海面高程变化海面高程变化的原因

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1、第一节 概述 一 海面高程变化的原因 1 潮汐 （天文潮，12-24hr）引起水位变化 2 风暴潮 （气象潮，数分钟-数小时） 引起水位变化，动力作用。 3 海啸（数分钟-数小时） 引起水位变化，动力作用。 4 闭合海湾内的水面大周期振荡现象（假潮，数分钟-数小时）,第六章 海面高程变化,二 海面高程变化对工程结构和工程活动的影响（海面高程变化研究的意义） 1 设计时考虑高程变化 1）基地，码头，进出航道 2）固定式平台高程 3）工程结构的高、低水位段的防冰、防腐措施 2 现场配置时考虑高程变化 1）坐底式平台高度配置 2）自升式平台高度配置 3）浮式装置的定位系统平台高度配置 4）预制模块的

2、下水、拖航、就位作业。,第二节 潮汐 潮汐：地球表面水体受月球、太阳引力作用而产生的海面周期性起伏现象。 一 影响潮汐变化的天文因素 基本术语： 天球、天顶、天底、天极 子午圈：过南北天极和天顶、天底的大圆 中天：天体经过观测站子午圈的时刻 天赤道、赤经、赤纬 黄道（面）：观测者在一年内所看到的太阳视运动轨迹（面），与赤道面交角2327，与赤道面由南向北交点为春分，与赤道面由北向南交点为秋分，北南赤纬最大点为夏至和冬至 白道（面）：观测者在一年内所看到的月球视运动轨迹（面）与赤道面交角2835- 1819 ，与黄道面交角58； 白道面与黄道面交点沿黄道面自东向西运动，每年约20 ，经18.61

3、年后回到原点，潮汐变化的长周期。,平太阳日（日、天）：平太阳两次经过观测者上中天的时间间隔（24h） 回归年：太阳连续两次经过春分点的时间间隔（365.24天） 平太阴日：24小时50分 朔望月：29.53天 二 有关海面高程的概念 1 基准海平面 我国以19年黄海平均海面作为高程基准面。 2 理论深度基准面 即理论上潮汐可能达到的最低潮面（我国的海图基准面） 3 水尺零点 某点的水位起算点，也叫潮高基准面。 海面高程变化即海面围绕平均海平面的变化。,平均海平面,潮高基准面,海图基准面,大潮高潮面,大潮高潮高,大潮潮差,潮时,平均海平面、海图基准面、潮高基准面示意图,三 潮汐现象 1、潮汐要素

4、 高潮、低潮；涨潮、落潮；潮高、潮差；潮时、历时。,低潮,高潮,高潮,潮差,低高潮,潮高基准面,落,潮,涨,潮,高度,时间,落潮历时,涨潮历时,高潮高,低潮高,平潮,停潮,2 特征潮位 工程上常用到的特征潮位： 1）最高潮位及最低潮位 指历史上曾观测到的最高和最低潮位。 2）平均最高潮位及平均最低潮位 将多年潮位资料中每年的最高和最低潮位进行平均得到的值。 3）大潮平均最高潮位及大潮平均最低潮位 将每月的两次大潮潮位取多年平均得到的值。 4）小潮平均最高潮位及小潮平均最低潮位 将每月的两次小潮的潮位取多年平均得到的值。,四 潮汐成因 1 潮汐椭圆与地球月运动 潮汐椭圆：按潮汐静力学理论，覆盖在

5、地球表面的海水，在月、日引力作用下，海面形成椭圆球体。 地球月运动：地球中心绕地月质心的运动。 地球绕地、月共同质心的运动是轨迹为圆周的平移运动，在平移过程中，地心、月心和地月质心恒在一条直线上。 天文学结论：当地球绕地月质心转动时，地表各点处的离心力大小相等，且大小和方向都与地心处的质点离心力相同。,fe,M,E,x,y,地月离心力,R=6371.221km,x=4650km,G,Y/X=E/M X=0.73r,月球引力（万有引力） （月球的引力为太阳引力的2.17倍） 地球上各点的月球引力不相同,fg,fe,M,M,E,E,x,y,月球引力 （万有引力）,地月离心力,R=6371.221k

