第七章海洋环流及波动现象分解

海洋科学导论第五章海洋环流海流是指海水大规模相对稳定的流动。1、海流的成因（1、2）及表示方法2、分类：地转流、风海流、世界大洋环流第六章海洋中的波动现象波动的基本特点是，在外力的作用下，水质点离开其平衡位置作周期性或准周期性的运动。海洋中的波浪有很多种类，引起的原因也各不相同。例如海面上的风应力，海底及海岸附近的火山、地震，大气压力的变化，日、月引潮力等第七章潮汐潮汐现象是指海水在天体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周期性运动，习惯上把海面铅直向涨落称为潮汐，而海水在水平方向的流动称为潮流。在太平洋盆地模拟旋转潮海拔第七章潮汐7.1潮汐现象7.2与潮汐有关的天文学知识7.3引潮力7.4平衡潮7.5潮汐动力理论7.6风暴潮潮汐现象是指海水在天体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周期性运动，习惯上把海面铅直向涨落称为潮汐，而海水在水平方向的流动称为潮流。7.1潮汐现象1、潮汐要素：平潮，平潮的中间时刻称为高潮时。停潮，其中间时刻为低潮时。从低潮时到高潮时的时间间隔叫做涨潮时，从高潮时到低潮时的时间间隔则称为落潮时。一般来说，涨潮时和落潮时在许多地方并不是一样长。海面上涨到最高位置时的高度叫做高潮高，下降到最低位置时的高度叫低潮高，相邻的高潮高与低潮高之差叫潮差。2、潮汐不等与潮汐类型一、潮汐的类型从各地的潮汐观测曲线可以看出，无论是涨、落潮时，还是潮高、潮差都呈现出周期性的变化，根据潮汐涨落的周期和潮差的情况，可以把潮汐大体分为如下的４种类型。7.1潮汐现象1.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，从高潮到低潮和从低潮到高潮的潮差几乎相等。2.不正规半日潮在一个朔望月中的大多数日子里，每个太阴日内一般可有两次高潮和两次低潮；但有少数日子（当月赤纬较大的时候），第二次高潮很小，半日潮特征就不显著。3.正规（全）日潮在一个太阴日内只有一次高潮和一次低潮。4.不正规日潮在一个朔望月中的大多数日子里具有日潮型的特征，但有少数日子（当月赤纬接近零的时候）则具有半日潮的特征。7.1潮汐现象2、潮汐不等与潮汐类型二、潮汐的不等现象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。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。7.1潮汐现象7.2与潮汐有关的天文学知识1、某些天文学的基本概念一、天球二、天赤道、黄道与白道三、春分点、秋分点、升交点及降交点四、赤纬、时角和天顶距天球7.2与潮汐有关的天文学知识1、某些天文学的基本概念一、天球二、天赤道、黄道与白道三、春分点、秋分点、升交点及降交点四、赤纬、时角和天顶距天球上的圆和点天赤道：将地球的赤道面无限延伸后和天球相交的大圆圈，叫做天赤道。黄道太阳的周年视运动轨道叫做黄道。白道月球绕着地球公转的轨道称为白道。天球上的圆和点7.2与潮汐有关的天文学知识1、某些天文学的基本概念一、天球二、天赤道、黄道与白道三、春分点、秋分点、升交点及降交点四、赤纬、时角和天顶距天球上的圆和点春分点秋分点升交点降交点7.2与潮汐有关的天文学知识1、某些天文学的基本概念一、天球二、天赤道、黄道与白道三、春分点、秋分点、升交点及降交点四、赤纬、时角和天顶距第一赤道坐标系：赤纬和时角１.赤纬：从天赤道沿着天体的时圈至天体所张的角度称为该天体的赤纬，常用δ表示。２.时角：观测者所在的天子午圈与天体时圈在天赤道上所张的角度称为时角。天球上的圆和点３.天顶距：天体与天顶之间所张的角度称为天顶距。2、时间单位一、平太阳日和平太阳时二、平太阴日和平太阴时１平太阴日＝24.8412平太阳时≈24h50min三、朔望月（盈亏月）月球从新月（或满月）位置出发再回到新月（或满月）位置的时间间隔，叫朔望月或盈亏月。