《海洋學(xué)》課件 第九章 潮汐與風(fēng)暴潮

第九章潮汐與風(fēng)暴潮12潮汐現(xiàn)象“大海之水，朝生為潮，夕生為汐”海面做周期性的漲落叫潮汐海水周期性的水平流動(dòng)稱為潮流3潮汐形成的原因古希臘哲學(xué)家認(rèn)為潮汐就是地球的呼吸，是由于地下巖穴中的振動(dòng)造成的，相當(dāng)于人的心臟。漢代思想家王充在《論衡》中寫(xiě)到：“濤之起也，隨月盛衰?！敝赋隽顺毕c月球有關(guān)系伽利略認(rèn)為潮汐是地球自轉(zhuǎn)造成的晃動(dòng)引起的，反對(duì)與月球有關(guān)1687年，英國(guó)科學(xué)家牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律之后，提出了“潮汐是由于月亮和太陽(yáng)對(duì)海水的吸引力引起”的假設(shè)。

4潮汐定義由于日、月引潮力的作用，使地球的巖石圈、水圈和大氣圈中分別產(chǎn)生的周期性的運(yùn)動(dòng)和變化，總稱潮汐

固體地球在日、月引潮力作用形成的彈性-塑性形變，稱為固體潮汐或地潮對(duì)大氣的周期性運(yùn)動(dòng)稱大氣潮對(duì)海水，叫海洋潮汐潮汐常狹義地理解為海洋潮汐人體潮、生物潮？5

潮汐要素潮位：海面相對(duì)某一基準(zhǔn)面的鉛直高度高潮、高潮高低潮、低潮高潮差漲潮、漲潮時(shí)落潮、落潮時(shí)潮周期潮汐表/6潮汐的三個(gè)類型正規(guī)日潮（高緯度）：

（1個(gè)太陰日：24小時(shí)50分）

1個(gè)太陰日內(nèi)1個(gè)高潮和1個(gè)低潮正規(guī)半日潮（赤道）

1個(gè)太陰日內(nèi)2次高潮和2次低潮混合潮：正規(guī)半日潮和全日潮之間的過(guò)渡潮型，又分為不正規(guī)半日潮和不正規(guī)全日潮。

7潮汐的三個(gè)類型不正規(guī)半日潮指在一個(gè)太陰日內(nèi)，兩次高潮、兩次低潮。但其潮差不等，漲落潮的延續(xù)時(shí)間也不等不正規(guī)全日潮：在1個(gè)月內(nèi)的大多數(shù)日子里為不正規(guī)半日潮，但有時(shí)也發(fā)生一天一次高潮和低潮的日潮現(xiàn)象

8決定潮汐類型除潮汐力外，還與海岸走向、陸家邊緣和水體范圍等因素有關(guān)9有關(guān)潮汐的基本事實(shí)潮汐的基本周期每太陰日二次高潮和二次低潮；每朔望月二次大潮和二次小潮；逢朔望發(fā)生大潮（初一、月半），朔望大潮逢上下弦發(fā)生小潮（初八、廿三），方照小潮絕大部分地點(diǎn)一天有兩次高潮和兩次低潮相鄰兩次高潮（或低潮）的潮高和潮時(shí)不等每天的高潮發(fā)生時(shí)刻不同靠近陸地的潮差大，大洋中的潮差小10與潮汐有關(guān)的天文學(xué)知識(shí)是什么引起了潮汐？天體引潮力地球是宇宙的中心嗎？天球：以地球?yàn)橹行牡募傧肭?1天軸：地軸無(wú)限延長(zhǎng)天極：天軸與天球的交點(diǎn)，分南、北天極12與潮汐有關(guān)的天文學(xué)知識(shí)天頂和天底：將觀測(cè)點(diǎn)的鉛垂直線無(wú)限延伸后與天球交兩點(diǎn)，向上與天球的交點(diǎn)為天頂，向下延伸與天球的交點(diǎn)為天底天子午圈：在天球上，以地心為圓心，通過(guò)天極和天頂所作的大圓圈叫做天子午圈；13天體通過(guò)天子午圈叫中天。由于地球作周日運(yùn)轉(zhuǎn)，每個(gè)天體一晝夜內(nèi)有兩次中天，天體靠近天頂時(shí)叫上中天，靠近天底時(shí)叫下中天14與潮汐有關(guān)的天文學(xué)知識(shí)天赤道：將地球的赤道面無(wú)限延伸后和天球相交的大圓面黃道：太陽(yáng)的周年視運(yùn)動(dòng)軌道。黃道面與天赤道的交角為23o27'白道：月球的視運(yùn)動(dòng)軌道。白道面與黃道面的平均交角為5o09‘15春分點(diǎn)：太陽(yáng)從南向北穿過(guò)天赤道的點(diǎn)秋分點(diǎn)：太陽(yáng)從北向南穿過(guò)天赤道的點(diǎn)夏至和冬至點(diǎn)在哪？

