海洋與人類社會(第三講).ppt

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,,海洋與人類社會 第三講 物理海洋學基礎-潮汐,高 抒 南京大學地理與海洋科學學院,本科教材與文獻閱讀,教材與課程的關系 克服“課本依賴癥”、“課程依賴癥” 培養(yǎng)自學能力 教學內(nèi)容的系統(tǒng)化 文獻閱讀方法 參考文獻記錄格式,第三講內(nèi)容,物理海洋學的理論體系 潮汐的基本特征 潮汐研究歷史 牛頓：平衡潮理論 拉普拉斯：動力學理論 潮汐預報,物理海洋學研究,物理海洋學是海洋科學的基礎學科 海水的物理性質(zhì) 描述海洋的數(shù)學方程（流體力學為基礎） 觀測儀器（海流計，測深儀，ADCP等） 觀測平臺（衛(wèi)星，浮標，潛標，飛機，雷達等） 海陸氣相互作用、海洋表混合層、風生環(huán)流、深海環(huán)流、赤道海洋動力過程、海洋動力數(shù)值模型、海洋中的波動（浪，潮，海嘯等）、淺海及海岸動力過程 海洋災害（臺風，風暴潮，溢油，赤潮等）,溫度、鹽度、密度,太陽輻射、蒸發(fā)、降雨、徑流輸入以及海冰的融化凝結(jié)等過程均可影響海水的溫度和鹽度 溫度和鹽度的變化導致密度的變化，密度的空間分布是壓強梯度力形成的根本原因，而壓強梯度力是驅(qū)動深海、淺海環(huán)流的主要動力之一,海水中鹽分的構(gòu)成,,鹽度對海水密度的影響,觀測數(shù)據(jù)對海洋研究的重要性,海洋科學的主要研究方法是自下而上的，即現(xiàn)場觀測是整個學科的基礎，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由海洋環(huán)境的復雜性所決定的 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) 無論何種數(shù)據(jù)，首先要對其進行基本的調(diào)查，對其質(zhì)量進行評估，錯誤的數(shù)據(jù)導不出正確的結(jié)論.由于觀測儀器的精度限制，目前的觀測資料可能導致出現(xiàn)某些錯誤的結(jié)論，海洋科學仍處于不斷發(fā)展中,,,,,本課程對物理海洋學的要求,刻畫海水運動 觀測與理論分析方法 通過兩個主題加深印象：潮汐；海氣氣相互作用 有“描述性海洋學”課程和教材,北極海區(qū)的海水層特征,海盆的水體運動特征，據(jù)中國海洋大學趙進平教授“高等描述性物理海洋學”講義,潮汐現(xiàn)象,潮汐——海洋環(huán)境中水位以半日或全日周期發(fā)生漲落現(xiàn)象 伴隨著海水的水平流動 在陸架和海岸水域尤為顯著 生活在海岸附近的人們很容易觀察到潮汐,潮汐的基本特征,潮位有變化（高潮、低潮） 潮汐的主要周期是半日或者一日（半日潮、全日潮） 高潮發(fā)生時刻有變化（潮汐間歇） 大潮一般出現(xiàn)在農(nóng)歷初三、十八（潮齡） 存在潮汐不等現(xiàn)象（日不等、半月不等） 潮差：大洋中0.9m左右，淺海數(shù)米至十幾米 潮汐的振幅和初位相因地而異（調(diào)和常數(shù)）,潮汐水位漲落,潮汐水位漲落的觀測依賴于“潮位儀”,水尺（人工讀數(shù)） 浮標式潮位記錄儀 自記式壓力驗潮儀 聲學水位計 遙測驗潮儀,全日潮：diurnal tides 半日潮：semidiurnal tides 混合潮： mixed tides,同一日期、不同地點的潮汐水位曲線,,在古代，人們開始試圖描述潮汐的基本特征（用以指導海岸帶的生產(chǎn)活動和生活安排）并解釋潮汐的成因 歐洲人（在古希臘自然哲學影響下）較早地以自然哲學的語言來描述潮汐，并把它與月相的變化相聯(lián)系 中國古代也有許多關于潮汐的記載 ——竇叔蒙，8世紀中葉，《海濤志》，我國現(xiàn)存最早的潮汐專著 近代科學研究始于歐洲,,,,東漢王充：濤之起也，隨月盛衰，大小滿損不齊同。 