南京信息工程大学期末考试试卷（答案）
6 x. {1 k; p1 d `4 w3 K2007 － 2008 学年 第 1 学期物理海洋学 课程试卷( A 卷)% u; l8 ] Z J+ `, J2 v
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, P" A0 P. Q! Q& Q! O' |! [
系 专业 年级 班 学号 姓名 得分
$ z7 N h7 R# \一、简答题 (每小题 4 分，共32分)
9 _. u1 q3 u# U6 b. l1、平衡潮理论将实际潮波视为哪些分潮之和？
! j, ^* A$ K& `/ U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。2 S/ I! F: R4 T
[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。] ?$ V& R+ a/ I1 \+ a
2、海洋下层以什么环流为主，它主要携带的成分是什么？, ~& X* L6 O# l$ r, ~" b) 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。; Z) M3 d5 D# |0 ]* T0 @
3、请根据图说明是何种类型的潮汐，为什么。! Y* _/ L, j6 b5 D( ?) W! ]
! Q0 X ~* P: V2 P- p! \2 i3 S, `; Z
: n; i7 g- q8 `0 K* |
答：左图是全日潮，右图是混合的不正规半日潮或全日潮。* V* R. o# R8 O- G. I; b' }
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。
7 c/ R7 b' M+ l0 Q% L" }+ E4、什么是Ekman 螺线？' I6 \" Z- }. D5 z+ Y( O. @8 j
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
# k1 w8 S4 K- L& ~+ ?7 \E kman 螺线。
7 g2 J6 r9 n. y% i8 P+ q, @( a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。
( d; K( [7 M( [* z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 Y3 b1 t. _; v: I# z5、什么是等振幅线、同潮时线？指出右图
# _8 O2 ~& ]) A! ^- x中的同潮时线和等振幅线及无旋点。
* H4 y: ~. d4 w9 ~4 |% \2 Y8 L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。
. ^! @! K1 Y$ Q1 s" S) |, `+ d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) q' B! l0 v& j5 b; `
6、解释波浪辐聚和辐散概念。
7 v# w& D5 ?$ s8 @( 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。
9 R( C' G* N* X# ^" T8 _ Q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。
/ x; C( L; K- T7、简述大陆架风暴潮的三个阶段及其对应的波动名称。
7 ~6 I! @6 G+ U( p答：大陆架风暴潮可分为三个阶段：
1 Y' y; ?* I! \1 L) _* P& 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。( z) \' \* l# u; W5 f6 J- Y
（2）主振阶段：海面异常水位升高，这个阶段波动称为强迫波。
Q, h% W t' p（3）余振阶段：海面相当显著升高，这个阶段波动称为边缘波。+ ]; I6 S6 N" S/ @% H3 H& _3 R% S
8、解释潮汐调和分析。
( K/ W- O( B" z9 z5 g1 n 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。
4 U' _2 d6 `" e$ S7 c1 Y二、问答题(共48分)& ~/ S& v9 k/ r; O2 R+ H; A8 d2 u' \
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？
. @* @% `, e( h答：假定：
7 U9 L) I5 S! r6 ^5 J①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；/ @+ Y! x" Z; c- D# b+ C
③忽略地转偏向力和摩擦力。
9 Y, D# S. k# D2 f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。
9 w1 M0 @3 Z( [( Z/ `( E, U* m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。3 j/ |0 |* I8 t: `3 C
2、（8分）写出下列方程组的名称并说明各项的意义.: z4 q5 Y, A/ t: }: t
) O5 {0 W& F( R" X8 e
1 N$ i7 O3 h R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
I) z$ {6 H) |; d: D; K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。1 }$ w+ B8 K% d! [0 h5 @; Z