北、南緯23.50,太陽(yáng)直射地球最遠(yuǎn)點(diǎn)16地球的自轉(zhuǎn)軸在太空中并不固定，而是以26000年的周期在轉(zhuǎn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為歲差（進(jìn)動(dòng)）。所以，春分點(diǎn)和天球北極的位置也會(huì)非常緩慢地移動(dòng)。

17與潮汐有關(guān)的天文學(xué)知識(shí)平太陽(yáng)日和平太陽(yáng)時(shí)

平太陽(yáng)在天赤道作等速運(yùn)行，其運(yùn)行速度等于運(yùn)行在黃道上真太陽(yáng)的平均速度，這個(gè)假想的太陽(yáng)連續(xù)兩次上中天的時(shí)間間隔，叫做一個(gè)平太陽(yáng)日。把1/24平太陽(yáng)日取為1平太陽(yáng)時(shí)平太陰日和平太陰時(shí)

假想的、等速在天赤道運(yùn)行的平太陰連續(xù)兩次上中天的時(shí)間間隔，叫做一平太陰日1/24平太陰日取為1平太陰時(shí)18與潮汐有關(guān)的天文學(xué)知識(shí)由于月球的公轉(zhuǎn)速度大于太陽(yáng)在天球上的視運(yùn)動(dòng)速度，使得平太陰日比平太陽(yáng)日長(zhǎng)1平太陰日=（360+12.19)X24/360=24.8412平太陽(yáng)時(shí)≈24h50min19朔望月月球從新月（或滿月）位置出發(fā)再回到新月（或滿月）位置的時(shí)間間隔，叫朔望月，其長(zhǎng)度等于29.5306平太陽(yáng)日20引潮力的產(chǎn)生地-月運(yùn)動(dòng)可認(rèn)為是繞公共質(zhì)心運(yùn)動(dòng)地球上任一點(diǎn)的軌跡為圓21引潮力的定義地球和月球構(gòu)成一個(gè)繞其公共質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，使得地球各質(zhì)點(diǎn)都受到大小相等、方向相同的公轉(zhuǎn)慣性離心力的作用公轉(zhuǎn)慣性離心力的方向與從月球中心至地球中心連線的方向相同慣性離心力相等情形慣性離心力不相等情形22太陰引潮力的定義根據(jù)萬(wàn)有引力定律，地球上任一物體所受的月球引力都指向月球中心，彼此不平行地球繞地月公共質(zhì)心運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性離心力與月球引力的合力稱為太陰引潮力23引潮力的水平分量為何不考慮引潮力的鉛直分量？