南京信息工程大学期末考试试卷（答案）' e$ _4 t* g' X! M& y+ |
2007 － 2008 学年 第 1 学期物理海洋学 课程试卷( A 卷)
0 _4 ^; }0 }7 t8 ~本试卷共 1 页；考试时间 120分钟；任课教师 王坚红、陈耀登 ；出卷时间2007 年12 月" m p$ b" r) j' K& a* d* X( I
系 专业 年级 班 学号 姓名 得分
4 k7 i( S7 F9 t8 b3 [/ }9 {. u一、简答题 (每小题 4 分，共32分)$ G, J, B, y7 X% E B
1、平衡潮理论将实际潮波视为哪些分潮之和？
9 ?! i+ D: V( Q* L ]答：实际潮汐可视为是天文潮波，浅水潮波和气象潮波之和。而这三类潮波又可视为由许许多多分潮波组成。
% K: o+ N$ Q$ J8 s" c6 q[平衡潮理论将平衡潮潮高展成三大项，长周期项，日周期项，半日周期项，各项有随纬度变化的特征。]
, K' x" A5 z6 e( }: B, d2、海洋下层以什么环流为主，它主要携带的成分是什么？
2 p/ e2 B8 D, Y' z( z答：海洋的下层以热盐环流为主。热盐环流不仅只携带热量和盐份，还含有其它成份，如氧气，二氧化碳等。这使得它的重要性不仅仅在它的流动。7 ]3 e5 j$ o, M
3、请根据图说明是何种类型的潮汐，为什么。* j, v1 b5 { a& [! m
' }1 `8 u% J6 e9 p/ F3 O
3 N9 @" ]/ R; Q; N2 {; k) o答：左图是全日潮，右图是混合的不正规半日潮或全日潮。: J8 D6 {# r `; Z0 k% p
在24小时（横坐标）内有仅有一个潮波峰。为全日潮。在24小时内（横坐标）有两个波峰，且峰值大小明显差异。
. k, P, C2 W- m6 {6 @4、什么是Ekman 螺线？
& G" r# U# w5 P: f8 }9 o 答：相应于E k man漂流随深度的变化，漂流矢量端点的连线所构成的曲线为
- j4 C3 ~7 k( H3 \- D3 GE kman 螺线。
3 b6 @0 o' x. m/ w- k6 M2 _在北半球，漂流随深度向右偏；流速随深度增加呈指数形式减小。, |& I2 d3 X9 o, W. o) v) X
在南半球，漂流随深度向左偏。流速随深度增加呈指数形式减小。8 `& h9 u% H3 z% T5 f1 H3 z1 w! ?& ]
5、什么是等振幅线、同潮时线？指出右图
! g; t& @9 v, S# `8 ]中的同潮时线和等振幅线及无旋点。
$ W, e* i/ F, ]+ Z( W; ?7 R! u答：等振幅线是振幅相等的波列中振幅相同点的连线。同潮时线是不同波列中相同位相的连线。0 Y' b8 b- ^* O- r, K, V/ ^. ]6 M
图中实线是同潮时线；虚线是等振幅线。等振幅线的圆心是无旋点。该无旋点偏离海峡中线) D$ S2 r* Z* w" b" k) k
6、解释波浪辐聚和辐散概念。) h/ G" H) {' k4 S4 ?+ x
答：辐聚：在海岸突出处，波向线发生集中的现象，在此处波高因折射而增大。波能集中，引起海岸冲刷。3 E0 y/ B# P1 j/ |) Y
辐散：在海湾里，波向线发生分散的现象，在此处波高因折射而减小。波能分散，产生流沙淤积。( W5 @. ~) K* Q, t' J
7、简述大陆架风暴潮的三个阶段及其对应的波动名称。2 n D) H0 i. t$ z [+ o4 b
答：大陆架风暴潮可分为三个阶段：
+ G* y% M6 X5 e" K（1）先兆阶段：海面微微升高或降低，这个阶段波动称为先兆波。
4 }1 T0 u. r q- N+ O3 W（2）主振阶段：海面异常水位升高，这个阶段波动称为强迫波。
- U" W4 |+ E D7 k' ~" g7 o（3）余振阶段：海面相当显著升高，这个阶段波动称为边缘波。
# A u6 i+ P2 D+ [1 F+ M; G$ O- [8、解释潮汐调和分析。- |1 F/ o" V0 S Y% |3 ?$ f! v8 ^
答：根据一定时间长度的潮汐实测资料，利用某种数学方法，计算出主要分潮的调和常数（振幅和相位），再从调和常数出发，进行潮汐预报。& M4 j6 R! n4 @! F D+ M' W
二、问答题(共48分)
" p+ B- H' I4 I' j, `! ^# c, `1、（8分）解释平衡潮理论，在哪些方面对实际潮汐作了很好的解释？4 ^; k" h0 f. I7 B/ |
答：假定：% H7 ?6 {' p9 h; C1 _7 e0 i
①地球完全被等深的海水覆盖，海底平坦；②海水没有惯性，粘性；7 R& r1 X) z1 p' [4 P# Y
③忽略地转偏向力和摩擦力。
# ^' X9 ^& K* h% t3 l2 x在这些假定下，某一时刻引潮力，压强梯度力和重力平衡时，海面保持稳定状态所求得的潮汐，即为平衡潮。6 ~! e' s$ g: w: e
平衡潮理论解释了许多潮汐特征,如周期性，高潮位和低潮位的不等连续变化,发生在满月和新月时的大潮和小潮等.基于对引潮力的正确理解,平衡潮理论对潮汐做了很好的解释。* b5 T4 A, W) X1 [$ x7 l
2、（8分）写出下列方程组的名称并说明各项的意义.
