潮汐专题知识讲座专家讲座.pptx

第6章 海洋潮汐r 潮汐现象r 与潮汐相关天文学知识r 引潮力r 平衡潮r 潮汐动力理论r 风暴潮潮汐专题知识讲座第1页潮汐现象潮汐专题知识讲座第2页潮汐现象潮汐概念p 潮汐现象是指海水在天体引潮力作用下所产生周期性运动。p这里天体主要指月球和太阳，引潮力则与天体引力有联络又有区分，周期性运动包含垂直方向上升降及水平方向上往复运动，前者称为潮汐、后者则称为时尚。潮汐专题知识讲座第3页桃园竹园高低潮时示意图潮汐专题知识讲座第4页潮汐要素l 潮汐要素即描述潮汐曲线参数。l潮汐曲线是指某固定地点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)铅直高度潮位z(t)间改变曲线，其横轴为时间t，纵轴为高度z，原点位于平均海平面上。潮汐现象潮汐专题知识讲座第5页潮汐要素涨潮、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 潮汐要素主要包含：潮汐现象潮汐专题知识讲座第6页潮汐类型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。对应港口则为正规半日潮港。潮汐现象潮汐专题知识讲座第7页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。潮汐现象潮汐专题知识讲座第8页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。潮汐现象潮汐专题知识讲座第9页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。潮汐现象潮汐专题知识讲座第10页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：混合潮潮汐专题知识讲座第11页潮汐周期l 潮汐周期包含半日周期、日周期、半月周期、月周期、年周期及多年周期等。潮汐现象潮汐专题知识讲座第12页潮汐不等现象l 凡是一天之中两个潮潮差不等，涨潮时和落潮时也不等，这种不规则现象称为潮汐日不等现象。高潮中比较高一个叫高高潮，比较低叫低高潮；低潮中比较低叫低低潮，比较高叫高低潮。l 从潮汐过程曲线还可看出潮差也是天天不一样。在一个朔望月中，“朔”、“望”之后二、三天潮差最大，这时潮差叫大潮潮差；反之在上、下弦之后，潮差最小，这时潮差叫小潮潮差。潮汐现象潮汐专题知识讲座第13页与潮汐相关天文学知识天球潮汐专题知识讲座第14页l 天球是一个假想以地球为圆心，无限长为半径球面，地球之外天体均分布于其上。l 与地球南、北极和赤道相对应，天球有南、北天极和天赤道。l 地球上观察点位置与地心连线分别向上和向下无限延伸与天球交点称为天顶和天底。l 在天球上，经过南、北天极和天顶(或天底)大圆称为天子午圈；l 经过天顶、天底和天体大圆称为天体方位圈。l 经过南、北天极和天体大圆称为天体时圈；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相关天文学知识天球潮汐专题知识讲座第15页天体视运动与潮汐相关天文学知识以地球为中心，仰视天空，取任意长为半径假想球体称为天球，而太阳、月球.等统称为天体，天体之真实运动反应在天球上运动情形便叫做视运动。潮汐专题知识讲座第16页天体视运动轨道l 太阳在天球上周年视运动轨道称为黄道；月球在天球上月视运动轨道称为白道。l 太阳从南向北穿越天赤道时交点为春分点(3月22-23日)、从北向南穿越天赤道时交点则为秋分点(9月22日)；l 月球由南向北穿越黄道交点为升交点，由北向南穿越黄道交点为降交点。l 黄道与天赤道夹角a为2327，而与白道平均夹角 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与潮汐相关天文学知识潮汐专题知识讲座第17页潮汐专题知识讲座第18页赤纬、时角和天顶距l 沿天体时圈从天赤道至天体弧度称为该天体赤纬(相当于地理纬度)，用d d表示，范围090，向北为正、向南为负；l 天体时圈与观察者天子午圈在天赤道上夹角称为该天体时角，用T表示，要求自东向西计量(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弧度称为天顶距，用q q表示，要求由天顶起算，范围0180。与潮汐相关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潮汐专题知识讲座第19页天体视运动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潮汐专题知识讲座第20页时间单位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平均速度，这个假想太阳连续两次上中天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与潮汐相关天文学知识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平均速度，这个假想太阳连续两次上中天时间间隔称为一个平太阴日，其1/24称为1平太阴时。潮汐专题知识讲座第21页时间单位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-日连线垂直位置时，称为下弦，其日期为农历二十二、二十三。与潮汐相关天文学知识潮汐专题知识讲座第22页惯性离心力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、方向相同惯性离心力。