24引潮力的大小引潮力與天體質(zhì)量成正比，與到地球距離立方成反比月球的引潮力是太陽(yáng)的2.17倍，其它星球的引潮力可忽略25平衡潮—潮汐靜力理論基本假設(shè)：地球?yàn)橐粋€(gè)圓球，表面被等深的海水覆蓋，不考慮陸地的存在海水沒(méi)有粘性和慣性，海面能隨時(shí)與等勢(shì)面重疊海水不受科氏力和摩擦力的作用基本思想：考慮引潮力后的海面變成了長(zhǎng)軸指向月球的橢球—潮汐橢球，由于地球的自轉(zhuǎn)，地球的表面相對(duì)于橢球形的海面運(yùn)動(dòng)，造成了地球表面固定點(diǎn)的發(fā)生的周期性的漲落而形成潮汐26潮汐靜力理論結(jié)果月赤緯是地球赤道平面與月球軌道平面的夾角，最大2835’在赤道上永遠(yuǎn)出現(xiàn)正規(guī)半日潮當(dāng)月赤緯等于0，地球上各處均為正規(guī)半日潮當(dāng)月赤緯不等于0時(shí)，兩極高緯度地區(qū)出現(xiàn)正規(guī)日潮當(dāng)月赤緯不等于0時(shí)，其它緯度上出現(xiàn)日不等現(xiàn)象，越靠近赤道，半日潮的成分越大，越靠近兩極，日潮的成分越大上述理論結(jié)果與觀測(cè)事實(shí)相符！27潮汐靜力理論結(jié)果如果同時(shí)考慮月球和太陽(yáng)對(duì)潮汐的效應(yīng)，在半個(gè)朔望月內(nèi)，將出現(xiàn)一次大潮和一次小潮，即潮汐具有半月變化的周期朔望之時(shí)，太陽(yáng)和月亮的引潮力所引起的潮汐橢球長(zhǎng)軸重疊，形成大潮上下弦月時(shí)，月球和太陽(yáng)所引起的潮汐橢球長(zhǎng)軸正交，相互抵消，形成方照小潮28一個(gè)月之中大小潮的變化29推算潮汐的簡(jiǎn)易方法—八分算潮法推算正規(guī)半日潮高潮時(shí)=0.8h*(農(nóng)歷日期-1或16)+高潮間隙低潮時(shí)=高潮時(shí)+6時(shí)12分高潮間隙是月中天時(shí)至下一個(gè)高潮發(fā)生的時(shí)間間隔。（青島為4小時(shí)46分）30潮汐不等現(xiàn)象月球近地點(diǎn)時(shí)潮差較大，遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)潮差較小，產(chǎn)生月不等地球近日點(diǎn)有一年變化周期，產(chǎn)生年不等月赤緯有18.61年的變化周期，月球近地點(diǎn)有8.85年的變化周期，產(chǎn)生潮汐多年不等31平衡潮潮高潮高公式太陰平衡潮潮差最大值為54cm，太陽(yáng)平衡潮潮差最大值為24cm與深海潮差大體一致由平衡潮理論得到的最大潮差為78cm錢塘江的潮差可達(dá)8m，遠(yuǎn)大于平衡潮理論的結(jié)果平衡潮理論出現(xiàn)問(wèn)題?。垮X塘江大潮32對(duì)潮汐靜力理論的評(píng)價(jià)貢獻(xiàn)：利用引潮力解釋潮汐的發(fā)生給出的周期變化與實(shí)際基本相符給出的潮差與實(shí)際大洋的潮差相近缺點(diǎn)：假定整個(gè)地球完全被海水包圍沒(méi)有考慮海水的運(yùn)動(dòng)和慣性淺海的潮差與理論相差較大由于不涉及海水的運(yùn)動(dòng)，不能解釋潮流現(xiàn)象33平衡潮理論的缺陷實(shí)際的潮汐不能一直處于平衡狀態(tài)！