海洋与人类社会(第三讲)
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海洋与人类社会
第三讲 物理海洋学基础-潮汐
高抒 南京大学地理与海洋科学学院
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1
本科教材与文献阅读
• 教材与课程的关系 • 克服“课本依赖症”、“课程依赖症” • 培养自学能力 • 教学内容的系统化 • 文献阅读方法 • 参考文献记录格式
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2
第三讲内容
• 物理海洋学的理论体系 • 潮汐的基本特征 • 潮汐研究历史 • 牛顿：平衡潮理论 • 拉普拉斯：动力学理论 • 潮汐预报
➢牛顿（1642-1727）提出了潮汐成因的平衡潮理 论（《自然哲学的数学原理》，1687） ，用万有 引力理论来加以解释——基本原理正确，但推论过 程中有不少失误
➢在《自然哲学的数学原理》于1687年出版之后， 许多人试图寻求正确的结果
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24
➢1738年，法国皇家科学院甚至以“海洋的涨落潮” 为题，设立大奖。在1740年，有4人获得了该奖，都 是有名的数学家：A. Cavalleri, D. Bernoulli (17001782), L. Eular (1707-1783)和 C. Maclaurin (16981746)
15
潮汐水位涨落
潮汐水位涨落的观测 依赖于“潮位仪”
• 水尺（人工读数） • 浮标式潮位记录仪 • 自记式压力验潮仪 • 声学水位计 • 遥测验潮仪
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17
全日潮：diurnal tides
半日潮： semidiurnal tides
混合潮： mixed tides
同一日期、不 同地点的潮汐 水位曲线
➢Bernoulli的论文全面修正了牛顿的理论，我们今 天看到的有关“牛顿平衡潮理论”的表述，实际上 是源自他在这次大赛中的获奖论文
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25
➢平衡潮理论能够解释部分现象，但对于潮汐与月球运 动之间的位相差和近岸潮汐特征不能很好地说明
➢法国人Pierre Simon （即拉普拉斯，1749-1827）于 1776年提出了我们今天称为“拉普拉斯潮汐方程”的理 论，他构造了分析潮汐运动的连续方程和动量方程，在 后者中加入了引潮力的数学表示
➢后来，经过G. B. Airy (1801-1892), W. Thomson (即 Lord Kelvin, 1824-1907)，H. Lamb (1849-1934), M. Maxgules (1856-1920, 奥地利气象学家), S. S. Hough (1870-1923), G. Taylor (1886-1975)等人的进一步工作， 确立了潮汐的动力学理论
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11
北 极 海 区 的 海 水 层 特 征
海盆的水体运动特征，据中国海洋大学赵进平教授 “高等描述性物理海洋学”讲义
潮汐现象
潮汐——海洋环境中水位以半日或全日周期 发生涨落现象 ➢伴随着海水的水平流动 ➢在陆架和海岸水域尤为显著 ➢生活在海岸附近的人们很容易观察到潮汐
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14
潮汐的基本特征
• 无论何种数据，首先要对其进行基本的调查，对其质 量进行评估，错误的数据导不出正确的结论.由于观 测仪器的精度限制，目前的观测资料可能导致出现某 些错误的结论，海洋科学仍处于不断发展中
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8
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9
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10
本课程对物理海洋学的要求
• 刻画海水运动 • 观测与理论分析方法 • 通过两个主题加深印象：潮汐；海气气相互作用 • 有“描述性海洋学”课程和教材
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22
Cartwright D E, 1999. Tides: a scientific history. Cambridge University Press, Cambridge, 292pp.
