《海洋科学导论》第九章 潮汐与风暴潮

1、第九章 潮汐与风暴潮D.Zhao,OUC1D.Zhao,OUC2潮汐现象“大海之水，朝生为潮，夕生为汐”海面做周期性的涨落叫潮汐海水周期性的水平流动称为潮流D.Zhao,OUC3潮汐形成的原因古希腊哲学家认为潮汐就是地球的呼吸，是由于地下岩穴中的振动造成的，相当于人的心脏。汉代思想家王充在论衡中写到：“涛之起也，随月盛衰。”指出了潮汐与月球有关系伽利略认为潮汐是地球自转造成的晃动引起的，反对与月球有关1687年，英国科学家牛顿发现了万有引力定律之后，提出了“潮汐是由于月亮和太阳对海水的吸引力引起”的假设。 D.Zhao,OUC4潮 汐 定 义由于日、月引潮力的作用，使地球的岩石圈、水圈和大气圈

2、中分别产生的周期性的运动和变化，总称潮汐 固体地球在日、月引潮力作用形成的弹性-塑性形变，称为固体潮汐或地潮对大气的周期性运动称大气潮对海水，叫海洋潮汐潮汐常狭义地理解为海洋潮汐人体潮、生物潮？D.Zhao,OUC5 潮汐要素潮位：海面相对某一基准面的铅直高度高潮、高潮高低潮、低潮高潮差涨潮、涨潮时落潮、落潮时潮周期潮汐表/D.Zhao,OUC6潮汐的三个类型正规日潮（高纬度）： （1个太阴日：24小时50分） 1个太阴日内1个高潮和1个低潮正规半日潮（赤道） 1个太阴日内2次高潮和2次低潮混合潮：正规 半日潮和全日潮之间的过渡潮型，又分为不正规半日潮和不正规全日潮。 D.Zhao,OUC7潮

3、汐的三个类型不正规半日潮指在一个太阴日内，两次高潮、两次低潮。但其潮差不等，涨落潮的延续时间也不等不正规全日潮：在1个月内的大多数日子里为不正规半日潮，但有时也发生一天一次高潮和低潮的日潮现象 D.Zhao,OUC8决定潮汐类型除潮汐力外，还与海岸走向、陆家边缘和水体范围等因素有关D.Zhao,OUC9有关潮汐的基本事实潮汐的基本周期每太阴日二次高潮和二次低潮；每朔望月二次大潮和二次小潮；逢朔望发生大潮（初一、月半），朔望大潮逢上下弦发生小潮（初八、廿三），方照小潮绝大部分地点一天有两次高潮和两次低潮相邻两次高潮（或低潮）的潮高和潮时不等每天的高潮发生时刻不同靠近陆地的潮差大，大洋中的潮差小D

4、.Zhao,OUC10与潮汐有关的天文学知识是什么引起了潮汐？天体引潮力地球是宇宙的中心吗？天球： 以地球为中心的假想球D.Zhao,OUC11天轴：地轴无限延长天极：天轴与天球的交点，分南、北天极D.Zhao,OUC12与潮汐有关的天文学知识天顶和天底：将观测点的铅垂直线无限延伸后与天球交两点，向上与天球的交点为天顶，向下延伸与天球的交点为天底天子午圈：在天球上，以地心为圆心，通过天极和天顶所作的大圆圈叫做天子午圈；D.Zhao,OUC13天体通过天子午圈叫中天。由于地球作周日运转，每个天体一昼夜内有两次中天，天体靠近天顶时叫上中天，靠近天底时叫下中天D.Zhao,OUC14与潮汐有关的天文

5、学知识天赤道：将地球的赤道面无限延伸后和天球相交的大圆面黄道：太阳的周年视运动轨道。黄道面与天赤道的交角为2327白道：月球的视运动轨道。白道面与黄道面的平均交角为509D.Zhao,OUC15春分点：太阳从南向北穿过天赤道的点秋分点：太阳从北向南穿过天赤道的点夏至和冬至点在哪？ 北、南纬23.50,太阳直射地球最远点D.Zhao,OUC16地球的自转轴在太空中并不固定，而是以26000年的周期在转动，这种运动称为岁差（进动）。所以，春分点和天球北极的位置也会非常缓慢地移动。 D.Zhao,OUC17与潮汐有关的天文学知识平太阳日和平太阳时 平太阳在天赤道作等速运行，其运行速度等于运行在黄道上

