潮汐的类型

一、潮汐的类型潮汐现象非常复杂。仅以海水涨落的高低来说，各地就很不一样。有的地方潮水几乎察觉不出，有的地方却高达几米。在我国台湾省基隆，涨潮时和落潮时的海面只差0.5米，而杭州湾的潮差竟达8.93米。在一个潮汐周期（约24小时50分钟，天文学上称一个太阴日，即月球连续两次经过上中天所需的时间）里，各地潮水涨落的次数、时刻、持续时间也均不相同。潮汐现象尽管很复杂，但大致说来不外三种基本类型。半日潮型：一个太阴日内出现两次高潮和两次低潮，前一次高潮和低潮的潮差与后一次高潮和低潮的潮差大致相同，涨潮过程和落潮过程的时间也几乎相等（6小时12.5分）。我国渤海、东海、黄海的多数地点为半日潮型，如大沽、青岛、厦门等。全日潮型：一个太阴日内只有一次高潮和一次低潮。如南海汕头、渤海秦皇岛等。南海的北部湾是世界上典型的全日潮海区。混合潮型：一月内有些日子出现两次高潮和两次低潮，但两次高潮和低潮的潮差相差较大，涨潮过程和落潮过程的时间也不等；而另一些日子则出现一次高潮和一次低潮。我国南海多数地点属混合潮型。如榆林港，十五天出现全日潮，其余日子为不规则的半日潮，潮差较大。从各地的潮汐观测曲线可以看出，无论是涨、落潮时，还是潮高、潮差都呈现出周期性的变化，根据潮汐涨落的周期和潮差的情况，可以把潮汐大体分为如下的4种类型：正规半日潮：在一个太阴日(约24时50分)内，有两次高潮和两次低潮，从高潮到低潮和从低潮到高潮的潮差几乎相等，这类潮汐就叫做正规半日潮。不正规半日潮：在一个朔望月中的大多数日子里，每个太阴日内一般可有两次高潮和两次低潮；但有少数日子(当月赤纬较大的时候)，第二次高潮很小，半日潮特征就不显著，这类潮汐就叫做不正规半日潮。正规日潮：在一个太阴日内只有一次高潮和一次低潮，像这样的一种潮汐就叫正规日潮，或称正规全日潮。不正规日潮：这类潮汐在一个朔望月中的大多数日子里具有日潮型的特征，但有少数日子(当月赤纬接近零的时候)则具有半日潮的特征。凡是一天之中两个潮的潮差不等，涨潮时和落潮时也不等，这种不规则现象称为潮汐的日不等现象。高潮中比较高的一个叫高高潮，比较低的叫低高潮；低潮中比较低的叫低低潮，比较高的叫高低潮。不论那种潮汐类型，在农历每月初一、十五以后两三天内，各要发生一次潮差最大的大潮，那时潮水涨得最高，落得最低。在农历每月初八、二十三以后两三天内，各有一次潮差最小的小潮，届时潮水涨得不太高，落得也不太低。二、潮汐要素涨潮时潮位不断增高，达到一定的高度以后，潮位短时间内不涨也不退，称之为平潮，平潮的中间时刻称为高潮时。平潮的持续时间各地有所不同，可从几分钟到几十分钟不等。平潮过后，潮位开始下降。当潮位退到最低的时候，与平潮情况类似，也发生潮位不退不涨的现象，叫做停潮，其中间时刻为低潮时。停潮过后潮位又开始上涨，如此周而复始地运动着。从低潮时到高潮时的时间间隔叫做涨潮时，从高潮时到低潮时的时间间隔则称为落潮时。一般来说，在许多地方涨潮时和落潮时并不一样长。海面上涨到最高位置时的高度叫做高潮高，下降到最低位置时的高度叫低潮高，相邻的高潮高与低潮高之差叫潮差。三、月球引潮力引起潮汐的原因是很复杂的，但主要是受月球和太阳“引潮力”引起的。现在我们先看看月球引潮力的两个构成因素。第一个因素是月球的引力。万有引力定律告诉我们，宇宙中一切物体之间都是互相吸引的。月球和地球是一对天体，因此月球对地球存在着引力。在地球上不同的地方，月球的引力是方向不同、大小不等的。引力的方向指向月球中心，引力的大小因地球上各地距月球中心的距离而不同。如附图所求，在月球直射点B距月球中心最近，引力最大，A点和C点次之，B点的对蹠点D处，月球的引力最小。月球引潮力的第二个因素是地球绕地月公共质心转动而产生的离心力。由于月球对地球有引力，地球对月球也有引力，在地月之间就构成了一个互相吸引的引力系统，并有一个公共质心，位于距地心0.73倍地球半径的地方。地球除一刻不停地进行着自转和绕日公转外，它还要绕地月公共质心转动，产生离心力。