第七章——潮汐及深度基准面.ppt

1、Chapter 7 潮汐,平均海面及深度基准面 Tide, MSL and Chart Datum,赵建虎,本章内容,潮汐现象 潮汐产生的原因 潮汐理论 大洋及中国近海潮汐、潮流 潮汐调和分析和预报 平均海面和理论深度基准面 潮汐观测 潮汐改正 潮汐的影响及应用 参考文献 本章重点,7.1 潮汐现象,潮汐：海水周期性的涨落运动称为潮汐。,潮汐类型,半日潮：一日之內有明顯的两次高潮与低潮变化。 全日潮：一日之內只有一次高潮和低潮的現象。 混合潮：為半日潮與全日潮間的混合型，每日高、低潮變 化不像半日潮或全日潮那麼單純的變化，相鄰兩次 漲潮的潮差有極為明顯的大小差異。,潮汐的周期性变化,万有引力告

2、诉我们：宇宙中一切物体之间都存在着互相吸引的力量。月球是距离地球最近的天体，它与海水运动关系最大。 月球吸引地球，地球拉着月球，它们相互吸引的同时，又各自绕地月系统的质心做圆周运动，于是又产生排斥力。,当吸引力大于排斥力，在吸引力作用下，海水便向着月球方向聚集堆积，渐渐升高，形成高潮； 在与月球相反的另一面，排斥力大于吸引力，在排斥力的作用下，海水又要向背着月球的方向聚集堆积，也同样形成高潮。,至于这相对方向的中间地方，由于海水被两端拉走，就要慢慢降低，形成低潮。这样，海面就变成与鸡蛋一样的椭球形状。地球每天自转一周，所以在大约一昼夜时间里，海水一般有两次涨潮，两次落潮,地形对潮汐的影响,潮差

3、的大小与地形有直接的关系。太陽与月球所引起的潮汐效應，在開放海域較不突顯，但海岸或河口的潮差往往可達數公尺，有些地方甚至可達20公尺。海岸線的型態會影響潮汐升降的高度，一般從開放海域進入狹窄的海灣或河口，乃至狹長的海峽，潮水的升降幅度都會增大。,北美洲加拿大東岸的芬地灣(Bay of fundy)是當今所知潮汐水位變化最大的地方，漲潮的水位可增加到16公尺左右。如此劇烈的漲退潮造成每小時25公尺的潮流，會代來大量的沉積物的移動。大陸長江口的錢塘潮就是另一個明顯的例子，漲潮時，外海的海面高漲，海水順著海浪，溯河而上。,7.2 潮汐产生的原因,天球：天球是一个假想的以地球为圆心，无限长为半径的球面

4、，地球之外的天体均分布于其上。与地球的南、北极和赤道相对应，天球有南、北天极和天赤道。地球上观测点位置与地心的连线分别向上和向下无限延伸与天球的交点称为天顶和天底。在天球上，通过南、北天极和天顶（或天底）的大圆称为天子午圈；通过南、北天极和天体的大圆称为天体时圈；通过天顶、天底和天体的大圆称为天体方位圈。,7.2.1 与潮汐有关的天文学知识,天体视运动轨道： 太阳在天球上的周年视运动轨道称为黄道；月球在天球上的月视运动轨道称为白道。太阳从南向北穿越天赤道时的交点为春分点（3月22-23日）、从北向南穿越天赤道时的交点则为秋分点（9月22日）；月球由南向北穿越黄道的交点为升交点、由北向南穿越黄道

