第七讲 潮汐.doc

第七讲潮汐一、潮汐现象 1.1潮汐和潮流 1.1.1潮汐现象：在天体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的海水周期性运动现象。 1.1.2潮汐：习惯上指铅直向涨落 。 1.1.3潮流：专指与潮汐共生的海水在水平方向的流动 。 1.2潮汐要素 1.2.1高潮（高）：潮位上涨到最高位置称为高潮；其高度（一般指由基准面起算）为高潮高。 1.2.2低潮（高）：潮位下降到最低位置时的高度。 1.2.3潮差：相邻的高潮与低潮的潮位高度差。 1.2.4平潮：涨潮时潮位不断增高，达到一定的高度以后，潮位短时间内不涨也不退。 1.2.5停潮：当潮位退到最低的时候，与平潮情况类似，也发生潮位不退不涨的现象。 1.2.6高潮时：平潮的中间时刻。 1.2.7低潮时：停潮的中间时刻。 1.2.8涨潮时：从低潮时到高潮时的时间间隔1.2.9落潮时：从高潮时到低潮时的时间间隔1.3潮汐的类型 1.3.1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，这类潮汐就叫做正规半日潮。 1.3.2正规日潮：在一个太阴日内只有一次高潮和一次低潮，象这样的一种潮汐就叫正规日潮，或称正规全日潮。 1.3.3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，这类潮汐就叫做不正规半日潮。 1.3.4不正规日潮：这类潮汐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。 1.3.5在环境评价和工程中实用的判据是依平均振幅之比(潮型系数,型态比) 来划分。分界点：0.5, 2.0和4.01.4潮汐的不等现象 1.4.1日不等现象：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。 1.4.2半月不等：在农历每月的朔和望后二、三天潮差最大，这时的潮差叫大潮潮差（朔望潮）；在上、下弦（方照）时，潮差最小，称为小潮潮差（方照潮）。 1.4.3月 不 等：月球绕地球运动的轨道是椭圆，运动一圈需27.5546天，由于距离近远使引潮力有周期变化而导致潮差变化，称为月不等。 1.4.4年 不 等：地球绕太阳公转亦为椭圆，故有不等现象。 1.4.5多年不等：长周期变化引起的。 二、与潮汐有关的天文术语 2.1天球：是一个以地球为中心，以无限长为半径，内表面分布着各种各样天体的球面。 2.1.1天轴 2.1.2天极 2.1.3天赤道 2.2与观测者有关的术语 2.2.1天顶与天底：观测点的铅直线无限延伸后与天球交于两点，向上与天球的交点称为天顶，而向下延伸与天球的交点，称为天底。 2.2.2天子午圈：以地心为圆心，过天极和天顶的大圆。 2.3与天体位置有关的术语 2.3.1天体时圈：以地心为圆心，过天极和天体的大圆。 2.3.2天体中天：天体通过天子午圈叫中天。 上中天：靠近天顶；下中天：靠近天底。 2.3.3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，常用表示。以天赤道为赤纬，向北为正，向南为负，分别从到90。 2.3.4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。当天体上中天时，时角为0，西行为正。 2.4与时间有关的术语 2.4.1日和时：平时人们常用的日和时，是平太阳日和平太阳时的简称。 平太阳日：太阳连续两次上中天的时间间隔 平太阳时：1平太阳日的1/24平太阴日：月球连续两次上中天的时间间隔平太阴时：1平太阴日的1/241平太阴日=24.8412平太阳时=24h50min 2.4.2月和月相 朔望月：一轮“满月”又称为望，出现在阴历每月15日，而每月初一为朔。连续两次满月或新月（朔）的时间间隔为一朔望月（或称盈亏月）。一朔望月=29.5306平太阳日。 月 相：在一个朔望月内，月球的亮面形状变化一个周期，谓之月相。 月球的视运动及其主要周期 （上图）万有引力：与M成正比，与R*R成反比,方向在连线 地-月惯性力的产生 三、引潮力 3.1定义：地球绕地月公共质心运动所产生的惯性离心力与月球引力的合力，称为月球引潮力。 （上图）地月绕公共质心公转平动，各点受惯性离心力相等。与地心所受月球引力大小相等，方向相反。 3.1.1 月球引力 根据万有引力定律，地球上任一地点单位质量的物体所受的月球引力为 方向都指向月球中心，彼此不平行，x为所考虑的质点至月球中心的距离。这个力的大小随着质点所在位置的不同而变化。 3.1.2 地-月惯性离心力：地球、月球绕地-月公共质心转，其惯性离心力与月球对地心单位质量物体的引力，大小相等而方向相反。 