海洋學(xué)-第5章-潮汐

海洋學(xué)第五章潮汐本章主要內(nèi)容：潮汐現(xiàn)象天體知識(shí)引潮力平衡潮理論潮汐動(dòng)力理論§5.1潮汐現(xiàn)象1.定義：海水在月球和太陽引潮力作用下

所發(fā)生的周期性運(yùn)動(dòng)。

習(xí)慣上：海面周期性的垂直漲落稱為潮汐。

海水周期性的水平流動(dòng)稱為潮流。一、潮汐基本要素§5.1潮汐現(xiàn)象高潮高高潮高潮潮差低潮高落潮時(shí)漲潮時(shí)低潮落潮漲潮時(shí)間高度基準(zhǔn)面潮汐要素示意圖2.潮汐要素§5.1潮汐現(xiàn)象3.基準(zhǔn)面海岸與海洋工程中，高程測量和水深測量的起算面（零面）?！羝骄Ｆ矫嫒珖y(tǒng)一采用“黃海平均海平面”作為陸地高程起算面。青島驗(yàn)潮站多年（19年）的每小時(shí)潮位觀測記錄的平均潮平面。隨著觀測資料的積累，重新核算的“1985國家高程基準(zhǔn)”比“1956黃海高程基準(zhǔn)”高0.0389m。我國的水準(zhǔn)原點(diǎn)青島水準(zhǔn)原點(diǎn)高出“黃海平均海水面”的高程為72.2893米

水準(zhǔn)零點(diǎn)（青島市東海中路銀海大世界）“零點(diǎn)”石球§5.1潮汐現(xiàn)象◆海圖深度基準(zhǔn)面■由于潮位的升降，實(shí)際海面大約有一半時(shí)間低于平均海平面?！鰹榱吮ＷC航海安全，海圖中標(biāo)出的深度最好接近最小深度，海圖深度基準(zhǔn)面即潮汐可能到達(dá)的最低潮面。◆潮高基準(zhǔn)面■《潮汐表》上所預(yù)報(bào)的潮位值也有一個(gè)起算面，這個(gè)起算面稱為潮高基準(zhǔn)面?！鏊瞧骄Ｆ矫嫦碌囊粋€(gè)面，在《潮汐表》中都有注明，它與海圖深度基準(zhǔn)面不一定一致?！鋈魏螘r(shí)刻某海區(qū)某處的實(shí)際水深就等于海圖深度加上這兩個(gè)基準(zhǔn)面之間的差值和該海區(qū)《潮汐表》上的潮位預(yù)報(bào)值?！?.1潮汐現(xiàn)象二、潮汐類型1.正規(guī)半日潮在一太陰日（約等于24小時(shí)50分）內(nèi)發(fā)生兩次高潮和低潮。2.全日潮

在一個(gè)太陰日內(nèi)只有—次高潮和一次低潮。3.混合潮不正規(guī)半日潮相鄰高潮或低潮的潮位相差很大，漲潮時(shí)和落潮時(shí)也不等。不正規(guī)日潮大多數(shù)日子里為不正規(guī)半日潮，但有時(shí)也發(fā)生一天一次高潮和

低潮的日潮現(xiàn)象?！?.1潮汐現(xiàn)象§5.1潮汐現(xiàn)象半日潮混合潮全日潮§5.1潮汐現(xiàn)象§5.1潮汐現(xiàn)象※廣義的潮汐■由于日、月引潮力的作用，使地球的巖石圈、水圈和大氣圈中分別產(chǎn)生的周期性的運(yùn)動(dòng)和變化,總稱潮汐■固體潮汐：固體地球在日、月引潮力作用下引起的彈性—塑性形變■海洋潮汐：海水在日、月引潮力作用下引起的海面周期性的升降、漲落與進(jìn)退■大氣潮汐：大氣各要素（如氣壓場、大氣風(fēng)場、地球磁場等）受引潮力的作用而產(chǎn)生的周期性變化（如8、12、24小時(shí)）。由太陽引起的大氣潮汐稱太陽潮，由月球引起的稱太陰潮。

