海洋学-第5章-潮汐

海洋学第五章潮汐本章主要内容：潮汐现象天体知识引潮力平衡潮理论潮汐动力理论§5.1潮汐现象1.定义：海水在月球和太阳引潮力作用下

所发生的周期性运动。

习惯上：海面周期性的垂直涨落称为潮汐。

海水周期性的水平流动称为潮流。一、潮汐基本要素§5.1潮汐现象高潮高高潮高潮潮差低潮高落潮时涨潮时低潮落潮涨潮时间高度基准面潮汐要素示意图2.潮汐要素§5.1潮汐现象3.基准面海岸与海洋工程中，高程测量和水深测量的起算面（零面）。◆平均海平面全国统一采用“黄海平均海平面”作为陆地高程起算面。青岛验潮站多年（19年）的每小时潮位观测记录的平均潮平面。随着观测资料的积累，重新核算的“1985国家高程基准”比“1956黄海高程基准”高0.0389m。我国的水准原点青岛水准原点高出“黄海平均海水面”的高程为72.2893米

水准零点（青岛市东海中路银海大世界）“零点”石球§5.1潮汐现象◆海图深度基准面■由于潮位的升降，实际海面大约有一半时间低于平均海平面。■为了保证航海安全，海图中标出的深度最好接近最小深度，海图深度基准面即潮汐可能到达的最低潮面。◆潮高基准面■《潮汐表》上所预报的潮位值也有一个起算面，这个起算面称为潮高基准面。■它是平均海平面下的一个面，在《潮汐表》中都有注明，它与海图深度基准面不一定一致。■任何时刻某海区某处的实际水深就等于海图深度加上这两个基准面之间的差值和该海区《潮汐表》上的潮位预报值。§5.1潮汐现象二、潮汐类型1.正规半日潮在一太阴日（约等于24小时50分）内发生两次高潮和低潮。2.全日潮

在一个太阴日内只有—次高潮和一次低潮。3.混合潮不正规半日潮相邻高潮或低潮的潮位相差很大，涨潮时和落潮时也不等。不正规日潮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。§5.1潮汐现象§5.1潮汐现象半日潮混合潮全日潮§5.1潮汐现象§5.1潮汐现象※广义的潮汐■由于日、月引潮力的作用，使地球的岩石圈、水圈和大气圈中分别产生的周期性的运动和变化,总称潮汐■固体潮汐：固体地球在日、月引潮力作用下引起的弹性—塑性形变■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、涨落与进退■大气潮汐：大气各要素（如气压场、大气风场、地球磁场等）受引潮力的作用而产生的周期性变化（如8、12、24小时）。由太阳引起的大气潮汐称太阳潮，由月球引起的称太阴潮。

§5.1潮汐现象■大洋底部地壳的弹性—塑性潮汐形变，会引起相应的海潮■海潮引起的海水质量的迁移，改变着地壳所承受的负载，使地壳发生可复的变曲。■气潮在海潮之上，它作用于海面上引起其附加的振动，使海潮的变化更趋复杂。■作为完整的潮汐科学，其研究对象应将地潮、海潮和气潮作为一个统一的整体，但由于海潮现象十分明显，且与人们的生活、经济活动、交通运输等关系密切，因而习惯上将潮汐（tide）一词狭义理解为海洋潮汐※广义的潮汐第五章潮汐本章主要内容：潮汐现象天体知识引潮力平衡潮理论潮汐动力理论§5.2天体知识一、某些天文学

的基本概念§5.2天体知识◆黄道★

SUN●Eartha●b●c●d●e●●A●B●C●D●E地球绕太阳公转一周，如白圈所示（a→b→c→d→e），但地球上的人看来，似乎是太阳绕地球旋转。那么，太阳在天球上的投影每年也绕着地球做一周的视运动（A→B→C→D→E），此视运动即为黄道。§5.2天体知识太阳、地球、月亮的关系§5.2天体知识◆时间单位平太阳日：天文学上假定有一个太阳（平太阳）在天赤道上作等速运行，其速度等于运行在黄道上的真太阳的平均速度。这个假想的太阳连续两次经过上中天的时间间隔叫做一个平太阳日。1/24的平太阳日=1个平太阳时平太阴日：假想的、等速在天赤道上运行的平太阴连续两次通过上中天的时间间隔，叫做一个平太阴日。1平太阴时=1/24平太阴日1平太阴日=24.8412时=24小时50分§5.2天体知识地球自转以及月球绕地球公转都是自西向东转，当地球自转一周(24平太阳时)后月球也向东移了12.2°，因此地球必須再转50分钟才能使月球重新位于观测者的中天。§5.2天体知识朔望月(SynodicMonth）：月相完全更替一轮的周期。其平均长度约为29.5306日地方时：当某地的天子午圈与太阳的时圈重叠，且太阳上中天时为12时，而太阳下中天时为0时，这样确定的时间称为某地的地方时。§5.2天体知识第五章潮汐本章主要内容：潮汐现象天体知识引潮力平衡潮理论潮汐动力理论§5.3引潮力＊问题？潮汐是怎样产生的？★潮汐与什么有关？★存在什么规律？★产生潮汐的主要因素？一、地月运动和月相变化1.地月运行轨道地月运行图§5.3引潮力兰色表示地球、黄色表示太阳、灰色表示月球，其中面向太阳的一面以浅灰表示。地球中心表示北极或南极，地球自转一周为24小时，时间如内圈所示。绿点表示观测者所在位置，图中表示起始时刻为半夜0：00。月球绕地球一周大约30天，时间如外圈所示。§5.3引潮力2.平动的概念运动物体上任意两点所连成的直线，在整个运动过程中，始终保持平行，这种运动叫做“平动”。平动圆运动：物体上各点以相同的半径围绕各自的中心作圆运动。3.地月公共质心§5.3引潮力月球：M1

