海水的运动
Motion of Ocean Waters
大海永远不是宁静的……
The Ocean in Motion
Winds generate surface currents 风
Density differences create deep-ocean circulations 密度差异
The Sun and Moon produce tides 引力
Waves carry storm energy to land and act as erosion agents
海水运动有3种基本形式；即波浪、潮汐和海流，这也是海洋环境的基本要素，海水在不息地运动中，蕴藏着丰富的无污染再生海洋能源。

一、波浪（ Waves）
海浪有显著的运动形态，是人们最熟知的海水运动形式。在风和其他动力因素作用下，海面水体作周期性的起伏运动，称为波浪（Wave）。一般为谐振运动，即作正弦曲线或余弦曲线运动，波浪运动的实质是海水表面以波动的形式在传播，水体并不随波向前运动，波浪中的每一水质点在作圆周运动。
波浪
波动的基本特点是：在外力的作用下，水质点离开其平衡位置作周期性或准周期性的运动。由于流体的连续性，必然带动起邻近质点，导致其运动状态在空间的传播，因此运动随时间与空间的周期性变化为波动的主要特征。
虽然海洋中的波动并不是真正的周期性变化，但我们可以将实际的海洋波动视为简单波动（正弦波）或简单波动的叠加。
在风和其他动力因素作用下，海面水体作周期性的起伏运动，称为波浪（Wave）
质点运动
1.波浪的要素（Element of Wave）
一个完整的波浪由以下要素组成：
波峰（Crest）：一个波浪的最高点。
波谷（Trough）：一个波浪的最低点。
波高（Height）：波峰至波谷的高度。
波长（Length）：相邻两个波峰或波谷的距离。
周期（Period）：相邻两个波峰或波谷通过波浪行进路上一点所需要的时间。
波速（Velocity）：波长与周期的商。设波长为L，周期为T，则波速V=L／T
波幅（Amolitude）：波高的二分之一。
尖锐度（Steepness）：波高（H）与波长之比（L）S＝ H／L
角频率（ω）：ω＝2π／T
Basic Parts of a Wave
wave base = 1/2 wavelength
wavelength
crest
trough
波基面
2.波浪的分类（Classification of Wave ）
（1）按照波浪形成的动力，可把波浪分为以下几大类：
1）风浪（Wind Wave）：风作用于海面产生风压，海面海水在风压推动下，形成的波浪称为风浪。小风浪（Ripples or Capillary Waves）形成后，靠海水的表面张力能使海面水分子复平，便称表面张力波。若风浪较大，海面水分子不能靠表面张力复平，而要靠重力作用复平的波，称为重力波（gravity waves ）。
2）地震波（Seismic Wave）：由地震特别是海底地震产生的海面波浪称为地震波。它一般波能高，波浪规模大，对沿岸工程建筑物具有很大的破坏作用，又称海啸。
3）潮波（Tidal Wave）：由潮汐作用形成的海洋表面的波动，它的主要特点是周期长，一般最小为12h，最大不超过24h。
在大浪顶面风成的波纹
Wind-generated capillary waves at top of larger waves
海上风成的重力波
Wind-generated gravity waves at sea
4）涌浪（Swell）属长波，风浪离开起浪区，或起浪区风已平息，受低气压影响，原风浪向四周传播，可达很远。

5）内浪（Internal Wave）两个不同密度水团的界面上的波浪。通常在海面上难直接观测到，每有船只经过，船会受其影响，甚至不能前进。
海水运动形成的内浪
Internal waves forming as seawater moves through the Strait of Gibraltar into the Mediterranean Sea
风浪
地震波
涌浪
破浪
（2）按照波浪断面的几何形态，可将波浪分为两类：
l）正弦波（Sine Wave）波形曲线近似正弦曲线。
2）摆线波（Trochoidal Wave）波形曲线近似摆线的波。
（3）按照波长与水深的关系可分以下两种：
1）深水波（Deep Water Wave）当水深大于波长的二分之一时（d＞1/2λ），此波浪称为深水波。
2）浅水波（Shallow Water Wave）当水深小于波长的二分之一时（d＜1/2λ），称为浅水波，这类波要影响到海底。
3. 波浪的折射、绕射和反射
（Refraction，Reflection and Circumambulate）