M 为月球的质量，K 是万有引力常数，D 为月地中心距离 3.1.3地球表面任一点P的引潮力 3.1.4太阳引潮力 地球上各处的引潮力分布图如下 引潮力：地球上单位质量物体受月球引力和地球绕公共质心运动产生的惯性离心力合力 3.2引潮力的水平和铅直分量 铅直分量 水平分量 同理可写出太阳的 F v 和 F h可得F v / F v =2.17月球引潮力约为太阳引潮力的2.17倍 3.3引潮力势 自地心移动单位质量物体克服引潮力所做功。 四、平衡潮 41理论的假设 4.1.1地球为一个圆球，其表面完全被等深的海水所覆盖 4.1.2海水没有粘性，也没有惯性 4.1.3不考虑科氏力和摩擦力 4.2结论：基于上述假设可得 4.2.1潮汐椭球：在月球引潮力下，海面不再是圆球面，重力和引潮力平衡时，变成椭球面。地球自转时，相对于椭球形的海面，便有了水位的周期性升降。 4.2.2赤道永远出现正规半日潮； 4.2.3月赤纬不为0时，高纬地区（| 90|）出现正规日潮；其他纬度出现日不等现象。 4.2.4同时考虑月球和太阳对潮汐的效应，在朔望之时，长轴方向靠近，两潮叠加形成大潮；上、下弦之时，两潮部分抵消形成小潮。 4.3潮高公式及应用 4.3.1最大潮高的估算值：月球和太阳 两者合计，最大可能潮差为78cm，与太平洋一些岛国潮差相近。 4.3.2周期不等现象的解释：另一种形式的潮高公式中 分别代表长周期潮(半月周期）、全日潮、半日潮 44正规半日潮潮时的简易推算法八分算潮法 4.4.1潮汐静力理论的应用 4.4.2八分算潮法 高潮时0.8h阴历日期（或16）高潮间隙 （上半月/下半月） 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。(青岛0446时)低潮时=高潮时+6h12.6min第二个高潮时=高潮时12h25min 4.43平均高潮间隙：事实上每天的高潮间隙不是完全相等的，因此取一个月内各日高潮间隙的算术平均值作为平均高潮间隙。 4.4.4某些港口的平均高潮间隙： 1）沿海港口 2）长江下游几个有潮河港的月潮间隙 4.4.5示例 4.5分潮 4.5.1分潮：每个假想天体对海水作用引起的潮汐称为分潮。主要分潮有11个，半日分潮：M2,S2,N2,K2;全日分潮:K1,O1,P1,Q1;3个浅水分潮：M4,MS4,M6(地形和干涉效应引起的分潮） 4.5.2假想天体：实际海洋潮汐认为是许多简单波动的叠加，每个单一波动都对应有一个天体，即“假想天体”。许多“假想天体”共同作用逼近实际天体作用 4.5.3浅水分潮：天文潮波在浅水区传播畸变，产生浅水潮波。亦可视为若干简谐波动之和，每一个谐波即称为一个浅水分潮波。 五、潮汐动力理论 5.1潮汐静力理论实用价值与存在问题 5.1.1实用价值：1）给出了引潮力 2）导出的潮高公式可解释潮汐周期及不等现象。 3）计算出大洋潮差为78cm，与事实相近。 4）分潮之用于预报 5.1.2存在问题：1）假设的偏离事实 2）结果的偏离事实 5.2潮汐动力理论 5.2.1基本思想：1）铅直引潮力重力，对潮汐不重要； 2）水平引潮力作用产生潮波并传播； 3）潮波传播中会受海陆分布、水深、科氏力、摩擦力等影响。 5.2.2某些潮汐特征的解释： 1）狭长海峡中的潮汐和潮流 2）窄长半封闭海湾 3）半封闭宽海湾 5.3世界海洋潮汐的主要特点 5.3.1全球海洋多数地点为半日潮的类型，少数地点为混合潮和全日潮的类型。 5.3.2海洋水域大多为旋转潮波，还有另一些水域为前进波。 5.3.3在北半球，入射潮波方向右岸的潮差比左岸为大。 5.3.4近海潮位、潮流比外海和大洋的大。 5.3.5大洋岛屿的潮差一般一米左右，且多为半日潮类型。 5.4中国近海潮汐特征 六、潮汐分析计算方法简介(略)6.1潮汐分析方法简介：调和分析、潮高线性组合滤波、最小二乘法、响应分析法6.1.1前三种方法：都是把实际潮汐视为“分潮”的叠加，各用不同的方法求出各个分潮的“调和常数”，而后用于叠加预报。 6.1.2响应分析法：把海洋看成是物理系统，把引潮势和太阳辐射作为输入数(t-) ，而视潮汐现象(t)为这一物理系统的响应（输出函数），即 式中是一段时间的延迟，W()是权函数。 七、风暴潮7.1定义：系指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。风暴潮（storm surges）是来自海上的一种巨大的自然界的灾害现象。 它结合了通常的天文潮、特别是若恰好赶上了高潮阶段，则往往会使其影响所及的海域水位暴涨，乃至海水浸溢内陆、酿成巨灾！ 7.2分类：依诱发风暴潮的大气扰动的特征 7.2.1热带风暴（台风、飓风）引起的风暴潮 以夏、秋季常见； 分布地域广； 三个阶段：先兆波、主振阶段、余振阶段。 7.2.2温带气旋：主要发生于冬、春季。水位变化是持续的。 如：北海、波罗的海、美国东海岸等。 7.2.3 渤、黄海的风潮：中国北方黄渤海地区所特有，在春、秋过渡季节，属冷暖气团角逐，不具低压中心，可称为风潮（wind surge)。水位变化是持续的。 7.3预报：可分为两大类 7.3.1经验统计预报： 7.3.