6、真太阳的平均速度，这个假想的太阳连续两次上中天的时间间隔，叫做一个平太阳日。把1/24平太阳日取为1平太阳时平太阴日和平太阴时 假想的、等速在天赤道运行的平太阴连续两次上中天的时间间隔，叫做一平太阴日1/24平太阴日取为1平太阴时D.Zhao,OUC18与潮汐有关的天文学知识由于月球的公转速度大于太阳在天球上的视运动速度，使得平太阴日比平太阳日长1平太阴日=（360+12.19)X24/360 =24.8412平太阳时24h 50minD.Zhao,OUC19朔望月月球从新月（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，其长度等于29.5306平太阳日D.Zhao,OUC20

7、引潮力的产生地-月运动可认为是绕公共质心运动地球上任一点的轨迹为圆D.Zhao,OUC21引潮力的定义地球和月球构成一个绕其公共质心运动的系统，使得地球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公转惯性离心力的方向与从月球中心至地球中心连线的方向相同惯性离心力相等情形惯性离心力不相等情形D.Zhao,OUC22太阴引潮力的定义根据万有引力定律，地球上任一物体所受的月球引力都指向月球中心，彼此不平行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太阴引潮力D.Zhao,OUC23引潮力的水平分量为何不考虑引潮力的铅直分量？D.Zhao,OUC24引潮力的大小引潮力与天体质量

8、成正比，与到地球距离立方成反比月球的引潮力是太阳的2.17倍，其它星球的引潮力可忽略D.Zhao,OUC25平衡潮潮汐静力理论基本假设：地球为一个圆球，表面被等深的海水覆盖，不考虑陆地的存在海水没有粘性和惯性，海面能随时与等势面重叠海水不受科氏力和摩擦力的作用基本思想： 考虑引潮力后的海面变成了长轴指向月球的椭球潮汐椭球，由于地球的自转，地球的表面相对于椭球形的海面运动，造成了地球表面固定点的发生的周期性的涨落而形成潮汐D.Zhao,OUC26潮汐静力理论结果月赤纬是地球赤道平面与月球轨道平面的夹角，最大2835在赤道上永远出现正规半日潮当月赤纬等于0，地球上各处均为正规半日潮当月赤纬不等于0

9、时，两极高纬度地区出现正规日潮当月赤纬不等于0时，其它纬度上出现日不等现象，越靠近赤道，半日潮的成分越大，越靠近两极，日潮的成分越大上述理论结果与观测事实相符！D.Zhao,OUC27潮汐静力理论结果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，即潮汐具有半月变化的周期朔望之时，太阳和月亮的引潮力所引起的潮汐椭球长轴重叠，形成大潮上下弦月时，月球和太阳所引起的潮汐椭球长轴正交，相互抵消，形成方照小潮D.Zhao,OUC28一个月之中大小潮的变化D.Zhao,OUC29推算潮汐的简易方法八分算潮法推算正规半日潮 高潮时=0.8h*(农历日期-1或16)+高潮间隙

10、低潮时=高潮时+6时12分高潮间隙是月中天时至下一个高潮发生的时间间隔。（青岛为4小时46分）D.Zhao,OUC30潮汐不等现象月球近地点时潮差较大，远地点时潮差较小，产生月不等地球近日点有一年变化周期，产生年不等月赤纬有18.61年的变化周期，月球近地点有8.85年的变化周期，产生潮汐多年不等D.Zhao,OUC31平衡潮潮高潮高公式太阴平衡潮潮差最大值为54cm，太阳平衡潮潮差最大值为24cm与深海潮差大体一致由平衡潮理论得到的最大潮差为78cm钱塘江的潮差可达8m，远大于平衡潮理论的结果平衡潮理论出现问题！？钱塘江大潮D.Zhao,OUC32对潮汐静力理论的评价贡献：利用引潮力解释潮汐

11、的发生给出的周期变化与实际基本相符给出的潮差与实际大洋的潮差相近缺点：假定整个地球完全被海水包围没有考虑海水的运动和惯性浅海的潮差与理论相差较大由于不涉及海水的运动，不能解释潮流现象D.Zhao,OUC33平衡潮理论的缺陷实际的潮汐不能一直处于平衡状态！在赤道海区，潮汐要在一天内绕地球一周，需要波动速度为460m/s，这只有对22km深的海洋才有可能在浅海，潮汐不可能跟上月亮和太阳的运动！D.Zhao,OUC34缺点：无法解释封闭海湾内的无潮点、两岸潮差不等现象无法解释赤道和低纬度海区的日潮现象实际的朔望大潮常发生在朔望日之后2天左右D.Zhao,OUC35拉普拉斯潮汐动力理论对于海水运动，只