当波浪和涌浪进入浅水区，形成浅水波，不仅波浪的波高、波长要发生变化，而且要发生折射、绕射和反射。
当波浪向近岸传播时向岸浅水波随着水深减小，速度越来越慢，波浪的传播方向完全与岸线垂直。这便是波浪的折射（Refraction）。
当波浪传向堤坝和海岛等障碍体时，正面波碰到障碍作后，会发生反射（Reflection），障碍物两侧波浪继续前进，向障碍物后方扩散，最后仍按折射原理传到障碍物后侧的波影区，这种现象称为波浪的绕射（Circumambulate）。
波浪的折射
波浪的反射与绕射
由一艘船激发的波被一堵混凝土墙反射
The wave from a ship’s wake is reflected from a concrete wall
（一）潮汐的定义与要素（Definition and Elements）
在天体（月球、太阳）的作用下，海洋表面海水周期性的起伏和涨落运动，称之为潮汐（Tide）。它与波浪运动一样，又可称为潮波（Tidal wave）；但其周期长，可达12－24h。
在潮汐发生过程中，海水不断上涨期，称为涨期（Flood Tide），当海水达到高潮位（High Water），有 2－3h，海水不升也不降，称为平潮（Slack Tide），以后海水开始下降，称为退潮（Ebb Tide）；当退到低潮位时，海水不再下退，称为停潮（Berth Tide）。从低潮到高潮的时间称为涨潮时；高潮到低潮的时间为落潮时，两者之和叫周期（Tide Period），低潮位到高潮位的间距称潮差（Tide Range）。
二、潮汐 (Tides)
低潮和高潮，日潮差最高达10m
Low tide （a）and high tide（b）at The Rocks Provincial Park，Hopwell Cape，New Brunswick，Canada.The tidal range at the head of the bay exceeds 10 meters.
月球、太阳和其他天体对地球表面上单位质量物体的引力和对地心单位质量物体的引力之差，称为引潮力。据万有引力定律，太阳的质量虽然比月球大，但它离地球远；太阳引潮力只有月球的46％，月球引潮力是太阳的2.17倍；其他更小天体对地球引潮力则忽略不计。由月球引起的潮汐叫太阴潮（Lunar tide），太阳引起的潮汐叫太阳潮（Sun tide），两者都属天文潮，引潮力不仅产生海水潮汐，而且会引起地壳和地幔的固体潮和大气的气体潮，它们又会影响海洋潮。
潮汐的产生——引潮力
潮汐的产生
月相图
塑
望
上弦
下弦
大潮spring tide、小潮neap tide
典型月的潮汐记录
（二）潮汐分类（Classification of Tide）

潮汐现象可看成由许多周期不同、振幅各异的分潮组成，潮汐分类主要以它的周期长短来分。月球绕地球公转一周为一个月，自转一周也是一个月，因此，地球自转一周后，月球在轨道也转移了一定的弧度，这样对地球上任何一个定点说来，从它第一次处于对月点的位置到第二次对月点的位置的时间是24h25min，比地球自转的时间长一些，这个时间叫一个太阴日（lunar day）。
根据太阴日内发生的潮汐次数和特征，将潮汐分为以下四类：

1）半日潮(Semidiurnal tide) 在一个太阴日内有两次高潮和两次低潮，相邻的高潮或相邻的低潮大体相等。
2）混合的不规则半日潮(Semidiurnal mixed tide) 在一个太阴日内，有两次高潮和两次低潮，但两次低潮和两次高潮的潮高不等，涨潮时和落潮时也不等。
3）全日潮(Diurnal tide) 在半个月中，有连续7天以上的天数在一个太阴日内出现一次高潮和一次低潮，少数几天呈现半日潮现象，且潮差较小。
4）混合不正规全日潮(Diurnal mixed tide) 在半个月内大多数日子里为不正规半日潮，少数日子里会出现一个太阴日内的全日潮。
混合的不正规潮又称潮汐的不等现象。
基本的潮汐类型：
（a）每日一次的全日潮；（b）每日两次的半日潮；（c）混合不正规半日潮。
The three basic types of tides：（a）a once-daily diurnal tides；（b）a twice-daily semidiurnal tide；and （c）a mixed semidiurnal tide with diurnal inequality.
不同的潮汐类型
半日潮
日潮
混合潮
世界上不同潮汐类型的分布
（三）潮汐不等现象（Inequality of Tide）

