第四章 海水的運動

海水的運動MotionofOceanWaters大海永遠不是寧靜的……TheOceaninMotionWindsgeneratesurfacecurrents風Densitydifferencescreatedeep-oceancirculations密度差異TheSunandMoonproducetides引力Wavescarrystormenergytolandandactaserosionagents海水運動有3種基本形式；即波浪、潮汐和海流，這也是海洋環(huán)境的基本要素，海水在不息地運動中，蘊藏著豐富的無污染再生海洋能源。

一、波浪（

Waves）

海浪有顯著的運動形態(tài)，是人們最熟知的海水運動形式。在風和其他動力因素作用下，海面水體作周期性的起伏運動，稱為波浪（Wave）。一般為諧振運動，即作正弦曲線或余弦曲線運動，波浪運動的實質(zhì)是海水表面以波動的形式在傳播，水體并不隨波向前運動，波浪中的每一水質(zhì)點在作圓周運動。波浪波動的基本特點是：在外力的作用下，水質(zhì)點離開其平衡位置作周期性或準周期性的運動。由于流體的連續(xù)性，必然帶動起鄰近質(zhì)點，導致其運動狀態(tài)在空間的傳播，因此運動隨時間與空間的周期性變化為波動的主要特征。雖然海洋中的波動并不是真正的周期性變化，但我們可以將實際的海洋波動視為簡單波動（正弦波）或簡單波動的疊加。在風和其他動力因素作用下，海面水體作周期性的起伏運動，稱為波浪（Wave）質(zhì)點運動1.波浪的要素（ElementofWave）

一個完整的波浪由以下要素組成：

波峰（Crest）：一個波浪的最高點。

波谷（Trough）：一個波浪的最低點。

波高（Height）：波峰至波谷的高度。

波長（Length）：相鄰兩個波峰或波谷的距離。

周期（Period）：相鄰兩個波峰或波谷通過波浪行進路上一點所需要的時間。

波速（Velocity）：波長與周期的商。設波長為L，周期為T，則波速V=L／T

波幅（Amolitude）：波高的二分之一。

尖銳度（Steepness）：波高（H）與波長之比（L）S＝H／L

角頻率（ω）：ω＝2π／TBasicPartsofaWavewavebase=1/2wavelengthwavelengthcresttrough波基面2.波浪的分類（ClassificationofWave）

（1）按照波浪形成的動力，可把波浪分為以下幾大類：

1）風浪（WindWave）：風作用于海面產(chǎn)生風壓，海面海水在風壓推動下，形成的波浪稱為風浪。小風浪（RipplesorCapillaryWaves）形成后，靠海水的表面張力能使海面水分子復平，便稱表面張力波。若風浪較大，海面水分子不能靠表面張力復平，而要靠重力作用復平的波，稱為重力波（gravitywaves）。

2）地震波（SeismicWave）：由地震特別是海底地震產(chǎn)生的海面波浪稱為地震波。它一般波能高，波浪規(guī)模大，對沿岸工程建筑物具有很大的破壞作用，又稱海嘯。

3）潮波（TidalWave）：由潮汐作用形成的海洋表面的波動，它的主要特點是周期長，一般最小為12h，最大不超過24h。在大浪頂面風成的波紋Wind-generatedcapillarywavesattopoflargerwaves海上風成的重力波Wind-generatedgravitywavesatsea

4）涌浪（Swell）屬長波，風浪離開起浪區(qū)，或起浪區(qū)風已平息，受低氣壓影響，原風浪向四周傳播，可達很遠。

5）內(nèi)浪（InternalWave）兩個不同密度水團的界面上的波浪。通常在海面上難直接觀測到，每有船只經(jīng)過，船會受其影響，甚至不能前進。海水運動形成的內(nèi)浪InternalwavesformingasseawatermovesthroughtheStraitofGibraltarintotheMediterraneanSea風浪地震波涌浪破浪