§5.1潮汐現(xiàn)象■大洋底部地殼的彈性—塑性潮汐形變，會(huì)引起相應(yīng)的海潮■海潮引起的海水質(zhì)量的遷移，改變著地殼所承受的負(fù)載，使地殼發(fā)生可復(fù)的變曲?！鰵獬痹诤３敝希饔糜诤Ｃ嫔弦鹌涓郊拥恼駝?dòng)，使海潮的變化更趨復(fù)雜。■作為完整的潮汐科學(xué)，其研究對象應(yīng)將地潮、海潮和氣潮作為一個(gè)統(tǒng)一的整體，但由于海潮現(xiàn)象十分明顯，且與人們的生活、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、交通運(yùn)輸?shù)汝P(guān)系密切，因而習(xí)慣上將潮汐（tide）一詞狹義理解為海洋潮汐※廣義的潮汐第五章潮汐本章主要內(nèi)容：潮汐現(xiàn)象天體知識(shí)引潮力平衡潮理論潮汐動(dòng)力理論§5.2天體知識(shí)一、某些天文學(xué)

的基本概念§5.2天體知識(shí)◆黃道★

SUN●Eartha●b●c●d●e●●A●B●C●D●E地球繞太陽公轉(zhuǎn)一周，如白圈所示（a→b→c→d→e），但地球上的人看來，似乎是太陽繞地球旋轉(zhuǎn)。那么，太陽在天球上的投影每年也繞著地球做一周的視運(yùn)動(dòng)（A→B→C→D→E），此視運(yùn)動(dòng)即為黃道。§5.2天體知識(shí)太陽、地球、月亮的關(guān)系§5.2天體知識(shí)◆時(shí)間單位平太陽日：天文學(xué)上假定有一個(gè)太陽（平太陽）在天赤道上作等速運(yùn)行，其速度等于運(yùn)行在黃道上的真太陽的平均速度。這個(gè)假想的太陽連續(xù)兩次經(jīng)過上中天的時(shí)間間隔叫做一個(gè)平太陽日。1/24的平太陽日=1個(gè)平太陽時(shí)平太陰日：假想的、等速在天赤道上運(yùn)行的平太陰連續(xù)兩次通過上中天的時(shí)間間隔，叫做一個(gè)平太陰日。1平太陰時(shí)=1/24平太陰日1平太陰日=24.8412時(shí)=24小時(shí)50分§5.2天體知識(shí)地球自轉(zhuǎn)以及月球繞地球公轉(zhuǎn)都是自西向東轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)一周(24平太陽時(shí))后月球也向東移了12.2°，因此地球必須再轉(zhuǎn)50分鐘才能使月球重新位于觀測者的中天。§5.2天體知識(shí)朔望月(SynodicMonth）：月相完全更替一輪的周期。其平均長度約為29.5306日地方時(shí)：當(dāng)某地的天子午圈與太陽的時(shí)圈重疊，且太陽上中天時(shí)為12時(shí)，而太陽下中天時(shí)為0時(shí)，這樣確定的時(shí)間稱為某地的地方時(shí)?！?.2天體知識(shí)第五章潮汐本章主要內(nèi)容：潮汐現(xiàn)象天體知識(shí)引潮力平衡潮理論潮汐動(dòng)力理論§5.3引潮力＊問題？潮汐是怎樣產(chǎn)生的？★潮汐與什么有關(guān)？★存在什么規(guī)律？★產(chǎn)生潮汐的主要因素？一、地月運(yùn)動(dòng)和月相變化1.地月運(yùn)行軌道地月運(yùn)行圖§5.3引潮力蘭色表示地球、黃色表示太陽、灰色表示月球，其中面向太陽的一面以淺灰表示。地球中心表示北極或南極，地球自轉(zhuǎn)一周為24小時(shí)，時(shí)間如內(nèi)圈所示。綠點(diǎn)表示觀測者所在位置，圖中表示起始時(shí)刻為半夜0：00。月球繞地球一周大約30天，時(shí)間如外圈所示?！?.3引潮力2.平動(dòng)的概念運(yùn)動(dòng)物體上任意兩點(diǎn)所連成的直線，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，始終保持平行，這種運(yùn)動(dòng)叫做“平動(dòng)”。平動(dòng)圓運(yùn)動(dòng)：物體上各點(diǎn)以相同的半徑圍繞各自的中心作圓運(yùn)動(dòng)。3.地月公共質(zhì)心§5.3引潮力月球：M1

地球：E1

A點(diǎn)：A1地球的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)1§5.3引潮力月球：M2

地球：E2

A點(diǎn)：A2地球的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)2§5.3引潮力月球：M3

地球：E3

A點(diǎn)：A3地球的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)3§5.3引潮力月球：M4

地球：E4

A點(diǎn)：A4地球的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)4§5.3引潮力地球的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)5