这股离心力刚好和月球对地心的吸引力大小相等，方向相反，从而使地月之间能够保持一定距离。这种情况就好象人们用强子拴信一块石头使其转动，石头受到人手对它的拉力，并在转动时产生了离心力，并与该拉力正好平衡。由于地球在绕公共质心运动时，地球上各点之间处于平动状态，所以在地球上的不同地方，这股离心力是方向相同，大小相等的。月球引力和地球离心力是两种对立的力，两者结合起来产生的合力（矢量和），就是月球使海水发生潮汐现象的力量，称为“月球引潮力”。月球引潮力在地球不同地方各不相同。在面向月球的直射点B，引力大于离心力，两者合成的引潮力，使海水向上（向月球方向）运动，造成涨潮。在背向月球的对蹠点D，离心力大于引力，两者合成的引潮力，也使海水向上（背向月球方向）运动，也造成海水上涨现象。在A点和C点，引力和离心力合成的引潮力向下（向地球中心），使海水向下运动，造成海水下降现象。在地球自转过程中，地球表面上任何一点，都有经过类似A、B、C、D四个位置的机会，因此在一个太阴日内常见的潮汐有两涨两落的现象。四、潮汐静力理论第一、等势面从地心移动单位质量物体到某一点，克服重力和引潮力所作的功，叫做这一点的位势，位势相等的点连成的面称为等势面。图7—7为不考虑引潮力情况下的重力位势面，是一个圆球面，显然，即使地球自转，也无法使水位有铅直的涨落。考虑引潮力后，由于在地月连线上引潮力方向与重力方向相反，在垂直于地月连线的大圆上引潮力方向与重力方向相同，因此，从引潮力的分布不难看出，考虑引潮力后的等势面就变成像图7—8所示的椭球形，这个椭球的长轴指向月球。第二、潮汐静力理论由于考虑引潮力后的等势面为一椭球面，根据这一分布特点，可以导出一个研究海水在引潮力作用下产生潮汐过程的理论，即潮汐静力理论(或称平衡潮理论)。这一理论假定：(1)地球为一个圆球，其表面完全被等深的海水所覆盖，不考虑陆地的存在；(2)海水没有粘滞性，也没有惯性，海面能随时与等势面重叠；(3)海水不受地转偏向力和摩擦力的作用。在这些假定下，海面在月球引潮力的作用下离开原来的平衡位置作相应的上升或下降，直到在重力和引潮力的共同作用下，达到新的平衡位置为止。因此海面便产生形变，也就是说，考虑引潮力后的海面变成了椭球形，称之为潮汐椭球，并且它的长轴恒指向月球。由于地球的自转，地球的表面相对于椭球形的海面运动，这就造成了地球表面上的固定点发生周期性的涨落而形成潮汐，这就是平衡潮理论的基本思想。根据平衡潮理论，当月赤纬δ为0时，潮汐椭球如图7—9所示，由于地球的自转，地球上各点的海面高度在一个太阴日内将两次升到最高和两次降到最低。两次最高的高度和两次最低的高度分别相等，并且从最高值到最低值以及从最低值到最高值的时间间隔也相等，形成正规半日潮。当月球赤纬不为0时(见图7—10)，除赤道仍为正规半日潮外，其他一些地区的海面(如A点)虽然在一个太阴日内也可出现两次高潮和两次低潮，但两次高潮的高度不相等，两次涨潮时也不等，形成日不等现象。根据潮汐静力理论可得到以下几个结论：(1)在赤道上永远出现正规正规日潮；(3)当δ不等于0时，在其他纬度上出现日不等现象，越靠近赤道，半日潮的成分越大，反之，越靠近南、北极，日潮的成分越显著。如果同时考虑月球和太阳对潮汐的效应，在半个朔望月内，将出现一次大潮和一次小潮，即潮汐具有半月的变化周期。朔望之时，月球和太阳的引潮力所引起的潮汐椭球，其长轴方向比较靠近，两潮相互叠加，形成朔望大潮；上、下弦之时，月球和太阳所引起的潮汐椭球，其长轴相互正交，两潮相互抵消，形成方照小潮。第三、潮汐的不等现象从平衡潮潮高公式中可看出：(1)当月赤纬不为零时，除赤道及高纬地区之外，地球上其他各点潮汐的半日周期部分和日周期部分同时存在，叠加的结果便出现日不等现象。随着月赤纬的增大，日不等现象也增大，当月赤纬最大的时候，日不等现象最显著，此时半日周期部分最小，日周期部分最大，这就是回归潮；当月赤纬为零时，日周期部分为零，半日周期部分则最大，此时的潮汐称为分点潮。