南京信息工程大学期末考试试卷（答案）
3 w9 e) l: g9 }$ N& n- V2007 － 2008 学年 第 1 学期物理海洋学 课程试卷( A 卷)$ [ S8 j9 N! c; [ {, c
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9 W( y" p' d T. ^0 t' s
系 专业 年级 班 学号 姓名 得分+ l4 O, ?# ^8 _1 T1 T; L
一、简答题 (每小题 4 分，共32分)9 ]6 c) C3 `% u6 T/ `/ S# H
1、平衡潮理论将实际潮波视为哪些分潮之和？/ B" d5 ]5 K9 C- o
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。* Z3 i+ J# q; N t9 e& n; 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。]4 _. \$ }$ w/ d6 F" F2 o
2、海洋下层以什么环流为主，它主要携带的成分是什么？
6 n6 g5 ^: {; D' m3 w6 i5 J6 K- h8 H- @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。
; m6 ]) p7 Z, j% a+ T3、请根据图说明是何种类型的潮汐，为什么。2 c" O5 ?% H {' r5 n& a
5 Q) v' l. T% S7 y0 l5 y7 _) c2 d5 c, {6 v. 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 r. J4 b4 N& E; T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。( @) N0 g2 q. X, K" v
4、什么是Ekman 螺线？
- D8 @' Y! g0 \# a2 G9 q 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+ J' u# D. M0 `" O7 k
E kman 螺线。
' q0 J( [9 c5 |6 Y3 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。
$ [ Z. x! v' r* M7 L8 K$ Q9 \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。- z; y, m. s% h. H4 I( z P$ d
5、什么是等振幅线、同潮时线？指出右图: P$ _1 ?# `) k. g
中的同潮时线和等振幅线及无旋点。
1 u# L6 R3 X8 f4 W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。
1 k7 u ]! N" j$ E. j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
- `# r3 K' e8 v# n" B, o9 m6、解释波浪辐聚和辐散概念。
/ R( E! }/ V/ 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。
! O' B+ R8 e# F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。: T, x2 d2 c; W2 l9 e$ ]+ D1 `5 s
7、简述大陆架风暴潮的三个阶段及其对应的波动名称。3 n) O- \# |" c i% K# D& U
答：大陆架风暴潮可分为三个阶段：0 c' ]4 B/ a3 R: b
（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。
( Q- m. p' T! D: {（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 X, e5 R: x. ^' X* t" q
（3）余振阶段：海面相当显著升高，这个阶段波动称为边缘波。
& O7 W& D/ L6 ~, S% F5 X5 v8 y8、解释潮汐调和分析。
( H0 r! I! a% i0 k% R6 t/ |: A 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。: ^$ M: C- G+ V
二、问答题(共48分)/ a) X; s4 M" Y* F
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？5 h3 c& l" r# _* t9 M6 q
答：假定：
+ {% c* U! _0 Q7 `/ d①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；
# c% K# p4 L* N3 D/ \ [ E③忽略地转偏向力和摩擦力。
' m$ ^& v- |2 @& i4 Q0 K* c& B1 ^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。
/ m" C3 x5 v& Y" i# n8 b4 @2 I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。5 y8 B. V& I0 x0 l
2、（8分）写出下列方程组的名称并说明各项的意义.
* v, @) o; m! c" Y0 y; g+ q; V& F: y
( v. N1 q6 Y5 Q- T) S; d2 E2 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
4 e& c! [4 q. Y! i9 C0 M" P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。
: F+ a4 r( z1 k( w2 ~7 F1 B" i) D1 X, t8 R" T/ F
是
3 h2 g5 e0 Q$ l# |- j
4 H8 y* D! w/ E是
) ?& q/ Q1 u, I9 @, a
" B. Y8 X4 x ]& E- V5 [% }是地转偏向力（科氏力）项' n% w; L8 K& n6 h' M, `. A
2 j7 j- }+ N8 D9 x# {" Z; n2 h是: j- B& J. e; c9 r6 \; |% J, h4 i, {
8 W+ K$ y/ W! [) E! s2 I1 q$ h' T; r( `4 r& \5 X+ Y
是天体引潮力强迫项在纬向和经向的分量。( x! ^7 W" `# h- q7 R8 t: I
是散度在纬向和经向的部分
! W9 k* c! l* C3、（8分）请解释潮汐动力学理论4 W! M6 j# N+ O, ^% F
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
2 c8 P' c/ g# n/ n [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。: m. h6 j/ Y- m- N! K1 d$ K
, `3 ~7 Z/ d- c5 w# T$ W) }，说
; o+ X! B1 L5 j$ c8 U& U4、（8分） 在陆架自由波中Kelvin波的表达式为4 u2 r W4 O- ?4 ?- N
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
4 P2 P( X- B: y
& K* n. S9 _( J# y+ m- y+ B6 D- Y+ p于0 时，根据欧拉公式有：$ R9 d) F6 K; m# Z4 }5 H$ K
是典型的波动表达式。因此有：
* K- l$ k8 v P9 ^; _: j* K$ k# p: x a; m6 x
面向波动传播方向，X 轴是波动的右边界。当Y为无穷 时，
. f3 o( v# q+ p( l$ r. L1 r# l/ j4 f2 q% Q2 ?