三國虞翻：水性有常，消息與月相應。 晉代楊泉：月，水之精也。潮有大小，月有盈虧。 唐代竇叔蒙對潮汐大小隨月相變化過程的描述最為詳細：潮汐隨月相的周期性變化過程是，每月朔望時潮汐最大，上下弦時最小，在朔與上弦之間和望與下弦之間潮汐逐漸變小，在上弦與望之間和下弦與朔之間潮汐逐漸變大。,中國潮汐研究啟蒙,Cartwright D E, 1999. Tides: a scientific history. Cambridge University Press, Cambridge, 292pp. 本書關于潮汐研究歷史的介紹頗為詳盡。,,,一些著名的物理學家如伽利略、笛卡爾等人研究過這個問題——后來均證實方法有誤，不能成立 牛頓（1642-1727）提出了潮汐成因的平衡潮理論（《自然哲學的數(shù)學原理》，1687） ，用萬有引力理論來加以解釋——基本原理正確，但推論過程中有不少失誤 在《自然哲學的數(shù)學原理》于1687年出版之后，許多人試圖尋求正確的結(jié)果,,1738年，法國皇家科學院甚至以“海洋的漲落潮”為題，設立大獎。在1740年，有4人獲得了該獎，都是有名的數(shù)學家：A. Cavalleri, D. Bernoulli (1700-1782), L. Eular (1707-1783)和 C. Maclaurin (1698-1746) Bernoulli的論文全面修正了牛頓的理論，我們今天看到的有關“牛頓平衡潮理論”的表述，實際上是源自他在這次大賽中的獲獎論文,,,平衡潮理論能夠解釋部分現(xiàn)象，但對于潮汐與月球運動之間的位相差和近岸潮汐特征不能很好地說明 法國人Pierre Simon （即拉普拉斯，1749-1827）于1776年提出了我們今天稱為“拉普拉斯潮汐方程”的理論，他構(gòu)造了分析潮汐運動的連續(xù)方程和動量方程，在后者中加入了引潮力的數(shù)學表示 后來，經(jīng)過G. B. Airy (1801-1892), W. Thomson (即Lord Kelvin, 1824-1907)，H. Lamb (1849-1934), M. Maxgules (1856-1920, 奧地利氣象學家), S. S. Hough (1870-1923), G. Taylor (1886-1975)等人的進一步工作，確立了潮汐的動力學理論,與理論分析同步進行的工作還有英國人對潮汐水位的觀測和分析 第一臺自記式潮位計據(jù)說是英國人H. Palmer在1831年發(fā)明的 William Thomson則提出了潮位資料分析的調(diào)和分析方法，并由G. H. Darwin（1845-1912, 達爾文的第二個兒子）和W. Ferrel (1817-1897)等人進行了完善 1872-1873年，按照W. Thomson的設計，英國制造了世界上第一臺“潮汐預報機”（TPM），至今在英國Proudman海洋實驗室還陳列著一臺TPM,,,,,,,,1912年，英國成立了“利物浦潮汐研究所”，研究全球大洋潮汐 在兩次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事的需要，西方各國加緊了物理海洋學的研究，有關潮汐的論文數(shù)量急劇上升 從20世紀50年代開始，潮汐模擬的計算機技術獲得了快速發(fā)展 現(xiàn)在，計算機模擬技術與衛(wèi)星遙感觀測及固體地球與大氣潮汐觀測網(wǎng)的結(jié)合使潮汐的分析和預報達到了相當高的準確性 潮汐是一個已經(jīng)獲得解決的科學問題,,,潮汐是由天體引潮力作用而形成的，引潮力是來自天體之間的萬有引力，以地球和月球構(gòu)成的體系為例，假設地球和月球均處于相對靜止的狀態(tài)，則地球上半徑質(zhì)量所受的月球引力平均為：,,式中F為萬有引力，Me為地球質(zhì)量，Mm為月球質(zhì)量，G為萬有引力常數(shù)（=6.6710-11 N Kg-2m2），r是地心和月心之間的距離,,在地球的不同位置，水質(zhì)點所受的引力并不相等。