A點(diǎn)與地心E作同質(zhì)量、同半徑（0.73r）、同角速度（27.3d）的平動(dòng)。

§5.3引潮力二、引潮力月球的引潮力：地球上單位質(zhì)量物體所受月球引力與因地球月運(yùn)動(dòng)

所產(chǎn)生的慣性離心力的合力。1.月球的引力

月球?qū)Φ厍虻奈Γ簡挝毁|(zhì)量物體所受引力大小:方向：

不平行，指向月球

§5.3引潮力2.慣性離心力（地球繞公共質(zhì)心運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生）地心E：地面各點(diǎn)：相等、平行、背離月球

3.引潮力

月球引力慣性離心力月引潮力?地心：?地面：§5.3引潮力4.引潮力公式MCEBDAθαxPFVFHrD=MEfpmfcm■則P處單位質(zhì)量海水所受的月球引力為：方向指向月球■公轉(zhuǎn)慣性離心力為方向與地月連線平行，且背離月球§5.3引潮力■P點(diǎn)所受引潮力MCEBDAθαxPFVFHrD=MEfpmfcm將F投影到水平和垂直方向上，稱之為水平引潮力和垂直引潮力。§5.3引潮力在ΔMPQ中MCEBDAθαxPFVFHrD=MEfpmfcmQ§5.3引潮力此式根據(jù)牛頓二項(xiàng)式展開，并略去(r/D)2等高階小量后得§5.3引潮力而垂直分量FV§5.3引潮力可見月球引潮力的鉛直分量和水平分量為同理可得太陽引潮力的鉛直分量和水平分量為§5.3引潮力5.引潮力分布?引潮力~天頂距，F(xiàn)V在A、B兩點(diǎn)最大(=0、180o)，約為1.15×10-7g，方向都背離地心。而在C、D點(diǎn)(=90o)，F(xiàn)V只有A、B兩點(diǎn)對應(yīng)分量的一半，方向指向地心?

FH在A、B、C、D點(diǎn)為0，而在F、G、H、K點(diǎn)達(dá)最大值。當(dāng)

月=0，F(xiàn)H與地軸或赤道成對稱分布。在一個(gè)半球都指向A，在另一個(gè)半球都指向B

當(dāng)

月

0，F(xiàn)H相對地軸或赤道的分布便不對稱§5.3引潮力?地球中心，r=0，月球引潮力為0，即fcm=fpm?太陽引潮力（FH或FV)與F月對應(yīng)分量的分布情況相似?海洋潮汐現(xiàn)象主要是由月球引潮力產(chǎn)生的，其次是太陽引潮力分布太陽：其他天體，如金星第五章潮汐本章主要內(nèi)容：潮汐現(xiàn)象天體知識(shí)引潮力平衡潮理論潮汐動(dòng)力理論§5.4平衡潮理論＊問題？在引潮力作用下，潮汐是如何產(chǎn)生的呢？兩種理論平衡潮理論動(dòng)力理論§5.4平衡潮理論一、平衡潮理論●基本假定?整個(gè)地球表面被等深海水所包圍；?海水沒有慣性；?忽略地轉(zhuǎn)偏向力和摩擦力作用?！駜?nèi)容

海水在引潮力、壓強(qiáng)梯度力和重力的作用下，隨時(shí)達(dá)到平衡，從而使海平面在新的等勢面下平衡所產(chǎn)生的潮汐?！?.4平衡潮理論●潮汐橢球引潮力分布潮汐橢球§5.4平衡潮理論二、潮汐類型■分點(diǎn)潮

月赤緯=0地球各點(diǎn)都為正規(guī)半日潮■回歸潮(月赤緯最大)月赤緯≠0高緯度全日潮赤道半日潮其它半日+全日(日不等)§5.4平衡潮理論■朔望大潮

新月/滿月時(shí)潮汐現(xiàn)象太陽引潮力和月引潮力相互疊加高潮最高，低潮最低->大潮§5.4平衡潮理論■兩弦小潮

上弦/下弦時(shí)潮汐現(xiàn)象月引潮力與太陽引潮力部分抵銷高潮最低，低潮最高->小潮§5.4平衡潮理論■近點(diǎn)潮月球運(yùn)動(dòng)到近地點(diǎn)時(shí)，發(fā)生的潮汐稱之為近地潮(或近月潮)?！鲞h(yuǎn)點(diǎn)潮月球運(yùn)動(dòng)到遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)發(fā)生的潮汐，稱之為遠(yuǎn)地潮(或遠(yuǎn)月潮)。三、平衡潮潮高力勢:

