(3Cos2q-1)。gPFh-P原静止海面平衡潮海面aadxdzml太平洋中的夏威夷群岛，最大潮差仅为0.91.0m 左右。平衡潮l 根据以上两式，可分别得出月球和太阳平衡潮的最大潮差为54cm和24cm，由此可得出结论，平衡潮的最大可能潮差为78cm。平衡潮潮高平衡潮春分夏至冬至E秋分日时圈月时圈MZZ白道北天极南天极SSM天子午圈天赤道黄道qjdTrl 利用关系式Cosq q=Sinj jSind d+Cosj jCosd dCosT 并令a=3/2M/E(r/D)3r 可将太阴平衡潮潮高z zm 展开如下z zm=z z0+z z1+z z2 其中 z z0=1/2a(3Sin2j j-1)(Sin2d d-1)z z1=1/2aSin2j jSin2d dCosT z z2=1/2aCos2j jCos2d dCos2Tq：天顶距j：纬度d：月赤纬T：月时角ZEMZZMMZMl z0与T无关，而与d有关，由于Sin2d的周期为半个回归月，故z0具有长周期(半月周期)的特性。a=3/2M/E(r/D)3r z zm=z z0+z z1+z z2 z z0=1/2a(3Sin2j j-1)(Sin2d d-1)z z1=1/2aSin2j jSin2d dCosT z z2=1/2aCos2j jCos2d dCos2Tl z1与cosT成比例，表示在24太阴时内变化一个周期，且月上中天时(T=0)最大，月下中天时最小，故z1代表日潮；由式可知，日周期部分随赤纬的增大而增大，赤纬为零时，日周期部分为零。l 另外，由于zm1/D3，故月球近地点时潮差较大，远地点时潮差较小，从而形成潮汐的月周期变化。同理可知zs1/D3，故近日点时潮差较大，远日点时潮差较小，从而形成潮汐的年周期变化。平衡潮潮高平衡潮l z2与cos2T成比例，表示在24太阴时内变化两个周期，且于月上、下中天时均出现最大值，故z2代表半日潮；由式还可看出半日周期部分随月赤纬增大而减小，月赤纬为零时，半日周期部分达到最大。l 当月赤纬不为零时，除赤道及高纬地区外，地球上其他各点潮汐的半日周期和日周期部分同时存在，叠加结果便出现日不等现象。随着月赤纬的增大，日不等现象也增大，当月赤纬最大的时候，日不等现象最显著，此时半日周期部分最小，日周期部分最大，即回归潮；当月赤纬为零时，日周期部分为零，半日周期部分则最大，称分点潮。潮汐的不等现象平衡潮 a=3/2M/E(r/D)3r z zm=z z0+z z1+z z2 z z0=1/2a(3Sin2j j-1)(Sin2d d-1)z z1=1/2aSin2j jSin2d dCosT z z2=1/2aCos2j jCos2d dCos2TACB a=3/2M/E(r/D)3r z zm=z z0+z z1+z z2 z z0=1/2a(3Sin2j j-1)(Sin2d d-1)z z1=1/2aSin2j jSin2d dCosT z z2=1/2aCos2j jCos2d dCos2Tl 潮高与月地距离的三次方成反比例，因此月球近地点时潮差较大，远地点时潮差较小，这就出现潮汐的月周期变化，产生月不等现象。l 由于月赤纬还有18.61年的变化周期，月球近地点有8.85年的变化周期，所以就产生了潮汐多年不等现象。