朔望月是月相变化的周期，它的长度等于29.5306平太阳日。7.2与潮汐有关的天文学知识7.3引潮力潮汐现象与天体运动密切相关，无论是月球还是太阳，其引潮作用机理是相同的。1、引潮力的定义一、公转惯性离心力地球绕地月公共质心公转平动的结果，使得地球（表面或内部）各质点都受到大小相等、方向相同的公转惯性离心力的作用。此公转惯性离心力的方向相同且与从月球中心至地球中心联线的方向相同（即方向都背离月球，彼此平行的实矢量），大小为2dKMfc公转惯性离心力、月球引力及引潮力矢量7.3引潮力潮汐现象与天体运动密切相关，无论是月球还是太阳，其引潮作用机理是相同的。1、引潮力的定义二、月球引力地球上任一地点单位质量的物体所受的月球引力。方向都指向月球中心，彼此不平行。2xKMfc7.3引潮力潮汐现象与天体运动密切相关，无论是月球还是太阳，其引潮作用机理是相同的。1、引潮力的定义三、引潮力地球绕地月公共质心公转所产生的公转惯性离心力与月球引力的合力称为引潮力。地球上各点的引潮力如图的粗矢量所示，可见地球表面各点所受的引潮力的大小、方向都不同，例如Ａ、Ｂ两点的引潮力方向背离地心，而Ｃ、Ｄ两点的引潮力方向则指向地心。公转惯性离心力、月球引力及引潮力矢量2、引潮力公式设地球半径为r，月球中心至地球表面任意一点Ｐ的距离为X，若考虑一个天体方位圈，即以地球为圆心，过天体（月球Ｍ）、天顶（Ｐ′）的大圆圈，则θ为天顶距，即天顶与天体（这里指月球）在天球上所张的角度。在地球表面Ｐ点处，单位质量海水所受的月球引力、惯性离心力、引潮力2、引潮力公式单位质量海水所受的月球引力2、引潮力公式引潮力的量值与天体的质量成正比、而和天体到地球中心距离的三次方成反比。3、引潮力势7.4平衡潮1、潮汐静力理论一、等势面从地心移动单位质量物体到某一点，克服重力和引潮力所作的功，叫做这一点的位势，位势相等的点连成的面称为等势面。二、潮汐静力理论由于考虑引潮力后的等势面为一椭球面，根据这一分布特点，可以导出一个研究海水在引潮力作用下产生潮汐过程的理论，即潮汐静力理论（或称平衡潮理论）。这一理论假定：（1）地球为一个圆球，其表面完全被等深的海水所覆盖，不考虑陆地的存在；（2）海水没有粘性，也没有惯性，海面能随时与等势面重叠；（3）海水不受地转偏向力和摩擦力的作用。在这些假定下，海面在月球引潮力的作用下离开原来的平衡位置作相应的上升或下降，直到在重力和引潮力的共同作用下，达到新的平衡位置为止。因此海面便产生形变，也就是说，考虑引潮力后的海面变成了椭球形，称之为潮汐椭球，并且它的长轴恒指向月球。由于地球的自转，地球的表面相对于椭球形的海面运动，这就造成了地球表面上的固定点发生周期性的涨落而形成潮汐，这就是平衡潮理论的基本思想。1、潮汐静力理论图7-10月赤纬不为零时的潮汐椭球（据文献[2]）根据平衡潮理论，当月赤纬δ为0时，潮汐椭球如图7-9所示，由于地球的自转，地球上各点的海面高度在一个太阴日内将两次升到最高和两次降到最低。两次最高的高度和两次最低的高度分别相等，并且从最高值到最低值以及从最低值到最高值的时间间隔也相等，形成正规半日潮。当月球赤纬不为0时（见图7-10），除赤道仍为正规半日潮外，其他一些地区的海面（如Ａ点）虽然在一个太阴日内也可出现两次高潮和两次低潮，但两次高潮的高度不相等，两次涨潮时也不等，形成日不等现象；而在高纬度地区（如Ｂ点，纬度|φ|＞90°-|δ|）则出现正规日潮现象，即在一个太阴日内只有一次高潮、一次低潮。根据潮汐静力理论可得到以下几个结论：（1）在赤道上永远出现正规半日潮；（2）当月赤纬δ不等于0时，两极高纬度地区（纬度|φ|＞90°-|δ|）出现正规日潮；（3）当δ不等于0时，在其他纬度上出现日不等现象，越靠近赤道，半日潮的成分越大，反之，越靠近南、北极，日潮的成分越显著。如果同时考虑月球和太阳对潮汐的效应，在半个朔望月内，将出现一次大潮和一次小潮，即潮汐具有半月的变化周期。朔望之时，月球和太阳的引潮力所引起的潮汐椭球，其长轴方向比较靠近，两潮相互叠加，形成朔望大潮；上、下弦之时，月球和太阳所引起的潮汐椭球，其长轴相互正交，两潮相互抵消，形成方照小潮。