* T- P. g+ C: m, N+ c
8 C: E! x% G% y$ b$ W" l1 x( O8 e* a. L+ l: e: C
答：这个方程组称为：描述大尺度的强迫潮波运动的基本方程% w7 a5 e! y7 V$ \
其中第一和第二个方程是水平运动方程在纬向和经向的分量方程。第三个方程是连续方程。: u, D" v6 _! Q. m$ }( e
2 z/ ^( {* h' a" @" w( a* z: Q# ]- ]6 p是
0 v2 y" T' `" T# {; ~( p* N. m: |# R0 b/ ]2 f
是) @7 R2 G- V$ L$ e' p4 R, j$ u h
5 X7 Y! W/ E2 `" a+ F {& w
是地转偏向力（科氏力）项4 o1 ]- i2 U! \' e
5 c1 v' u( O$ q5 e# W+ ?( {8 M. e0 @
是
5 O/ u. r1 I- ~2 Z" s ?
4 {" H9 u5 o" m- Y# s
- Z# K2 l) K3 D x# w+ ^是天体引潮力强迫项在纬向和经向的分量。
4 ]$ z% V3 u0 j/ B* v% @+ Y4 j/ V是散度在纬向和经向的部分
8 g: I3 a/ M. f# n! D+ a' z3、（8分）请解释潮汐动力学理论
" J R' z9 y. |/ e8 ]答：拉普拉斯于1775年提出了动力理论，他认为潮汐是在月球和太阳水平引潮力作用下的一种潮波运动，即潮汐现象是一种波动。大洋海水受到水平引潮力场的作用将发生流动，某处因水体的堆积而使海面上升，某处因水体流失而使水面下降，这样一来，便在理想的“地球”上，形成了水波，其最高处为波峰，当波峰到达时，便形成高潮；最低处为波谷，而当波谷到达时发生低潮。因为它是引潮力场所产生的，所以叫做“潮波”。对于潮波运动的作用，除引潮力外，还有地转偏向力和摩擦力。这是一种当运动发生以后才存在的力，运动一旦停止，这两个力也就消失了。因此，研究潮波在海洋中的运 F% ^% t6 m; L5 _4 P7 l1 A3 L
动，应特别考虑地转偏向力与海底的摩擦力（这在浅海更为重要），才能与实际情况相符。
& O/ ?1 v5 `/ C8 e7 K9 e$ ]$ e% b K9 B
，说
' h: K. \4 |3 `. N) A4、（8分） 在陆架自由波中Kelvin波的表达式为' _, a8 V$ ?1 a
答：表达式中是振在X为横坐标，Y为纵坐标的坐标系中，当Y 等) V' l$ V; V' c6 _& a$ Y
8 ~ d# } k0 x9 ]3 s$ G于0 时，根据欧拉公式有：
$ } g, L; L; u) [8 C2 B; x( C7 n是典型的波动表达式。因此有：$ a3 a) \, X6 }: F
: J. [9 ]/ W' b! k, i# M
面向波动传播方向，X 轴是波动的右边界。当Y为无穷 时，
" N: R8 ]# v8 { t( f$ `7 L, h
1 T6 R! [; |4 I# Z0 p/ G& C# f振幅
( Y( D0 c O7 G, u' l+ P
" [% T6 e. \, F) H7 ^5 f- S- W$ Y$ i- }; T" t=
5 d/ Y5 k* t# Z. n8 D' i3 ^$ |7 v: K. p$ i* c' l% d
是
B3 F8 H8 {' I1 V2 p0 d4 E* C- T9 ^
" ]) b" V( P: L; o( c( w5 A3 j1 [; e# R- N( T4 ]' B: y
5、（8
. H8 p# w u" q4 V$ ?( P! ^: k) ~8 x
分）利用风暴潮潮位公式 及下图7 y' {( j$ D! k$ a
说明狭长矩形浅水非等深封闭海域风暴潮特点。
7 p \8 u2 ~5 Y) t C, C6 ^答：狭长矩形浅水非等深封闭海域中: S! Q/ \; {% {" @