l 若同时考虑太阳平衡潮，则当太阴、太阳时角相差0或180时，潮差最大，为朔望大潮；而当它们相差90或270，则潮差最小，是两弦小潮。这样一来，潮汐就有半月周期的变化，即产生半月不等现象。l 由于地球近日点有一年的变化周期，因此就产生潮汐的年不等现象。平衡潮潮汐的不等现象八分算潮法l 我国沿海渔民，根据长期的海上劳动经验，提出一个估算正规半日潮海区或港湾潮时的简易方法八分算潮法，其表达式是高潮时=0.8h农历日期-1(或16)+高潮间隙 (*)l 所谓高潮间隙是月中天时至下一个高潮发生时刻的时间间隔。l 潮汐静力理论表明高潮时应发生在月中天时刻(不论上中天或下中天)，即高潮时等于月中天时。但由于实际潮汐不可能于月中天时马上发生高潮，而有一个滞后时间高潮间隙(因地点而异)，因此实际的高潮时应满足：高潮时=月中天时+高潮间隙。l 农历初一(或十六)的月中天在0时。农历十六的0时(即十五的半夜)月球在观测点的上中天，初一的0时月球在观测点的下中天。其后，月中天时刻每日约推迟50min(即约等于0.8h)。故每日高潮出现时间与农历日期的关系有(*)式。l 由式(*)可算得一天中的一个高潮时。对于正规半日潮海区，将其数值加或减12时25min即得另一高潮时；若将其数值加或减6h12min即可得低潮出现的时刻低潮时。平衡潮八分算潮法高潮时=0.8h农历日期-1(或16)+高潮间隙大连港1012旅顺港1038烟台港1014青岛港0419连云港港0730宁波港1207三门湾0917温州港0950平衡潮l各地港湾的平均高潮间隙优缺点l 该理论建立在客观存在的引潮力的基础上；l 其揭示的潮汐变化周期与实际基本相符；l 其最大潮差的理论值与大洋实际潮差相近。l 其理论假定前提与实际相差较大；l 完全没有考虑海水运动，无法解释潮汐间隙和潮龄等现象；l 其理论最大潮差在近海与实际相差很大；l 无法解释无潮点现象；l 无法解释赤道和低纬度地区的全日潮。平衡潮假想天体和分潮l 潮汐静力理论虽有缺点，但仍然可以用来解释许多潮汐现象，基于这个理论及实测的资料，可用调和分析的方法进行较为准确的潮汐预报。l 调和分析法建立在假想天体和分潮的概念之上。l 月球和太阳的位置以及它们相对于地球的距离都在不断改变，且它们在各自的轨道上围绕各自的公共质心运动，故月球和太阳相对于地球的运动十分复杂，又具有诸多周期，且在同一类周期里还参差不齐。l 为计算太阳、月球的引潮力所引起的海洋潮汐，把具有复杂周期的潮汐看作是许多周期长短各异的“子潮汐”叠加而成的，并假设每一个具有一定周期的“子潮汐”都为一个相对应的天体引起，即“假想天体”。平衡潮假想天体和分潮l 例如，人们假设有一个理想的月球(称之为M2)，其周期和月球周期相同，但M2是位于赤道平面上的，且它对地球公转的轨道是一个圆，地球就位于这个圆的圆心，故它每时每刻的运动速度和到地球的距离都是相同的。l 如此，可假定真正天体对潮汐所引起的每一种变化，都不是天体本身的作用，而是由一个或几个假想天体所产生，这些假想天体对海水所引起的潮汐称为“分潮”。l 从理论上讲，分潮的数目是很多的，但大部分影响不大。大量的观测和实际结果表明：在一般情况下，对于在一个不很长的时间里(例如几个月、一年、十多年或者几十年)的潮汐变化来说，只要采用近百个分潮便可以相当准确地推算实际潮汐了。而从实用上来说，通常只要选用其中811个较大的分潮，就可得到偏差不大的结果。