振幅
/ M/ T2 `) Z, `7 ~- ^
) C9 V7 ?1 M6 o# h$ a= U4 U, X7 Z7 r6 e8 L" T
' b! w8 H+ H7 T: C& s是/ ^/ S6 g( p8 K
1 X8 r5 }9 l5 W8 l- ?# R- j# m5 j; Z9 ~7 ?4 f+ z% p4 `
5、（8) ~, ~% ~; I* B# M* `( z
* n0 g5 ^- K9 S分）利用风暴潮潮位公式 及下图
& K, H/ ?5 n) l0 s7 H0 [" \! A说明狭长矩形浅水非等深封闭海域风暴潮特点。
1 P" E8 b% _6 ? A9 b答：狭长矩形浅水非等深封闭海域中
7 Z: ?0 W2 e1 J) V3 b# Z（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;) L/ e* w8 T7 R) B2 R: E: Q
（2）当阿法为0时，转化为平底情况。
& ?9 N2 t) |6 H6、（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。0 g% d3 a b6 u% j$ m5 E
答：海水运动控制方程的向量形式为：$ _& l* n# M0 m" |' s
4 t/ b( o7 Z$ V) H; Q
$ ]( Z' X9 w; r8 g% W0 R2 n
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。, G4 v' b- ^ K8 J) R% x
三、概念分析解释（20分）
0 U6 }6 Y! o0 F. @+ t$ g6 R9 B6 z! y6 k3 c& l8 H
1、(10分）利用线性波表面位移的表达式和合' }4 C) f9 q. l5 |
L9 q( a; p6 d" F" X- [/ ?+ R* l9 h% C6 ^9 C
，推导波数守恒方程。
9 y; w" P9 m: u- x. @( K+ E7 Y' q# z: P3 ~1 G- [' f
答：根据线性波表面位移的表达式
+ N7 S3 ]. U5 @7 W2 K1 M" t5 b6 E
5 M0 K1 J$ H+ j6 V4 B3 i得线性波表面位移位相函数为：& T6 l8 @) U- a( l' [% E' A h
那么，波数和频率分别为：
" ]0 u2 W, m `7 |
" b E# t& ^, z& N" d/ E) e. X" E则波数和频率满足方程：
! E X K( ~ u. u: {; q0 \7 y3 o. U L7 j* j
根据线性波表面位移的表达式：9 F8 p8 G4 `# [2 U+ L
4 m. D0 G3 d8 E( U$ E# a' ^( R
得线性波表面位移位相函数为：
& h. C; O7 Z1 U' R那么，波数和频率分别为：* ^; o0 H; y8 y; q! a3 ^- X
4 B5 M. V9 m% I2 t: m
则波数和频率满足方程：; @8 T4 z# Z4 M: [, D7 }3 a/ U
$ y& P; ?2 a9 Y7 A
可以得成立，称为波数守恒方程。( f& I9 Y- [$ a
2、(10分）请根据图示及公式解释海洋内波导管。
' v j# C6 M* e1 W, ^2 P6 |* ^0 f% X' f
6 c3 o6 v4 Q/ j+ z7 S& W" d3 b
8 K8 Q& V- B9 ^+ [& k6 a" y
! H' p+ n/ h7 X
7 s* G+ F$ P. L% A3 H1 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。 |
: D7 s# L* ]0 J: O1 S8 ]; F
4 x7 j: E& J2 d, O0 ?8 d
0 B% ~7 a. Y, V) ^! D" w- {
* B' e. Y3 o0 A f& F6 h9 ^6 h# w0 G
2 e, K: B5 g1 G
" ]! G4 z" f; I" k4 S6 o# Q
4 o4 k% d: e2 t2 s7 F- m$ q
" H: E7 U; \, N
' d( m1 _% z0 D+ _; W
9 K, X, ]. b5 T& y* z- D5 f
" p5 ?, h& i: ~) W8 u' h& `$ t# z
4 c" u8 ^" y/ M9 N6 ~
8 I3 D K" O! Q: p
2 N- ?: f6 a" r% m" F" n. _* X
2 {: v. R9 S0 A/ }" y' U+ l9 a* M