南京信息工程大学期末考试试卷（答案）( ^: D) f4 k0 P" }1 `! a1 C3 o% Q* {8 h
2007 － 2008 学年 第 1 学期物理海洋学 课程试卷( A 卷)7 q0 D/ o9 B9 A- |$ ~! [$ c2 ]
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
3 H, E& ~+ T8 _4 |2 @6 b0 }系 专业 年级 班 学号 姓名 得分: ^7 m( p4 l. G) _( k( k* j, \% C
一、简答题 (每小题 4 分，共32分)
- C) q% \5 k3 ^/ G& \1、平衡潮理论将实际潮波视为哪些分潮之和？9 p( U' e3 E( b7 @
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。
9 W/ I# ?% \& b6 ~1 k[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。]3 @5 v) i' I6 k# ^$ ^
2、海洋下层以什么环流为主，它主要携带的成分是什么？
! B' P. I* {) l) O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 I0 U; A" x Q- a# i; ?* j
3、请根据图说明是何种类型的潮汐，为什么。
$ [: k# W ]5 s' P- a+ p
0 Y9 K( O" L1 |0 f: @7 E8 ~. V. }4 u' D9 i" m/ z
答：左图是全日潮，右图是混合的不正规半日潮或全日潮。
; [0 Y- @7 F+ _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。
. c: z( |. W R9 ~0 c0 e4、什么是Ekman 螺线？' m. b# g, o$ m, I( P
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
' H2 i3 s, t8 D% g! T0 C& x$ i1 R3 kE kman 螺线。: ~ r5 F" ~8 D) v: e
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。
. [6 D N7 u+ y5 a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。# E- f; j5 q; g8 [4 A
5、什么是等振幅线、同潮时线？指出右图+ _- j0 Y5 ^* _
中的同潮时线和等振幅线及无旋点。
' r9 D1 W+ s4 e& j5 [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。9 |# N* p. D { ^8 a
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1 g- ?$ ]5 x8 t; v
6、解释波浪辐聚和辐散概念。2 a! W& L; o; [+ `5 c/ }& O; J/ K# n
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。
7 c! i9 g5 J4 p5 M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。
5 C7 p4 {- f- `+ S+ j1 c% C8 X# H7、简述大陆架风暴潮的三个阶段及其对应的波动名称。
$ }! p; p; e3 s" \. A答：大陆架风暴潮可分为三个阶段：/ f/ \2 E5 C0 i% Y/ J& e% S# ?
（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。
2 d" Y8 x( W' k9 ~& I* ]（2）主振阶段：海面异常水位升高，这个阶段波动称为强迫波。
7 e6 v4 p$ |! G（3）余振阶段：海面相当显著升高，这个阶段波动称为边缘波。
1 S1 l+ ]& _8 Z+ Y& ?* Z8、解释潮汐调和分析。
# o% {' o! }% h# [# S 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。
- ?! { t/ T0 ?2 p, S二、问答题(共48分)
2 n' A8 T$ Y6 `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？
9 j; M6 @5 W6 ^* `. I, R: G答：假定：
3 Q/ c/ z- o5 g+ k9 S& u/ P①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；" K" d; S2 Z! l
③忽略地转偏向力和摩擦力。
) b# r9 k/ r, t7 ~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。
& Z7 u) |$ D( }; N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。
6 l, u, D/ t: P/ t! w; Y$ I8 L, o2、（8分）写出下列方程组的名称并说明各项的意义.
6 I" e- u/ A8 r7 V
+ c/ W @3 g! q. M. S2 j
1 v/ q; w( Z' v! J1 M8 M8 T. C" G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& W4 L( @, _" R9 L& a7 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。
6 \3 f2 p/ j! q+ C( f
+ i# K. ]* [2 u是
% B! {5 _2 j+ r! N7 V
) t+ Z2 x; i, P. t9 A是
) U& o) k: s0 q/ g
' W# N- P/ H u) w" O是地转偏向力（科氏力）项
4 v3 N6 p# {" P, G
; G! q$ T% S7 ]0 g是
- E# \# d0 w1 O! S: P; v% C% m( m/ V. g3 A1 b
4 k% z% `; \6 z# V& v; l Z0 U. u是天体引潮力强迫项在纬向和经向的分量。
3 [2 S' x7 q' F是散度在纬向和经向的部分
/ X: F( s% K& c1 l4 T3、（8分）请解释潮汐动力学理论
# d4 ], t+ |: S/ |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/ T! f( _ U4 `* s1 D
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。
) C9 q v, C" s8 Y( J9 O
( E+ {# p- V3 a0 x，说
7 u0 r2 b1 b& l/ h: Z1 B4、（8分） 在陆架自由波中Kelvin波的表达式为
# R% M( K; s# }, V$ O% H4 }6 D u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
- d3 [2 F8 S/ z! @& C
% D) y- `+ k5 B+ p- M9 |于0 时，根据欧拉公式有：4 q( N- I0 k0 P4 z& z
是典型的波动表达式。因此有：
5 S! s2 \1 U" {8 _% |! N: a* l3 p5 |5 z( X6 D
面向波动传播方向，X 轴是波动的右边界。当Y为无穷 时，% }* X4 I- m: B$ Z2 s
( u* k6 _+ c" o& E2 J( a1 w; d' L( V5 P振幅 Q8 V3 L3 x9 w4 ?
