第七章-海洋环流及波动现象..ppt

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 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 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 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 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 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 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 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 两点的引潮力方向背离地心 而 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 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 天顶 的大圆圈 则 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 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 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 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 点 纬度 90 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 不等于0时 两极高纬度地区 纬度 90 出现正规日潮 3 当 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 而考虑月球引潮力后 海面上升的高度为 m 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 1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 所代表的是日潮 而 1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 2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 2所代表的是半日潮 由 2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 0这一项与T无关 而与 有关 由于sin2 的周期为半个回归月 故 0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 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 如厦门的潮龄为 天 所以 大潮一般出现在农历的初三 十八 7 4平衡潮 5 假想天体和分潮 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 可以用调和分析的方法进行较为准确的潮汐预报 调和分析法是建立在假想天体和分潮概念上的 人们为了计算太阳 月球的引潮力所引起的海洋潮汐 就把具有复杂周期的潮汐看作是许多周期长短各异的潮汐叠加而成的 而且假设与每一个这样周期的潮汐都对应有一个天体 即 假想天体 这些假想天体对海水所引起的潮汐称为 分潮 对于浅水海区 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 表7 1常用分潮及其周期 相对振幅 7 5潮汐动力理论 1 潮汐动力理论的基本思想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 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 7 5潮汐动力理论 2 长海峡中潮汐和潮流 设有一个潮波传入长海峡 这个潮波是沿着海峡轴线方向传播的前进波 根据前进波的性质 波峰处水质点的运动方向与传播方向相同 波谷处水质点的运动方向与传播方向相反 当潮波波峰传到海峡中的任意断面 时 断面皆为高潮 潮流流向与潮波传播方向相同 又由于科氏力的作用 使 岸的水位高于 岸 当波谷到达 断面时 断面皆出现低潮 而流向与潮波传播方向相反 同样由于科氏力的作用 使 岸的水位高于 岸 由此可引伸出长海峡中潮汐的一个普遍性质 在北半球的长海峡中 沿潮波传播方向看 右岸的潮差大于左岸 而在南半球则相反 当 断面的海面处于半潮面时 即意味着潮波的节点传到该断面 水平方向上的潮流流速为零 7 5潮汐动力理论 3 窄长半封闭海湾中的潮汐和潮流 