移動(dòng)單位質(zhì)量物體，沿著力的反方向，從這個(gè)力為零的地點(diǎn)至某一點(diǎn)克服這個(gè)力所作的功，叫做該點(diǎn)的力勢。如這個(gè)被克服的力是重力，則稱為重力勢。如這個(gè)被克服的力是引潮力，則稱為引潮力勢?！?.4平衡潮理論?重力勢

把海面相對于原靜止水面的升高記為則有

太陰垂直引潮力勢?引潮力勢§5.4平衡潮理論令§5.4平衡潮理論同理平衡潮最大潮差為§5.4平衡潮理論四、對潮汐靜力理論的評價(jià)●實(shí)用價(jià)值?其理論是建立在客觀存在的引潮力之上，解釋潮汐發(fā)生；?由此導(dǎo)出的潮高公式計(jì)算潮汐周期結(jié)果與實(shí)際基本相符，解釋潮汐不等；?由潮高公式計(jì)算出的最大可能潮差與實(shí)際大洋相近?！袢秉c(diǎn)?假定地球完全被海水包圍，與實(shí)際差距大；?沒有考慮海水的運(yùn)動(dòng)，無法解釋“潮流”現(xiàn)象；?淺海、近岸地區(qū)的潮差與理論結(jié)果相差大；?與某些地區(qū)的潮汐規(guī)律不符；

按平衡潮理論，赤道永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)全日潮，與實(shí)際不符?無法解釋大潮的滯后現(xiàn)象；?無法解釋半封閉海灣的潮汐現(xiàn)象（無潮點(diǎn)）；第五章潮汐本章主要內(nèi)容：潮汐現(xiàn)象天體知識(shí)引潮力平衡潮理論潮汐動(dòng)力理論§5.5潮汐動(dòng)力理論牛頓

Newton牛頓潮汐靜力學(xué)理論（平衡潮理論）萬有引力拉普拉斯Laplace潮汐動(dòng)力學(xué)理論強(qiáng)迫振動(dòng)§5.5潮汐動(dòng)力理論√潮汐動(dòng)力理論是從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)來研究海水在引潮力作用下產(chǎn)生潮汐的過程?！虒τ诤Ｋ\(yùn)動(dòng)來說，只有水平引潮力才是重要的；鉛直引潮力遠(yuǎn)小于重力。√海洋潮汐實(shí)際上指的是海水在月球和太陽水平引潮力作用下的一種潮波運(yùn)動(dòng)。√除引潮力外，還需考慮其它因素。一、潮汐動(dòng)力理論的基本思想§5.5潮汐動(dòng)力理論二、潮汐共振被陸地所阻隔的區(qū)域，會(huì)受到永恒存在的天體引潮力作用（強(qiáng)迫振動(dòng)）。太陰日之內(nèi)的引潮力半日引潮力T=12小時(shí)25分鐘全日引潮力T=24小時(shí)50分鐘可簡化為被陸地所阻隔的區(qū)域，有其本身的固有周期，這種按照固有周期而作的振動(dòng)，稱為“自由振動(dòng)”芬地灣長度約為270公里，平均深度約為70米，若認(rèn)為L=1/4λ，則它的固有振動(dòng)周期等于11.5小時(shí)，這和半日潮波的周期比較接近，形成特大潮差?！?.5潮汐動(dòng)力理論加拿大的芬地灣最大潮差高達(dá)17米。滿潮干潮§5.5潮汐動(dòng)力理論三、科氏力作用在科氏力作用下，傳播方向右岸的振幅要比左岸的振幅大，這種波叫開爾文波?！?.5潮汐動(dòng)力理論四、無潮點(diǎn)在兩個(gè)振動(dòng)節(jié)線的交點(diǎn)上，潮汐漲落為零，這一點(diǎn)稱為無潮點(diǎn)。因入射潮波與反射潮波相互抵消，潮差極小，習(xí)稱“無潮點(diǎn)”。黃河口“無潮點(diǎn)”潮差可小于10厘米，但潮流較強(qiáng)。§5.5潮汐動(dòng)力理論●同潮時(shí)線：連接在同一時(shí)刻潮位相同的點(diǎn)的連線。在北半球，由于地球自轉(zhuǎn)的效應(yīng)，使同潮時(shí)線繞無潮點(diǎn)反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)?！竦瘸辈罹€：若把一個(gè)周期當(dāng)中振幅相等的地點(diǎn)聯(lián)成線，便可得到一組等振幅線。由于潮汐振幅的兩倍是潮差，所以，也稱為等潮差線。§5.5潮汐動(dòng)力理論同潮時(shí)線圖五、旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)§5.5潮汐動(dòng)力理論五、旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)同潮時(shí)線則為放射線形狀，而等潮差線為環(huán)狀分布（繞無潮點(diǎn)的同心圓），這種潮波系統(tǒng)叫旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)，在北半球其旋轉(zhuǎn)方向大多是反時(shí)針的，在南半球卻大多是順時(shí)針方向。實(shí)際海洋中的潮波(tidalwave)，可能是前進(jìn)波(travelingwave)、駐波(standingwave)，普遍形式是旋轉(zhuǎn)潮波，波峰線(wavecrestline)繞無潮點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。