; w! c# H' l, C' c: k+ m
=
9 P- Y4 j; t/ W6 J% x1 v$ u Y6 |, ~7 _) a& @6 C! k5 j
是
3 J5 W! G6 L* s# I( l- b6 L) T
2 T7 H$ u8 |0 X! W2 L
) {2 j! _9 {1 d/ ~ s4 L5、（8
2 n j' o8 m3 F
: K* \# M2 A% C+ y分）利用风暴潮潮位公式 及下图
3 c2 k: A% Y& `4 j" E u* E2 v! n) v3 ^说明狭长矩形浅水非等深封闭海域风暴潮特点。; ^3 W" `( E2 K# h$ J' z
答：狭长矩形浅水非等深封闭海域中1 N- U8 S) j% m+ U
（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;
- T6 \% t) c( K/ Q# ~! i（2）当阿法为0时，转化为平底情况。# |; \" V+ w" e2 r) Y
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。/ S5 \$ J* J: _# O0 [$ z$ L
答：海水运动控制方程的向量形式为：& O+ o% @2 J% i* ^
& B( ^- J& q1 E v I
" m5 i' F ?( S7 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。$ t7 u3 [! y+ m' S' c: ^
三、概念分析解释（20分）: |" V3 j! F9 r7 ?7 X, _
H5 ~/ D6 G& E+ f9 x
1、(10分）利用线性波表面位移的表达式和合
, f) v. K, e; U1 Q$ j
5 E' ]1 P7 L0 n/ T$ i3 n; S9 X- K* o9 f+ r
，推导波数守恒方程。& }8 P/ p) s, q* N
. q: `/ ~& K% D" C- ~答：根据线性波表面位移的表达式' s' x4 q' w+ x$ z2 f7 D
# x4 w3 k# x/ u( p4 {
得线性波表面位移位相函数为：; X) g7 Q! B: @( W0 L0 U
那么，波数和频率分别为：
5 p/ [. `, q2 ?7 _/ @
+ V6 q+ M( I: W7 ^0 u; a' W1 {+ c则波数和频率满足方程：
0 L. N: d0 L/ k
/ O- J4 q# z! ?; b( ? V/ C! r# V根据线性波表面位移的表达式：4 ?# d N, b$ |2 `4 E9 K( P
+ v: D, d9 g8 m- \+ x+ ]% p得线性波表面位移位相函数为：
! z) X, H# K* ]. n; W8 G c6 M那么，波数和频率分别为：2 p: Y$ N; U- T8 P2 ?3 t5 S0 w
3 D# J6 q0 W0 |' g+ i1 B2 {& f" K则波数和频率满足方程：
& }1 x- x$ H0 E( v' U
. R$ G3 b/ N3 w ?6 i可以得成立，称为波数守恒方程。. _% C1 l' s; \6 t% n9 b0 ?
2、(10分）请根据图示及公式解释海洋内波导管。6 N+ }* s1 `; N+ Z y7 t
0 L, H6 b. s# k2 P+ ?
9 o2 r9 G- R5 O+ P4 R& V8 \
6 ~ t2 C2 ?8 H* ?+ o e( r, ?! ~& B/ Z' Y/ S
+ ^0 i, Y2 ~2 ~- \$ o E) t9 {6 O( F
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。 |
3 O+ U* K8 q. v: f0 b& H2 \8 @
/ ] x% ~$ w: _: X
! Z/ _# d4 s+ Z" ~/ j0 N
6 O2 L! N3 l+ K: t
9 S/ T: Z5 [" R. K
9 V( N4 q p4 G2 u
0 O: U9 i3 x9 i" Q5 O
9 k4 X2 T f9 g6 t1 a) g% p" D. i
7 S3 d' b+ h7 ]/ l1 J
: C; x: z7 I7 A4 K; M5 H7 e/ m
3 l, \" C6 d4 o: ]
# f7 [% q( |* D$ M
: V# c! a: j* q! u
7 \: u4 z# v/ T( b
. \- i3 b+ L3 B/ J! i' ^- j
* a' m4 t' J; {
; Z3 | ?% l3 W$ K2 T
+ J$ T3 `9 I0 D7 |
! E5 t3 X' _# L* L