在赤道海區(qū)，潮汐要在一天內(nèi)繞地球一周，需要波動(dòng)速度為460m/s，這只有對(duì)22km深的海洋才有可能在淺海，潮汐不可能跟上月亮和太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)！34缺點(diǎn)：無(wú)法解釋封閉海灣內(nèi)的無(wú)潮點(diǎn)、兩岸潮差不等現(xiàn)象無(wú)法解釋赤道和低緯度海區(qū)的日潮現(xiàn)象實(shí)際的朔望大潮常發(fā)生在朔望日之后2天左右35拉普拉斯潮汐動(dòng)力理論對(duì)于海水運(yùn)動(dòng)，只有水平引潮力重要，垂直引潮力和重力相比可忽略海洋潮汐實(shí)際上是海水在月球和太陽(yáng)引潮力作用下的潮波運(yùn)動(dòng)，即水平方向的周期運(yùn)動(dòng)和海面起伏的傳播同時(shí)受到海陸分布、海底地形、地轉(zhuǎn)偏向力及摩擦力等因素影響。利用拉普拉斯潮汐方程進(jìn)行求解，發(fā)現(xiàn)無(wú)潮點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)潮波36長(zhǎng)海峽中的潮汐和潮流在北半球的長(zhǎng)海峽中，沿潮波傳播方向看，右岸的潮差大于左岸，南半球則相反37窄長(zhǎng)半封閉海灣中的潮汐和潮流入、反射波相互疊加形成駐波，離灣頂?shù)扔讦?4、3λ/4、……處為節(jié)線，為無(wú)潮線2λ/4、4λ/4、……為潮差最顯著的位置，稱為波腹線波節(jié)處潮流最大，波腹處潮流為零38半封閉寬海灣中的潮汐和潮流淺海中半日潮波的波長(zhǎng)大約為1000km考慮北半球一個(gè)寬度和長(zhǎng)度都等于半個(gè)潮波波長(zhǎng)的半封閉海灣由灣頂反射和柯氏力作用各自形成駐波漲潮D-平潮A-落潮B-停潮C39各種形態(tài)海區(qū)中潮波特性長(zhǎng)海峽（北半球）窄長(zhǎng)半封閉海灣（長(zhǎng)度≤λ/4，寬度<λ）半封閉寬海灣（北半球）潮波前進(jìn)波駐波（因?yàn)稠斎瓷湫纬桑﹥神v波的疊加（因?yàn)稠敺瓷渑c地轉(zhuǎn)效應(yīng)形成）潮流來(lái)復(fù)流高潮：流向與潮波傳向相同低潮：流向與潮波傳向相反高、低潮時(shí)流速最大半潮面時(shí)流速為0來(lái)復(fù)流漲潮向里，高潮時(shí)流速為0退潮向外，低潮時(shí)流速為0半潮面時(shí)流速最大灣頂處潮流始終為0旋轉(zhuǎn)流潮流矢量反時(shí)針偏轉(zhuǎn)矢量末端聯(lián)線為橢圓無(wú)潮點(diǎn)潮流始終為最大各地潮流始終不為0等潮時(shí)線一組與潮波傳向垂直的直線各地高潮的發(fā)生時(shí)刻取決于潮波的波速和波向一條與潮波傳向相同的直線各地同時(shí)達(dá)到高潮繞無(wú)潮點(diǎn)反時(shí)針偏轉(zhuǎn)潮差沿潮波傳向看右岸大于左岸不存在無(wú)潮線灣頂大，灣口小存在無(wú)潮線（離灣頂λ/4處）岸邊大，中間小存在無(wú)潮點(diǎn)40假想天體和分潮假想天體