l 显然，地心处单位质量质点所受惯性离心力必定与其所受到月球引力大小相等、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引潮力潮汐专题知识讲座第23页月球引力l 地球上任一点处单位质量质点所受月球万有引力简称为月球引力，用表示，其大小为fm=KM/L2，L为质点至月球中心距离。l 显然，地球上各点月球引力大小不等，方向彼此不平行，均指向月球。fmfc引潮力潮汐专题知识讲座第24页引潮力l 地球上任一点处单位质量质点所受月球引力和惯性离心力矢量和称为该处引潮力，即fmfcFl 同理可得太阳引潮力水平和垂直分量，只要将上式中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，它们公式以下Fh=-3/2g(r/D)3M/ESin2qFv=g(r/D)3M/E(3Cos2q-1)l 尽管SM，因为D D，月球引潮力要比太阳引潮力大得多，二者最大值之比约2.17。故可认为潮汐主要是由月球引潮力引发。引潮力潮汐专题知识讲座第25页引潮力l 地球引潮力分布图引潮力fmfcF潮汐专题知识讲座第26页l 引潮力量级很小，其垂直和水平分量量级相同，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，从而形成海水起伏涨落。故可得出结论：形成海洋潮汐真正原动力是引潮力水平分量。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引潮力潮汐专题知识讲座第27页基本假设l 不考虑风、热盐效应及科氏力等对海水运动影响。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 不考虑陆地存在，即地球是个被等深海水所包围球体；平衡潮牛顿 Newton潮汐专题知识讲座第28页基本思想l 在上述假定条件下，不考虑引潮力海面必定是个与重力处处垂直球面，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潮汐专题知识讲座第29页基本思想l当考虑引潮力时，原先静力平衡被打破，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平衡状态为止，此时海面呈椭球形，称为潮汐椭球，其长轴一直指向月球。PGFl 因为地球自转，地球表面固体部分与海面发生相对运动，这就造成地球表面上固定点水位产生周期性升降即潮汐。A平衡潮潮汐专题知识讲座第30页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，此时潮汐称为分点潮；主要结论平衡潮潮汐专题知识讲座第31页赤道月球ABCC月赤纬不为0时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到达最大值(2836)时，日不等现象最显著，此时潮汐称为回归潮。潮汐专题知识讲座第32页平衡潮潮汐专题知识讲座第33页主要结论l如同时考虑月球和太阳潮汐椭球，则在每个月朔、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。平衡潮潮汐专题知识讲座第34页主要结论平衡潮大小潮潮汐专题知识讲座第35页平衡潮潮高l 不考虑引潮力原静止海面是水平，考虑月球引潮力后，在其水平分量作用下，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，海面到达平衡状态，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 如图所表示，显然有tga=Fh/g=dzm/dx，于是dzm=1/gFhdx，代入Fh表示式，并依据海面升高和降低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太平洋中夏威夷群岛，最大潮差仅为0.91.0m 左右。平衡潮l 依据以上两式，可分别得出月球和太阳平衡潮最大潮差为54cm和24cm，由此可得出结论，平衡潮最大可能潮差为78cm。潮汐专题知识讲座第36页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 展开以下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ZEMZZMMZM潮汐专题知识讲座第37页l z0与T无关，而与d相关，因为Sin2d周期为半个回归月，故z0含有长周期(半月周期)特征。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成百分比，表示在24太阴时内改变一个周期，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，日周期部分随赤纬增大而增大，赤纬为零时，日周期部分为零。l 另外，因为zm1/D3，故月球近地点时潮差较大，远地点时潮差较小，从而形成潮汐月周期改变。同理可知zs1/D3，故近日点时潮差较大，远日点时潮差较小，从而形成潮汐年周期改变。平衡潮潮高平衡潮l z2与cos2T成百分比，表示在24太阴时内改变两个周期，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，半日周期部分到达最大。潮汐专题知识讲座第38页l 当月赤纬不为零时，除赤道及高纬地域外，地球上其它各点潮汐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。