2018-第9章 海洋潮汐

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第9章 海洋潮汐
§9.1 海洋潮汐现象 §9.2 引潮力 §9.3 大洋的潮汐运动 §9.4 浅海潮波 §9.5 潮流 §9.6 潮汐数据分析的原理
第9章 海洋潮汐ZJP
§9.1 海洋潮汐现象
潮汐这个词是历史久远的词汇,早潮为潮,晚潮为汐。 潮汐是人们最为熟悉的海洋动力学现象,潮汐对沿海人
潮差,时间间隔为落潮时。 高潮间隙:高潮时与月中天时刻的时间间隔.
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(2)分潮群
源分潮 天文分潮
全日潮:K1、O1、P1、Q1、M1、J1等 半日潮:M2、S2、N2、K2、L2、2N2等 三分日分潮: 长周期分潮: 气象分潮 (三个):Sa,Ssa,S1 从属分潮 天文气象复合分潮:MA2,MA2,MB2,MB2等 浅水分潮: M4,S4,MS4,MSf等
民生产和生活影响非常大,人类很早就开始掌握一定的 潮汐知识。 地球上有三种潮汐:海潮、大气潮、固体潮 海水在日月引潮力的作用下形成的海面起伏现象称为潮 汐。 发生潮汐运动时海水流动的现象称为潮流。 大洋潮汐是一种强迫波。
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(1)潮汐过程参数
当潮位上升到最高点时,称为高潮或满潮;此刻前后的一段时间,潮位 不升也不降,称此阶段为平潮;
世界大洋同潮图
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世界潮汐特征
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浅海引潮力
根据大洋潮汐的研究结果,不论深海还是浅海,月球和 太阳的引潮力势都是一样的,但产生的潮汐却很不相同。 对于4000米以上的大洋,由引潮力驱动直接产生的潮汐 最大只有1米左右,这样小的潮汐是引潮力作用于整个 4000米水体累积的结果。引潮力作用于浅海也可以产生 潮汐,但潮汐的振幅比大洋要小得多,与实际发生在浅 海的潮汐相比几乎可以忽略。
实际发生在浅海的潮汐通常比毗邻大洋的潮汐强大得多, 显然不是引潮力直接作用的结果。
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§9.4 浅海潮波
对于一般的潮汐应用,往往只关心个别点的海面起伏。 研究潮波是为了了解潮波传播的规律。
引潮力产生的潮汐需要水体的体积非常大。在浅海,由 于水深浅,引潮力直接产生的潮汐很小,不及大洋的 1/10。
§9.3 大洋的潮汐运动
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世界大洋潮波
世界大洋潮汐首先是强迫波,是在引潮力作用下自东向 西传播的波动。
但是,强迫波只是振幅很小的平衡潮,而实际发生的是 动力潮。动力潮发生自由传播,形成旋转潮波系统。
动力潮振幅比平衡潮大很多,是强迫周期与自由振荡周 期共振的结果。
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这些月球的天文参数可以取代月球赤纬,成为可以准确 计算的量。展开后,成为许多分潮。
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引潮力展开的历史
引潮力第一展开式:用时角和赤纬表达 引潮力第二展开式:用月地距离、月球经度、平太阳时
角和白赤交角展开 引潮力第三展开式:达尔文展开式,引入分潮概念 引潮力第四展开式:杜德森展开式,更为精确
接着潮位开始降落,当它降到最低点时,称为低潮或干潮;此刻前后的 一段时间,潮位又不升不降,称此阶段为停潮
高潮的中间时刻为高潮时,当时的潮位高度为高潮高;低潮的中间时 刻为低潮时,当时的潮位高度为低潮高。
相邻的高潮和低潮的潮位高度差,称为潮差。 从低潮至高潮的过程,称为涨潮;从高潮至低潮的过程,称为落潮。 涨潮阶段的潮差为涨潮差,时间间隔为涨潮时;落潮阶段的潮差为落
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(6)潮汐的推算
虽然产生潮汐的动力因素非常复杂,潮汐的发生和太阳 ,月球都有关系,但对于特定地点而言,潮汐又是特别 有规律的现象,每日如时而至。因此,预测未来潮汐的 变化是一种特殊的预报——推算,即通过某些已知的参 数推算未来的潮汐。人们自古以来创造了多种推算潮汐 的算法。例如用于半日潮地区高潮时的8分潮算法:
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日潮和半日潮
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分潮的物理意义
M2:主要太阴半日分潮(12.421小时) S2:主要太阳半日分潮(12小时) N2:主要太阴椭率半日分潮(12.658小时) K2:太阴太阳合成半日分潮(11.967小时) 由于各个分潮的周期都是由天文因素确定的,在世界各地
作为潮汐的特征值;根据特征值的数值范围,将潮汐分为 半日潮(特征值小于0.25) 混合的不正规半日潮(0.25~1.5) 混合的不正规全日潮(特征值为 1.5~3.0) 全日潮(特征值大于3.0)
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大潮和小潮
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(4)潮汐不等现象
因为月球、太阳和地球三者的相对位置不断变化,不仅它 们的距离有变化,而且三者还不在同一个平面上,潮汐 的过程每天不同。月球和太阳对地球的引潮力,有时互 相增强,有时互相削弱,致使潮高和潮时都随着发生变 化。
这些分潮都不变,需要分析的是调和常数,即振幅和位 相。
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分潮的天文因子