# y8 ~! `; t* \4 m; w3 P3 ~
是6 C- L+ l2 o" o5 C! L% X: ~
~/ C8 ?! [8 B2 U O7 _6 o# Z
是5 J' l0 i+ M+ }$ ?: `
. z" D- E2 ^. \9 |, z) X0 K
是地转偏向力（科氏力）项; I+ K- B* Q" s" q
3 a' H7 W6 m6 D; c6 V# V$ _( f. t
是
- D) v! H6 D+ F6 w4 R1 Q1 u5 N' U2 `' H4 k. K4 `$ r( k
7 P4 o6 R' o0 f' ?
是天体引潮力强迫项在纬向和经向的分量。
3 k8 q3 R$ ^4 \' }* G是散度在纬向和经向的部分4 D/ [/ e; m/ j; ^. c1 O% G5 @
3、（8分）请解释潮汐动力学理论6 g9 H- a" o; L
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, o/ b) J" j& A: w$ J$ g
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。3 _: x+ }+ d* ]& G" E; E9 m! O% v' {
7 F6 B$ ^% I7 V7 y! Q* B
，说/ |% L7 J) d1 F2 L! E9 {
4、（8分） 在陆架自由波中Kelvin波的表达式为9 S0 M7 c9 b& F
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: Z2 J/ }! ^! p1 O
1 M0 b( j, g! [! J' u3 r于0 时，根据欧拉公式有：. P" B2 B3 z* P2 `! |# m
是典型的波动表达式。因此有：
! ], g1 i5 B" T1 |* W" \4 K( N# {* m0 {( T
面向波动传播方向，X 轴是波动的右边界。当Y为无穷 时，
+ ~! n; K7 }6 x! t
3 E6 h, L3 \( _ }: I% h$ t振幅5 q7 ? ~) P% [
: {: p% H8 U& x3 V
=8 W+ N, @: N. g' {
# { Z0 |8 E. q3 J% f
是9 g) J7 \/ k B/ s! ^5 O
( U9 R( `: C1 h3 p; q7 T! y( _
& J+ h# Y+ {0 m+ i# K5、（8
' }) a& M* d1 K" y% a) u1 d! p8 P
分）利用风暴潮潮位公式 及下图
! n; M+ U/ b& `: A3 C) I说明狭长矩形浅水非等深封闭海域风暴潮特点。- ^$ k$ p/ O* ?. y+ D3 y$ z
答：狭长矩形浅水非等深封闭海域中; h6 i+ H& T P2 }$ g
（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;
5 U$ I: w" u( T5 t6 ^1 d（2）当阿法为0时，转化为平底情况。) G4 P, f' R. x# r
6、（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。
2 Y" S6 \$ P5 f4 I! O4 ]答：海水运动控制方程的向量形式为：
- i; @ h) p6 l9 ~3 r
4 a. U7 W" ~# [" T5 X& X2 C W' O3 l/ N* H0 e8 }5 w
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。
- P4 O! F" i, e三、概念分析解释（20分）
8 b1 @. N" S) k8 t; ~, E2 D) e
( |9 n4 Z, v0 y. Y& ]3 a1、(10分）利用线性波表面位移的表达式和合
1 H, s- U6 p6 o+ g" d4 L" H. {* v
7 B0 [, Z* A9 T3 h1 L) \+ N
3 a& W: y ^3 S，推导波数守恒方程。2 F- r% P' x, y- J
3 k8 a- Q2 H' [答：根据线性波表面位移的表达式
, ^9 C5 ^- K6 P F
+ T' a/ L* t+ @0 p3 _+ j1 n% S得线性波表面位移位相函数为：
" p# R) t, M$ y9 S那么，波数和频率分别为：# z1 O; l' I9 ~/ R5 J/ U& x
2 L' m' n- t% R1 k4 Q7 b$ x
则波数和频率满足方程：" r) m5 c6 L6 Z. F% D2 o$ ?, Y
7 i( s7 h3 U8 }0 m根据线性波表面位移的表达式：
$ \: k" S( S& P- x1 ?9 w. o! i" d" a. B# p4 M/ p6 s7 x
得线性波表面位移位相函数为：
6 X, ?* `( ^2 y2 D9 L7 K+ Q那么，波数和频率分别为：
2 q5 d, X. @4 I; p N& ?( K; Q
% f. a9 o0 K! ^- Y则波数和频率满足方程：
* l" Y H! H4 }& V; C" |# o& z
/ P2 w9 m7 M: Q1 N3 a# p可以得成立，称为波数守恒方程。
0 u5 G! u8 C/ A& X( l8 e/ K$ q 2、(10分）请根据图示及公式解释海洋内波导管。
: T8 H- U& c9 F) ^6 P% y- U
* \4 H2 i# q3 k$ g' j7 [# E
0 O) b' U+ l# ?1 [1 i! e/ A U. S7 g4 ^1 B" P
0 g/ u" W. ?1 l( z8 P. A. L) s# J! w
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。 |
) M6 s# ?9 ?# Q' [
. M: h* V: [9 `4 P1 x. q
7 G p( r# s' [$ u5 U' h
2 }" @) a7 O3 t% Y2 f! ?! m
$ T) A/ W, U, B" U9 A" t, i
6 u$ I2 T! W& u
/ ^7 \* @' m9 m1 G6 y4 L2 c$ D
8 N* g* _3 b! j- r; l, i
% L Y! D6 v. C) p
% G! g( a! G) a8 Y
7 }, H/ I$ u" ?7 e1 `6 ^
) k1 y3 W1 P, I8 [ b7 p
: g9 @; l* Q( E- D2 \
6 A) O9 A* _$ p5 Q/ d