伴随月赤纬增大，日不等现象也增大，当月赤纬最大时候，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潮汐专题知识讲座第39页 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 潮高与月地距离三次方成反百分比，所以月球近地点时潮差较大，远地点时潮差较小，这就出现潮汐月周期改变，产生月不等现象。l 因为月赤纬还有18.61年改变周期，月球近地点有8.85年改变周期，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。这么一来，潮汐就有半月周期改变，即产生半月不等现象。l 因为地球近日点有一年改变周期，所以就产生潮汐年不等现象。平衡潮潮汐不等现象潮汐专题知识讲座第40页八分算潮法l 我国沿海渔民，依据长久海上劳动经验，提出一个估算正规半日潮海区或港湾潮时简易方法八分算潮法，其表示式是高潮时=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。但因为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)，所以实际高潮时应满足：高潮时=月中天时+高潮间隙。l 农历初一(或十六)月中天在0时。农历十六0时(即十五午夜)月球在观察点上中天，初一0时月球在观察点下中天。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关系有(*)式。l 由式(*)可算得一天中一个高潮时。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即可得低潮出现时刻低潮时。平衡潮潮汐专题知识讲座第41页八分算潮法高潮时=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各地港湾平均高潮间隙潮汐专题知识讲座第42页优缺点l 该理论建立在客观存在引潮力基础上；l 其揭示潮汐改变周期与实际基本相符；l 其最大潮差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域全日潮。平衡潮潮汐专题知识讲座第43页假想天体和分潮l 潮汐静力理论虽有缺点，但依然能够用来解释许多潮汐现象，基于这个理论及实测资料，可用调和分析方法进行较为准确潮汐预报。l 调和分析法建立在假想天体和分潮概念之上。l 月球和太阳位置以及它们相对于地球距离都在不停改变，且它们在各自轨道上围绕各自公共质心运动，故月球和太阳相对于地球运动十分复杂，又含有很多周期，且在同一类周期里还参差不齐。l 为计算太阳、月球引潮力所引发海洋潮汐，把含有复杂周期潮汐看作是许多周期长短各异“子潮汐”叠加而成，并假设每一个含有一定周期“子潮汐”都为一个相对应天体引发，即“假想天体”。平衡潮潮汐专题知识讲座第44页假想天体和分潮l 比如，人们假设有一个理想月球(称之为M2)，其周期和月球周期相同，但M2是位于赤道平面上，且它对地球公转轨道是一个圆，地球就位于这个圆圆心，故它每时每刻运动速度和到地球距离都是相同。l 如此，可假定真正天体对潮汐所引发每一个改变，都不是天体本身作用，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发潮汐称为“分潮”。l 从理论上讲，分潮数目是很多，但大部分影响不大。大量观察和实际结果表明：在普通情况下，对于在一个不很长时间里(比如几个月、一年、十多年或者几十年)潮汐改变来说，只要采取近百个分潮便能够相当准确地推算实际潮汐了。而从实用上来说，通常只要选取其中811个较大分潮，就可得到偏差不大结果。但对浅水海区，除了几个假想天体分潮外，还要补充几个因为潮波在浅水区变形和干涉引发“浅水分潮”。平衡潮潮汐专题知识讲座第45页假想天体和分潮惯用8个分潮和3个主要浅水分潮平衡潮潮汐专题知识讲座第46页平衡潮实际潮汐各分潮叠加结果fi ：第 i 个分潮多年改变系数ai ：第 i 个分潮振幅wi ：第 i 个分潮圆频率ji ：第 i 个分潮迟角vi ：第 i 个分潮初相位潮汐专题知识讲座第47页时尚及其表示法l海水在潮波运动过程中周期性水平流动称为时尚。l从波动意义上说，时尚是因为潮波运动而引发水质点移动过程。水质点处于波峰时，运动方向与波动方向一致，通常显示涨时尚；水质点处于波谷时，运动方向与波动方向相反，通常显示落时尚。l时尚许多特征同潮汐相同。潮差大，则时尚大，大潮时时尚最大。l时尚在大洋中甚小，但近岸浅海时尚显著。尤其在狭窄水道、海峡、湾口等处，常有强大时尚。时尚潮汐专题知识讲座第48页时尚及其表示法l普通海域测得海流为时尚和余流(实测海流除去时尚分量后成份)合成流。在近岸，时尚成份较大；在大洋，时尚成份较小。l时尚与海流区分：时尚含有周期性改变，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时尚称为涨时尚(涨潮时海水流动)；由港湾向外海时尚称为落时尚(落潮时海水流动)。l涨时尚与落时尚交替时刻流速为0时称转流，小于0.5m/s时称憩流。l海图上流速表示方法。时尚潮汐专题知识讲座第49页潮汐专题知识讲座第50页时尚类型l往复流：普通在海峡、港湾入口或江河海口，时尚受海岸宽度限制，周期性地由一个方向变为相反方向时尚。l往复流曲线图示法：横轴为时间，纵轴为流速。以憩流流速零为基线，向上画为涨时尚，向下画为落时尚。l径流对往复流影响：l往复流与潮汐关系：流速与潮差改变相同，强时尚发生于大潮时，弱时尚发生于小潮时；时尚也随月球月龄和距离而改变。时尚性质与潮汐相同，分半日周期时尚、日周期时尚和混合时尚三种。转流时间发生在高潮与低潮中间时刻为前进波，发生在高潮与低潮时刻为驻波，还有介于二者之间。时尚潮汐专题知识讲座第51页时尚类型l旋转流：在地转偏向力作用下，流向不停作周期性旋转时尚。