§5.5潮汐動(dòng)力理論六、潮流的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)?進(jìn)行潮波：高潮和低潮時(shí)流速最大，但方向相反，于半潮面時(shí)水平流速為零，發(fā)生轉(zhuǎn)流。?駐立潮波：半潮面時(shí)流速最大,轉(zhuǎn)流時(shí)刻出現(xiàn)在高,低潮,且流速為零。§5.5潮汐動(dòng)力理論

長海峽（北半球）

窄長半封閉海灣(長度≤λ/4，寬度<<λ)

半封閉寬海灣（北半球）潮波前進(jìn)波駐波（因?yàn)稠斎瓷湫纬桑﹥神v波的疊加（灣頂反射與地轉(zhuǎn)效應(yīng)）潮流來復(fù)流高潮：流向與潮波傳向相同低潮：流向與潮波傳向相反高、低潮時(shí)流速最大半潮面時(shí)流速為0來復(fù)流漲潮向里，高潮時(shí)流速為0退潮向外，低潮時(shí)流速為0半潮面時(shí)流速最大灣頂處潮流始終為0旋轉(zhuǎn)流潮流矢量反時(shí)針旋轉(zhuǎn)矢量末端連線為橢圓無潮點(diǎn)潮流始終為最大各地潮流始終不為0等潮時(shí)線一組與潮波傳向垂直的直線各地高潮的發(fā)生時(shí)刻取決于潮波的波速和波向一條與潮波傳向相同的直線各地同時(shí)達(dá)到高潮繞無潮點(diǎn)反時(shí)針旋轉(zhuǎn)潮差沿潮波方向看右岸大于左岸，不存在無潮線灣頂大，灣口小存在無潮線（距灣頂λ/4處）岸邊大，中間小存在無潮點(diǎn)各種形態(tài)中潮波特性的比較§5.5潮汐動(dòng)力理論七、我國沿海的潮汐

1．東海：潮波屬于進(jìn)行波的性質(zhì)2．黃海、渤海：旋轉(zhuǎn)潮波的性質(zhì)黃?？课覈粋?cè)潮差小，靠朝鮮一側(cè)潮差大。青島：3.3米；仁川：8.1米3．南海北部灣為旋轉(zhuǎn)潮波；其他地方為進(jìn)行波

潮汐

青島屬正規(guī)半日潮港，每個(gè)太陰日（24時(shí)48分）有兩次高潮和兩次低潮。潮差為1.9～3.5米，大潮差發(fā)生于朔或望（上弦或下弦）日后2～3天。8月份潮位比1月份潮位一般高出0.5米。知識(shí)擴(kuò)展◆假想天體和分潮1、假想天體：人們?yōu)榱擞?jì)算太陽、月球的引潮力所引起的海洋潮汐，就把具有復(fù)雜周期的潮汐看作是許多周期長短各異的潮汐疊加而成的，而且假設(shè)與每一個(gè)這樣周期的潮汐都對應(yīng)有一個(gè)天體，即假想天體。2、分潮：我們可以假定真正天體對潮汐所引起的每一種變化，都不是天體本身的作用，而是由一個(gè)或幾個(gè)假想天體所產(chǎn)生的，這些假想天體對海水所引起的潮汐稱為分潮。知識(shí)擴(kuò)展潮汐調(diào)和分析簡介潮汐靜力學(xué)理論不足

（兩個(gè)假設(shè)、實(shí)際情況、原因）潮汐預(yù)報(bào)法：潮汐調(diào)和分析法

（潮汐靜力學(xué)理