潮波研究.doc

中国海洋大学博士论文：渤黄东海潮波系统的有限元模拟105前言潮波运动是海洋中的基本运动之一潮波研究是动力海洋学研究的重要组成部分。对潮波的研究直接影响着对大尺度海洋环流、大陆架浅海环流、风暴潮等许多海洋学问题的研究。尤其是在大陆架浅海海洋中由于潮波运动占据了整个海洋运动的主导部分潮波研究的学术价值也就不言而喻。从世界海洋学研究史的角度来看无论古今中外研究海洋的巨擘大家其瑰丽多彩的成果在一定意义上都可以归结为对“海洋谱”的研究。古代海洋学之父——古希腊哲学家亚里士多德探讨海陆变迁、海侵海退现象这就是“海洋谱”中变化极缓慢、周期极长的那部分。19世纪卓越的物理学家汤姆逊（开尔文）在海洋研究上把海洋看作是一种“海洋谱”现象提出大气与海洋中的“开尔文波”、“开尔文环流定理”并提出用调和分析方法来研究潮汐现象。始终站在当代海洋科学前沿阵地的美国海洋学家W.H蒙克院士在总结自己毕生的研究工作时把自己的研究归纳为一门地球谱学：一门收集长时间的时间序列并对它进行高分辨率、高可靠性的谱分析的科学。因而在海浪、潮汐、海平面、大洋环流、海水温度、水声、海洋水声学层析测量、地球自转等方面的研究都可以看作是各种形式的“海洋谱学”皆归属于地球谱学之中。潮汐研究是海洋科学中的重要组成部分。潮汐就占据了“海洋谱”中相当大的部分分潮的周期短至1/12日甚至更短长至18.61年甚至更长。近岸和河口地区是人类进行生产活动十分频繁的地带而在这个地带潮汐现象也最为显著对人们的生产和生活有重要影响。例如沿海地区农田排灌、水产捕捞和养殖以及航海、筑港、交通航运和油气开发等无不与潮汐涨落以及潮波运动有着密切的关系。近河口地区潮水上涨能顶托河水使其水位升高有利于提水灌溉农田；水产养殖在近岸带的放苗、施肥、管理等都要考虑潮水的规律才能事半功倍；引海水晒盐高潮时纳水比低潮时含盐量高且泥沙杂质少；现代经济建设海上交通运输极为重要在某些港口吨位大、吃水深的船舶要候潮才能进出港口；此外船舶顺潮流方向航行能加快航速节约时间和燃料。所以潮汐的研究有很大的经济实用价值。潮汐研究也有巨大的军事价值。我国民族英雄郑成功率领舰队进军台湾赶走了荷兰侵略者就是一个众所周知的实例。他依靠群众掌握的航道情况和潮水规律利用大潮出敌不意地靠岸登陆大败荷兰侵略军。潮波以及由其诱生的内潮和内波对潜艇的航行影响极大因而海军这方面的研究要求也很高。我国有广阔的海洋国土掌握了潮汐规律才能更好地保卫好每一寸国土。综上所述潮汐研究在学术上、经济上以及军事上都有重要价值加强对潮汐的研究是十分必要的。1.潮汐研究的历史与现状人类对潮汐的认识已有悠久的历史据文字记载可追溯到距今2500年以前。例如中国在公元前5世纪的《易经》中载有：“潮者……行险而不失其信也”并提出了潮水受制于月亮的思想。但近代潮汐学的研究一般认为开始于17世纪后半叶。1687年牛顿归纳出万有引力定律并提出平衡潮理论用来解释海洋的潮汐现象。这一理论虽然指出了引起潮汐的原动力但当时把属于动力学范畴的潮汐当成静力学问题来处理因而不能全面解释原本属于动力学问题的潮汐现象。到1775年拉普拉斯应用流体动力学的理论把海洋潮汐看作是在外动力——引潮力作用下所引起的强迫振动创立了潮波动力学理论且在潮波动力学方程中引入了地转偏向力。大洋潮波理论的基本问题之一是在已知引潮力、海洋形状和深度分布、铅直方向海水密度分布以及边界条件的情况下如何求解潮波动力学方程。拉普拉斯之后200年间潮波动力学方程虽作了若干修改和补充但此间的潮波研究实质上都是设法求出这个方程在各种条件下的解。然而令人遗憾的是虽经许多科学家的努力探索进展仍不明显。原因之一是他们只对简单几何形状的海域求解这与真实海洋的形状和深度分布情况是不相符的。应该承认这些研究对海洋潮汐理论的发展做出了贡献。但是这一基本问题的解决仍困难重重。由于生产实践的迫切需要人们在探索潮汐成因的同时也进行了潮汐推算方法的研究。拉普拉斯曾试图用长周期、全日周期、半日周期三种潮汐叠加起来推算潮位可惜未获成功。此后大约经过1个世纪英国的汤姆逊（开尔文）等人分析出几十个分振动（分潮）终于作出了较为可靠的潮汐推算并且制造了机械潮汐推算机代替繁琐的人工计算工作。1921年A.T.Doodson对引潮势作调和展开得出近400个分量。1928年他又提出了与近年来数值滤波相似的潮汐分析方法。1924年P.W.Schuremon在潮汐分析和推算手册中把引潮力分解成近100个分量又给出分析和推算用的大量数值表。至此海洋潮汐从应用上看对天文潮（引力潮）的推算由原理到计算方法应该说已基本上解决了。自从电子计算机在科学研究上得到广泛应用后与潮汐有关的计算工作也得到迅速的发展。其一在潮汐分析方面可以严格应用最小二乘法和以数值滤波等谱分析的方法而实施数据序列可以使用长达