l旋转流无憩流现象发生，其旋转方向因受地形、科氏力影响而不一样。l无潮点：水位一直没有改变点。l时尚椭圆：旋转潮波系统内一个固定无潮点把不一样时刻流速矢量端点连成椭圆。时尚潮汐专题知识讲座第52页(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时尚时尚图形式潮汐专题知识讲座第53页M2分潮时尚玫瑰图1.0m/s0.5m/s时尚潮汐专题知识讲座第54页内潮内潮(Internal tide)(Internal tide)时尚与地形时尚与地形相互作用结果相互作用结果 水面潮所引发之时尚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，等时尚速度改变时造成不稳定便产生了内潮。潮汐专题知识讲座第55页基本思想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过程，此理论认为，对于海水运动来说，只有水平引潮力才是主要，而引潮力铅直分量(铅直引潮力)和重力相比非常小，所以铅直引潮力所产生作用只是使重力加速度产生极微小改变，故不主要。l 潮汐动力理论还认为，海洋潮汐实际上指是海水在月球和太阳水平引潮力作用下一个潮波运动，即水平方向周期运动和海面起伏传输，海洋潮波在传输过程中，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)以及摩擦力等原因影响。潮汐动力理论拉普拉斯 Laplace潮汐专题知识讲座第56页潮汐动力理论 长海峡中潮汐和时尚在北半球长海峡中，沿潮波传输方向看，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前进波，即开尔文波。潮汐专题知识讲座第57页潮汐动力理论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。窄长半封闭海湾中潮汐和时尚p时尚=入射时尚+反射时尚p实际窄长半封闭海湾长度l/4，考查距湾顶小于l/4段规律：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，波腹处一直无时尚，波节处时尚最大；时间上，高、低潮时，时尚处处为零，半潮面时，时尚速最大，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专题知识讲座第58页潮汐动力理论p引用海水连续性方程可得时尚：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 范围之内，时尚含有以下特征：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)，时尚速之绝对值为最大，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计算潮位和时尚速时需注意：(1)x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起算面取在平均海平面。窄长半封闭海湾中潮汐和时尚潮汐专题知识讲座第59页潮汐动力理论实际狭长海峡中时尚理想狭长海峡中时尚潮汐专题知识讲座第60页潮汐动力理论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起伏驻波。湾顶由低潮涨至半潮面(令此时t=0)过程中，各处时尚指向湾顶，因科氏力作用引发海水在右岸堆积。pt=0时，BD线处于半潮面，各处BD方向之流速到达最大，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。半封闭宽海湾中潮汐和时尚浅海中半日潮波波长大约为1000km(如水深h=60m)旋转潮大洋中普遍存在潮波形式潮汐专题知识讲座第61页潮汐动力理论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)起伏驻波使湾顶水位下降、湾口水位上升，且发生退时尚，此时科氏力作用使海水向左岸堆积。p另首先，t0后，因BD方向流速减弱，右岸指向左岸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，从右向左之流速到达最大，此时海面形状及流速分布如图A。半封闭宽海湾中潮汐和时尚潮汐专题知识讲座第62页潮汐动力理论pt=3T/4时，退时尚速为0，湾口水位到达最高、湾顶水位最低；流速减弱过程中，左岸指向右岸压强梯度力大于反向科氏力，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方向流速到达最大，水位和时尚如图C。pt=2T/4时，BD线又处于半潮面，但左岸为高潮、右岸为低潮，水位和时尚如图B。pt=2T/4后，湾顶水位继续下降、湾口水位上升，退时尚速减弱。半封闭宽海湾中潮汐和时尚潮汐专题知识讲座第63页潮汐动力理论总而言之，可见外海传入潮波，不但引发沿“纵断面”起伏驻立潮波，还引发沿“横断面”起伏驻立潮波。两断面相互垂直，且后者位相比前者迟T/4。宽海湾潮汐和时尚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)引发海水堆积与流失而产生。半封闭宽海湾中潮汐和时尚潮汐专题知识讲座第64页潮汐动力理论半封闭宽海湾中潮汐和时尚潮汐专题知识讲座第65页潮汐动力理论潮汐专题知识讲座第66页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(与定性解释假设不一样)。