潮汐的概念
到过海边的人都会看到,海水有一种周期性的涨落现象。到了一定时间,海水推波助澜,迅猛上涨,达到高潮,有时景色十分壮观;过后一些时间,上涨的海水又悄然退去,露出一片海滩,出现低潮。如此循环往复,永不停息。
海水的这种运动现象就是人们通常说的潮汐。
潮汐是沿海地区的一种自然现象,在中国古书中讲:“大海之水,朝生为潮,夕生为汐。”古代称白天的潮汐为“潮”,晚上的称为“汐”,合称为“潮汐”,它的发生和太阳、月球的引力都有关系,也和中国传统历法农历对应。在农历每月的初一即朔点时刻处太阳和月球在地球的一侧,所以就有了最大的引潮力,会引起“大潮”;在农历每月的十五或十六前后,太阳和月亮在地球的两侧,太阳和月球的引潮力你推我拉,也会引起“大潮”;在月相为上弦和下弦,即农历的初八和二十三时,太阳引潮力和月球引潮力互相抵消了一部分,发生“小潮”。故农谚有“初一十五涨大潮,初八二十三到处见海滩”之说。
实际上,潮汐不仅是海水的运动现象。广义上,潮汐是由于天体(主要是月球和太阳)引潮力的作用,使地球的岩石圈、水圈和大气圈中分别产生的周期性的运动和变化的总称。固体地球在日、月引潮力作用下引起的弹性——塑性形变,称固体潮汐,简称固体潮或地潮;海水在日、月引潮力作用下引起的海面周期性的升降、涨落与进退,称海洋潮汐,简称海潮;大气各要素(如气压场、大气风场)受引潮力的作用而产生的周期性变化(如8小时、12小时、24小时)称大气潮汐,简称气潮。其中由太阳引起的潮汐称太阳潮,由月球引起的称太阴潮。对海洋而言,太阴潮比太阳潮显着。地潮、海潮和气潮的原动力都是日、月对地球各处引力不同而引起的,三者之间互有影响。
大洋底部地壳的弹性——塑性潮汐形变,会引起相应的海潮,即对海潮来说,存在着地潮效应的影响;而海潮引起的海水质量的迁移,改变着地壳所承受的负载,使地壳发生可复的变曲。气潮在海潮之上,它作用于海面上引起其附加的振动,使海潮的变化更趋复杂。
作为完整的潮汐科学,其研究对象应将地潮、海潮和气潮作为一个统一的整体,但由于海潮现象十分明显,且与人类的经济活动、军事行动、交通运输等关系密切,因而习惯上将潮汐一词狭义理解为海洋潮汐。
因此,人们通常所说的潮汐现象是指海水在天体(主要是太阳和月球)引潮力作用下所产生的周期性运动,习惯上把海水在海面垂直方向的涨落称为潮汐,而海水在海面水平方向的流动称为潮流。
为了掌握潮汐的变化规律,各国在沿岸建了许多验潮站,进行长期连续观测,记录每天24小时的潮位值、高低潮的潮时和潮高以及有关的潮汐特征值。
通过长期观察分析,人类逐步认识了潮汐周而复始的变化过程及特征。由于月球、太阳和地球三者的相对位置时刻都在变化,因而潮汐的过程每天都不同。月球和太阳对地球的引潮力时强时弱,潮高和潮时随之发生变化,造成潮汐不等现象。潮汐现象由几百个周期不同且振幅不一的分潮所组成,也就是说,组成潮汐现象的每一个分潮的强度,以及周而复始地重复一次变化所经历的时间,与其他分潮都是不一样的,因而会出现不同的潮汐类型。海洋潮汐看似时刻变化、杂乱无序,其实还是有一定规律的。
时至今日,在诸多自然现象中,海洋潮汐是人类能够预报得最为准确、预报精度也最高的一种自然现象。
在一个潮汐周期内,完成一次潮汐升降运动的过程叫潮汐过程。在潮汐过程中,当海面即潮位上升到最高点时,称为高潮或满潮;在此刻前后的一段时间,潮位不升也不降,称此阶段为平潮;接着潮位开始降落,当它降到最低点时,称为低潮或干潮;在此刻前后的一段时间,潮位又不升不降,称此阶段为停潮。停潮之后,潮位又开始上升。平潮和停潮的时间长短都因地而异。
专业上规定平潮的中间时刻为高潮时,当时的潮位高度为高潮高;停潮的中间时刻为低潮时,当时的潮位高度为低潮高。
相邻的高潮和低潮的潮位高度差,称为潮差。从低潮至高潮的过程,称为涨潮;从高潮至低潮的过程,称为落潮。涨潮阶段的潮差为涨潮差,时间间隔为涨潮时;落潮阶段的潮差为落潮差,时间间隔为落潮时。
涨潮时与落潮时之和为一个潮汐周期,涨潮潮差与落潮潮差的平均值是一个潮汐循环的潮差。计算潮高的起算面称潮高基准面,潮汐涨落过程中从潮高基准面到海面的高度通称潮高。
潮高计算具有重要意义。长时期每小时潮位平均值就是平均海平面。中国“1956年黄海平均海水面”和“1985年国家高程基准”,都是根据海军青岛观象台海洋站的潮位资料计算的。