（2）按照波浪斷面的幾何形態(tài)，可將波浪分為兩類：

l）正弦波（SineWave）波形曲線近似正弦曲線。

2）擺線波（TrochoidalWave）波形曲線近似擺線的波。

（3）按照波長與水深的關(guān)系可分以下兩種：

1）深水波（DeepWaterWave）當水深大于波長的二分之一時（d＞1/2λ），此波浪稱為深水波。

2）淺水波（ShallowWaterWave）當水深小于波長的二分之一時（d＜1/2λ），稱為淺水波，這類波要影響到海底。

3.波浪的折射、繞射和反射

（Refraction，ReflectionandCircumambulate）

當波浪和涌浪進入淺水區(qū)，形成淺水波，不僅波浪的波高、波長要發(fā)生變化，而且要發(fā)生折射、繞射和反射。當波浪向近岸傳播時向岸淺水波隨著水深減小，速度越來越慢，波浪的傳播方向完全與岸線垂直。這便是波浪的折射（Refraction）。

當波浪傳向堤壩和海島等障礙體時，正面波碰到障礙作后，會發(fā)生反射（Reflection），障礙物兩側(cè)波浪繼續(xù)前進，向障礙物后方擴散，最后仍按折射原理傳到障礙物后側(cè)的波影區(qū)，這種現(xiàn)象稱為波浪的繞射（Circumambulate）。波浪的折射波浪的反射與繞射由一艘船激發(fā)的波被一堵混凝土墻反射Thewavefromaship’swakeisreflectedfromaconcretewall（一）潮汐的定義與要素（DefinitionandElements）

在天體（月球、太陽）的作用下，海洋表面海水周期性的起伏和漲落運動，稱之為潮汐（Tide）。它與波浪運動一樣，又可稱為潮波（Tidalwave）；但其周期長，可達12－24h。

在潮汐發(fā)生過程中，海水不斷上漲期，稱為漲期（FloodTide），當海水達到高潮位（HighWater），有2－3h，海水不升也不降，稱為平潮（SlackTide），以后海水開始下降，稱為退潮（EbbTide）；當退到低潮位時，海水不再下退，稱為停潮（BerthTide）。從低潮到高潮的時間稱為漲潮時；高潮到低潮的時間為落潮時，兩者之和叫周期（TidePeriod），低潮位到高潮位的間距稱潮差（TideRange）。二、潮汐(Tides)低潮和高潮，日潮差最高達10mLowtide（a）andhightide（b）atTheRocksProvincialPark，HopwellCape，NewBrunswick，Canada.Thetidalrangeattheheadofthebayexceeds10meters.月球、太陽和其他天體對地球表面上單位質(zhì)量物體的引力和對地心單位質(zhì)量物體的引力之差，稱為引潮力。據(jù)萬有引力定律，太陽的質(zhì)量雖然比月球大，但它離地球遠；太陽引潮力只有月球的46％，月球引潮力是太陽的2.17倍；其他更小天體對地球引潮力則忽略不計。由月球引起的潮汐叫太陰潮（Lunartide），太陽引起的潮汐叫太陽潮（Suntide），兩者都屬天文潮，引潮力不僅產(chǎn)生海水潮汐，而且會引起地殼和地幔的固體潮和大氣的氣體潮，它們又會影響海洋潮。潮汐的產(chǎn)生——引潮力潮汐的產(chǎn)生月相圖塑望上弦下弦大潮springtide、小潮neaptide典型月的潮汐記錄

（二）潮汐分類（ClassificationofTide）

潮汐現(xiàn)象可看成由許多周期不同、振幅各異的分潮組成，潮汐分類主要以它的周期長短來分。月球繞地球公轉(zhuǎn)一周為一個月，自轉(zhuǎn)一周也是一個月，因此，地球自轉(zhuǎn)一周后，月球在軌道也轉(zhuǎn)移了一定的弧度，這樣對地球上任何一個定點說來，從它第一次處于對月點的位置到第二次對月點的位置的時間是24h25min，比地球自轉(zhuǎn)的時間長一些，這個時間叫一個太陰日（lunarday）。

根據(jù)太陰日內(nèi)發(fā)生的潮汐次數(shù)和特征，將潮汐分為以下四類：

1）半日潮(Semidiurnaltide)

