南京信息工程大学期末考试试卷（答案）# T: j2 o4 ?9 Q( j3 B& a/ m# f, H
2007 － 2008 学年 第 1 学期物理海洋学 课程试卷( A 卷)
8 M A' a, @6 s. Z9 Z* k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
6 X3 F! o @% w- a7 ]系 专业 年级 班 学号 姓名 得分
l5 N c1 W0 a) y! L: ~% K! F% @一、简答题 (每小题 4 分，共32分)9 w* `8 d( } ?7 A
1、平衡潮理论将实际潮波视为哪些分潮之和？3 Z) Z* {2 _9 E7 C& T
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。) p* a" _# |" l% Q0 h" d
[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。]6 P2 J- W9 I1 T$ U. H
2、海洋下层以什么环流为主，它主要携带的成分是什么？( R3 O! ~3 L4 u# X1 A
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。
2 X! a. \! Z! `" f8 P e- g3、请根据图说明是何种类型的潮汐，为什么。) Q+ s2 }2 J3 k z* K! `% ]
, I* C- k. j( e9 Q, A
) r( j" r) r. C5 A, E! l答：左图是全日潮，右图是混合的不正规半日潮或全日潮。
, N, B5 D: d: l2 f2 s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。
' s+ d" Q: D1 c1 X" y- g4 |" O4、什么是Ekman 螺线？
. o( O8 j3 u& \; n5 p' c 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
0 H. k! _; n; L- l. dE kman 螺线。: \$ ~$ u: }6 ^8 \, s6 R
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。
M% f* L( g% C+ I- g) Y9 c2 H, 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。5 k' q1 C; s4 y
5、什么是等振幅线、同潮时线？指出右图2 @0 J: @3 X% c5 f
中的同潮时线和等振幅线及无旋点。
) d9 B% _! ?) |7 `! T4 I9 h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。
! w/ _. E, p# ^3 z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
, O' M. A$ ]6 @6、解释波浪辐聚和辐散概念。
& v8 Q+ j0 P+ u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。
* i% c3 C& Q3 y' t# }6 g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。
" {" R2 x( P& @4 }+ M7、简述大陆架风暴潮的三个阶段及其对应的波动名称。' l! W* R: |2 N3 e* p
答：大陆架风暴潮可分为三个阶段：* b* {9 i$ T/ G% N+ o0 M8 T
（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 y0 b& m/ ?- D M（2）主振阶段：海面异常水位升高，这个阶段波动称为强迫波。
+ b& S! M, {" R) ] _3 [（3）余振阶段：海面相当显著升高，这个阶段波动称为边缘波。: s9 c$ c( u8 m6 R
8、解释潮汐调和分析。 I' [1 M+ f& d; v9 V' q
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。
# J8 y& L& u; B5 S$ @- }4 Z6 F二、问答题(共48分)# I6 ?0 m2 l+ k% g0 N
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？; r2 `% c7 z5 J! ]( j
答：假定：/ o" Z8 ?$ ] A% a( z
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；
2 l* V3 J5 @ C. w③忽略地转偏向力和摩擦力。
7 e! e: ~8 |6 S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。
8 R- a0 @6 W$ Q7 ?3 M, c3 g4 j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。
# Q o Z% d9 ]" B! l7 S2、（8分）写出下列方程组的名称并说明各项的意义.( J% R: |6 Q- T1 d$ H8 q+ R6 ]: T
/ h0 a: z1 j$ {' Q
" r% y6 _# M5 X4 x3 q! _) ] u
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
* b1 o7 a) }6 ]1 D/ c6 A; B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。! W3 Z5 e" S: u: j, |; `7 ], r4 k
& z+ p7 ^# ]8 w6 S* G. i是
: Q8 S% }4 [% b
9 H" f. o8 C i0 `5 }" D是
/ z6 Y, ]( z1 y: [
; v/ w: @ F0 P, T9 S: M7 [是地转偏向力（科氏力）项0 A) H# J5 h% B* K: r* w( R
& ^& P/ Y# i7 t2 w7 }/ N- ?( U
是# S; `. k& x/ W0 S' s, P
 8 L; r+ u+ E8 ~- H" n- a, U! b; v! z7 L
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8 Z' T3 G( j+ V
