1、,海 洋 学,Oceanography,第五章 潮汐,潮汐：海面周期性的垂直涨落潮流：海水周期性的水平流动,潮汐要素示意图,第一节 潮汐现象,平潮,停潮,基准面,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,2. 海图深度
2、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。,3. 潮高基准面,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 在一太阴日内只有一次高潮和一次低潮,3.混合潮 不正规半日潮 相邻高潮或低潮的潮
3、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。,大潮潮差,小潮潮差,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,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
4、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,扩展,据现代科学发现太阳和月球引力还可能对人体或生物体中的液体等会发生作用，形成神秘的“生物潮”和“人体潮”，有日本科学家正对此问题在作研究。我国古代有一句谚语“逃过初一，也逃不过十五”也是对这种神秘的生物潮和人体潮可能会引发人或其它生物的病情加重，或精神上的变
5、化的生动写照。,咸潮,一、何谓“咸潮”由旱情引起的，一般发生在上一年冬至到次年立春清明期间，由于上游江水水量少，雨量少，使江河水位下降，由此导致沿海地区海水通过河流或其他渠道倒流到内陆区域。咸水上溯意味着位于江河下游的抽水口在咸潮上溯期间抽上来的不是能饮用、灌溉的淡水，而是陆地生命无法赖以生存的海水。咸潮的影响主要表现在氯化物的含量上，按照国家有关标准，如果水的含氯度超过250毫克升就不宜饮用。这种水质还会危害到当地的植物生存。,二、珠江口咸潮的成因1. 降水少是主要原因2珠江无序挖沙也助长了特大咸潮的形成3海平面上升加剧咸潮蔓延4生产和生活用水增加加剧咸潮的严重,三、咸潮的危害水中的盐度过高
6、，就会对人体造成危害，老年人和患高血压、心脏病、糖尿病等病人不宜饮用。水中的盐度高还会对企业生产造成威胁，生产设备容易氧化，锅炉容易积垢。在咸潮灾害中，生产中用水量较大的化学原料及化学制品制造、金属制品、纺织服装等产业受到的冲击较大，其中一些企业不得不停产。 咸潮还会造成地下水和土壤内的盐度升高，给“鱼米之乡”的珠三角农业生产造成严重影响，危害到当地的植物生存。,第三节 与潮汐有关的天文学知识,一、某些天文学的基本概念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的天体的球面。这是一个假想的圆球。所有天体在天球上的位置就是它们沿视线方向在天球内表面的投影。天轴：将地轴无限延
7、长的所得到的假想轴天极：天轴与天球的交点北天极：天轴与地球上的北极所对应的那一点南天极：天轴与地球上的南极所对应的那一点,天顶：若将观测点的垂直直线无限延伸后也可与天球交与两点，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天体时圈：通过天极和天体所作的大圆圈,赤纬、时角和天顶距 1）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。 2）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。 3）天顶距：在天体方位圈上，天体与天顶之间所张的角度称为天顶距。,北天极,南天极,春分点,2327,5
8、09,夏至点,冬至点,秋分点,天轴,时角Z,天顶距,天子午圈,时圈,天赤道,天体,日时圈,日赤纬,天顶,天底,三个圈 天子午圈(Celestial Meridian )：地心为中心，过天极和天顶的大圆圈。天顶和天子午圈具有地方性。 时圈(Hour Circle,or Circle of declination )：地心为圆心，过天极和天体的大圆圈 天体方位圈：过天顶、天底和天体的大圆圈,三个道天赤道(the Celestial Equator)：赤道无限扩大，与天球相交的大圆叫天赤道黄道(the Ecliptic)：太阳周年视运动的轨道。运动方向与地球公转方向一致：自西向东白道：月球绕地球公转
9、的结果使得月球在天体上有一个视运动轨道，称为白道, SUN,Earth,a,b,c,d,e,A,B,C,D,E,地球绕太阳公转一周，如白圈所示（abcde），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（ABCDE），此视运动即为黄道,太阳、地球、月亮的关系,四个点(1) 春分点(the spring vernal equinox ) ： 太阳从南向北穿过天赤道的点，每年3月21日(2) 秋分点( the autumnal equinox) ：太阳从北向南穿过天赤道的点，每年9月23日(3) 夏至点(summer solstice)：北赤纬最大的
10、点(+ 2327)(4) 冬至点(winter solstice)：南赤纬最大的点(- 2327),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,朔望月(Synodic Month）月相完全更替一轮的周期：平均长度约为29.5306日,第二节 引潮力,一、引潮力的定义 1、公转惯性离心力（f0）：绕地月公共质心公转平动的结果,地球各点受力大小相等、方向相同。各质点力的方向背离月球，彼此平行。 2、月球引力（fP）：力随位置不同而变
11、化。各质点力的方向指向月球中心，不平行。 引潮力 = 合力,一 、惯性离心力,地-月公共质心 地球各点惯性离心力 地球的平动运动,地球的平动运动1,月球：M1地球：E1A点：A1,地球的平动运动2,月球：M2地球：E2A点：A2,地球的平动运动3,月球：M3地球：E3A点：A3,地球的平动运动4,月球：M4地球：E4A点：A4,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。,地球的平动运动6,地心E：地面各点：相等、平行、背离月球,二、月球引力,月球对地球的吸引力： 地球表面某水质点所受引力大小:方向： 不平行，指向月球,月球引力 惯性离心力,引潮
12、力,月球引力 惯性离心力 月引潮力,(二) 引潮力公式,1. 任一点上的引潮力,设地球半径r，月球中心到地球表面任一点P的距离为x。若考虑一个天体方位圈，即以地心为圆心，过天体(月球M)、天顶(P)做大圆圈。为天顶距（天体与天顶在天球上所张的角度）,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,P点所受引潮力,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,Q,Q,在MPQ中,此式根据牛顿二项式展开，并略去(r/D)2等高阶小量后得,而垂直分量FV,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,2