在一個太陰日內(nèi)有兩次高潮和兩次低潮，相鄰的高潮或相鄰的低潮大體相等。

2）混合的不規(guī)則半日潮(Semidiurnalmixedtide)

在一個太陰日內(nèi)，有兩次高潮和兩次低潮，但兩次低潮和兩次高潮的潮高不等，漲潮時和落潮時也不等。

3）全日潮(Diurnaltide)

在半個月中，有連續(xù)7天以上的天數(shù)在一個太陰日內(nèi)出現(xiàn)一次高潮和一次低潮，少數(shù)幾天呈現(xiàn)半日潮現(xiàn)象，且潮差較小。

4）混合不正規(guī)全日潮(Diurnalmixedtide)

在半個月內(nèi)大多數(shù)日子里為不正規(guī)半日潮，少數(shù)日子里會出現(xiàn)一個太陰日內(nèi)的全日潮。混合的不正規(guī)潮又稱潮汐的不等現(xiàn)象。

基本的潮汐類型：（a）每日一次的全日潮；（b）每日兩次的半日潮；（c）混合不正規(guī)半日潮。Thethreebasictypesoftides：（a）aonce-dailydiurnaltides；（b）atwice-dailysemidiurnaltide；and（c）amixedsemidiurnaltidewithdiurnalinequality.不同的潮汐類型半日潮日潮混合潮世界上不同潮汐類型的分布

（三）潮汐不等現(xiàn)象（InequalityofTide）

月球、地球和太陽三者運轉(zhuǎn)時不在一個平面上，三者的相對位置在不斷變化，月球和太陽對地球的引潮力，有時增強，有時減弱，使潮汐主要發(fā)生四種不等現(xiàn)象。

1.半月不等現(xiàn)象農(nóng)歷每月初一（朔）和十五（望），月球、太陽和地球位于一條直線上，這時月球和太陽對地球的引潮力方向相同，它們引起的潮汐相互增強，使潮差出現(xiàn)極大值，這種每半月一次的強潮汐稱大潮或朔望潮（Springtide）。農(nóng)歷每月初七、初八（上弦）和二十二、二十三（下弦），月球和太陽的引潮力方向接近正交，要相互削弱，潮差較小，便稱為小潮或方照潮（Neaptide），這樣便形成潮汐半月不等現(xiàn)象。在滿月和新月期間，地球、太陽、月亮的排列導致了大潮，在上弦和下弦時期形成小潮Springtidesresultfromthealignmentoftheearth，sun，andmoonduringthefullmoonandthenewmoon.Duringthemoon’sfirstandlastquarters，Neaptideareproduced.

2.月不等現(xiàn)象

月球繞地球運動的軌道為橢圓，月球從近地點至遠地點再到近地點，需要27.5546天，引潮力也隨之變化，導致潮差變化，稱為潮汐月不等現(xiàn)象。

3.赤緯不等現(xiàn)象由于月球軌道面與地球赤道延伸面（又稱天赤面）斜交，在每個回歸月（Tropicmonth，27.3206天）中，月球半個月處于赤道面以北，半個月處于赤道面以南，因而形成潮汐赤緯（Declination）不等現(xiàn)象。

4.日不等現(xiàn)象高潮和低潮的潮差每天都有變化，這種變化稱為潮汐日不等現(xiàn)象，其周期為一個回歸月。TidalCurrentsImportantinnarrowplacessuchasbays,riversandestuariesCanbelarge,40ft(12m)change,currentsat12mphCauseoferosionExample:BayofFundy,NovaScotia,Canada錢塘江：7-8米長江口：2-3米黃河口：1米左右