当一个前进潮波自外海传入海湾 称为入射波 时 由于湾顶岸壁的全反射就产生了一个反射波 这两个波叠加而成的驻波构成了窄长半封闭海湾的潮波 1 就空间而言 波腹处始终无潮流 波节处潮流最大 2 就时间而言 高 低潮时 潮流处处为零 而海面处于半潮面时 潮流流速达最大 而此时就空间而言 波节处潮流流速最大 但波腹处潮流流速仍然为零 7 5潮汐动力理论 3 窄长半封闭海湾中的潮汐和潮流 涨潮时 潮流向里 涨至半潮面时 潮流流速最大 高潮时 潮流流速处处为零 落潮时 潮流向外 海面降至半潮面时 潮流流速最大 低潮时 潮流流速也处处为零 7 5潮汐动力理论 3 窄长半封闭海湾中的潮汐和潮流 考虑一个等深的 水深为h 长度为 2的窄长半封闭海湾 坐标原点取在离湾顶 4处 令湾顶低潮的时刻为t 0 则海湾潮位 的表示式为 它表示一驻波 是入射波和反射波的叠加 式中A 2a为驻波的振幅 公式描述了波面 图7 14粗实线 随时间的变化 在x 0 2处 sin 2 x 0 即距离湾顶 4 3 4处是无潮线 在x 4 4处 即在湾顶和离湾顶 2处 sin 2 x 1 潮差最大 该处为波腹线 7 5潮汐动力理论 3 窄长半封闭海湾中的潮汐和潮流 潮流 1 当t 0或T 2时 即湾顶处于低潮或高潮时 sin 2 t T 0 因而u 0 潮流流速处处为零 2 当t T 4或3T 4时 即海面涨至半潮面或退至半潮面时 就流速的时间变化而言 此时sin 2 t T 1 则 潮流流速的绝对值达最大 涨潮时t T 4 u为负 流向向里 落潮时t 3T 4 u为正 流向向外 此时就空间分布而言 在x 4 即在湾顶 处 u 0 而在x 0 即在距湾顶 4 处 cos 2 x 1 所以 表明该处流速最大 但一般海湾的长度远小于 4 因而不会出现这么大的潮流 4 半封闭宽海湾中的潮汐和潮流 7 5潮汐动力理论 设北半球的半封闭海湾 其长度和宽度都等于潮波波长的一半 有一个前进波沿BD方向传入该海湾 如上所述 由于湾顶的反射必形成一个沿海湾轴线BD起伏的驻波 在湾顶从低潮上涨到半潮面 令此时t 0 的过程中 各处的潮流方向指向湾顶 由于科氏力的作用 使海水有向右的流速分量 引起海水在右岸 面向湾顶而言 堆积 4 半封闭宽海湾中的潮汐和潮流 7 5潮汐动力理论 当t 0时 BD线处于半潮面 各处BD方向的流速达到最大 右岸海水的堆积也达到最高 而左岸海水流失最甚 此时的流速分布和海面形状如图D所示 4 半封闭宽海湾中的潮汐和潮流 7 5潮汐动力理论 t 0以后 湾顶水位继续上涨 湾口水位下降 BD方向的潮流流速逐渐减弱 当t T 4时 湾顶处于高潮状态 而湾口处于低潮状态 BD方向的流速为零 另一方面 在t 0以后 由于BD方向的流速减弱 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 从右向左的流速达到最大 此时的海面形状及流速分布如图A所示 4 半封闭宽海湾中的潮汐和潮流 7 5潮汐动力理论 t T 4过后 沿纵断面 指与BD断面平行的断面 起伏的驻波使湾顶水位下降 湾口水位上升 并且发生退潮流 在科氏力的作用下 使海水向左岸堆积 t 2T 4时 BD线处于半潮面 左岸处于高潮状态 右岸处于低潮状态 水位和潮流分布如图B所示 4 半封闭宽海湾中的潮汐和潮流 7 5潮汐动力理论 t 2T 4过后 湾顶水位继续下降 湾口水位上升 退潮流流速减弱 t 3T 4时 退潮流流速为 湾口水位达到最高 湾顶水位最低 在流速减弱过程中 由左岸指向右岸的压强梯度力大于由右岸指向左岸的科氏力 使海水从左岸向右岸流动 直至t 3T 4时 AC线处于半潮面 沿AC方向流速达到最大 水位和潮流分布如图C所示 4 半封闭宽海湾中的潮汐和潮流 7 5潮汐动力理论 外海传入的潮波不仅引起一个沿 纵断面 起伏的驻立潮波 还引起一个沿 横断面 起伏的驻立潮波 两断面相互垂直 而且后一个驻立潮波的位相比前者迟T 4 宽海湾的潮汐和潮流就是这两个驻波叠加而成的 其中沿 纵断面 即BD断面 的驻波是由于外海的潮波传入湾内后因湾顶的反射而产生的 另外一个沿 横断面 即AC断面 的驻波是由于地转效应 即科氏力的作用 引起海水的堆积与流失而产生的 5 各种形态海区中潮波特性的比较 7 5潮汐动力理论 7 6风暴潮 1 定义风暴潮 stormsurges 是来自海上的一种巨大的自然界的灾害现象 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 7 6风暴潮 2 分类 按照诱发风暴潮的大气扰动之特征来分类 通常把风暴潮分为由热带风暴 如台风 飓风等 所引起的和由温带气旋所引起的两大类 上述两类风暴潮的明显差别在于 由热带风暴引起的风暴潮 一般伴有急剧的水位变化 而由温带气旋引起者 其水位变化是持续的而不是急剧的 可以认为 这是由于热带风暴比温带气旋移动迅速 而且其风场和气压变化也来得急剧的缘故 此外 尚存在另一种类型的风暴潮 是可以说渤 黄海所特有的 在春 秋过渡季节 渤海和北黄海是冷 暖气团角逐较激烈的地域 由寒潮或冷空气所激发的风暴潮是显著的 其特点为水位变化持续而不急剧 由于寒潮或冷空气不具有低压中心 因而可称这类风暴潮为风潮