5、的交点为降交点。黄道与天赤道的夹角为2327，而与白道的平均夹角为509。,赤纬、时角和天顶距： 沿天体时圈从天赤道至天体的弧度称为该天体的赤纬（相当于地理纬度），用表示，范围090，向北为正、向南为负；天体时圈与观测者所在的天子午圈在天赤道上的夹角称为该天体的时角，用表示，规定自东向西计量（故又称西行时角），范围0-360。当时，称该天体位于上中天；当时，称该天体位于下中天。在天体方位圈上，天体与天顶之间所张开的弧度称为天顶距，用表示，规定由天顶起算，范围0-180。它们之间有如下三角关系： 其中为观测者所在纬度。,时间单位 平太阳日、平太阳时： 平太阳（在黄道上作等速视运动的假想太阳）连续

6、两次上中天的时间间隔称为一个平太阳日，其1/24称为1平太阳时。此即通常所谓的日和时。 平太阴日、时： 平太阴（在白道上作等速视运动的假想月球）连续两次上中天的时间间隔称为一个平太阴日，其1/24称为1平太阴时。平太阴日与平太阳时关系如下 1平太阴日=24.8412平太阳时=24hr50min,朔望月： 当地球、月球及太阳位于一直线时，若月球在地球和太阳之间，则称此时的月球为朔（或新月），其日期为农历初一； 若地球位于月球和太阳之间，则称此时的月球为望（或满月），其日期为农历十五。 相邻两个朔（望）之间的时间间隔称为一个朔望月。 月球由朔向望转变过程中，当其与地球连线、地球与太阳连线相互垂直时

7、，称为上弦，其日期为农历初七、八； 月球由望向朔转变过程中，当其与地球连线、地球与太阳连线相互垂直时，称为下弦，其日期为农历二十二。,7.2.2 引潮力,惯性离心力 在地-月系统中，除了地球自转运动外，地球和月球还绕它们的公共质心（位于距地心0.74r处，r为地球半径）作公转。这种公转既是转动又是平动，结果使得地球任一点处单位质量质点受到一个大小相等、方向相同的惯性离心力，用表示。显然，地心处单位质量质点所受的惯性离心力必然与其所受到的月球的引力大小相等、方向相反，故惯性离心力大小为 其中，K为万有引力常数，D为地月中心距离，M为月球质量。,月球引力 地球上任一点处单位质量质点所受的月球万有引

8、力简称为月球引力，用表示，其大小为 ：,其中K、M同上，L为质点至月球中心的距离。显然，地球上各点的月球引力大小不等，方向彼此不平行，均指向月球。,引潮力 地球上任一点处单位质量质点所受的月球引力和惯性离心力的矢量和称为该处的引潮力，用表示，即,引潮力分布特征,引潮力的量级是很小的，其垂直分量和水平分量具有相同的量级。由此可见相对于重力加速度g而言，可以忽略不计，即潮汐的升降运动不可能由产生；但则能使海水发生辐合和辐散，从而形成海水的起伏涨落。因此，形成海洋潮汐的真正原动力是引潮力的水平分量。,7.3 潮汐理论7.3.1 平衡潮理论,3个基本假定 首先，不考虑陆地的存在，即地球是个被等深海水所

9、包围的球体； 其次，海水没有粘滞性，也没有惯性，海面能随时与等势面重合； 最后，不考虑风、热盐效应及科氏力等对海水运动的影响。,基本思想 在上述假定条件下，不考虑引潮力的海面必然是个与重力处处垂直的球面，即海面是个球形等势面。此时，重力与压强梯度力相平衡，海水处于静止状态，从而没有潮汐现象。 当考虑引潮力时，原先的静力平衡被打破，海水在水平引潮力作用下，分别向面向和背向月球一侧辐合，直至海面在重力、压强梯度力及引潮力共同作用下达成新的平衡状态为止，此时的海面呈椭球形，称为潮汐椭球，其长轴始终指向月球。 由于地球的自转，地球表面的固体部分与的海面发生相对运动，这就造成地球表面上的固定点的水位产生