6、m,x=4650km,Moon,Earth,地月离心力,万有引力,月球引潮力示意图,2 月球引潮力 平衡潮理论假设： 地表覆盖着等深度的海水，忽略海水运动的惯性力、柯氏力、海底边界摩阻力。,月球引潮力,A,B,C,D,3 引潮力计算 1) 引潮力势 地面水质点受到引潮力的作用,将该点单位质量水质点沿地心方向移至地心处所作的功称为该点的引潮力势. 月球引潮力势： 太阳引潮力势： 月球引潮力： 太阳引潮力：,v-垂直分力，指向地心为负；h-水平分力，背向天体为负 式中：G-万有引力常数；M-月球质量；S-太阳质量；E-地球质量； -天顶距;r-地球半径；D，D-月地、日地间距。,Moon,Eart

7、h,地月离心力,万有引力,月球引潮力,A,B,C,D,2) 潮高 月球平衡潮潮高 式中：G-万有引力常数；M-月球质量；S-太阳质量；E-地球质量； -天顶距;r-地球半径；D，D-月地、日地间距。,P,M,M,N,M1,P1,A,天顶距的展开示意图,五 潮汐不等现象 1.日不等现象 某点处每日两次高潮，两次低潮不等，因为月球赤纬角不等于零 2.半月不等现象 地球，太阳和月球三者空间关系不同，形成塑望潮（初一和十五）和方照潮（上弦：初七八，下弦：廿二、廿三）。 3.月不等现象 月球绕地球椭圆轨道运转，每月一次远地潮，一次近地潮。 4.年不等现象 地球绕太阳椭圆轨道运转，每年中地日距离不断变化造

8、成。,M,北,南,A,M,北,南,A,赤纬角,潮汐日不等示意图,Sun,Moon,Earth,Sun,Earth,Moon,潮汐半月不等现象,日、地、月成直角关系,日、地、月在直线上,潮汐月不等和年不等现象示意图,Sun,Moon,Earth,六 潮汐类型 1）半日潮：一个太阳日内两次高潮和两次低潮。 2）日潮：一个太阳日内一次高潮和一次低潮。 3）混合潮：不规则日潮和不规则半日潮。 某处出现不同类型潮汐，是由该处的位置和太阳、月球和地球三者空间位置决定的。 七 潮汐表及应用 为了方便应用，国家海洋局都要出版一次潮汐表，表中标明经纬度，时区，潮位，历时等数据，供工程应用。,低潮,高潮,高潮,潮

9、差,高低潮,高潮,高高潮,低高潮,低低潮,全日潮,混合潮,半日潮,第三节 风暴潮 一、概念 风暴潮：又称气象潮，是一种由非天文因素(海面强风或气压骤变等)引起的海面异常升降现象，使水位大大超过正常潮位。 二、风暴潮分类及特征 名称 特征 1.热带风暴潮：由台风引起的风暴潮 潮位变化急剧。 2.温带气旋风暴潮：由温带气旋引起 潮位变化持续缓慢。 3.冷锋风暴潮： 由冷暖气团活动引起 潮位变化持续缓慢。,三、风暴潮的形成及传播 1 风暴潮的形成（以热带风暴潮为例） 1）低压气旋形成移动的低压区，将海面吸升。 2）升高的海面随台风移动，象孤立波一样传播。 3）到达近海时，波高骤增，势不可挡，涌入内陆

10、，造成破坏。 2 风暴潮的传播 1）台风长波增水 长波传播速度大于台风风速，故先出现增水现象。 2）风暴潮主段 水位急剧增高。 3）余振阶段,高程,t,余振,风暴潮,先行涌浪,四、风暴潮的危害 1.引起海面高程急剧变化。 2.动力作用。 五、风暴潮的预报 1 经验预报法 采用水文气象因子（如风速、气压、台风最大风速半径、台风中心与本站距离、台风增水现象发生前的水位峰值等）与风暴潮潮高建立相应关系，结合台风路径、本站地理位置特征等因素进行预报； 2 数值计算法 以风应力和气压剃度力为基础计算风暴潮的运动方程。,第四节 海啸 一、海啸成因、条件与现象 1.海啸成因：由海底火山喷发、海底地震或陆架地