將具有復(fù)雜周期的潮汐看作是許多周期長(zhǎng)短各異的潮汐疊加而成，而且假設(shè)每一個(gè)周期的潮汐對(duì)應(yīng)一個(gè)“假想天體”分潮

假想天體對(duì)海水所引起的潮汐稱為分潮理論上分潮可有很多，但實(shí)際應(yīng)用選用11個(gè)較大的半日、全日和淺水分潮即可41分潮符號(hào)（即假想天體符號(hào)）名稱周期（平太陽(yáng)時(shí)）相對(duì)振幅（?。?＝100）半日分潮M2太陰主要半日分潮12.421100S2太陽(yáng)主要半日分潮12.00046.5N2太陰橢率主要半日分潮12.65819.1K2太陰－太陽(yáng)赤緯半日分潮11.96712.7全日分潮K1太陰－太陽(yáng)赤緯全日分潮23.93454.4O1太陰主要全日分潮25.81941.5P1太陽(yáng)主要全日分潮24.06619.3Q1太陰橢率主要全日分潮26.8687.9淺水分潮M4太陰淺水1/4日分潮6.210M6太陰淺水1/4日分潮6.140MS4太陰、太陽(yáng)淺水1/4日分潮6.10342潮汐分潮43旋轉(zhuǎn)潮波實(shí)際海洋中的潮波，可能是前進(jìn)波、駐波，普遍形式是旋轉(zhuǎn)潮波，波峰線繞無(wú)潮點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。同潮時(shí)線是從無(wú)潮點(diǎn)發(fā)出的射線，等振幅線是繞無(wú)潮點(diǎn)的同心圓。無(wú)潮點(diǎn)的存在是科氏力的作用44M2分潮圖M2分潮同潮圖在北半球，一般為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，南半球相反，主要與科氏力的影響有關(guān)。45AccadandPekeris(1978)S2分潮同潮圖在北半球，一般為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，南半球相反，主要與科氏力的影響有關(guān)。46AccadandPekeris(1978)黃渤東海M2分潮同潮圖47黃渤東海的S2分潮同潮圖48黃渤東海K1分潮同潮圖49黃渤東海的O1分潮同潮圖50潮汐預(yù)報(bào)潮汐可分解為一系列簡(jiǎn)諧振動(dòng)組成的，每一簡(jiǎn)諧振動(dòng)，稱為一個(gè)分潮，分潮的周期同引潮力各分場(chǎng)的周期一一對(duì)應(yīng)。用潮汐調(diào)和分析（EOF）可推算一定期間內(nèi)的潮汐變化和分析該區(qū)的潮汐性質(zhì)。調(diào)和分析預(yù)報(bào)：從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中分析得到調(diào)和常數(shù)。數(shù)值方法：數(shù)值計(jì)算得到調(diào)和常數(shù)，然后用調(diào)和分析方法預(yù)報(bào)潮汐

51潮汐預(yù)報(bào)理論上潮汐的最長(zhǎng)周期是18.61年，把計(jì)算得出的振幅經(jīng)過(guò)訂正后得出各分潮的“平均振幅”；把初位相角加上經(jīng)過(guò)天文訂正的相角后得“遲角”。各分潮的平均振幅和遲角，稱為該分潮的潮汐調(diào)和常數(shù)。經(jīng)典的潮汐分析方法，首先把實(shí)測(cè)潮位記錄中的各分潮（如太陰分潮系、太陽(yáng)分潮系等）分離出來(lái)，再進(jìn)行調(diào)和分析潮汐表將沿海各主要港口未來(lái)一年內(nèi)的高潮和低潮發(fā)生的時(shí)間和高度、潮汐調(diào)和常數(shù)、潮流變化等資料刊出。h為分潮潮高，H為平均振幅，f為修正因子q為分潮的角頻率，V0+u為觀測(cè)期間開(kāi)始日世界時(shí)零時(shí)假想天體的位相角。K為遲角，由于海底摩擦、慣性力等引起的高潮時(shí)落后于月中天時(shí)刻的位相角。52潮汐預(yù)報(bào)潮汐預(yù)報(bào)包括天文潮預(yù)報(bào)和氣象潮預(yù)報(bào)。天文潮預(yù)報(bào)是根據(jù)日、月的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，用潮汐調(diào)和常數(shù)計(jì)算，并加以海平面的訂正，推算得出潮位的逐時(shí)逐日變化過(guò)程、高潮時(shí)和低潮時(shí)。氣象潮預(yù)報(bào)是根據(jù)氣象和氣候資料，對(duì)天文潮推算結(jié)果加以修正后，來(lái)預(yù)報(bào)一定時(shí)期內(nèi)對(duì)潮汐可能帶來(lái)的影響。

53潮汐的觀測(cè)驗(yàn)潮井:豎管，側(cè)向水平進(jìn)水口，布設(shè)儀器：

浮筒：與圓軸、記錄紙、筆、隨時(shí)間拖動(dòng)系統(tǒng)相連水尺（人工觀測(cè)）：一般1小時(shí)一次，每次1分鐘平均（目測(cè)），高低潮時(shí)加密至10分鐘。

54潮汐的觀測(cè)

壓力式驗(yàn)潮儀：（可直接在外海使用）壓力變化反應(yīng)水位。超聲驗(yàn)潮儀：超聲測(cè)矩儀，聲波打到水面反射。采樣時(shí)間1分鐘,采樣間隔可設(shè)定,一般10分鐘、15分鐘,潮汐報(bào)表是1小時(shí),但必須有高、低潮時(shí)間和潮高。