但对浅水海区，除了几个假想天体的分潮外，还要补充几个由于潮波在浅水区变形和干涉引起的“浅水分潮”。平衡潮假想天体和分潮常用的8个分潮和3个主要的浅水分潮平衡潮平衡潮实际潮汐各分潮的叠加结果fi ：第 i 个分潮的多年变化系数ai ：第 i 个分潮的振幅wi ：第 i 个分潮的圆频率ji ：第 i 个分潮的迟角vi ：第 i 个分潮的初相位潮流及其表示法l海水在潮波运动过程中周期性的水平流动称为潮流。l从波动意义上说，潮流是由于潮波运动而引起的水质点的移动过程。水质点处于波峰时，运动方向与波动方向一致，通常显示涨潮流；水质点处于波谷时，运动方向与波动方向相反，通常显示落潮流。l潮流的许多特征同潮汐相似。潮差大，则潮流大，大潮时的潮流最大。l潮流在大洋中甚小，但近岸浅海潮流显著。特别在狭窄水道、海峡、湾口等处，常有强大的潮流。潮流潮流及其表示法l一般海域测得的海流为潮流和余流(实测海流除去潮流分量后的成分)的合成流。在近岸，潮流的成分较大；在大洋，潮流的成分较小。l潮流与海流的区别：潮流具有周期性变化，而海流大小、方向基本保持一定。l由外海到内海向港湾流动的潮流称为涨潮流(涨潮时的海水流动)；由港湾向外海的潮流称为落潮流(落潮时的海水流动)。l涨潮流与落潮流交替时刻的流速为0时称转流，小于0.5m/s时称憩流。l海图上流速的表示方法。潮流潮流类型l往复流：一般在海峡、港湾入口或江河海口，潮流受海岸宽度的限制，周期性地由一个方向变为相反方向的潮流。l往复流的曲线图示法：横轴为时间，纵轴为流速。以憩流的流速零为基线，向上画为涨潮流，向下画为落潮流。l径流对往复流的影响：l往复流与潮汐的关系：流速与潮差变化相似，强潮流发生于大潮时，弱潮流发生于小潮时；潮流也随月球的月龄和距离而变化。潮流性质与潮汐相同，分半日周期潮流、日周期潮流和混合潮流三种。转流时间发生在高潮与低潮的中间时刻为前进波，发生在高潮与低潮时刻为驻波，还有介于二者之间的。潮流潮流类型l旋转流：在地转偏向力作用下，流向不断作周期性旋转的潮流。l旋转流无憩流现象发生，其旋转方向因受地形、科氏力的影响而不同。l无潮点：水位始终没有变化的点。l潮流椭圆：旋转潮波系统内一个固定的无潮点把不同时刻的流速矢量端点连成的椭圆。潮流(a)半日规则潮 (b)半日不规则潮矢量代表从高潮起每太阴时流速潮流潮流图形式M2分潮潮流玫瑰图1.0m/s0.5m/s潮流内潮内潮(Internal tide)(Internal tide)潮流与地形潮流与地形相互作用的结果相互作用的结果 水面潮所引起之潮流运动与海底地形发生作用，造成等密面在水平方向上不均匀分布，等潮流速度改变时造成不稳定便产生了内潮。基本思想l 潮汐动力理论是从动力学观点出发来研究海水在引潮力作用下产生潮汐的过程，此理论认为，对于海水运动来说，只有水平引潮力才是重要的，而引潮力的铅直分量(铅直引潮力)和重力相比非常小，因此铅直引潮力所产生的作用只是使重力加速度产生极微小的变化，故不重要。l 潮汐动力理论还认为，海洋潮汐实际上指的是海水在月球和太阳水平引潮力作用下的一种潮波运动，即水平方向的周期运动和海面起伏的传播，海洋潮波在传播过程中，除了受引潮力作用之外，还受到海陆分布、海底地形(如水深)、地转偏向力(即科氏力)以及摩擦力等因素的影响。潮汐动力理论拉普拉斯 Laplace潮汐动力理论 长海峡中的潮汐和潮流在北半球长海峡中，沿潮波传播方向看，右岸潮差大于左岸，而在南半球则相反。