12、有水平引潮力重要，垂直引潮力和重力相比可忽略海洋潮汐实际上是海水在月球和太阳引潮力作用下的潮波运动，即水平方向的周期运动和海面起伏的传播同时受到海陆分布、海底地形、地转偏向力及摩擦力等因素影响。利用拉普拉斯潮汐方程进行求解，发现无潮点和旋转潮波D.Zhao,OUC36长海峡中的潮汐和潮流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，南半球则相反D.Zhao,OUC37窄长半封闭海湾中的潮汐和潮流入、反射波相互叠加形成驻波，离湾顶等于/4、3/4、处为节线，为无潮线2/4、4/4、为潮差最显著的位置，称为波腹线波节处潮流最大，波腹处潮流为零D.Zhao,OUC38半封闭宽海湾中的潮汐

13、和潮流浅海中半日潮波的波长大约为1000km考虑北半球一个宽度和长度都等于半个潮波波长的半封闭海湾由湾顶反射和柯氏力作用各自形成驻波涨潮D-平潮A-落潮B-停潮CD.Zhao,OUC39各种形态海区中潮波特性长海峡（北半球）窄长半封闭海湾（长度/4，宽度）半封闭宽海湾（北半球）潮波前进波驻波（因湾顶全反射形成）两驻波的叠加（因湾顶反射与地转效应形成）潮流来复流高潮：流向与潮波传向相同低潮：流向与潮波传向相反高、低潮时流速最大半潮面时流速为0来复流涨潮向里，高潮时流速为0退潮向外，低潮时流速为0半潮面时流速最大湾顶处潮流始终为0旋转流潮流矢量反时针偏转矢量末端联线为椭圆无潮点潮流始终为最大各地潮

14、流始终不为0等潮时线一组与潮波传向垂直的直线各地高潮的发生时刻取决于潮波的波速和波向一条与潮波传向相同的直线各地同时达到高潮绕无潮点反时针偏转潮差沿潮波传向看右岸大于左岸不存在无潮线湾顶大，湾口小存在无潮线（离湾顶/4处）岸边大，中间小存在无潮点D.Zhao,OUC40假想天体和分潮假想天体 将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，而且假设每一个周期的潮汐对应一个“假想天体”分潮 假想天体对海水所引起的潮汐称为分潮理论上分潮可有很多，但实际应用选用11个较大的半日、全日和浅水分潮即可D.Zhao,OUC41分潮符号（即假想天体符号）名称周期（平太阳时）相对振幅（取2100）半

15、日分潮M2太阴主要半日分潮12.421100S2太阳主要半日分潮12.00046.5N2太阴椭率主要半日分潮12.65819.1K2太阴太阳赤纬半日分潮11.96712.7全日分潮K1太阴太阳赤纬全日分潮23.93454.4O1太阴主要全日分潮25.81941.5P1太阳主要全日分潮24.06619.3Q1太阴椭率主要全日分潮26.8687.9浅水分潮M4太阴浅水1/4日分潮6.210M6太阴浅水1/4日分潮6.140MS4太阴、太阳浅水1/4日分潮6.103D.Zhao,OUC42潮汐分潮D.Zhao,OUC43旋转潮波实际海洋中的潮波，可能是前进波、驻波，普遍形式是旋转潮波，波峰线绕无潮点

16、旋转。同潮时线是从无潮点发出的射线，等振幅线是绕无潮点的同心圆。无潮点的存在是科氏力的作用D.Zhao,OUC44M2分潮图M2分潮同潮图在北半球，一般为逆时针旋转，南半球相反，主要与科氏力的影响有关。D.Zhao,OUC45Accad and Pekeris (1978)S2分潮同潮图在北半球，一般为逆时针旋转，南半球相反，主要与科氏力的影响有关。D.Zhao,OUC46Accad and Pekeris (1978)黄渤东海M2分潮同潮图D.Zhao,OUC47黄渤东海的S2分潮同潮图D.Zhao,OUC48黄渤东海K1分潮同潮图D.Zhao,OUC49黄渤东海的O1分潮同潮图D.Zhao

17、,OUC50潮汐预报潮汐可分解为一系列简谐振动组成的，每一简谐振动，称为一个分潮，分潮的周期同引潮力各分场的周期一一对应。用潮汐调和分析（EOF）可推算一定期间内的潮汐变化和分析该区的潮汐性质。调和分析预报：从实测数据中分析得到调和常数。数值方法：数值计算得到调和常数，然后用调和分析方法预报潮汐 D.Zhao,OUC51潮汐预报理论上潮汐的最长周期是18.61年，把计算得出的振幅经过订正后得出各分潮的“平均振幅”；把初位相角加上经过天文订正的相角后得“迟角”。各分潮的平均振幅和迟角，称为该分潮的潮汐调和常数。经典的潮汐分析方法，首先把实测潮位记录中的各分潮（如太阴分潮系、太阳分潮系等）分离出来