11、震引起海底大面积隆起或大面积塌陷，使海水剧烈运动。 2.形成条件：震源水深大于4m，强度里氏6。5级以上。 3.现象：这是一种长周期、小振幅的海洋散射波，传播速度极快，可达数百公里/小时。在深海高速传播，无危害；到达浅水区后，波高陡增，形成波墙，水位大大上升，造成灾害。 二、著名海啸及危害,三、海啸波浅水变形 海啸波传播过程中，波浪周期不变，有以下关系：,海啸波在浅水区波长变短,假设进入浅水区后波能不变,下标q-浅水,s-深水,第五节设计水位 一、设计水位的概念 设计水位指设计潮位，包括设计高水位、设计低水位、校核高水位、校核低水位。 1.设计高、低水位：指建筑物在正常使用条件下的高、低水位。

12、 2.校核高、低水位：指建筑物在非正常使用条件下的高、低水位，非正常使用条件指在存在天文潮的同时又存在风暴潮、低压、海啸等非天文因素的情况。此时水位为正常潮位与非天文增水之和。,二、设计水位的确定(我国沿海港口工程技术规范) 1.设计高水位：从高潮位累积频率曲线查取10%累积频率对应的潮位为设计高潮位。 2.设计低水位：从低潮位累积频率曲线查取90%累积频率对应的潮位为设计低潮位。 三、校核水位的确定 利用多年的最高（低）潮位资料，拟合某一极值理论分布曲线，推算50年或100年一遇的极高潮位或极低潮位，作为校核水位。,累积频率 P,潮位,5.0,3.0,1.0,0.10,0.90,高潮位累积频

13、率曲线,低潮位累积频率曲线,潮位累积频率曲线,频率 P（次数/年）,激烈度SD,SD,10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105,事件的频率与激烈度,fD,严重破坏,部分破坏,作业分析,疲劳,第六节 长期分布,海洋环境事件的长期分布规律对海工结构物设计的规模、造价及安全程度起着重要的作用。比较合理的工程结构设计是选择环境事件中的某一激烈度SD作为环境事件的设计标准，即以重现期 TR 内可能一遇的环境事件激烈度 SD 作为设计标准。 统计分析： 若参与统计的数据是每年出现一次的年最大值xmax（简记为 x），则历年数据及其相应频率P的统计过程

14、是将实测所得的 m 年的资料按大小次序排列，各序号变量xi对应的频率（次/年）P 为：,该经验频率P相当于概率论中的超值累积概率 G(x)，它们与分布函数 F(x) 及重现期 TR 之间的关系为： 式中： ；f(x)为变量 x 的概率密度函数。,累积概率分布曲线,累积概率G(x),年最大波高的长期分布,在同一设计标准下应用不同的长期分布理论，会有不同的设计条件，而设计环境条件（或设计环境载荷）的变化，对工程总投资的影响比较敏感。如 随机事件的分布规律：对数正态分布、龚贝尔（Gumbel）极值分布、伽马（Gamma）分布、魏伯尔（Weibull）分布等 随着工程优化设计方法的不断实施，在优化设计

15、中，设计标准并不只是按重现期TR来决定，而是系统分析不同事件强度（如波高）与工程投资预算的关系，从而选择曲线最低点所对应的波高作为设计事件。,对数正态分布 变量x的对数lnx具有正态分布特征的理论分布称为对数正态分布。 应用：广泛应用于波浪高度、海冰厚度及海工结构物环境荷载的长期分布中。 1、对数正态分布表达式,对数正态分布（概率密度函数f(x)）图形,分布函数F(x)为： 相应的超值累积概率G(x)为：,2、对数正态分布概率纸及其应用 概率纸：横坐标为变量x（等间距），纵坐标（右）为超值累积概率 G(x)，纵坐标（左）为重现期 TR 为重现期 TR 与超值累积概率 G(x)或经验频率 P(x

16、)关系为： r为参与统计的每一个数据所代表的时间（单位为年）。 实例：某海域只有一年的有义波高实测资料，共有数据4421个，每一个数据代表2小时时段内的有义波高值，求该海域今后50年一遇的有义波高值。 注：H1/3又称为“有义波高”,计算步骤： (1) 将4421个波高值按大小分档统计，并建立表格； (2) 将各级波高Hs与相应的概率G(HS)描绘于概率纸上； (3) 拟合一条最佳直线； (4) 计算超值累积概率G(Hs)与重现期的关系： 得出TR与G(HS)表。 (5) 按G(H)值在拟合直线上反求与之对应的波高,并列于TR与G(HS)表中； (6) 由TR与G(HS)表，当TR=50时，相应的50年一遇的有义波高Hs为21m 。,