10、周期性的升降即潮汐。,主要结论 潮汐椭球对称于赤道，地球上各点均为正规半日潮，此时的潮汐称为分点潮； 潮汐椭球与赤道不对称，此时除赤道仍为正规半日潮外，低纬度出现日不等现象，高纬度为正规日潮； 当达到最大值（2836）时，日不等现象最显著，此时的潮汐称为回归潮。 如同时考虑月球和太阳潮汐椭球，则在每月朔、望日（即农历初一、十五），月球和太阳潮汐椭球长轴方向相同，太阴和太阳潮汐相互叠加，形成朔望大潮； 上、下弦之日，月球和太阳潮汐椭球长轴相互垂直，太阴和太阳潮汐部分相互抵消，形成上、下弦小潮。,平衡潮潮高公式,不考虑引潮力的原静止海面是水平的，考虑月球引潮力后，在其水平分量Fk 的作用下，海面发

11、生倾斜a，相对于原静止海面倾角为，当重力g、压强梯度力P及水平引潮力Fh三力平衡时，海面达到平衡状态，此时海面与原静止海面垂直距离称为平衡潮潮高，用m表示。,显然有：,于是：,代入Fh表达式，并根据海面升高和降低的水体体积之和应为零，可得,同理可得，太阳平衡潮潮高s公式为:,根据以上两式，可分别得出月球和太阳平衡潮的最大潮差为54cm和24cm，由此可得出结论，平衡潮的最大可能潮差为78cm。,利用关系式,并令,可将平衡潮潮高m展开如下,其中,1 、 2及3依次表示长周期（半月）潮、全日潮和半日潮。 另外，由于mD3，故月球近地点时潮差较大，远地点时 潮差较小，从而形成潮汐的月周期变化。 同理

12、可知， sD 3，故近日点时潮差较大，远日点时潮差较小，从而形成潮汐的年周期变化。,平衡潮理论优缺点 首先，平衡潮理论优点在于： 其理论建立在客观存在的引潮力的基础上； 其揭示的潮汐变化周期与实际基本相符； 其最大潮差的理论值与大洋实际潮差相近。 其次，平衡潮理论也存在许多缺陷： 其理论假定前提与实际相差较大； 完全没有考虑海水运动，无法解释潮汐间隙和潮龄等现象； 其理论最大潮差在近海与实际相差很大； 无法解释无潮点现象； 无法解释赤道和低纬度地区的全日潮。,7.3.2 平衡潮潮高公式,平衡潮潮高公式表示一个复杂的振动，可展开为很多分潮的叠加，即,而每个分潮则表示为：,式中，H为振幅，f为振幅

13、系数，为相角。,实际海洋中，各分潮的振幅和相角是不同的，因此，实际的分潮表达式为：,不同的分潮H、g不同，即使同一分潮在不同的地点也具有不同的数值，但相对固定地点，H、g是常数，由实测资料作调和分析获得，故称为调和常数。,式中，Hi为分潮平均振幅，gi 为分潮迟角，而实际分潮为：,7.4大洋及中国近海潮汐、潮流,主要大洋潮汐 大西洋沿岸：尤其是欧洲海岸主要为半日潮。 太平洋沿岸：正规半日潮少于日潮和混合潮，西岸和北美沿岸大多属混合潮。 印度洋沿岸：主要为半日潮，澳大利亚西岸主要为全日潮。,中国近海潮汐、潮流,潮汐形成 主要由太平洋潮波传入，海区本身直接受月球和太阳的引潮力而产生的潮汐较小。 西

14、太平洋潮波分2支进入中国海区，一支经日本和台湾之间的琉球群岛由ESWN传播，引起东黄渤海的海面发生振动；另一支经巴士海峡进入南海，引起南海海面振动。,潮汐性质 渤海大部分为半日潮。 渤海海峡、黄海北部海岸、黄海沿岸、东海直至福建沿岸都是半日潮。 台湾西侧为不正规半日潮，东侧为正规半日潮。 南海以全日潮为主，不正规占优势。,东海沿岸等潮差线几乎与海岸线平行，且靠近大陆潮差显著增大。 潮波系统中心潮差小，边缘潮差大。 潮波传播方向右边潮差大于左边，如黄海沿岸潮差大多在3-4m左右，而朝鲜西岸不少海区潮差达5-6m。 湾顶比湾口潮差大，近岸比外海潮差大。 潮差在海中央较小，越靠近海岸越大，海湾里面更

