南京信息工程大学期末考试试卷（答案）% z; E: L* v7 i5 \5 T! n/ J
2007 － 2008 学年 第 1 学期物理海洋学 课程试卷( A 卷)% n; _' H3 X* s8 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$ F3 ?! Y/ e5 t
系 专业 年级 班 学号 姓名 得分
$ K4 B4 A( [0 R一、简答题 (每小题 4 分，共32分)
. i+ N1 K% H$ W: v1、平衡潮理论将实际潮波视为哪些分潮之和？0 J# t$ D$ K, U, x9 K3 n# S
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 s) ?& `* E; V& u4 x$ G" n5 W[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。]9 V( X6 m( I, k) e7 [
2、海洋下层以什么环流为主，它主要携带的成分是什么？. f1 ~+ R2 w9 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。. G! }& ], M+ T9 R% K
3、请根据图说明是何种类型的潮汐，为什么。
. ~7 M+ s$ ^2 I+ I; [6 P
0 P" m+ P% `+ C0 m8 X. ~0 t& Z, d, J/ n& Y+ R6 P
答：左图是全日潮，右图是混合的不正规半日潮或全日潮。
; B0 H# J4 u! F v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。1 W% N$ M9 z+ z8 t' Q( H* M3 n
4、什么是Ekman 螺线？5 y+ W, w( P7 z! w8 \
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' } c+ R9 D5 t1 D: p
E kman 螺线。
9 G+ [- W& h0 n' [4 D$ @: s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。- j) D; ~0 ?2 x: i% q# u
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 \6 L9 u& x7 Y4 F2 D I5、什么是等振幅线、同潮时线？指出右图
; A( _+ u$ m9 P5 h% W: |9 u中的同潮时线和等振幅线及无旋点。- s5 [& q C3 d7 S
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。. m" J4 n+ m0 B$ F+ \
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5 G4 m; l4 A& D6 u/ b- l% |9 t
6、解释波浪辐聚和辐散概念。
2 O! y) }7 \2 }# z1 K4 c! o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。- x$ s" [; p q0 ~% J& K- w% p
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。
9 C& k: d' k2 I/ d4 B7、简述大陆架风暴潮的三个阶段及其对应的波动名称。: c! }% j7 d: s2 c$ T I
答：大陆架风暴潮可分为三个阶段：
/ N( E3 V' q7 x/ l, g, p; {（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。
/ L2 @" |5 ^% D7 u" p（2）主振阶段：海面异常水位升高，这个阶段波动称为强迫波。
5 M/ S, k7 K4 h" j( S（3）余振阶段：海面相当显著升高，这个阶段波动称为边缘波。
# l- T& |5 ~5 i: T3 [0 t4 L" q8、解释潮汐调和分析。
% Y+ h, x6 `( E! \ 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。
$ U7 G6 t: V6 \- [4 a二、问答题(共48分)5 p9 F' I$ @) _
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？
! o' ?. K/ @& q- d' \$ `0 R% Q答：假定：" T/ B$ ?/ C {: ~5 e5 ]" ~
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；/ F& n7 V" o: }- V* G s
③忽略地转偏向力和摩擦力。
+ X0 f _) [ P: z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。
1 ]. G r$ T2 b/ n5 Z: 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。7 t: d0 C N6 D% a: z
2、（8分）写出下列方程组的名称并说明各项的意义.) E% _- q- K4 V8 H
5 Y2 T* C# T# h x) l* `3 w& l- Q7 N
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
) v$ p) O |8 e$ n& m6 R' S$ Z1 ]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。2 ^" G% o: y2 Y8 H
8 t9 m' M" k& R8 k, C G
是
# j( ~ X+ A+ U2 U7 Q5 W1 D
7 G! Z( |5 t8 |是
' \# k! U4 F9 v
% k! m) o% g" g, v$ R0 S是地转偏向力（科氏力）项
* f( `; | ]1 M+ O$ i0 l. P. A