本书关于潮汐研究历史 的介绍颇为详尽。
➢一些著名的物理学家如伽利略、笛卡尔等人研究 过这个问题——后来均证实方法有误，不能成立
• 海洋灾害（台风，风暴潮，溢油，赤潮等）
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4
温度、盐度、密度
• 太阳辐射、蒸发、降雨、径流输入以及 海冰的融化凝结等过程均可影响海水的 温度和盐度
• 温度和盐度的变化导致密度的变化，密 度的空间分布是压强梯度力形成的根本 原因，而压强梯度力是驱动深海、浅海 环流的主要动力之一
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5
• 潮位有变化（高潮、低潮） • 潮汐的主要周期是半日或者一日（半日潮、全日潮） • 高潮发生时刻有变化（潮汐间歇） • 大潮一般出现在农历初三、十八（潮龄） • 存在潮汐不等现象（日不等、半月不等） • 潮差：大洋中0.9m左右，浅海数米至十几米 • 潮汐的振幅和初位相因地而异（调和常数）
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➢在古代，人们开始试图描述潮汐的基本特征（用以 指导海岸带的生产活动和生活安排）并解释潮汐的 成因 ➢欧洲人（在古希腊自然哲学影响下）较早地以自然 哲学的语言来描述潮汐，并把它与月相的变化相联 系 ➢中国古代也有许多关于潮汐的记载 ——窦叔蒙，8世纪中叶，《海涛志》，我国现存最 早的潮汐专著 ➢近代科学研究始于欧洲
海水中盐分的构成
盐度对海水密度 的影响
观测数据对海洋研究的重要性
• 海洋科学的主要研究方法是自下而上的，即现场观测 是整个学科的基础，这种现象的产生是由海洋环境的 复杂性所决定的
• Lack of sufficient samples is the largest source of error in our understanding of the ocean. The absence of evidence was taken as evidence of absence (C. Wunsch, 2002)
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21
中国潮汐研究启蒙
• 东汉王充：涛之起也，随月盛衰，大小满损不齐同。
• 三国虞翻：水性有常，消息与月相应。
• 晋代杨泉：月，水之精也。潮有大小，月有盈亏。
• 唐代窦叔蒙对潮汐大小随月相变化过程的描述最为 详细：潮汐随月相的周期性变化过程是，每月朔望 时潮汐最大，上下弦时最小，在朔与上弦之间和望 与下弦之间潮汐逐渐变小，在上弦与望之间和下弦 与朔之间潮汐逐渐变大。
Hale Waihona Puke Baidu
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3
物理海洋学研究
• 物理海洋学是海洋科学的基础学科 • 海水的物理性质
• 描述海洋的数学方程（流体力学为基础） • 观测仪器（海流计，测深仪，ADCP等） • 观测平台（卫星，浮标，潜标，飞机，雷达等） • 海陆气相互作用、海洋表混合层、风生环流、深海环
流、赤道海洋动力过程、海洋动力数值模型、海洋中 的波动（浪，潮，海啸等）、浅海及海岸动力过程
第三讲 物理海洋学基础-潮汐
高抒 南京大学地理与海洋科学学院
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本科教材与文献阅读
• 教材与课程的关系 • 克服“课本依赖症”、“课程依赖症” • 培养自学能力 • 教学内容的系统化 • 文献阅读方法 • 参考文献记录格式
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2
第三讲内容
• 物理海洋学的理论体系 • 潮汐的基本特征 • 潮汐研究历史 • 牛顿：平衡潮理论 • 拉普拉斯：动力学理论 • 潮汐预报
➢牛顿（1642-1727）提出了潮汐成因的平衡潮理 论（《自然哲学的数学原理》，1687） ，用万有 引力理论来加以解释——基本原理正确，但推论过 程中有不少失误
➢在《自然哲学的数学原理》于1687年出版之后， 许多人试图寻求正确的结果
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24
➢1738年，法国皇家科学院甚至以“海洋的涨落潮” 为题，设立大奖。在1740年，有4人获得了该奖，都 是有名的数学家：A. Cavalleri, D. Bernoulli (17001782), L. Eular (1707-1783)和 C. Maclaurin (16981746)
15
潮汐水位涨落
潮汐水位涨落的观测 依赖于“潮位仪”
• 水尺（人工读数） • 浮标式潮位记录仪 • 自记式压力验潮仪 • 声学水位计 • 遥测验潮仪
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17
全日潮：diurnal tides
半日潮： semidiurnal tides
混合潮： mixed tides
同一日期、不 同地点的潮汐 水位曲线
➢Bernoulli的论文全面修正了牛顿的理论，我们今 天看到的有关“牛顿平衡潮理论”的表述，实际上 是源自他在这次大赛中的获奖论文
整理ppt
25