三、海（洋）流（OceanCurrent）

（一）海流的定義（Definitionof

OceanCurrent）

海流（OceanCurrent）是海水運動的重要形式之一。是海水因風、天體作用、熱輻射、蒸發(fā)、降水和冷縮等引起海水密度和鹽度差異而造成大規(guī)模海水定向流動。在大洋區(qū)一般稱洋流，在淺海區(qū)便稱海流。引起海（洋）流的動力機制：一是海面上的風力驅(qū)動；二是海水的溫鹽變化。溫鹽環(huán)流模式海流和洋流與河流相似，但規(guī)模比河流大。海（洋）流長達數(shù)十公里以至上萬公里，寬幾十公里至幾百公里，深達數(shù)百米。海（洋）流速度比河流慢，為0.4－1.85km／h，最快為0.5m/s，而河流流速可達0.6－l.0m／s。海（洋）流有自己的溫度、鹽度、密度、水色、透明度和水化學成分以至生物種類，一般高溫洋流呈藍色，低溫海流呈綠色，海（洋）流與河流一樣有季節(jié)變化，流經(jīng)不同海區(qū)，性質(zhì)也不一樣。海（洋）流表面流速大，深層小，兩者有時方向不一致，以至一定深度方向正相反，河流無此變化。海（洋）流特征（二）海流的分類（Classificationof

OceanCurrent）

1.風海流（WindCurrent）

大洋區(qū)由大氣環(huán)流，淺海區(qū)由季風等引起海流。由大氣環(huán)流引起的海流，流速、流向比較穩(wěn)定，海流由季風引起，流速流向多變。

2.密度流（DensityCurrent）由于鹽度和溫度不同引起海水密度差，導致水平壓強梯度所形成的海水流動。如墨西哥灣流和我國臺灣岸外的黑潮都屬這類高溫低密度流。

3.補償流（CompensationCurrent）某處海水形成質(zhì)量虧損，它處海水來補充，如由于風形成的離岸流作用，造成近岸海水質(zhì)量虧損，由底層海水上升來補償，形成上升流。

4.潮流（TideCurrent）由于潮汐作用，在沿岸地形作用下，潮漲、潮落形成明顯的海水流動。北半球的海岸

上升流和沉降流上升流是指海水從深層向上涌升，下降流是指海水自上層下沉的鉛直向流動。由無限深海風海流的體積運輸可知，與岸平行的風能導致岸邊海水最大的輻聚或輻散，從而引起表層海水的下沉或下層海水的涌升。而與岸垂直的風則不能。當然對淺海而言，與岸線成一定角度的風，其與岸線平行的分量也可引起類型的運動。

（三）全球主要表層環(huán)流系統(tǒng)

（Majorglobalsurfaceoceancirculation）

在行星風系作用下，大洋表面海水形成環(huán)流系統(tǒng)（OceanCirculation），一個環(huán)流又可由數(shù)個海流組成。

全球主要表層環(huán)流系統(tǒng)北太平洋環(huán)流系統(tǒng)A、北赤道流：在東北信風作用下，沿北緯10°左右自東向西的海流，在接近亞洲大陸時，出現(xiàn)積水，每100km可升高4cm，是一股巨大的暖流。北太平洋環(huán)流系統(tǒng)B：黑潮：為高溫、鹽度較高的海流，冬季表層水溫18-24℃，表層鹽度約為34.6-35‰。北赤道暖流抵達菲律賓群島東部海上，轉(zhuǎn)向北進而形成。在臺灣東岸黑潮寬125-170km，向北逐漸變窄，北部分為兩支，在日本海域向東流入東北太平洋。C、西風漂流：黑潮向北至北緯45°處，受西風吹送作用，呈扇形擴散，形成自西向東的強勁洋流，稱為西風漂流，又稱北太平洋流。北太平洋環(huán)流系統(tǒng)D、加利福尼亞流：西風環(huán)流抵達美國西海岸，大部分折向南流，沿北美西海岸形成一股寒流，是北美西海岸多霧的原因。與北赤道暖流首尾相接，形成北太平洋最大環(huán)流。北太平洋環(huán)流系統(tǒng)E、親潮：起源于白令海北部向西南千島群島流去，與西風漂流前緣相連，在這里親潮寒流為綠色，西風漂流南的黑潮為藍色，界限清晰。北太平洋環(huán)流系統(tǒng)F、阿拉斯加灣流：西風漂流抵達美國西海岸時，一部分向北沿阿拉斯加南岸，在阿拉斯加灣形成一小環(huán)流。北太平洋環(huán)流系統(tǒng)G、反赤道流：北