BCBC 低潮海面高潮海面涨潮落潮科氏力作用下的前进波，即开尔文波。潮汐动力理论p潮波为驻波=外海前进潮波+湾顶反射波 湾顶为坐标原点(x=0)x=(n1/2)l处海面无升降，为波节线，称无潮线。x=(n1/4)l处潮差最显著，为波腹线。窄长半封闭海湾中的潮汐和潮流p潮流=入射潮流+反射潮流p实际窄长半封闭海湾的长度l/4，考察距湾顶小于l/4段的规律：涨潮时，流向里，涨至半潮面时流速最大；高潮时，流速处处为零；落潮时，流向外，降至半潮面时流速最大；低潮时，流速处处为零。节点上水质点u=0空间上，波腹处始终无潮流，波节处潮流最大；时间上，高、低潮时，潮流处处为零，半潮面时，潮流速最大，此时波节处流速最大，而波腹处流速仍为零。波谷.相反波峰水质点运动与波向相同潮汐动力理论p引用海水连续性方程可得潮流：u=-l/(Th)A cos(2px/l)sin(2pt/T)=-A(g/h)1/2cos(2px/l)sin(2pt/T)p对于距湾顶小于l/4 的范围之内，潮流具有以下特征：t=0 或 T/2 即湾顶低潮或高潮时，sin(2pt/T)=0，故u=0，流速处处为零。t=T/4 或 3T/4 即半潮面时，sin(2pt/T)=1，则u=-A(g/h)1/2cos(2px/l)，潮流速之绝对值为最大，涨潮时t=T/4，u0，流向外 湾顶x=-l/4处，u=0；距湾顶l/4即x=0处，cos(2px/l)=1，故u=-A(g/h)1/2，流速最大。p计算潮位和潮流速时需注意：(1)x的起算点是坐标系原点，若x表示某地P距湾顶长，则x=(x-l/4)；(2)t=0为湾顶低潮时刻；(3)z表示潮位，若求潮差，则先求最高和最低潮位再相减得到；(4)z的起算面取在平均海平面。窄长半封闭海湾中的潮汐和潮流潮汐动力理论实际狭长海峡中的潮流理想狭长海峡中的潮流潮汐动力理论p长度和宽度均为1/2潮波长之半封闭海湾(北半球)，前进波沿BD方向传入该海湾，湾顶反射必形成一沿湾轴线BD起伏的驻波。湾顶由低潮涨至半潮面(令此时t=0)过程中，各处潮流指向湾顶，因科氏力作用引起海水在右岸堆积。pt=0时，BD线处于半潮面，各处BD方向之流速达到最大，右岸海水堆积也最高，而左岸海水流失最甚，此时流速分布和海面形状如图D。半封闭宽海湾中的潮汐和潮流浅海中半日潮波的波长大约为1000km(如水深h=60m)旋转潮大洋中普遍存在的潮波形式潮汐动力理论pt0后，湾顶水位继续上涨，湾口水位下降，BD方向流速渐弱；t=T/4时，湾顶为高潮、湾口为低潮，BD方向流速为零；pt=T/4过后，沿纵断面(与BD断面平行)起伏的驻波使湾顶水位下降、湾口水位上升，且发生退潮流，此时的科氏力作用使海水向左岸堆积。p另一方面，t0后，因BD方向流速减弱，右岸指向左岸的压强梯度力大于科氏力，使海水从右岸向左岸流动，在t=T/4时，AC线处于半潮面，从右向左之流速达到最大，此时海面形状及流速分布如图A。半封闭宽海湾中的潮汐和潮流潮汐动力理论pt=3T/4时，退潮流速为0，湾口水位达到最高、湾顶水位最低；流速减弱过程中，左岸指向右岸的压强梯度力大于反向的科氏力，使海水从左岸向右岸流动；至t=3T/4时，AC线处于半潮面，沿AC方向流速达到最大，水位和潮流如图C。