0 {& X: F t" H: b) s9 y0 e是天体引潮力强迫项在纬向和经向的分量。' o6 `8 n2 t# o8 s& B7 V3 Y* u$ e
是散度在纬向和经向的部分- E' {: Z& ?2 T$ a/ j
3、（8分）请解释潮汐动力学理论- b& l4 k. q: ?2 O
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
& l" h2 |5 O7 @. @" V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。' v7 c$ U2 ?. U6 g; A2 X
$ E1 W! M6 x9 i2 C) \" F. ~，说# R3 R2 y0 L& G
4、（8分） 在陆架自由波中Kelvin波的表达式为8 S$ b& Q6 Y- F2 Y
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7 ^& D; B) t8 L! a# `, d
: ~; [9 y: V9 Q$ X于0 时，根据欧拉公式有：# M3 s) o' S& G+ f, O9 H8 r
是典型的波动表达式。因此有：% k/ p2 {9 }. ]0 w7 S+ X9 m0 v
5 {" V+ \% ?8 ] 面向波动传播方向，X 轴是波动的右边界。当Y为无穷 时，" V( X! q- b! B: ]
7 y8 a' T' f/ H) H. r
振幅7 p/ F) d% ` Y1 V, o3 F
: ~' H0 A9 W$ Q i/ B/ S=
3 s9 m2 o! \! i/ W6 ^
: @8 z- W9 u6 A0 t% V8 t+ C _是. w' C% r: G# n8 Z* ?# c0 Q7 h, a% `: W$ R
( C. a0 A3 K' |; C$ c2 N
$ X- M, y8 d4 j# u# i
5、（8+ G/ Q2 y! `) c6 [$ E" ~' P. X" v
# \- A6 v* k& P. U x9 {4 E' J分）利用风暴潮潮位公式 及下图$ W; l8 }- k4 Q' E E; }! k2 ~
说明狭长矩形浅水非等深封闭海域风暴潮特点。9 c) E, i7 }4 a4 s J. g- V
答：狭长矩形浅水非等深封闭海域中
1 ?' m! f: h- x0 q8 K（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;
; e( H' j2 z' t! t6 N+ p2 B f- n, r（2）当阿法为0时，转化为平底情况。
4 c; E% F! {" ^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。
) a# H: O4 K9 {+ R; c答：海水运动控制方程的向量形式为：9 s/ K* u9 X8 \: M2 i3 L( H9 T
9 o; p/ e% v$ s1 L
* L) {" |6 `9 X. I/ d0 w9 j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。
" s; {7 K6 K. z/ P三、概念分析解释（20分）
8 l5 X( c& O% M& ]" j1 `, t+ T; r w' P, s; |
1、(10分）利用线性波表面位移的表达式和合( T2 ^3 _. k' y; {! }! a+ ]
' H) [: X ?# s) m) F
$ P% Y# G. b8 x( x，推导波数守恒方程。
: Q9 k1 @4 y0 ~3 t- `/ g0 v( y: T/ g$ j; L& v
答：根据线性波表面位移的表达式0 M& \: K& O/ n) U2 a K; d! s
2 _1 @1 P" ^. g- W* ]8 w得线性波表面位移位相函数为：) v Z: A, T% T/ B
那么，波数和频率分别为：* [8 S' C3 [3 S |1 t9 H: a
5 u1 s X$ z3 V" j( y则波数和频率满足方程：* {: x# _* ~2 U: G9 E0 T
# X S5 O4 Y8 p6 u4 X: ?
根据线性波表面位移的表达式：( K. r% q5 H3 S0 ^9 Q9 Q5 h8 K
# o& `1 i. L. \% G得线性波表面位移位相函数为：
8 b+ t, R. F& H, D那么，波数和频率分别为：" L4 \3 Q/ E& ~% L9 [) ]7 a
: c) X$ D5 n8 k4 Q: Z则波数和频率满足方程：! L0 W% V( W2 q/ w
* M# z; u( C/ G9 S可以得成立，称为波数守恒方程。
+ w+ U3 r# ?* J" K 2、(10分）请根据图示及公式解释海洋内波导管。
% {" A- }; _: e5 a& \* \
. j3 Y+ ?: B" h% G
+ P/ b, } A: t" y$ J* L( s$ q& o+ T) [5 p
% ^( O* _3 ^6 f, h6 p7 O# g8 o+ d
3 j+ u) F& \0 @4 w+ h: ^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。 |
( X3 D0 @3 d! G. J3 J% G
d% a+ F+ Z8 ]
. k( t7 A$ \+ J' r0 c6 [2 U
" u! n' \$ }. |7 h- K0 w
, N& ]! j: x+ g0 D- d Y
) l" r( @/ d. B# G% k8 Z! V. R: C
. H0 I9 q! I! r, l" W
: L L% x) e9 {
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5 H+ c" w, O) Z. z1 a( X/ }2 R7 \
% g# W# W6 x. c+ }' K9 m+ L$ z# H
5 N2 K2 N; q5 F( h
0 m0 y" ?5 `, [& c8 H. g7 s
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+ Q3 T {+ t! H4 O6 g) l5 r! e
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9 Z0 P( K* l# H" L
8 _7 L6 q; ~* e
$ J5 D. R. d0 d* b* q3 P9 r
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