公共因子:U M

M E
a 3 R
0.5601107
US 0.45923UM
纬度因子:观测点的地理纬度
倾角因子:【太阳】黄赤交角基本不变

【太阴】白赤倾角
椭率因子:【太阳】地球轨道离心率
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展开结果
达尔文展开(平衡潮展开)63项 杜德森展开(引潮势展开)386项 精密展开1178项和3070项 确定了主要日月分潮:O1、K1、M2、S2
主要浅水分潮:M4(倍潮)、MS4(复合潮) 展开最重要的成就是依靠天文参数确定了地球上的主要
分潮及其周期。这种展开涉及到了潮汐现象的本质,成 为海洋学和天文学的共同成就。

【太阴】月球轨道离心率
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(3)潮汐类型
潮汐现象可看成由许多周期不同且振幅各异的分潮所组成。在 这些分潮中,以太阴半日分潮M2、太阳半日分潮S2、太阴太 阳合成日分潮K1和太阴日分潮O1为最重要,它们的振幅分别 为HM2、HS2、HK1和HO1。
因此,通常用这4个基本分潮的振幅的比值 (HK1+HO1)/(HM2+HS2)
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潮汐能量的来源
全世界潮汐能的理论蕴藏量约为3×109kw,潮汐的能量 是从哪里来的?太阳和月亮会把能量传递给海洋潮汐?
由于地球海洋的潮汐作用力与地球自转的方向相反,地 球的自转总是受到一个极其微弱的作用力在给地球自转 “刹车”
海洋潮汐从地球的旋转中获得能量,并在吸收能量过程 中使地球旋转减慢。但是这种地球旋转的减慢在人的一 生中是几乎觉察不出来的。
30倍。 月球与太阳的大小比率与距离的比率相近,使得它的视
大小与太阳几乎相同,在日食时月球可以完全遮蔽太阳 而形成日全食
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平衡潮
假定:地球完全被海水覆盖,海底平坦、海水没有惯性、 忽略地转偏向力和摩擦力。在这些假定下,海面在任何 时刻都能够保持与重力和引潮力的合力处处垂直所求得 的潮汐,即为平衡潮。
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海水受到的引力和离心力
万有引力
FC

0ME
D2
离心力
Fa EN
N 0M
D2
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在0°、180 °垂直引潮力正值最大, 90°、270 °垂直 引潮力负值最大。
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地月日参数
地球和月球绕公共质心旋转 公共质心在地球半径的0.73处,即在地球内部 地球质量 5.9742x1024 kg 月球质量 1/81.30 太阳质量 1.9889x1030 kg(332958) 地月距离 0.3844x106 km 地日距离 0.1496x109 km
如果只有重力,海面处处与重力垂直。在重力和引潮力 作用下,海面将处处与重力和引潮力的合力垂直。要想 达到这个状态,海水必须流动,因而不能形成平衡状态。 平衡潮是一种假想的状态。
实际上,引入平衡潮的概念纯粹为展开引潮力,因为引 潮力不会脱离海洋而存在,因而定义了平衡潮
这时的各个量都可以算出来,但要展开为很多项。
每年约减缓15微秒地月距离每年增加38mm。
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§9.2 引潮力
有势力是指如果作用在物体的力所做之功仅与力作用点 的起始位置和终了位置有关,而与其作用点经过的路径 无关,引潮力是一种有势力。
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月球
月球,是地球的卫星,是太阳 系中第五大的卫星。 月球直径大约是地球的四分之一, 质量大约是地球的八十一分之一。 月球是质量最大的卫星。 月球与地球的平均距离约38万千米,大约是地球直径的
)
0M D2
cos
Fh