pt=2T/4时，BD线又处于半潮面，但左岸为高潮、右岸为低潮，水位和潮流如图B。pt=2T/4后，湾顶水位继续下降、湾口水位上升，退潮流速减弱。半封闭宽海湾中的潮汐和潮流潮汐动力理论综上所述，可见外海传入的潮波，不仅引起沿“纵断面”起伏的驻立潮波，还引起沿“横断面”起伏的驻立潮波。两断面相互垂直，且后者位相比前者迟T/4。宽海湾的潮汐和潮流即为此二驻波叠加而成，其中沿“纵断面”(BD断面)驻波由外海潮波传入湾内后因湾顶反射而产生，另一个沿“横断面”(AC断面)驻波是因地转效应(科氏力作用)引起海水的堆积与流失而产生。半封闭宽海湾中的潮汐和潮流潮汐动力理论半封闭宽海湾中的潮汐和潮流潮汐动力理论潮汐动力理论考虑北半球一个等深h、长和宽均为1/2波长的半封闭海湾，坐标原点取在湾中心(图7-16)，并令湾顶低潮为t0时刻(与定性解释的假设不同)。定量分析半封闭宽海湾中的潮汐和潮流假设湾内潮汐为振动平面相互垂直、位相相差p/2的二个驻波的叠加，则其潮位：z=A sin(2px/l)cos(2pt/T)+A sin(2py/l)cos2p(t-T/4)/T =Asin(2px/l)cos(2pt/T)+sin(2py/l)sin(2pt/T)x=y=0即原点处，潮位z0，故该处为无潮点。潮 汐潮汐动力理论t=T/4时，tan(2pt/T)，即sin(2py/l)/sin(2px/l)，高潮发生在OC 线上(图7-16)。定量分析半封闭宽海湾中的潮汐和潮流=0 z/t因高潮或低潮必定故 tan(2pt/T)=sin(2py/l)/sin(2px/l)即，t 时刻出现高潮或低潮的点(x,y)必须满足上式。如在t=T/8时刻出现高潮或低潮的坐标点，必须满足sin(2py/l)=sin(2px/l)，此时 tan(2pt/T)=1即高潮和低潮的位置出现在AB 线上(图7-16)。根据潮位z表达式可知：OB线上的z0，即高潮；OA线上的z0，即低潮。潮汐动力理论理想宽海湾中的潮流因此，在北半球半封闭宽海湾，高潮时刻相同的点联成的线(称之为等潮时线)绕无潮点逆时针方向偏转。实际宽海湾中的潮流定量分析半封闭宽海湾中的潮汐和潮流潮汐动力理论宽海湾的潮流可视为两个相互垂直、位相相差p/2的驻波潮流的叠加，潮流表达式为：定量分析半封闭宽海湾中的潮汐和潮流u=-A(g/h)1/2cos(2px/l)sin(2pt/T)v=+A(g/h)1/2cos(2px/l)sin(2pt/T)潮 流潮汐动力理论潮波传入不同形状的海区时，湾顶反射、科氏力影响、地转效应等，会使该海区的潮流、潮汐产生较大差异，即使相近海区，潮差及潮时都可能不一样，潮汐动力理论对这些现象能给出很好的解释。各种形态海区中潮波特性的比较长海峡长海峡(北半球北半球)窄长半封闭海湾窄长半封闭海湾(长长 l l/4/4，宽，宽 左岸左岸不存在无潮线不存在无潮线湾顶大湾顶大、湾口小、湾口小存在无潮线存在无潮线(距离湾顶距离湾顶l l/4/4)岸边大岸边大、中间小、中间小存在无潮点存在无潮点潮汐动力理论世界大洋等潮时线风暴潮p风暴潮：由于强烈的大气扰动如强风和气压骤变所招致的海面异常升高的现象。p通常分温带气旋引起的温带风暴潮和热带风暴(台风)引起的热带风暴潮两类。p温带风暴潮多发生在春秋季节，中纬度沿海各地都可以见到。如北海和波罗地海沿岸、美国东岸和日本沿岸，经常出现这种风暴潮，它以潮位变化的稳定和持续为特点。