13、. 结论(conclusion),1) 引潮力天顶距，FV在A、B两点最大(=0、180)，约为1.1510-7g，方向都背离地心。而在C、D点(=90)，FV只有A、B两点对应分量的一半，方向指向地心,2)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,引潮力分布,3) 地球中心，r=0，月球引潮力为0，即fcm=fpm，,4) 太阳引潮力（FH或FV) 与F月对应分量的分布情况相似,5) 海洋潮汐现象主要是由月球引潮力产生的，其次是太阳,太阳：,其他天体，如
14、金星,(三) 引潮力势,1. 定义：自地心(引潮力为0)移动单位质量物体至地表面上任一点克服引潮力所做的功,2. 对月球，其引潮力势为，（只有垂直引潮力作功）,一、平衡潮理论1. 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。2.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 牛顿潮汐静力学理论（平衡潮理论）,2.潮汐椭球,引潮力分布,潮汐椭球,北天极,南天极,2327,509,天轴,时角Z,天顶距,天子午圈,时圈,天赤道,天体,日时圈,日赤纬,天顶,天底,二、潮汐类型,（1）分点潮 月赤纬=0
15、地球各点都为正规半日潮（2）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),（3）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,（4）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（END）,（5）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)。（6）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)。,潮汐的不等现象,1）日不等现象（月球的影响） 半日周期与日周期 2）半月不等现象（月日的影响） 朔望大潮和两弦小潮 3）月不等现象（地月椭圆轨道） 月球近地点的月变
16、化 4）年不等现象（地日椭圆轨道） 地球近日点年变化 5）多年不等现象（多年周期） 月赤纬18.61年的变化周期， 月球近地点8.85年的变化周期,三、平衡潮潮高,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,引潮力势,1、潮高公式,月球最高36cm，最低-18cm，最大潮差54cm；太阳最高16cm，最低-8cm，最大潮差24cm平衡潮最大可能潮差为78厘米。,月球： 太阳：,四、对潮汐静力理论的评价1、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。,四、
17、对潮汐静力理论的评价2、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）；,5-5 潮汐动力学理论,一、 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。 (1)、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。 (2)、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。,二、各种形态海区中潮波特性 (
18、1)长海峡中的潮汐和潮流 地转效应可使潮波发生变形。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。此外，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。,(2)窄长半封闭海湾中的潮汐和潮流,原点,入射波,反射波,流速方程,潮位方程,3、半封闭宽海湾中的潮汐和潮流 因科氏力对潮波运动的影响不能忽略，这种潮波称为旋转潮波。,t=0,t=T/4,t=T/2,t=3T/4,2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。,3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。,4旋转潮波系统等潮
19、差线为环状分布，而同潮时线则为放射线形状，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。 5.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。,各种形态中潮波特性的比较,加拿大的芬地湾最大潮差高达17米。,满潮,干潮,五、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
20、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。,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 （潮汐静力学理论潮汐动力学理论） 潮汐调和分析法 原理 方法 常见分潮（半日分潮、日分潮、浅海分潮）,潮汐静力学理论两个假设,整个地球被等深的大洋所覆盖，所有自然因素对潮汐不起作用； 海水无摩擦力和惯性力，外力使海水在任何时候都处于平衡状态。,实际潮汐情况,高潮不一定发生在中天时，而是滞后一定时间（高潮间隙）； 大潮不一定发生在朔望日，而是滞后13天（潮龄）； 各地潮差
21、不等，甚至非常悬殊。相邻两地可能发生不同性质的潮汐。,潮汐静力学理论不足成因,“迟到、高潮间隙、潮龄”的产生大陆对海水阻隔阻碍了理想的潮汐椭圆体的形成；海洋深浅不一，海底崎岖不平海水受较大摩擦力； 海水粘滞性、惯性影响。潮差及潮汐的改变沿岸海区水深变化大、海底地形复杂、岸形曲折，尤其是浅滩、狭窄海湾的存在。,潮汐调和分析法原理,强制波动原理：由周期性力的作用所引起的某系统的波动也将是周期性的，而且其周期与力的周期相同。 波动合成原理：如几个力同时作用在某一系统上，则每个个别的力所引起的分波动可以分别地计算出来；而所有诸力作用的总结果是所有分波的总和。,潮汐调和分析法,将按各种不同周期变化着的力
22、表示为许多简谐振荡的总和。把每一项都视为由一个假想天体所引起的，从而把十分复杂的不规则的潮汐振荡，归结为很多正规的潮汐振荡总和。 每种正规潮汐称为分潮。每个分潮曲线由两个因素确定：分潮振幅“H”、分潮迟角“g”。,常见半日分潮,M2：主要月球半日分潮S2：主要太阳半日分潮N2：主要月球椭圆率K2：月、日合成半日分潮,常见日分潮,K1：月、日合成日分潮O1：主要月球日分潮P1：主要太阳日分潮Q1：主要月球椭圆率,常见浅海分潮,M4：月浅海1/4日分潮MS4：月日浅海1/4日分潮M6：月浅海1/6日分潮,三、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,东亚地区的潮汐,M2分潮振幅与相位分布图,K1分潮振幅与相位分布图,南海潮汐是以全日潮为主(近似驻波共振)，又以东京湾与暹罗湾潮差较大,复习,潮汐要素和潮汐类型月球引潮力包括哪两部分？最大垂直引潮力和最大水平引潮力的位置？天球概念、赤纬概念解释分点潮和回归潮解释朔望大潮和两弦小潮。平衡潮的假定是什么、局限有哪些?,