0M L2
sin(

)
0M D2
sin
Fv

0M D2

D L
3

(cos
r
)

cos

D

Fh

0M D2

D L
3

1 sin

Fv

0 Mr
D3
(3 cos2
1)
Fh
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引潮力
Fv

0M
L2
cos(
)
0M
D2
cos
Fh

0M
L2
sin(
)

0M
D2
sin
太阳质量是月球质 量的2700万倍
日地距离是月地距 离的389倍
太阳的引潮力是月 球引潮力的0.459
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Fv

0M L2
cos(

3 2
0 Mr
D3
sin
2
球函数展开
因为坐标系是固定在地月连线上的,计算极不方便。需 要将坐标系固定在旋转坐标系上。
星体的位置每时每刻都在变化,需要确定最少的参数
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Fv

0 Mr
D3
(3 cos2

1)
Fh

3 2
0 Mr
D3源自文库
sin
2
赤道坐标系
cos sin sin cos cos cosT
主要有4种不等现象: 日不等:每日相邻高潮差的变化 半月不等:大潮和小潮(朔望) 月不等:月球椭圆运动 赤纬不等:月球轨道面与赤道斜交
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日潮和半日潮是由于地球自转造成的 大潮和小潮是由于月球绕地球旋转造成的
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(5)潮汐与农历
由于月球引起的潮汐占优势,而农历是按照月球的运行 规律而创建的历法,因此潮汐与传统农历有很好的对应 性。在农历每月的初一(朔点)太阳和月球在地球的一 侧,产生了最大的引潮力,会引起大潮;在农历每月的 十五或十六(望点),太阳和月亮在地球的两侧,太阳 和月球的引潮力也达到最大,引起大潮。在农历的初八 和二十三,太阳引潮力和月球引潮力互相抵消了一部分 而发生小潮。
(7)潮汐的能量
潮汐是因地而异的,不同的地区常有不同的潮汐系统, 它们从深海潮波获取能量,但具有各自独特的特征。
这种能量通过浅海区和海岸区的摩擦,以1.7TW的速率 消散。
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潮汐发电站
潮汐拥有巨大的能量,全球潮汐的能量 为3×109kW。潮汐发电就是在沿海筑堤, 涨潮时把潮水放进来,落潮时形成落差, 带动水轮机组发电。潮汐发电的潜力巨 大,可以提供越来越多的清洁能源。
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小结
引潮力的展开确定了地球上的主要分潮,这些分潮的周 期不随时间和地点变化,极大地方便了潮汐的研究。
但由于潮波在传播中受到地形和地势的影响,各地的振 幅和位相都不相同。
人们是从认识单点潮位的变化积累了潮汐知识。单点的 潮汐知识足以支撑应用的需要。
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高潮时=0.8h×[农历日期-1(或16)]+高潮间隙
式中采用农历日期,上半月减1,下半月减16,得出一 天中的第一个高潮时。高潮间隙是不同区域潮汐的主要 差别,各个区域都不一样。对于正规半日潮海区,将其 加或减12时25分即可得出另一个高潮时。若将其加或减 6时12分即可得出低潮时。
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δ是月球赤纬,φ 为观测点地理纬度, T是月球时角。
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月球赤纬的表达
月球赤纬包括太阳赤纬的因素,因此最为复杂。需要用 月球的参数表达。最后使用的月球参数为: 月地距离:随月球公转变化 月球经度:随月球公转和地球自转变化 平太阳时角:随地球自转和地球公转变化 地球经度:随地球自转变化 白赤交角:随月球公转变化
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