每逢春秋过渡季节，中国北部海区在北方冷高压配合南方低压(槽)的天气形势影响下发生的风暴潮，也有类似的特点。p热带风暴潮常见于夏秋季节，总伴有急剧的水位变化。凡是热带风暴影响的沿海地区均有热带风暴潮的发生。中国东南沿海也是这类风暴潮的多发地区。风暴潮(storm surges)风暴潮曲线因为天文潮是验潮曲线中的主要成分，故在验潮曲线中消除天文潮，即把天文潮和风暴潮分离开是首要任务。但从动力学观点看来，在天文引潮力和气象强迫力的共同作用下的海水运动是一种非线性的现象，这种非线性的相互耦合是由验潮曲线中把二者分离开的基本困难。通常采用的分离方法是由验潮曲线减去潮汐预报曲线，所获“差值”即作为“风暴潮曲线”。无疑，这种基于线性叠加原则的分离方法，只有当上述的非线性耦合不严重时，方为良好的近似。在某些情况下，上述差值曲线含有明显的潮周期。如果排除了天文潮预报的误差和潮汐观测技术的不足，则差值曲线明显含有天文潮周期的这一现象，就可归结为风暴潮和天文潮之间的非线性耦合。这种非线性效应，在大潮差的浅海中表现得特别严重；此时必须采用另外的分离方法。风暴潮风暴潮三个阶段p第一阶段：台风或飓风到来之前，在验潮曲线中能觉察到潮位已受到影响，有时可达20或30厘米波幅的缓慢波动。这种在风暴潮来临前趋岸的波谓之“先兆波”。p第二阶段：风暴已逼近或过境时，该地区水位急剧升高，潮高能达数米，谓之主振阶段，是风暴潮灾的主要阶段；此阶段时间不长，一般数小时或一天的量阶。p第三阶段：风暴过境后，仍存在一系列振动假潮或(和)自由波，谓之“余振”，长可达23天。风暴潮两类风暴潮的差别p热带风暴引起者，常伴有急剧的水位变化；温带气旋引起者，水位变化持续而不急剧。此乃热带风暴比温带气旋移动迅速、且风场和气压变化更急剧之缘故。p此外，尚存另类风暴潮，为渤、黄海特有。春、秋过渡季节，渤海和北黄海乃冷、暖气团角逐激烈之地域，寒潮或冷空气激发之风暴潮显著，其特点为水位变化持续而不急剧。因寒潮或冷空气不具低压中心，故称此类风暴潮为风潮(wind surge)。风暴潮风暴潮p中国沿岸常有台风或寒潮大风袭击，风暴潮危害严重。p据统计，渤海湾至莱州湾沿岸，江苏小羊口至浙江北部海门港及浙江省温州、台州地区，福建省宁德地区至闽江口附近，广东省汕头地区至珠江口，雷州半岛东岸和海南岛东北部等岸段是风暴潮的多发区。中国验潮记录的最高风暴潮达5.94m，列世界第三，是8007号台风(Joe)在南渡引起的。p中国风暴潮特点：(1)一年四季均有发生，(2)发生次数较多，(3)风暴潮位高度较大，(4)风暴潮规律较复杂，特别在潮差大的浅水区，天文潮与风暴潮具较明显的非线性耦合效应，致使风暴潮规律更为复杂。p风暴潮淹没农田、冲垮盐场、摧毁码头、破坏沿岸国防和工程设施，也是开发浅海油田之大患。故研究风暴潮的发生、发展和衰亡等物理机制，特别是风暴潮预报方法，具有迫切的现实意义。中国的风暴潮1.什么叫潮汐现象？2.什么叫平太阳日和平太阴日？3.什么叫做引潮力？引潮力的分布有什么特征？4.试述潮汐静力理论的基本思想。5.已知某港每当月中天时出现低潮，请列出该港农历初八的各次高、低潮时。6.某年学生到某一正规半日潮海湾实习，初到之日(农历四月初五)观测得知该海湾18时26分为高潮时，请计算出第二天和农历二十日该海湾的高、低潮时。7.试述潮汐动力理论的基本思想。思考题