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1、,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,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,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,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
2、等）、浅海及海岸动力过程海洋灾害（台风，风暴潮，溢油，赤潮等）,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,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 underst
3、anding of the ocean. The absence of evidence was taken as evidence of absence (C. Wunsch, 2002)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,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,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
4、,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,潮汐的基本特征,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）,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,全日潮：diurnal tides半日潮：semidiurnal tides混合
5、潮：mixed tides,同一日期、不同地点的潮汐水位曲线,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,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
6、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。,中国潮汐研究启蒙,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
7、求正确的结果,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 (1700-1782), L. Eular (1707-1783)和 C. Maclaurin (1698-1746) 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,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
8、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,与理论分析同步进行的工作还有英国人对潮汐水位的观测和分析第一台自记式潮位计据说是英国人H. Palmer在18
9、31年发明的William Thomson则提出了潮位资料分析的调和分析方法，并由G. H. Darwin（1845-1912, 达尔文的第二个儿子）和W. Ferrel (1817-1897)等人进行了完善1872-1873年，按照W. Thomson的设计，英国制造了世界上第一台“潮汐预报机”（TPM），至今在英国Proudman海洋实验室还陈列着一台TPM,1912年，英国成立了“利物浦潮汐研究所”，研究全球大洋潮汐在两次世界大战期间，由于军事的需要，西方各国加紧了物理海洋学的研究，有关潮汐的论文数量急剧上升从20世纪50年代开始，潮汐模拟的计算机技术获得了快速发展现在，计算机模拟技术与
10、卫星遥感观测及固体地球与大气潮汐观测网的结合使潮汐的分析和预报达到了相当高的准确性潮汐是一个已经获得解决的科学问题,潮汐是由天体引潮力作用而形成的，引潮力是来自天体之间的万有引力，以地球和月球构成的体系为例，假设地球和月球均处于相对静止的状态，则地球上半径质量所受的月球引力平均为：,式中F为万有引力，Me为地球质量，Mm为月球质量，G为万有引力常数（=6.6710-11 N Kg-2m2），r是地心和月心之间的距离,在地球的不同位置，水质点所受的引力并不相等。如图所示，在A处所受的力要大于C处，因距离月球更近，与F/Me相比有3%的差异。在D处，引力应写为：,式中R为地球半径 在B处引力与D处
11、相等，在A处，引力为：,在C处引力的表达式为：,以上的情况是假定地球是不动的，如果让地球转动起来，则在一个转动周期内，地球表面水位除高纬地带外将出现两次高潮、两次低潮地球相对于月球的转动周期约为24.84小时，因此月球导致的潮汐周期将有12.42小时影响潮汐的天体还有很多，但除太阳外，其他天体的影响远不及月球，这是因为它们要么距离十分遥远，要么质量相对较小（如太阳系的其他行星）,潮汐：地球自转的效应,全日潮或半日潮的形成：与纬度有关,太阳的引潮力约为月球的0.47倍，其周期为12小时月球或太阳的引潮力等同于若干个只有简谐函数形式引潮力的天体作用之和在潮汐学中，习惯上把一个简谐函数的引潮力看成是
12、一个天体的作用（月球或太阳的引潮力也就被看成是若干个假想天体的共同作用）对于每一个假想天体的引潮力都给予一个名称，并且与一个固定的周期相联系根据每个假想天体的运动轨迹，计算其引潮力的大小,大小潮形成的机理,一些常见潮汐分潮的名称、周期和相对大小,根据牛顿的平衡潮理论，分潮相位应与引潮力天体运动的相位相同（实际情况并非如此，分潮的相位是多样化的）拉普拉斯的动力学理论较好地解释了这个现象，该理论将潮汐看成是周期性引潮力作用形成的波动既然如此，波动有一个成长、发育的过程，使波动的相位不同于作用力的相位，而且两者的差异与海盆的大小和形状有关，不同的分潮相应地产生不同的位相差,潮波与海底地形的相互作用还
13、可以产生新的分潮一个原来为简谐振动的分潮，其波形可以由于海底的摩擦力而产生变形，如果我们仍想用简谐函数来描述这个变了形的波动的话，就必须增加新的“分潮”这类分潮在潮汐学中称为“浅海分潮”为了要把相对较为重要的分潮（包括浅海分潮）都加以考虑，需设置一个最低的标准。例如“振幅大于1cm的分潮不予忽略”一般认为，要较为准确地刻画海洋潮汐，需要考虑排列在前64位的分潮,潮汐水位分析和预报,如果在海洋中的某个地点，设置潮位计对水位进行长期的记录，则可以得到水位的时间序列其中水位变化的影响因素很多，包括潮汐和非潮汐的影响如果我们的目的是确定各个分潮在水位时间序列中的贡献，并且预测今后一段时间的潮汐水位变化
14、，那么分析的方法可以采用调和分析 （Harmonic analysis）,调和分析的物理基础是：任何一条随时间变化的曲线，都可以分解为一系列简谐振动的和，而且在潮汐的情况中每个简谐振动的周期是已知的潮汐水位=(t)可以写成振幅、相位确定的全部分潮的和：,式中Ai为第i个分潮的振幅，Ti为第i个分潮的周期，i为第i个周期的相位，N为分潮的总个数。由于Ti是已知的，所以我们的任务是确定Ai和i的值，这正是调和分析的目的。,调和分析的数学原理可以在A. Defant的著作物理海洋学（1960-1961）根据上一页的公式，可以从中拿出一个分潮来，将原式改写为：,式中，B0=A0cos0, C0=A0s
15、in0。将式（6）的两边同乘以 ，并在0.PT0（P为一个很大的正整数）内积分，可得：,其原因是当P式中的求和一项趋于0 。,同理，将前式两边乘以 并在0, PT0上积分，可得：,因此可得,有了B0和C0的值，根据我们前面的定义，立即可得：,这样，我们抽取出来的分潮的振幅和相位就被确定了。这个过程重复N次，可以把全部N个分潮的振幅和相位都计算出来。,在数学的证明中需要P的条件，但在实际的调和分析中，P只要是一个充分大的数就行了P怎样才算充分大，这取决于计算的方法，早期物理海洋学家认为至少要有359天的水位记录后来，由于最小二乘法技术在调和分析中的应用，水位记录的长度大大缩短了现在，我们可以用半
16、个月的记录来分析尽管如此，由于水位变化中还包括了非潮汐的因素，因此较长的时间序列可以提高分析的准确性，减小误差,根据调和分析结果，我们可以把潮汐水位的时间序列向前或向后延长向前的延长就是对今后潮位的预报，日常所用的“潮汐表”就是这样制成的，对港口很重要潮汐表给出了每年的潮汐信息，包括逐日的高潮时刻和水位、低潮时刻和水位等，对于港口和航道的使用而言是重要的数据资料,黄浦江沿岸，包括张华浜、军工路、共青、朱家门、龙吴等港区长江口南岸，包括宝山、罗泾、外高桥等港区洋山深水港，位于杭州湾口的填海形成的港口,如何判别潮汐类型（半日潮、全日潮、混合潮）？可用一个“潮性因子”来刻画：,式中K1、O1、M2、S2分别为这些符号所代表的分潮的振幅。当F=00.25，将出现规则的半日潮；F=0.251.25，将出现半日潮为主、全日潮为次的“混合潮”；当F=1.253.0，将出现全日潮为主的混合潮；当F3.0，将出现全日潮。,