如圖所示，在A處所受的力要大于C處，因距離月球更近，與F/Me相比有3%的差異。在D處，引力應寫為：,式中R為地球半徑 在B處引力與D處相等，在A處，引力為：,,在C處引力的表達式為：,,以上的情況是假定地球是不動的，如果讓地球轉(zhuǎn)動起來，則在一個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)，地球表面水位除高緯地帶外將出現(xiàn)兩次高潮、兩次低潮 地球相對于月球的轉(zhuǎn)動周期約為24.84小時，因此月球?qū)е碌某毕芷趯⒂?2.42小時 影響潮汐的天體還有很多，但除太陽外，其他天體的影響遠不及月球，這是因為它們要么距離十分遙遠，要么質(zhì)量相對較?。ㄈ缣栂档钠渌行牵?潮汐：地球自轉(zhuǎn)的效應,全日潮或半日潮的形成：與緯度有關,,太陽的引潮力約為月球的0.47倍，其周期為12小時 月球或太陽的引潮力等同于若干個只有簡諧函數(shù)形式引潮力的天體作用之和 在潮汐學中，習慣上把一個簡諧函數(shù)的引潮力看成是一個天體的作用（月球或太陽的引潮力也就被看成是若干個假想天體的共同作用） 對于每一個假想天體的引潮力都給予一個名稱，并且與一個固定的周期相聯(lián)系 根據(jù)每個假想天體的運動軌跡，計算其引潮力的大小,大小潮形成的機理,一些常見潮汐分潮的名稱、周期和相對大小,根據(jù)牛頓的平衡潮理論，分潮相位應與引潮力天體運動的相位相同（實際情況并非如此，分潮的相位是多樣化的） 拉普拉斯的動力學理論較好地解釋了這個現(xiàn)象，該理論將潮汐看成是周期性引潮力作用形成的波動 既然如此，波動有一個成長、發(fā)育的過程，使波動的相位不同于作用力的相位，而且兩者的差異與海盆的大小和形狀有關，不同的分潮相應地產(chǎn)生不同的位相差,潮波與海底地形的相互作用還可以產(chǎn)生新的分潮一個原來為簡諧振動的分潮，其波形可以由于海底的摩擦力而產(chǎn)生變形，如果我們?nèi)韵胗煤喼C函數(shù)來描述這個變了形的波動的話，就必須增加新的“分潮” 這類分潮在潮汐學中稱為“淺海分潮” 為了要把相對較為重要的分潮（包括淺海分潮）都加以考慮，需設置一個最低的標準。例如“振幅大于1cm的分潮不予忽略” 一般認為，要較為準確地刻畫海洋潮汐，需要考慮排列在前64位的分潮,潮汐水位分析和預報,,如果在海洋中的某個地點，設置潮位計對水位進行長期的記錄，則可以得到水位的時間序列 其中水位變化的影響因素很多，包括潮汐和非潮汐的影響 如果我們的目的是確定各個分潮在水位時間序列中的貢獻，并且預測今后一段時間的潮汐水位變化，那么分析的方法可以采用調(diào)和分析 （Harmonic analysis）,調(diào)和分析的物理基礎是：任何一條隨時間變化的曲線，都可以分解為一系列簡諧振動的和，而且在潮汐的情況中每個簡諧振動的周期是已知的 潮汐水位η=η(t)可以寫成振幅、相位確定的全部分潮的和：,,式中Ai為第i個分潮的振幅，Ti為第i個分潮的周期，σi為第i個周期的相位，N為分潮的總個數(shù)。由于Ti是已知的，所以我們的任務是確定Ai和σi的值，這正是調(diào)和分析的目的。,調(diào)和分析的數(shù)學原理可以在A. Defant的著作《物理海洋學》（1960-1961） 根據(jù)上一頁的公式，可以從中拿出一個分潮來，將原式改寫為：,,式中，B0=A0cosσ0, C0=A0sinσ0。