月球、地球和太阳三者运转时不在一个平面上，三者的相对位置在不断变化，月球和太阳对地球的引潮力，有时增强，有时减弱，使潮汐主要发生四种不等现象。
1.半月不等现象
农历每月初一（朔）和十五（望），月球、太阳和地球位于一条直线上，这时月球和太阳对地球的引潮力方向相同，它们引起的潮汐相互增强，使潮差出现极大值，这种每半月一次的强潮汐称大潮或朔望潮（Spring tide）。农历每月初七、初八（上弦）和二十二、二十三（下弦），月球和太阳的引潮力方向接近正交，要相互削弱，潮差较小，便称为小潮或方照潮（Neap tide），这样便形成潮汐半月不等现象。
在满月和新月期间，地球、太阳、月亮的排列导致了大潮，在上弦和下弦时期形成小潮
Spring tides result from the alignment of the earth，sun，and moon during the full moon and the new moon.During the moon’s first and last quarters，Neap tide are produced.
2.月不等现象
月球绕地球运动的轨道为椭圆，月球从近地点至远地点再到近地点，需要27.5546天，引潮力也随之变化，导致潮差变化，称为潮汐月不等现象。
3.赤纬不等现象
由于月球轨道面与地球赤道延伸面（又称天赤面）斜交，在每个回归月（Tropic month，27.3206天）中，月球半个月处于赤道面以北，半个月处于赤道面以南，因而形成潮汐赤纬（Declination）不等现象。
4.日不等现象
高潮和低潮的潮差每天都有变化，这种变化称为潮汐日不等现象，其周期为一个回归月。
Tidal Currents
Important in narrow places such as bays, rivers and estuaries
Can be large, 40 ft (12m) change, currents at 12 mph
Cause of erosion
Example: Bay of Fundy, Nova Scotia, Canada
钱塘江：7-8米
长江口：2-3米
黄河口：1米左右
三、海（洋）流（Ocean Current）

（一）海流的定义（Definition of Ocean Current）

海流（Ocean Current）是海水运动的重要形式之一。是海水因风、天体作用、热辐射、蒸发、降水和冷缩等引起海水密度和盐度差异而造成大规模海水定向流动。在大洋区一般称洋流，在浅海区便称海流。
引起海（洋）流的动力机制：
一是海面上的风力驱动；
二是海水的温盐变化。
温盐环流模式
海流和洋流与河流相似，但规模比河流大。海（洋）流长达数十公里以至上万公里，宽几十公里至几百公里，深达数百米。海（洋）流速度比河流慢，为0.4－1.85km／h，最快为0.5m/s，而河流流速可达0.6－l.0m／s。

海（洋）流有自己的温度、盐度、密度、水色、透明度和水化学成分以至生物种类，一般高温洋流呈蓝色，低温海流呈绿色，海（洋）流与河流一样有季节变化，流经不同海区，性质也不一样。海（洋）流表面流速大，深层小，两者有时方向不一致，以至一定深度方向正相反，河流无此变化。
海（洋）流特征
（二）海流的分类（Classification of Ocean Current）