15、大。,沿岸潮差 渤海大部分海区为不正规半日潮流，渤海海峡为不正规全日潮流。 黄海东部为正规半日潮流，西部及沿岸以不正规半日潮流为主。 东海近岸多为往复流，外海多为旋转流，但长江口佘山海区也为旋转流。 中国沿岸潮流流速在100cm/s左右；东海佘山海区2-4.5节，杭州湾北岸东部5-6节；南海潮流较缓，广州湾1.5节，海南岛海区小于1节。,7.5 潮汐调和分析和预报,潮汐计算理论基本概念 潮汐表： 将各主要港口的潮时和潮高汇总编制成的表。 分潮： 按潮汐理论，表征海水涨落的潮汐曲线可分解为一系列简谐运动，每一个简谐运动所对应的潮汐成为一个分潮。 潮汐调和分析： 把任意地点的潮位变化按展开式的谐波

16、项分解成许多分潮，通过潮高和时间等实测数据计算各构成分潮的振幅、相位。,潮汐调和常数： 是在潮汐调和分析方法中反映一个港口或地点的地理特点的许多分潮的振幅和迟角的统称，它随地点而异，但对于某一固定地点是不变的常数。 潮汐计算和预报： 如果知道当地每一分潮的潮汐调和常数（振幅和相位），分潮潮高便可求得，进而可通过叠加得到当地任意时刻的潮高。 理论上分潮数是很多的，但大部分影响不大，近100分潮足够。,潮汐调和分析 调和分析就是将一些主要的分潮相互分离。 有些分潮的角速度相互成整倍数，可以将它们分成一个分潮系，如 S系包括S1、S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S8等分潮。 周期 2

17、4h 12h 6h 3h 取24h为S的一个分潮日 M系包括M1、M2、 M3、 M4、 M5和 M6分潮。 24个平太阴时称为M系的一个分潮日,以平均海面为起算，则实际观测潮位 可表示为：,则：,若t=t1、t2、t3.tn，时刻进行了潮汐观测，实际潮汐为h=h1、h2、h3.hn，则潮汐观测方程为：,根据上述观测方程，则有：,其最小二乘解为：,由于,则调和函数,潮汐预报 获得调和函数后，则利用潮汐的综合模型预报潮汐,（1）需要19年的观测资料 （2）主港潮汐预报模型 （3）适用根据少数主要分潮和调和常数推算潮汐，式中D和d分别为振幅系数和迟角系数。,7.6 平均海面和理论深度基准面,平均海

18、面 平均海平面的确定： 海道测量中所指的平均海面相对于验潮站（水位记录）的零点而计算确定，水位零点在验潮站设立时，其位置是随机的。当有足够长时间的观测数据时，总可计算出相对于水位零点的平均海面值。 将所有时刻瞬时水位值扣除平均海面值，即得相对当地平均海面的水位序列，若以平均海面为基准，便可用这样的水位序列求得水位改正数。,不考虑海面的长期趋势性变化，平均海面在具体地点是确定的，无需大地测量意义的表达，仅有水位观测可得 “平均深度”归算。 平均海面是海图深度基准面的参考基准。 沿岸验潮站，可通过工作水准点和主要水准点将平均海面高程纳入国家高程系。,平均海平面传递： 水准联测（略） 同步改正：,吕