潮汐在做简单重复运动的同时,还会出现潮汐不等现象,这是月球、太阳和地球三者的相对位置不断变化的缘故。不仅它们的距离有变化,而且三者还不在同一个平面上,所以月球和太阳对地球的引潮力,有时互相增强,有时互相削弱,致使潮高和潮时都随着发生变化。其中比较主要的现象有半月不等、月不等、赤纬不等和日不等四种现象。
半月不等现象由于农历每月的朔(初一)和望(十五或十六),月球、太阳和地球的位置大致处于一条直线上,这时月球和太阳的引潮力的方向相同,它们所引起的潮汐相互增强,使潮差出现极大值。这种极大值每半个朔望月(14.7653天)出现一次,相应的潮汐称为大潮或朔望潮。大潮过后,潮差逐渐减小,在农历每月的上弦(初八或初九)和下弦(二十二或二十三)时,月球和太阳的引潮力的方向接近正交,因而互相削弱的情况最为显着,故潮差达极小值。这种极小值也是每半个月出现一次,相应的潮汐称为小潮或方照潮。这种大潮、小潮的依次更替,称为半月不等现象。实际上,中国海区的大潮通常出现在朔和望之后约两天的时候,小潮通常出现在上弦和下弦过后约两天的时候。
月不等现象是由于月球绕地球运动的轨道为椭圆,月球从近地点出发,经过远地点又回到近地点,需要27.5546天,从而月球对地球的引潮力也随着产生相应的周期变化。这一原因所导致的潮差变化,叫做潮汐的月不等现象。
赤纬不等现象由于月球轨道面与地球赤道面斜交,所以月球的赤纬不断变化。在每个回归月中,月球半个月处于赤道面以北,半个月在赤道面以南。因为在上半月和下半月的引潮力效应相同,所以周期为半个回归月(13.6608天),相应的潮汐变化称为赤纬不等现象。
日不等现象是潮汐曲线每天相邻的高潮和低潮的高度差存在逐日变化的现象,其周期为27.3216天,相应的潮汐变化称为日不等现象。
就潮汐不等现象的总效果而论:淤对月球而言,它大约每两周经过赤道一次,这时相邻的高潮和相邻的低潮的不等现象甚小,相应的潮汐称为赤道潮;当月球在南(北)赤纬最大的位置附近时,潮汐不等现象甚大,相应的潮汐称为回归潮。于对太阳而言,每年在春分和秋分前后,它的赤纬最小,如果月球此时出现在赤道附近,则潮汐不等现象最小,相应的潮汐叫分点大潮;而在夏至和冬至前后,太阳的赤纬最大,若此时月球赤纬较大,这时所产生的潮汐不等现象最大,相应的潮汐叫至点大潮。
潮汐类型
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地球上同一子午线所需的时间)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,如天津大沽、山东青岛、福建厦门等。
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,15天出现全日潮,其余日子为不规则的半日潮,潮差较大。
按潮汐特征值的大小和范围还可将海洋潮汐分为正规半日潮、正规全日潮、不正规半日潮和不正规全日潮4种类型。实际上,不正规半日潮和不正规全日潮合称为混合潮。
不论哪种潮汐类型,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。
由于潮流和潮汐本为一体,因此,潮流也有类似于潮汐的四种类型。但在日常生活和工作中,常以潮流的运动方向来给潮流分类,分为往复潮流和旋转潮流两种。
往复潮流多发生在海峡、水道、江河口的狭窄港湾和沿岸处,也称来往式潮流,受地形影响,潮流只能呈现往复式的变化形式运动,潮流流动的方向主要在两个相反方向上变化着。在前进的潮波中,高潮时流速最大,随后减慢,在半潮面时流速为零,此时称憩流或转流;接着在低潮时,流速又最大,尔后又减小,又转流。往复流在每一太阴日改变方向两次(全日潮型)或四次(半日潮型)。
旋转潮流是潮流的普遍形式,也叫回转流。在广阔海区,受地转偏向力和地形作用,潮流像在兜圈子似的,时刻在变化着方向和速度,形成回转流。回转流在每一太阴日回转一次(全日潮型)或两次(半日潮型),没有憩流现象。
潮汐的成因
古时候,很多贤达都探讨过潮汐的产生问题,提出过一些假想。古希腊哲学家柏拉图认为地球和人一样,也要呼吸,潮汐就是地球的呼吸。他猜想这是由于地下岩穴中的振动造成的,就像人的心脏跳动一样。