定量分析半封闭宽海湾中潮汐和时尚假设湾内潮汐为振动平面相互垂直、位相相差p/2二个驻波叠加，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 汐潮汐专题知识讲座第67页潮汐动力理论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潮汐和时尚=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点(x,y)必须满足上式。如在t=T/8时刻出现高潮或低潮坐标点，必须满足sin(2py/l)=sin(2px/l)，此时 tan(2pt/T)=1即高潮和低潮位置出现在AB 线上(图7-16)。依据潮位z表示式可知：OB线上z0，即高潮；OA线上z0，即低潮。潮汐专题知识讲座第68页潮汐动力理论理想宽海湾中时尚所以，在北半球半封闭宽海湾，高潮时刻相同点联成线(称之为等潮时线)绕无潮点逆时针方向偏转。实际宽海湾中时尚定量分析半封闭宽海湾中潮汐和时尚潮汐专题知识讲座第69页潮汐动力理论宽海湾时尚可视为两个相互垂直、位相相差p/2驻波时尚叠加，时尚表示式为：定量分析半封闭宽海湾中潮汐和时尚u=-A(g/h)1/2cos(2px/l)sin(2pt/T)v=+A(g/h)1/2cos(2px/l)sin(2pt/T)潮 流潮汐专题知识讲座第70页潮汐动力理论潮波传入不一样形状海区时，湾顶反射、科氏力影响、地转效应等，会使该海区时尚、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解释。各种形态海区中潮波特征比较长海峡长海峡(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专题知识讲座第71页潮汐动力理论世界大洋等潮时线潮汐专题知识讲座第72页风暴潮p风暴潮：因为强烈大气扰动如强风和气压骤变所招致海面异常升高现象。p通常分温带气旋引发温带风暴潮和热带风暴(台风)引发热带风暴潮两类。p温带风暴潮多发生在春秋季节，中纬度沿海各地都能够见到。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，它以潮位改变稳定和连续为特点。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)天气形势影响下发生风暴潮，也有类似特点。p热带风暴潮常见于夏秋季节，总伴有急剧水位改变。凡是热带风暴影响沿海地域都有热带风暴潮发生。中国东南沿海也是这类风暴潮多发地域。风暴潮(storm surges)潮汐专题知识讲座第73页风暴潮曲线因为天文潮是验潮曲线中主要成份，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共同作用下海水运动是一个非线性现象，这种非线性相互耦合是由验潮曲线中把二者分离开基本困难。通常采取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，这种基于线性叠加标准分离方法，只有当上述非线性耦合不严重时，方为良好近似。在一些情况下，上述差值曲线含有显著潮周期。假如排除了天文潮预报误差和潮汐观察技术不足，则差值曲线显著含有天文潮周期这一现象，就可归结为风暴潮和天文潮之间非线性耦合。这种非线性效应，在大潮差浅海中表现得尤其严重；此时必须采取另外分离方法。风暴潮潮汐专题知识讲座第74页风暴潮三个阶段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厘米波幅迟缓波动。这种在风暴潮降临前趋岸波谓之“先兆波”。p第二阶段：风暴已迫近或过境时，该地域水位急剧升高，潮高能达数米，谓之主振阶段，是风暴潮灾主要阶段；此阶段时间不长，普通数小时或一天量阶。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。风暴潮潮汐专题知识讲座第75页两类风暴潮差异p热带风暴引发者，常伴有急剧水位改变；温带气旋引发者，水位改变连续而不急剧。此乃热带风暴比温带气旋移动快速、且风场和气压改变更急剧之缘故。p另外，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，其特点为水位改变连续而不急剧。因寒潮或冷空气不具低压中心，故称这类风暴潮为风潮(wind surge)。风暴潮潮汐专题知识讲座第76页风暴潮p中国沿岸常有台风或寒潮大风攻击，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、台州地域，福建省宁德地域至闽江口附近，广东省汕头地域至珠江口，雷州半岛东岸和海南岛东北部等岸段是风暴潮多发区。中国验潮统计最高风暴潮达5.94m，列世界第三，是8007号台风(Joe)在南渡引发。p中国风暴潮特点：(1)一年四季都有发生，(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，尤其在潮差大浅水区，天文潮与风暴潮具较显著非线性耦合效应，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。故研究风暴潮发生、发展和衰亡等物理机制，尤其是风暴潮预报方法，含有迫切现实意义。中国风暴潮潮汐专题知识讲座第77页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？引潮力分布有什么特征？4.试述潮汐静力理论基本思想。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)观察得知该海湾18时26分为高潮时，请计算出第二天和农历二十日该海湾高、低潮时。7.试述潮汐动力理论基本思想。思索题潮汐专题知识讲座第78页