➢平衡潮理论能够解释部分现象，但对于潮汐与月球运 动之间的位相差和近岸潮汐特征不能很好地说明
➢法国人Pierre Simon （即拉普拉斯，1749-1827）于 1776年提出了我们今天称为“拉普拉斯潮汐方程”的理 论，他构造了分析潮汐运动的连续方程和动量方程，在 后者中加入了引潮力的数学表示
➢后来，经过G. B. Airy (1801-1892), W. Thomson (即 Lord Kelvin, 1824-1907)，H. Lamb (1849-1934), M. Maxgules (1856-1920, 奥地利气象学家), S. S. Hough (1870-1923), G. Taylor (1886-1975)等人的进一步工作， 确立了潮汐的动力学理论
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11
北 极 海 区 的 海 水 层 特 征
海盆的水体运动特征，据中国海洋大学赵进平教授 “高等描述性物理海洋学”讲义
潮汐现象
潮汐——海洋环境中水位以半日或全日周期 发生涨落现象 ➢伴随着海水的水平流动 ➢在陆架和海岸水域尤为显著 ➢生活在海岸附近的人们很容易观察到潮汐
整理ppt
14
潮汐的基本特征
• 无论何种数据，首先要对其进行基本的调查，对其质 量进行评估，错误的数据导不出正确的结论.由于观 测仪器的精度限制，目前的观测资料可能导致出现某 些错误的结论，海洋科学仍处于不断发展中
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本课程对物理海洋学的要求
• 刻画海水运动 • 观测与理论分析方法 • 通过两个主题加深印象：潮汐；海气气相互作用 • 有“描述性海洋学”课程和教材
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22
Cartwright D E, 1999. Tides: a scientific history. Cambridge University Press, Cambridge, 292pp.
本书关于潮汐研究历史 的介绍颇为详尽。
➢一些著名的物理学家如伽利略、笛卡尔等人研究 过这个问题——后来均证实方法有误，不能成立
• 海洋灾害（台风，风暴潮，溢油，赤潮等）
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温度、盐度、密度
• 太阳辐射、蒸发、降雨、径流输入以及 海冰的融化凝结等过程均可影响海水的 温度和盐度
• 温度和盐度的变化导致密度的变化，密 度的空间分布是压强梯度力形成的根本 原因，而压强梯度力是驱动深海、浅海 环流的主要动力之一
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• 潮位有变化（高潮、低潮） • 潮汐的主要周期是半日或者一日（半日潮、全日潮） • 高潮发生时刻有变化（潮汐间歇） • 大潮一般出现在农历初三、十八（潮龄） • 存在潮汐不等现象（日不等、半月不等） • 潮差：大洋中0.9m左右，浅海数米至十几米 • 潮汐的振幅和初位相因地而异（调和常数）
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➢在古代，人们开始试图描述潮汐的基本特征（用以 指导海岸带的生产活动和生活安排）并解释潮汐的 成因 ➢欧洲人（在古希腊自然哲学影响下）较早地以自然 哲学的语言来描述潮汐，并把它与月相的变化相联 系 ➢中国古代也有许多关于潮汐的记载 ——窦叔蒙，8世纪中叶，《海涛志》，我国现存最 早的潮汐专著 ➢近代科学研究始于欧洲
海水中盐分的构成
盐度对海水密度 的影响
观测数据对海洋研究的重要性
• 海洋科学的主要研究方法是自下而上的，即现场观测 是整个学科的基础，这种现象的产生是由海洋环境的 复杂性所决定的
• Lack of sufficient samples is the largest source of error in our understanding of the ocean. The absence of evidence was taken as evidence of absence (C. Wunsch, 2002)
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21
中国潮汐研究启蒙
• 东汉王充：涛之起也，随月盛衰，大小满损不齐同。
• 三国虞翻：水性有常，消息与月相应。
• 晋代杨泉：月，水之精也。潮有大小，月有盈亏。
• 唐代窦叔蒙对潮汐大小随月相变化过程的描述最为 详细：潮汐随月相的周期性变化过程是，每月朔望 时潮汐最大，上下弦时最小，在朔与上弦之间和望 与下弦之间潮汐逐渐变小，在上弦与望之间和下弦 与朔之间潮汐逐渐变大。
Hale Waihona Puke Baidu
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物理海洋学研究
• 物理海洋学是海洋科学的基础学科 • 海水的物理性质
• 描述海洋的数学方程（流体力学为基础） • 观测仪器（海流计，测深仪，ADCP等） • 观测平台（卫星，浮标，潜标，飞机，雷达等） • 海陆气相互作用、海洋表混合层、风生环流、深海环
流、赤道海洋动力过程、海洋动力数值模型、海洋中 的波动（浪，潮，海啸等）、浅海及海岸动力过程