1.风海流（Wind Current） 大洋区由大气环流，浅海区由季风等引起海流。由大气环流引起的海流，流速、流向比较稳定，海流由季风引起，流速流向多变。
2.密度流（Density Current）由于盐度和温度不同引起海水密度差，导致水平压强梯度所形成的海水流动。如墨西哥湾流和我国台湾岸外的黑潮都属这类高温低密度流。
3.补偿流（Compensation Current）某处海水形成质量亏损，它处海水来补充，如由于风形成的离岸流作用，造成近岸海水质量亏损，由底层海水上升来补偿，形成上升流。
4.潮流（Tide Current）由于潮汐作用，在沿岸地形作用下，潮涨、潮落形成明显的海水流动。
北半球的海岸上升流和沉降流
上升流是指海水从深层向上涌升，下降流是指海水自上层下沉的铅直向流动。
由无限深海风海流的体积运输可知，与岸平行的风能导致岸边海水最大的辐聚或辐散，从而引起表层海水的下沉或下层海水的涌升。而与岸垂直的风则不能。当然对浅海而言，与岸线成一定角度的风，其与岸线平行的分量也可引起类型的运动。
（三）全球主要表层环流系统
（Major global surface ocean circulation）
在行星风系作用下，大洋表面海水形成环流系统（Ocean Circulation），一个环流又可由数个海流组成。
全球主要表层环流系统
北太平洋环流系统
A、北赤道流：
在东北信风作用下，沿北纬10°左右自东向西的海流，在接近亚洲大陆时，出现积水，每100km可升高4cm，是一股巨大的暖流。
北太平洋环流系统
B：黑潮：为高温、盐度较高的海流，冬季表层水温18-24℃，表层盐度约为34.6-35‰。
北赤道暖流抵达菲律宾群岛东部海上，转向北进而形成。在台湾东岸黑潮宽125-170km，向北逐渐变窄，北部分为两支，在日本海域向东流入东北太平洋。
C、西风漂流：
黑潮向北至北纬45°处，受西风吹送作用，呈扇形扩散，形成自西向东的强劲洋流，称为西风漂流，又称北太平洋流。
北太平洋环流系统
D、加利福尼亚流：
西风环流抵达美国西海岸，大部分折向南流，沿北美西海岸形成一股寒流，是北美西海岸多雾的原因。与北赤道暖流首尾相接，形成北太平洋最大环流。
北太平洋环流系统
E、亲潮：
起源于白令海北部向西南千岛群岛流去，与西风漂流前缘相连，在这里亲潮寒流为绿色，西风漂流南的黑潮为蓝色，界限清晰。
北太平洋环流系统
F、阿拉斯加湾流：
西风漂流抵达美国西海岸时，一部分向北沿阿拉斯加南岸，在阿拉斯加湾形成一小环流。
北太平洋环流系统
G、反赤道流：
北赤道暖流抵达菲律宾后，有一股反转流沿赤道北侧自西向东流称为反赤道流或赤道逆流，在中美洲再折向北与赤道暖流首尾相连。
北太平洋环流系统
南赤道流
东澳洋流
西风漂流
秘鲁洋流
合恩角流
南太平洋环流系统
大西洋的表层海流
影响大洋环流的几个因素
大洋表层的主要风系
北大西洋的环流体系
大西洋表层水的偏转
Surface current
（四）深海洋流系统
（Global Deep Ocean Circulation）

深海洋流主要由盐度、密度和温度引起，表层海水由于受热差异会从赤道向两极流动，在两极由于海水温度低密度大会下沉，在洋底从高纬度流向低纬度，这两个洋流系统在全球形成了海水垂直环流系统。
Stommel（1960）和King（1969）等认为深层海水流动主要有两大源地，一为北大西洋；另一源为南极威德尔海及南极周围。
全球深海环流系统模式图
Model Map of Global Deep Ocean Circulation
太平洋北部只有白令海峡与北冰洋沟通，白令海南缘又有阿留申群岛，重重阻隔使北冰洋底层冷水团进不了太平洋，太平洋主要靠南极沿岸底层流流向低纬度，由于科氏力（地球自转偏向力）主要沿西海岸流去，越过赤道在北纬30°处与北太平洋形成的冷水底流相遇，形成向东扩散的洋流。
大西洋地形与太平洋不一样，冬季有冷水团下沉自北向南沿西海岸移动，同时向东扩散，在南纬35°处遇威德尔海北上的底层寒流，汇合后向东扩散，其中一部分与其他洋流形成强劲的环南极底流。
印度洋的深海底流与太平洋相似，北部为大陆，只有南极形成的底层流向北沿非洲东海岸运移，同时向东扩散；它们在北部遇到大陆时，便形成上升流。
Turbidity current 浊流、turbidite浊积岩