地球：E1

A点：A1地球的平动运动1§5.3引潮力月球：M2

地球：E2

A点：A2地球的平动运动2§5.3引潮力月球：M3

地球：E3

A点：A3地球的平动运动3§5.3引潮力月球：M4

地球：E4

A点：A4地球的平动运动4§5.3引潮力地球的平动运动5

A点与地心E作同质量、同半径（0.73r）、同角速度（27.3d）的平动。

§5.3引潮力二、引潮力月球的引潮力：地球上单位质量物体所受月球引力与因地球月运动

所产生的惯性离心力的合力。1.月球的引力

月球对地球的吸引力：单位质量物体所受引力大小:方向：

不平行，指向月球

§5.3引潮力2.惯性离心力（地球绕公共质心运动产生）地心E：地面各点：相等、平行、背离月球

3.引潮力

月球引力惯性离心力月引潮力►地心：►地面：§5.3引潮力4.引潮力公式MCEBDAθαxPFVFHrD=MEfpmfcm■则P处单位质量海水所受的月球引力为：方向指向月球■公转惯性离心力为方向与地月连线平行，且背离月球§5.3引潮力■P点所受引潮力MCEBDAθαxPFVFHrD=MEfpmfcm将F投影到水平和垂直方向上，称之为水平引潮力和垂直引潮力。§5.3引潮力在ΔMPQ中MCEBDAθαxPFVFHrD=MEfpmfcmQ§5.3引潮力此式根据牛顿二项式展开，并略去(r/D)2等高阶小量后得§5.3引潮力而垂直分量FV§5.3引潮力可见月球引潮力的铅直分量和水平分量为同理可得太阳引潮力的铅直分量和水平分量为§5.3引潮力5.引潮力分布►引潮力~天顶距，FV在A、B两点最大(=0、180º)，约为1.15×10-7g，方向都背离地心。而在C、D点(=90º)，FV只有A、B两点对应分量的一半，方向指向地心►

FH在A、B、C、D点为0，而在F、G、H、K点达最大值。当

月=0，FH与地轴或赤道成对称分布。在一个半球都指向A，在另一个半球都指向B

当

月

0，FH相对地轴或赤道的分布便不对称§5.3引潮力►地球中心，r=0，月球引潮力为0，即fcm=fpm►太阳引潮力（FH或FV)与F月对应分量的分布情况相似►海洋潮汐现象主要是由月球引潮力产生的，其次是太阳引潮力分布太阳：其他天体，如金星第五章潮汐本章主要内容：潮汐现象天体知识引潮力平衡潮理论潮汐动力理论§5.4平衡潮理论＊问题？在引潮力作用下，潮汐是如何产生的呢？两种理论平衡潮理论动力理论§5.4平衡潮理论一、平衡潮理论●基本假定►整个地球表面被等深海水所包围；►海水没有惯性；►忽略地转偏向力和摩擦力作用。●内容

海水在引潮力、压强梯度力和重力的作用下，随时达到平衡，从而使海平面在新的等势面下平衡所产生的潮汐。§5.4平衡潮理论●潮汐椭球引潮力分布潮汐椭球§5.4平衡潮理论二、潮汐类型■分点潮

月赤纬=0地球各点都为正规半日潮■回归潮(月赤纬最大)月赤纬≠0高纬度全日潮赤道半日潮其它半日+全日(日不等)§5.4平衡潮理论■朔望大潮

新月/满月时潮汐现象太阳引潮力和月引潮力相互叠加高潮最高，低潮最低->大潮§5.4平衡潮理论■两弦小潮

上弦/下弦时潮汐现象月引潮力与太阳引潮力部分抵销高潮最低，低潮最高->小潮§5.4平衡潮理论■近点潮月球运动到近地点时，发生的潮汐称之为近地潮(或近月潮)。■远点潮月球运动到远地点时发生的潮汐，称之为远地潮(或远月潮)。三、平衡潮潮高力势:

移动单位质量物体，沿着力的反方向，从这个力为零的地点至某一点克服这个力所作的功，叫做该点的力势。如这个被克服的力是重力，则称为重力势。如这个被克服的力是引潮力，则称为引潮力势。§5.4平衡潮理论♥重力势