2、平衡潮潮高公式7.4平衡潮一、潮高公式设在不考虑引潮力的情况下，与海面重叠的那个等重力势面的位势为Ｃ，而考虑月球引潮力后，海面上升的高度为ｈm，于是该处的位势为：2、平衡潮潮高公式7.4平衡潮一、潮高公式2、平衡潮潮高公式7.4平衡潮二、平衡潮潮高公式的另一种形式ｈ1与cosT成比例，这表示：在24太阴时内，它变化一个周期，而且于月上中天时出现最大值，月下中天时出现最小值，所以ｈ１所代表的是日潮，而ｈ1式还可看出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；ｈ2与cos2T成比例，这表示：在24太阴时内，它变化两个周期，且于月上、下中天时均出现最大值，故ｈ2所代表的是半日潮，由ｈ2式还可看出半日周期部分随月赤纬的增大而减小，月赤纬为零时，半日周期部分为最大；ｈ0这一项与T无关，而与δ有关，由于sin2δ的周期为半个回归月，故ｈ0具有长周期（半月周期）的特性。2、平衡潮潮高公式7.4平衡潮三、潮汐的不等现象（1）当月赤纬不为零时，除赤道及高纬地区之外，地球上其他各点潮汐的半日周期部分和日周期部分同时存在，叠加的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，这就是回归潮；当月赤纬为零时，日周期部分为零，半日周期部分则最大，此时的潮汐称为分点潮。（2）如果把太阳平衡潮考虑在内，那么，当太阴、太阳时角相差0°或180°时，潮差最大，是朔望大潮；而当太阴、太阳时角相差90°或270°，则潮差最小，是两弦小潮（方照小潮）。这样一来，潮汐就有半月周期的变化，即产生半月不等现象。（3）潮高与月地距离的三次方成反比，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。（4）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。（5）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。3、推算潮时的简易方法——八分算潮法7.4平衡潮我国沿海渔民，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）〕＋高潮间隙高潮时＝月中天时＋高潮间隙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。4、对潮汐静力理论的评价7.4平衡潮潮汐静力理论具有实用价值，所以迄今仍沿用不衰，其主要表现在于：（1）潮汐静力理论是建立在客观存在的引潮力之上；（2）根据潮汐静力理论导出的潮高公式所揭示出的潮汐变化周期与实际基本相符；（3）由潮高公式计算出来的最大可能潮差为78cm，这一数值与实际大洋的潮差相近。4、对潮汐静力理论的评价7.4平衡潮（1）此理论假定整个地球完全被海水包围，这与实际情况相差较大；（2）完全没有考虑到海水的运动，而且假设海水没有惯性也与实际不符合，事实上，当月赤纬改变时，海水必将产生运动，否则一个高潮面是不可能在地面上移动，另外海水要集中也需要一定的时间，所以潮汐静力理论认为每当月球在某处上中天或下中天时，该处便会发生高潮，与实际情况有所差异；（3）浅海、近岸地区的潮差与理论结果相差较大，在浅海，潮差可达几米，甚至十几米；（4）潮汐静力理论既然完全没有涉及海水的运动，因此它无法解释潮流这一重要现象；（5）在一些半封闭的海湾中，常常出现没有潮汐涨落的无潮点，等潮时线绕无潮点顺时针或反时针旋转，两岸的潮差不等，平衡潮理论则无法得出此结论；（6）按照潮汐静力理论，赤道上永远不会出现日潮，低纬度地区也以半日潮占优势，但实际上，许多赤道和低纬度地区，均有日潮出现；（7）理论表明朔望日必发生大潮，但实际上多数的地方大潮出现在朔望日之后两天左右，即大潮出现的时间比朔望日的时间迟后数天，这迟后的天数称为潮龄，