（1）风暴潮水位由于海底坡度的存在，风暴潮潮位的波面为曲线剖面，风暴潮潮位随x增长较快;8 @6 S" Q; Y) i( O1 m" L
（2）当阿法为0时，转化为平底情况。
# [. _& ~# g/ U% c8 G6、（8分）写出海水运动控制方程的向量形式，并解释各项物理意义。
) w6 r8 P7 i: T1 s- a% M" [答：海水运动控制方程的向量形式为：9 T2 I) ^" }' C6 ]! \
; D% |% t# K3 \
) h3 R* h# Z" O6 u, v4 G: }9 Y& m# z% K 登录/注册后可看大图
从左至右分别为：重力，压强梯度里，科氏力，摩擦力，天体引潮力。
# z+ i1 H% ~" A# p+ B) f三、概念分析解释（20分）
" d' _7 F; D$ d8 z @/ [ J g/ v) D- S* R9 m. e% I7 ~4 D: d
1、(10分）利用线性波表面位移的表达式和合9 T. [0 k$ y; d( K
; n- r8 `6 o; Z- A7 t: W1 r
# z& a, `4 K- r7 |
，推导波数守恒方程。
7 x% ~, }4 q' U
0 J( U5 \8 |" Y" k5 g答：根据线性波表面位移的表达式
. p/ S# Y! b6 `2 @ W4 N( r
* W+ E* x }: v0 C: j! E) Q得线性波表面位移位相函数为：4 }1 j. e- W$ [
那么，波数和频率分别为：
2 @- ~0 A9 W3 q N$ O5 m$ h/ g- K; b; G* w+ Q
则波数和频率满足方程：( I% B! t( j/ j* |& U" F
% S: I& r; x' x根据线性波表面位移的表达式：
0 `) b) M+ K. r3 e- j) F7 n
' d# S; _3 j, y5 I4 P) M* i; Q得线性波表面位移位相函数为：' I: n/ u( m5 i7 L' O
那么，波数和频率分别为：, \& J% {. {0 F6 P
) T2 L1 j% P7 t
则波数和频率满足方程：
( q9 V" h: f6 f5 i: M1 Z+ e5 [( G; y; g
' ?1 U! p# a' C7 x+ Y6 P% t8 I可以得成立，称为波数守恒方程。
I% X* g% o1 ?. I) G5 @% f 2、(10分）请根据图示及公式解释海洋内波导管。# E* u& H) o" p# D3 F
& E& |% U& e) l b" V H
0 E; B B$ I9 c; L
) ~! o1 Z$ {4 d! u# u- `
`: r& D. e8 }+ m. k
) x) g6 r- T* D8 i的内波有不同的传播方向。当从小N 向大N传播时，波向与x轴的交角由小变大，反之则由大变小。对 到达N=的水层时，波向=0，波动不能在此层传播，而被完全反射。在左图中，内波以这种方式沿 的带状区域传播，这个区域就称为内波导管。在该区域外，波振幅向自由海面和海底衰减。 |
; o) h& R5 R( U7 a/ T5 @
P2 l0 Q, @5 s
/ d3 h6 \ r+ O9 m, A
/ O. a$ ?: C( a. r( A% y
* Y' f- Y6 I! I0 ~# W) ]4 U
, y4 u" p7 U/ P$ m+ y3 t
; u2 t1 ^$ S& a# B# ~7 T9 v
4 ?) B+ [' ]: R
% V- Z$ {4 h. K3 R: l4 A5 m
( I/ l5 S8 v; Z. C# Y$ ~& ^
; d4 c* o. b& u4 w. x
2 T0 S5 `. x E9 B* `/ `5 a
: Y" v0 S8 v+ ~ v% ^* Z- p
# D, c" a& N+ J& {
1 y8 w+ g1 m$ F5 o/ \# ^* d7 [) L
' E2 X' R6 V+ s9 J* Y* {
, u1 S+ O# w# w( Y" O( b
) A$ L3 ]2 _# Z) Z+ P