把海面相对于原静止水面的升高记为则有

太阴垂直引潮力势♥引潮力势§5.4平衡潮理论令§5.4平衡潮理论同理平衡潮最大潮差为§5.4平衡潮理论四、对潮汐静力理论的评价●实用价值►其理论是建立在客观存在的引潮力之上，解释潮汐发生；►由此导出的潮高公式计算潮汐周期结果与实际基本相符，解释潮汐不等；►由潮高公式计算出的最大可能潮差与实际大洋相近。●缺点►假定地球完全被海水包围，与实际差距大；►没有考虑海水的运动，无法解释“潮流”现象；►浅海、近岸地区的潮差与理论结果相差大；►与某些地区的潮汐规律不符；

按平衡潮理论，赤道永远不会出现全日潮，与实际不符►无法解释大潮的滞后现象；►无法解释半封闭海湾的潮汐现象（无潮点）；第五章潮汐本章主要内容：潮汐现象天体知识引潮力平衡潮理论潮汐动力理论§5.5潮汐动力理论牛顿

Newton牛顿潮汐静力学理论（平衡潮理论）万有引力拉普拉斯Laplace潮汐动力学理论强迫振动§5.5潮汐动力理论√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。√对于海水运动来说，只有水平引潮力才是重要的；铅直引潮力远小于重力。√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。√除引潮力外，还需考虑其它因素。一、潮汐动力理论的基本思想§5.5潮汐动力理论二、潮汐共振被陆地所阻隔的区域，会受到永恒存在的天体引潮力作用（强迫振动）。太阴日之内的引潮力半日引潮力T=12小时25分钟全日引潮力T=24小时50分钟可简化为被陆地所阻隔的区域，有其本身的固有周期，这种按照固有周期而作的振动，称为“自由振动”芬地湾长度约为270公里，平均深度约为70米，若认为L=1/4λ，则它的固有振动周期等于11.5小时，这和半日潮波的周期比较接近，形成特大潮差。§5.5潮汐动力理论加拿大的芬地湾最大潮差高达17米。满潮干潮§5.5潮汐动力理论三、科氏力作用在科氏力作用下，传播方向右岸的振幅要比左岸的振幅大，这种波叫开尔文波。§5.5潮汐动力理论四、无潮点在两个振动节线的交点上，潮汐涨落为零，这一点称为无潮点。因入射潮波与反射潮波相互抵消，潮差极小，习称“无潮点”。黄河口“无潮点”潮差可小于10厘米，但潮流较强。§5.5潮汐动力理论●同潮时线：连接在同一时刻潮位相同的点的连线。在北半球，由于地球自转的效应，使同潮时线绕无潮点反时针方向旋转。●等潮差线：若把一个周期当中振幅相等的地点联成线，便可得到一组等振幅线。由于潮汐振幅的两倍是潮差，所以，也称为等潮差线。§5.5潮汐动力理论同潮时线图五、旋转潮波系统§5.5潮汐动力理论五、旋转潮波系统同潮时线则为放射线形状，而等潮差线为环状分布（绕无潮点的同心圆），这种潮波系统叫旋转潮波系统，在北半球其旋转方向大多是反时针的，在南半球却大多是顺时针方向。实际海洋中的潮波(tidalwave)，可能是前进波(travelingwave)、驻波(standingwave)，普遍形式是旋转潮波，波峰线(wavecrestline)绕无潮点旋转。

§5.5潮汐动力理论六、潮流的水质点运动►进行潮波：高潮和低潮时流速最大，但方向相反，于半潮面时水平流速为零，发生转流。►驻立潮波：半潮面时流速最大,转流时刻出现在高,低潮,且流速为零。§5.5潮汐动力理论

长海峡（北半球）

窄长半封闭海湾(长度≤λ/4，宽度<<λ)

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（湾顶反射与地转效应）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旋转矢量末端连线为椭圆无潮点潮流始终为最大各地潮流始终不为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旋转潮差沿潮波方向看右岸大于左岸，不存在无潮线湾顶大，湾口小存在无潮线（距湾顶λ/4处）岸边大，中间小存在无潮点各种形态中潮波特性的比较§5.5潮汐动力理论七、我国沿海的潮汐

1．东海：潮波属于进行波的性质2．黄海、渤海：旋转潮波的性质黄海靠我国一侧潮差小，靠朝鲜一侧潮差大。青岛：3.3米；仁川：8.1米3．南海北部湾为旋转潮波；其他地方为进行波

潮汐

青岛属正规半日潮港，每个太阴日（24时48分）有两次高潮和两次低潮。潮差为1.9～3.5米，大潮差发生于朔或望（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。知识扩展◆假想天体和分潮1、假想天体：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。2、分潮：我们可以假定真正天体对潮汐所引起的每一种变化，都不是天体本身的作用，而是由一个或几个假想天体所产生的，这些假想天体对海水所引起的潮汐称为分潮。知识扩展潮汐调和分析简介潮汐静力学理论不足

（两个假设、实际情况、原因）潮汐预报法：潮汐调和分析法

（潮汐静力学理