55潮汐的應(yīng)用海港工程（設(shè)計(jì)水位，校核水位）航運(yùn)交通軍事活動(dòng)漁、鹽、水產(chǎn)業(yè)世界潮汐能大于30億千瓦56關(guān)于潮汐的能量潮汐的能量從哪里來(lái)的？潮汐從地球的旋轉(zhuǎn)中獲得能量，并使地球旋轉(zhuǎn)變慢全球潮汐能量耗散達(dá)3.75TW，其中海洋耗散3.5TW，通過(guò)淺海和海岸區(qū)的摩擦耗散1TW=1012W57風(fēng)暴潮（Stormsurge）

58風(fēng)暴潮59氣象潮與風(fēng)暴潮由氣象原因引起的局部海面非周期性的升降現(xiàn)象，稱為氣象潮。特大的氣象潮通常稱為“風(fēng)暴潮”氣象潮的振動(dòng)周期通常在幾分鐘到幾天不等。

形成原因海上風(fēng)使表層海水被迫發(fā)生運(yùn)移和堆積。高氣壓控制海域時(shí)，“高壓”迫使海面降低；低氣壓控制海域時(shí)，海面隨之升高。低壓中心氣壓每降低1hPa,海面約上升1cm60風(fēng)暴潮的形成風(fēng)暴潮是發(fā)生在沿岸地區(qū)的最大的自然災(zāi)害，伴隨著臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)而發(fā)生Stormsurge:高于天文潮水位的增水Stormtide：天文潮和風(fēng)暴共同引起的增水612005年8月29日，颶風(fēng)Katrina襲擊美國(guó)，引起的風(fēng)暴潮造成1726人死亡新奧爾良市一片汪洋62發(fā)生在墨西哥灣的兩次風(fēng)暴潮Ike2008Katrina200563風(fēng)暴潮風(fēng)暴潮分類：

臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮溫帶（氣旋）風(fēng)暴潮馮士筰院士是中國(guó)風(fēng)暴潮研究的開(kāi)拓者之一青島前海風(fēng)暴潮64風(fēng)暴潮的種類臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮，多見(jiàn)于夏秋季節(jié)。其特點(diǎn)是：來(lái)勢(shì)猛、速度快、強(qiáng)度大、破壞力強(qiáng)。溫帶風(fēng)暴潮，多發(fā)生于春秋季節(jié)，夏季也時(shí)有發(fā)生。其特點(diǎn)是：增水過(guò)程比較平緩，增水高度低于臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮。1969年8月17日，從大西洋登陸美國(guó)墨西哥灣沿岸的“卡米爾”颶風(fēng)引起的風(fēng)暴潮，水位升高7.5米，是全球迄今最高的風(fēng)暴潮記錄

65風(fēng)暴潮的特點(diǎn)風(fēng)暴潮是一種重力長(zhǎng)波，周期約為1～100小時(shí)，介于地震海嘯和海洋潮汐之間，水位振動(dòng)幅度可達(dá)數(shù)米；如果風(fēng)暴潮與天文大潮疊加在一起時(shí)，水位變化幅度將更大。風(fēng)暴到達(dá)之前，由于風(fēng)暴潮的移動(dòng)速度小于當(dāng)?shù)刈杂砷L(zhǎng)波的速度，因此，會(huì)有先兆波到達(dá)岸邊，引起沿岸海面緩慢升降，屬初振階段；風(fēng)暴過(guò)境時(shí)，沿岸水位劇升，風(fēng)暴潮位升到最高，并將持續(xù)數(shù)小時(shí)，此時(shí)為“主振階段”；風(fēng)暴離境后，尚有遺留下來(lái)的阻尼振動(dòng)，振幅與初振階段近似，此時(shí)稱“余振階段”。

66風(fēng)暴潮的大小與風(fēng)暴強(qiáng)度、范圍、移動(dòng)速度、方向、接近海岸的角度、海岸的形狀特