南京信息工程大学期末考试试卷（答案）
% v2 @) e7 o Z* o \9 b2007 － 2008 学年 第 1 学期物理海洋学 课程试卷( A 卷)$ Y6 x6 W9 C+ A/ L7 L& p3 U
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
7 [/ ?: l1 b2 c! X2 y系 专业 年级 班 学号 姓名 得分) ~1 }* N' i5 @' m) w% K
一、简答题 (每小题 4 分，共32分)9 c# W2 E( ]# A% @# t
1、平衡潮理论将实际潮波视为哪些分潮之和？
& B9 p( x" [& |7 o2 k- Z9 d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。. g4 ^; n; O9 b: A
[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。]" c. g! e- o! `& g
2、海洋下层以什么环流为主，它主要携带的成分是什么？
. h6 N2 `( q: t1 [6 b5 R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。. y1 F& b( a- \! O5 n
3、请根据图说明是何种类型的潮汐，为什么。
" f+ M1 z/ c& W& _, ^* u: A9 t& E$ V4 T
' x4 s! o+ F, o7 I' t! D
答：左图是全日潮，右图是混合的不正规半日潮或全日潮。3 g" O1 Y' Q. K3 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。- l+ w+ C) _7 a2 Y, u' M
4、什么是Ekman 螺线？+ `' g$ [! [/ Z( q( J8 l
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
) L# Y0 h! p- V5 [9 YE kman 螺线。6 q" g- |& v3 e( S6 E* T, D
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。# k5 e8 t( e {# @# _2 k% R. |
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。
0 _1 S+ F1 ~2 u5 a3 T' R' G3 g5、什么是等振幅线、同潮时线？指出右图* D9 X6 o7 P5 [9 k
中的同潮时线和等振幅线及无旋点。
1 p8 F+ H( `* k/ F" v6 [; t, e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。 @. r( O; p" ?/ R: R% ]# {$ J5 e
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
, h! N- u7 o; e4 `; [# N6、解释波浪辐聚和辐散概念。9 t5 r) V2 Y9 x+ k) q" \2 l
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。% W+ _ _ n5 B- X! g' X M2 [
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。
$ _; H L! H" _! f7、简述大陆架风暴潮的三个阶段及其对应的波动名称。
5 h0 ?6 Z; W* n% |1 t& P3 O3 _答：大陆架风暴潮可分为三个阶段：
; c3 h8 O6 y1 @6 G: 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。
: |1 Y$ n; t& [/ r7 S（2）主振阶段：海面异常水位升高，这个阶段波动称为强迫波。
; R6 |" r+ Y- j+ | z% i（3）余振阶段：海面相当显著升高，这个阶段波动称为边缘波。
# y3 K1 O" G m( K5 H: K8、解释潮汐调和分析。
% ?4 o% ]: D9 V# h) b 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。
$ b" P% Q2 H# E$ b二、问答题(共48分). [3 O0 J+ [+ r( _, ~/ A
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？
v. N. M+ u7 h# `4 i' i答：假定：5 O/ V ~+ d O a" s( c2 b
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；
) h5 V: y- Q$ X6 c③忽略地转偏向力和摩擦力。
% W( q$ k# P' ]; H5 \% Q- ]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。2 E$ X3 C {0 W( n5 h0 i" \5 t
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$ @( e: U; S+ j/ V, ?
2、（8分）写出下列方程组的名称并说明各项的意义.5 m! s, h! O- _( x& S0 P: U
& t& U4 w" E1 ?' T& Y7 ]6 Y9 I
' N0 P5 {" q2 V/ J1 W% i& R( K: s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
* d; B. e2 M1 U2 d8 u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。% A4 R' Q/ h8 F$ T
% K+ h: d8 N( a: x# u是3 R: t- n1 D2 }
6 h# g6 Z' \- D/ M, _' x( Z
是4 U+ H$ V$ D7 V9 P
% ^4 D* n2 E+ `6 g
是地转偏向力（科氏力）项
. B* U- Y% w, w1 v
( s8 e0 }! E, Y$ D b/ n% y是
5 a! R7 D; h0 ^3 m( G7 x f1 r) D
9 `8 N1 L& y' j是天体引潮力强迫项在纬向和经向的分量。
, Y1 ^7 t0 r( Q是散度在纬向和经向的部分2 e% T$ s' q, T+ @
3、（8分）请解释潮汐动力学理论
1 E$ E% w" c1 J8 ^7 |+ z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. c8 x% R: ]$ ~: _6 x2 A
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。
T3 i+ G: |5 I9 e8 O9 J1 `! i* Q7 e' d
，说/ {6 ]5 E! R L( M! z- @
4、（8分） 在陆架自由波中Kelvin波的表达式为
+ F( ]( c6 n0 F2 {/ q6 c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
( {$ g- b8 T9 A4 |2 [! E9 |' N+ A/ E- `0 ]$ n, q$ `6 }: O0 m. u
于0 时，根据欧拉公式有：
% h' _: a% p2 ]* N2 `, L是典型的波动表达式。因此有：* \) f. ?" C7 m3 i
1 J' o' N# v( M4 {
面向波动传播方向，X 轴是波动的右边界。当Y为无穷 时，
3 C2 g2 H$ F6 Z/ b0 V1 }' J- _6 r( R
振幅" V* [2 C! e$ b7 m
: i$ p, {$ t9 `; L" F/ q; l
=
2 h* u/ \3 s( t7 k" k# x) \
4 R, n% j- _' F是) j y: b! M# v/ M
, K2 `7 W: w$ D M% O
- r8 W# `' y4 B$ c1 G5、（82 X$ W; T# z7 f* E6 H7 ?& ?