將式（6）的兩邊同乘以 ，并在[0.PT0]（P為一個很大的正整數(shù)）內(nèi)積分，可得：,,,其原因是當P→∞式中的求和一項趨于0 。,同理，將前式兩邊乘以 并在[0, PT0]上積分，可得：,,,因此可得,,,有了B0和C0的值，根據(jù)我們前面的定義，立即可得：,,,這樣，我們抽取出來的分潮的振幅和相位就被確定了。這個過程重復N次，可以把全部N個分潮的振幅和相位都計算出來。,在數(shù)學的證明中需要P→∞的條件，但在實際的調(diào)和分析中，P只要是一個充分大的數(shù)就行了 P怎樣才算充分大，這取決于計算的方法，早期物理海洋學家認為至少要有359天的水位記錄 后來，由于最小二乘法技術在調(diào)和分析中的應用，水位記錄的長度大大縮短了 現(xiàn)在，我們可以用半個月的記錄來分析 盡管如此，由于水位變化中還包括了非潮汐的因素，因此較長的時間序列可以提高分析的準確性，減小誤差,根據(jù)調(diào)和分析結(jié)果，我們可以把潮汐水位的時間序列向前或向后延長 向前的延長就是對今后潮位的預報，日常所用的“潮汐表”就是這樣制成的，對港口很重要 潮汐表給出了每年的潮汐信息，包括逐日的高潮時刻和水位、低潮時刻和水位等，對于港口和航道的使用而言是重要的數(shù)據(jù)資料,黃浦江沿岸，包括張華浜、軍工路、共青、朱家門、龍吳等港區(qū) 長江口南岸，包括寶山、羅涇、外高橋等港區(qū) 洋山深水港，位于杭州灣口的填海形成的港口,如何判別潮汐類型（半日潮、全日潮、混合潮）？可用一個“潮性因子”來刻畫：,,式中K1、O1、M2、S2分別為這些符號所代表的分潮的振幅。當F=0~0.25，將出現(xiàn)規(guī)則的半日潮；F=0.25~1.25，將出現(xiàn)半日潮為主、全日潮為次的“混合潮”；當F=1.25~3.0，將出現(xiàn)全日潮為主的混合潮；當F3.0，將出現(xiàn)全日潮。,從調(diào)和分析的結(jié)果可以得知振幅最大的若干個分潮，用這些分潮的振幅和相位可以顯示觀測點潮汐的大小潮周期及其伴隨的潮差變化 例如，在規(guī)則半日潮海區(qū)，只要用M2和S2兩種分潮就可以構(gòu)造出大潮和小潮變化，這相當于兩個周期相近的簡諧振動相疊加的情形，其結(jié)果是形成“拍”的現(xiàn)象 M2和S2所構(gòu)成的大小潮周期約為15天,潮差是高潮位與低潮位之間的垂向距離 從潮位曲線上，可以量算出大潮潮差、小潮潮差和平均潮差 潮差的大小對于一個海域的水動力條件具有重要的影響，經(jīng)驗表明，平均潮差4m的海岸水域為強潮水域，2~4m時為中等潮，2m時為弱潮水域 從潮位曲線上還可以量算出各個潮周期中的漲、落潮流歷時，并統(tǒng)計出平均的漲落潮歷時 較大的漲落潮歷時差異通常是與海底摩擦和地形影響較大的海岸帶水位發(fā)生的，代表了淺海分潮的作用,將一塊海域的多個潮位測站的調(diào)和分析結(jié)果加以綜合，可以繪制出“同潮圖”，一幅同潮圖提供一個分潮的潮差等值線和共相位的點的連線 例如，對于M2分潮，把一個海域的平面上各個位置的潮差點到圖上，再畫出其等值線，稱為“等潮差線” 接下來，再從各點上找到t= T/6，T/3，T/2，﹍﹍的點，并把位相相同的點連接起來（或者將某一時刻的高潮位置連接起來），在曲線上標注相對于某個標準時刻的位相值，這樣的曲線就稱為“同潮時線” 有時候，在海域的某個區(qū)域，M2分潮的潮差呈同心環(huán)狀分布，并向內(nèi)收縮到一個潮差很小的地點，這一點稱為M2分潮的“無潮點”,M2分潮的同潮圖,,前進波,,,駐波性質(zhì)的 旋轉(zhuǎn)潮波,同潮圖,對于其他分潮，如S2、K1、O1等，也可以繪制各自的同潮圖，它們也可能有無潮點 不同分潮的同潮圖不一定相似，在很多情況下是很不相同，“無潮點”是否存在，其位置如何，也是不同的 早期，人們就是用這種方法繪制沿海一些海灣和重要地點的同潮圖的。