(2)如果把太阳平衡潮考虑在内，那么，当太阴、太阳时角相差0°或180°时，潮差最大，是朔望大潮；而当太阴、太阳时角相差90°或270°，则潮差最小，是两弦小潮(方照小潮)。这样一来，潮汐就有半月周期的变化，即产生半月不等现象。(3)潮高与月地距离的三次方成反比，因此月球近地点时潮差较大，远地点时潮差较小，这就出现潮汐的月周期变化，产生月不等现象。(4)由于地球近日点有一年的变化周期，因此就产生潮汐的年不等现象。(5)由于月赤纬还有18.61年的变化周期，月球近地点有8.85年的变化周期，所以就产生了潮汐多年不等现象。对潮汐静力理论的评价首先，潮汐静力理论具有实用价值，所以迄今仍沿用不衰，其主要表现在于：(1)潮汐静力理论是建立在客观存在的引潮力之上；(2)根据潮汐静力理论导出的潮高公式所揭示出的潮汐变化周期与实际基本相符；(3)由潮高公式计算出来的最大可能潮差为78cm，这一数值与实际大洋的潮差相近，例如：太平洋中的夏威夷群岛，最大潮差仅为0.9～1.0m左右。但是，潮汐静力理论还存在一些缺点，其主要的缺点在于：(1)此理论脱离实际地假定整个地球完全被海水包围，这与实际情况相差较大；(2)完全没有考虑到海水的运动，而且假设海水没有惯性也与实际不符合，事实上，当月赤纬改变时，海水必将产生运动，否则一个高潮面不可能在地面上移动，另外海水要集中也需要一定的时间，所以潮汐静力理论认为每当月球在某处上中天或下中天时，该处便会发生高潮，与实际情况有所差异；(3)浅海、近岸地区的潮差与理论结果相差较大，在浅海，潮差可达几米，甚至十几米；(4)潮汐静力理论既然完全没有涉及海水的运动，因此它无法解释潮流这一重要现象；(5)在一些半封闭的海湾中，常常出现没有潮汐涨落的无潮点，等潮时线绕无潮点顺时针或反时针旋转，两岸的潮差不等，平衡潮理论则无法得出此结论；(6)按照潮汐静力理论，赤道上永远不会出现日潮，低纬度地区也以半日潮占优势，但实际上，许多赤道和低纬度地区，均有日潮出现；(7)理论表明朔望日必发生大潮，但实际上多数的地方大潮出现在朔望日之后两天左右，即大潮出现的时间比朔望日的时间迟后数天，这迟后的天数称为潮龄，如厦门的潮龄为2天，所以，大潮一般出现在农历的初三、十八。五、假想天体和分潮潮汐静力理论虽有缺点，但仍然可以用来解释许多潮汐现象，基于这个理论及实测的资料，可以用调和分析的方法进行较为准确的潮汐预报。调和分析法是建立在假想天体和分潮概念上的，为此，以下就介绍假想天体和分潮的概念。由于月球和太阳的位置在不断地改变，它们相对于地球的距离也在不断地改变，而且它们在各自的轨道上围绕各自的公共质心运动，因此月球和太阳相对于地球的运动是十分复杂的。它们的运动又具有诸多的周期，而且在同一类周期里还参差不齐。人们为了计算太阳、月球的引潮力所引起的海洋潮汐，就把具有复杂周期的潮汐看作是许多周期长短各异的潮汐叠加而成的，而且假设与每一个这样周期的潮汐都对应有一个天体，即“假想天体”。例如，人们假设有一个理想的月球(称之为M2)，它的周期和月球的周期相同，但M2是位于赤道平面上的，并且它对地球公转的轨道是一个圆，地球就位于这个圆的圆心，因此，它每时每刻的运动速度和到地球的距离都是相同的。这样一来，我们可以假定真正天体对潮汐所引起的每一种变化，都不是天体本身的作用，而是由一个或几个假想天体所产生的，这些假想天体对海水所引起的潮汐称为“分潮”。从理论上讲，分潮的数目是很多的，但大部分影响不大。大量的观测和实际结果表明：在一般情况下，对于在一个不很长的时间里(例如几个月、一年、十多年或者几十年)的潮汐变化来说，只要采用近百个分潮便可以相当准确地推算实际潮汐了。而从实用上来说，通常只要选用其中8～11个较大的分潮，也就可以得到偏差不大的结果。但是对于浅水海区，除了几个假想天体的分潮外，还要补充几个由于潮波在浅水区变形和干涉引起的“浅水分潮”。下表列出常用的8个分潮和3个主要的浅水分潮。六、潮汐动