19、泗与大戢山相距约55km，平均海面传递精度2cm,深度基准面 定义： 是计算水深时的起算面，海图上的水深是该水面到海底的深度，在潮汐表中该水面是潮高起算面，即潮高基准面。 通常采用低于平均海面的一个面作为海图深度基准面，它与平均海面的距离由潮差决定。海图深度基准面不能定义的过高，也不能定义的过低，主要取决于两个因素： 航行的安全性 航运的经济性 我国采用弗拉基米尔斯法计算深度基准面,各国的深度基准面定义： 英国：最低天文潮面 法国：最低潮面=A0-1.2（HM2+ HS2 + Hk2 ） 意大利：最低潮面=A0-（HM2+ HS2 ） 美国东海岸：最低潮面=A0-HM2 美国西海岸：最低潮面=

20、A0-HM2-(HS2 + Hk2 )cos450 我国较常用的有略最低低潮面和理论深度基 准面 由此可见各个国家确定深度基准面的方法存在着很大的差异。,我国理论深度基准面的确定弗拉基米尔斯法,理论上可能最低潮面，习惯上称为理论深度基准面，它是通过弗拉基米尔斯法计算。 弗拉基米尔斯法的理论基础是： 根据M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q18个分潮组合可能出现的最低水位。,7.7 潮汐观测,測潮桿 (tide pole) 最簡單的觀測工具，A又稱為水尺，係由2吋厚，4至6吋寬的堅實木桿做成，桿上刻有刻度，以人工目測每小時的潮位高度，觀測資料較可靠，適合短期的觀測。,浮筒式潮位儀 利用浮

21、子随水位的变化引起滑轮的转动确定水位变化的一种机械式潮位测量方法。 这种潮位测量方法可以有效地消除尺面涌浪对潮位观测的影响，具有很好的阻尼滤波的作用。,压力式验潮 通过不同水深压力的变化计算仪器探头到水面的垂直距离，从而反映潮汐的变化。 H=H0+D/10 压力式潮位仪通常需要同水尺验潮同时进行，以作比对使用。 压力式验潮数据需要进行滤波处理才能消除观测误差的影响。,超音波式潮位仪 通过安装在固定高度的超声波发射器到瞬时水面之间的垂直距离变化确定潮位。 可以进行高频率潮位采样。 H=H0 - dH,7.8 潮汐改正,单站潮位改正,双、三站潮位改正,时差法：,用相关分析法求时差,最小二乘曲线比较

22、法：,以平均海面为准的水位：,以任意基准的水位：,曲线比较, 7.9 潮汐影响及应用,港區的營運 船隻在航行或靠、離碼頭時，必需考率慮吃水的深度。當船隻吃水深度小於水深時，可以安全航行；一旦吃水深度大於水深，那就要等到接近漲潮，甚至在接近大潮時才能進出港口。巴拿馬運河連通大西洋與太平洋，傳隻通過時必需分段而行，每段都有水閘控制水位，以便船隻通行，東、西兩端需利用漲落潮之便以調整水位。,沿海漁業 利用潮汐灘地或河口地區，以立竿式或懸掛式之牡蠣養殖，及文蛤、蚶、蜊等經濟貝類之養殖.另有少部份的箱網養殖，主要分佈在新竹、香山、大肚溪以南至台南與高雄間的沿海一帶以及澎湖地區。 利用潮差變化，以海蝕平台闢建成半開放式養殖漁業，目前多以九孔、斑節蝦、石斑等名貴魚及貝類為主，主要集中在東北角海岸，花東海岸亦有少量分佈。,澎湖居民也嘗試利用漲、退潮時的水位變化，在海邊建構石滬來圍捕魚。,潮流 漲潮時的海面上升，勢必引起海水流來。退潮時，海面要下降，海水必須流出；如此，伴隨著潮水的漲落，造成海水迴然不同方向的水平流動，稱為潮流。其性質深受海底地形及海域形狀的影響。在陸地沿海地區，潮流比較顯著，尤其是河口、海灣及海峽等地方，潮流常有很大的流速，最大可達10節左右(約為5公尺/秒)，對船隻航