但是，這種方法有很大的局限性 如今我們看到的同潮圖，都是用數(shù)值模型方法計算的,潮流特征及其分析,,,潮汐不僅表現(xiàn)為水位漲落，而且還表現(xiàn)為水體的流動 潮汐引起的水體流動稱為潮流 潮流的強度在外海為0.1m/s量級，而在淺海和海岸區(qū)域得到加強，最大可達到每秒幾米的量級,從分潮的同潮圖可以清晰地看出，潮汐的水位變化呈現(xiàn)波動形式。波動傳播的速度可以從等潮時線之間的距離來量算，因此潮波的波長也可以估算出來：,,以M2分潮為例，其周期為12小時，潮波傳播速度（= ，g為重力加速度，H為水深）為10~102m/s量級（在淺水區(qū)），因此其波長可達102~103km量級 但是，潮波引起的水質(zhì)點的流速（即潮流）與波速不同，在一個潮周期中水質(zhì)點運動的最大距離一般為10km量級，遠小于潮波波長,,涌潮是一種特殊的潮汐現(xiàn)象。在潮波傳播過程中，受到底床摩擦、地形束窄等因素的影響，又由于潮波傳播速度與水深有關，因此潮波發(fā)生變形，前鋒變陡，最終發(fā)生崩塌，這就是涌潮。涌潮發(fā)生于世界各地的強潮河口，如加拿大芬迪灣、英國塞文河口等。我國的杭州灣涌潮很有名，發(fā)展為重要的旅游資源。,錢江涌潮為世界一大自然奇觀, 是天體引潮力和杭州灣喇叭口地形所造成的。海潮來時, 聲如雷鳴, 排山倒海, 猶如萬馬奔騰,蔚為壯觀。觀潮始于漢魏(公元一世紀至六世紀),盛于唐宋(公元七世紀至十三世紀), 歷經(jīng)2000余年, 已成為當?shù)氐牧曀?。（?jù)百度百科）,潮流與潮位之間有兩種基本的關系—— 最大潮流出現(xiàn)在潮位上漲或下降最快的時刻，最小潮流（= 0 m/s，稱為憩流）出現(xiàn)在高潮或低潮時刻，這種潮波稱為“駐潮波”；潮位上漲階段對應的潮流稱為“漲潮流”，潮位下降時的潮流稱為“落潮流” 最大潮流出現(xiàn)在高潮或低潮時刻，而憩流出現(xiàn)在潮位變化最快時刻，這樣的潮波稱為“前進潮波”，它通常出現(xiàn)于開敞的陸架海域和深海；如果我們?nèi)园阉簧仙龝r的潮流稱為漲潮流，水位下降時的潮流稱為落潮流，則前進潮波下的漲、落潮流的方向與駐潮波的情形不同，它們各有兩個方向，即在漲潮或落潮階段，流向都是在中潮位時發(fā)生變化,,,Tidal Inlet,Sea,Tidal Basin,,潮汐電站原理：假定 海灣面積=50 km2 潮差=6 m 則 漲潮帶來的勢能=M g h,20世紀80年代中國裝機容量最大的潮汐電站，在世界上名列第三位。位于浙江省溫嶺縣樂清灣江廈港，潮汐屬半日潮,平均潮差5.08m，最大潮差8.39m，與著名的錢塘江最大潮差相近。1973年動工，1980年第1臺機組發(fā)電，1986年第5臺機組發(fā)電。,,,用探地雷達觀測潮流（江蘇海岸）,,第三講小結(jié)（1）,物理海洋學的研究內(nèi)容、方法和特點 海洋溫度、鹽度、密 流體力學基礎，海水運動 潮汐現(xiàn)象 潮位變化（高潮、低潮、潮差）、涌潮（錢江觀潮） 潮汐類型（半日潮、全日潮、混合潮） 竇叔蒙《海濤志》 牛頓-平衡潮理論 拉普拉斯-動力潮理論,第三講小結(jié)（2）,潮汐水位觀測（潮位儀） 全球潮汐模型 天體引潮力，地球自轉(zhuǎn) 潮周期、分潮（振幅、相位） 淺海分潮、地形影響 潮汐水位分析和預報（調(diào)和分析、潮汐表） 同潮圖、等潮差線、同潮時線、無潮點 潮流、潮流流速、潮波及其傳播速度 駐潮波、前進波、漲潮流、落潮流、憩流,,,謝 謝 ！,