18、，再进行调和分析 潮汐表将沿海各主要港口未来一年内的高潮和低潮发生的时间和高度、潮汐调和常数、潮流变化等资料刊出。h为分潮潮高，H为平均振幅，f为修正因子q为分潮的角频率，V0+u为观测期间开始日世界时零时假想天体的位相角。K为迟角，由于海底摩擦、惯性力等引起的高潮时落后于月中天时刻的位相角。 D.Zhao,OUC52潮汐预报潮汐预报包括天文潮预报和气象潮预报。天文潮预报是根据日、月的运动规律，用潮汐调和常数计算，并加以海平面的订正，推算得出潮位的逐时逐日变化过程、高潮时和低潮时。气象潮预报是根据气象和气候资料，对天文潮推算结果加以修正后，来预报一定时期内对潮汐可能带来的影响。 D.Zhao,

19、OUC53潮汐的观测验潮井:竖管，侧向水平进水口，布设仪器： 浮筒：与圆轴、记录纸、笔、随时间拖动系统相连水尺（人工观测）：一般1小时一次，每次1分钟平均（目测），高低潮时加密至10分钟。 D.Zhao,OUC54潮汐的观测 压力式验潮仪：（可直接在外海使用）压力变化反应水位。超声验潮仪：超声测矩仪，声波打到水面反射。采样时间1分钟,采样间隔可设定,一般10分钟、15分钟,潮汐报表是1小时,但必须有高、低潮时间和潮高。 D.Zhao,OUC55潮汐的应用海港工程（设计水位，校核水位）航运交通军事活动渔、盐、水产业世界潮汐能大于30亿千瓦D.Zhao,OUC56关于潮汐的能量潮汐的能量从哪里来的

20、？潮汐从地球的旋转中获得能量，并使地球旋转变慢全球潮汐能量耗散达3.75TW ，其中海洋耗散3.5TW，通过浅海和海岸区的摩擦耗散1TW =1012WD.Zhao,OUC57风暴潮（Storm surge） D.Zhao,OUC58风暴潮D.Zhao,OUC59气象潮与风暴潮由气象原因引起的局部海面非周期性的升降现象，称为气象潮。特大的气象潮通常称为“风暴潮”气象潮的振动周期通常在几分钟到几天不等。 形成原因海上风使表层海水被迫发生运移和堆积。高气压控制海域时，“高压”迫使海面降低；低气压控制海域时，海面随之升高。低压中心气压每降低1hPa,海面约上升1cmD.Zhao,OUC60风暴潮的形成

21、风暴潮是发生在沿岸地区的最大的自然灾害，伴随着台风或飓风而发生Storm surge: 高于天文潮水位的增水Storm tide：天文潮和风暴共同引起的增水D.Zhao,OUC612005年8月29日，飓风Katrina袭击美国，引起的风暴潮造成1726人死亡新奥尔良市一片汪洋D.Zhao,OUC62发生在墨西哥湾的两次风暴潮Ike 2008Katrina 2005D.Zhao,OUC63风暴潮风暴潮分类： 台风风暴潮 温带（气旋）风暴潮冯士筰院士是中国风暴潮研究的开拓者之一青岛前海风暴潮D.Zhao,OUC64风暴潮的种类台风风暴潮，多见于夏秋季节。其特点是：来势猛、速度快、强度大、破坏力强

22、。温带风暴潮，多发生于春秋季节，夏季也时有发生。其特点是：增水过程比较平缓，增水高度低于台风风暴潮。1969年8月17日，从大西洋登陆美国墨西哥湾沿岸的“卡米尔”飓风引起的风暴潮，水位升高7.5米，是全球迄今最高的风暴潮记录 D.Zhao,OUC65风暴潮的特点风暴潮是一种重力长波，周期约为1100小时，介于地震海啸和海洋潮汐之间，水位振动幅度可达数米；如果风暴潮与天文大潮叠加在一起时，水位变化幅度将更大。 风暴到达之前，由于风暴潮的移动速度小于当地自由长波的速度，因此，会有先兆波到达岸边，引起沿岸海面缓慢升降，属初振阶段；风暴过境时，沿岸水位剧升，风暴潮位升到最高，并将持续数小时，此时为“主振阶段”；风暴离境后，尚有遗留下来的阻尼振动，振幅与初振阶段近似，此时称“余振阶段”。D.Zhao,OUC66风暴潮的大小与风暴强度、范围、移动速度、方向、接近海岸的角度、海岸的形状特征（