. i' U' [8 i- }* @& m
分）利用风暴潮潮位公式 及下图
' E- G% S }+ z s0 a& d( }8 m4 j说明狭长矩形浅水非等深封闭海域风暴潮特点。
( Y9 H/ C* A+ o' @答：狭长矩形浅水非等深封闭海域中
! i1 z$ I4 }, P& y; Y3 b6 A+ n7 X9 ^（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;3 O( H! d V" o" B- |! V+ k
（2）当阿法为0时，转化为平底情况。
: I. ^+ z/ _" u4 R2 Z* h% S6、（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。, o7 i2 x8 i) f' Z" M$ {3 }
答：海水运动控制方程的向量形式为：
) E# {6 O; S1 x- c $ j& X% _" k5 l' n8 K" J. l
2 ^8 _# M/ l1 ~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。5 f# L2 e/ I( o- k- S- V9 L
三、概念分析解释（20分）9 h# c. y2 B# ?" J, r
% c% W/ E8 W* e6 t I& _! {
1、(10分）利用线性波表面位移的表达式和合; ~; H" }6 C) H/ Y( H
1 k) x& \) |2 g
( F! a: B8 s$ ~" p
，推导波数守恒方程。
( B @: O9 R% U* ~# H; q) e! L6 N3 _# I
答：根据线性波表面位移的表达式
/ l3 Z& B# G. ^$ @( r
; e F6 k4 F# a- f6 q; F2 _( W得线性波表面位移位相函数为：
M1 y2 B* ^8 L$ n那么，波数和频率分别为：
/ q; O$ a6 A. T a, a+ n; q$ F; t
3 r0 h W. b% I1 S3 S7 v3 a+ R则波数和频率满足方程：6 u9 k' [5 v4 Q, o7 j" t9 f- G
/ S' j! l& G: I$ q: L) t! J根据线性波表面位移的表达式：
2 I2 t6 W9 X2 E! L
: v9 A! \7 Q6 x得线性波表面位移位相函数为：
9 c& O& m% D' n2 H- h/ P8 |那么，波数和频率分别为：
+ y0 M( G, V1 w( [' T- k4 ]% @
+ Q! D; d: C8 v* J( H则波数和频率满足方程：$ r4 {% Y2 r1 v) ^/ i% k/ W* ?
/ _& r# f/ f W* ~2 ?: y* D/ y
可以得成立，称为波数守恒方程。3 o. n5 V0 E) c
2、(10分）请根据图示及公式解释海洋内波导管。! T6 @: Y2 V8 I' q$ t
3 I1 I0 s M' n% x0 W J. v. x3 u ^5 q) u7 g' K, s7 V
! d0 D G F9 r7 ^6 h5 i
( i2 K. ^% J$ ^
; b4 [9 J9 _, F' V' }) K' N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。 |
& j1 R% z. |: a; ]; C; R+ h. e
2 V; K' ]7 O0 C7 d( i$ t+ M% ]7 M
" e; A# ?% o% k$ c* H: J
- Z* h7 b( @6 _6 y
* o3 y9 d: M# e. U
- `$ P0 y* ? s; B7 g7 b; E
! K0 V# t4 O3 Q% p
& y. d$ T5 m% W. r6 ]
; O( |* _: V8 g/ m
3 P% E) K3 _% i" P; q5 e5 F( ^
# L% t; P9 m0 b5 F' V
* F% s8 R5 ]& ^5 U* k4 |6 O
5 V7 L% _ v; {6 z- F
: P% o% x) g9 d9 d
( p, Y1 e+ M6 e' ~. p4 E
% t# B* P: I; ]+ Z0 E1 V
) u/ }: T9 D+ v9 Z( k