4 \ V+ }- c+ }$ J. D, y# g, z是4 w, `* U! r( M
) v3 P8 U9 d9 X) J; k5 t6 ~4 p7 }, l& G' b3 m% [2 D9 M$ }
是天体引潮力强迫项在纬向和经向的分量。) {9 |' k6 x2 V
是散度在纬向和经向的部分2 L8 \+ R0 C( f3 m2 r2 s! ]" j
3、（8分）请解释潮汐动力学理论
f8 W0 J9 x& a* n; S' T8 {4 Y% |4 ?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, Y7 W1 {. H+ y0 Q0 | 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。# {! y J: T8 j a V2 c
" b4 ^, U7 @1 k8 @，说- g1 v$ F. N; `7 G8 T3 q; q
4、（8分） 在陆架自由波中Kelvin波的表达式为
% m1 V% U& X3 q E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3 Y( s+ `" x2 S9 @* [4 p
' z5 T& [5 Z5 \5 q# ?% Y1 H于0 时，根据欧拉公式有：
/ } c8 w9 d B7 c是典型的波动表达式。因此有：
6 v( h: a4 l( @) o0 J
7 E; m5 B2 B8 ^) a, l8 i0 y 面向波动传播方向，X 轴是波动的右边界。当Y为无穷 时，
) K: Y/ D1 \& |+ R: D- E0 s9 g( n% W
振幅 t& D% p5 _. S$ a
7 r8 [% h) j; J' e7 W1 k=
4 j: D- M% e& s/ x8 i- G7 n* T1 m8 n& S( X( C
是 f# {1 p2 r- f. J, e; Z; h( h4 @3 h
1 m4 x3 A# A2 P, r( Y2 m5 z; |
% p5 Z( t1 F8 F5 U; A5、（82 \* `9 b. ^% |& X* f
" D% L X- S) n7 Q" K9 x
分）利用风暴潮潮位公式 及下图
* S0 E8 O) n! z$ d5 v- L4 a9 o说明狭长矩形浅水非等深封闭海域风暴潮特点。3 z/ w8 ]8 f+ c* O
答：狭长矩形浅水非等深封闭海域中/ n* x5 ^. U8 G3 Q7 N" t
（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;
, C; \1 Z- u6 e% M3 U' M {（2）当阿法为0时，转化为平底情况。6 {9 D9 q$ G/ D+ m1 n& \+ x
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。
! B( P9 z$ t4 P/ W答：海水运动控制方程的向量形式为：- |8 J- P$ Q$ d& i& @ q
' @" Y" N" P# t+ `( i( v/ V
% l5 ^, v4 ]7 f. k, H' L& ^; D
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。
9 \) x) f/ R- V三、概念分析解释（20分）+ R! y; X" l# A8 \: A5 _ I5 @
' P3 n% n( e: D# H
1、(10分）利用线性波表面位移的表达式和合
; E2 e) x+ l5 w9 _. `
% t% q5 g# \5 Z4 I' z8 x* R5 q" D/ l- M) `$ o4 v
，推导波数守恒方程。" E9 ]4 B" n4 A( o4 e
& {; r: `" {$ \8 N0 p
答：根据线性波表面位移的表达式9 m+ [: X. D& q' D3 Y7 E3 {
8 d1 x+ ?4 ?. v: p得线性波表面位移位相函数为：& _- y) }" P$ A/ Q4 F) w
那么，波数和频率分别为：
1 e6 Q) d0 _" D$ S6 y7 O- W0 v# }# Z' D, y" g: q! T
则波数和频率满足方程：& k- W" q2 {4 y& [1 P5 R" P& W) \
6 U0 u5 q. b0 O/ {, ?
根据线性波表面位移的表达式：- T1 @+ I, n4 O9 X0 `' ~4 Z6 ~
+ m9 u, L+ I q2 U$ N( O" A% `9 W: a, O
得线性波表面位移位相函数为：
$ p* n% _4 O+ s) K那么，波数和频率分别为：
3 m; w1 E9 T5 U' `5 Y/ c5 u" Y, p/ i
& @! A1 }3 d9 b. ], e" {* ^则波数和频率满足方程：
& i. _, B2 w1 d# }9 O o" V
3 V$ E" b% V# L6 @, F可以得成立，称为波数守恒方程。
/ ]! P- [3 V- T' s( e 2、(10分）请根据图示及公式解释海洋内波导管。" k( [7 G0 x \
$ i0 W9 F( @! ^
, V/ }$ h; F1 f* e9 n, X
6 K: p7 ]' H; v, u; | `8 n# {+ d" N2 f
) \4 t% T9 H6 ~( R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。 |
7 A% |, L! e, [7 J
: F2 L/ K% g1 ? E) z+ ^9 \' |: O/ s
/ p! n' Z, t- p2 B. a' N
1 A3 G) b8 K: J0 }* r) Z2 p
/ t+ y+ G0 \8 h/ ^
; \/ w4 z! D% I& H, i
" k4 R, f' ~# S( ?4 h
, _3 t- o1 \. I# ^
$ m# Z0 T% S1 K" o, \
! _! X& Q6 E: i3 p/ S' D* D
! u6 R' e6 K+ n9 u: x& [
! O* V5 v, w6 c- r
h" V) E! x( ~2 D: I# K" k
6 K% {) l) J$ K" {
& ?9 x+ m k* |
' O' S3 J5 [8 ^$ x
