我国古代余道安在他着的《海潮图序》一书中说:“潮之涨落,海非增减,盖月之所临,则之往从之。”汉代思想家王充(公元27~97年)在《论衡》中写道:“涛之起也,随月盛衰,大小满损不齐同。”古代涛和潮通用,指的都是潮水。这段话科学地说明了潮汐对月球的依赖关系。唐代窦叔蒙(8世纪中后期)在《海涛志》中对潮汐现象的记述,对其成因的阐说和对其高潮时刻的推算,在潮汐学史上都有一定的价值。北宋燕肃(约公元961~1040年),指出潮汐变化“随日而应月……盈于朔望……虚于上下弦”。他对海潮进行了10年之久的观察,并总结出高潮时刻与月中天时刻的关系,至今仍有参考价值。宋代的余靖(1000~1064年)指出,潮汐是一种“彼竭此盈,往来不绝”的波动现象。
除了中国以外,其他一些国家对潮汐也有种种历史记述。
到了17世纪80年代,英国科学家牛顿发现万有引力定律之后,提出了潮汐是由于月亮和太阳等天体对海水的吸引力引起的科学假设解释了潮汐产生的原因。原来,海水随着地球自转也在旋转,而旋转的物体都受到离心力的作用,使它们有离开旋转中心的倾向,这就好像旋转张开的雨伞,雨伞上水珠将要被甩出去一样。同时海水还受到月球、太阳和其他天体的吸引力。这两种力合起来就是引潮力。
引潮力的大小与天体的质量成正比,而和天体到地球中心距离的三次方成反比。太阳的质量约为月球质量的2717万倍,但日地间距离平均约为月地间距离的389倍,计算可得到月球引潮力约为太阳引潮力的2.17倍。另外,也可计算出月球引潮力约为金星近地时引潮力的2万倍。
可见,海洋的潮汐现象主要是由月球产生的,其次是由太阳产生的,其他天体的引潮力作用很小,一般可以忽略不计。
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。但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。地球、月球与太阳的相对位置的周期性变化,使得引潮力随之发生周期性变化,这就使潮汐现象周期性地发生。
海洋潮汐的周期大约为半天或一天,同时还具有半月、月、年、18.61年等长周期变化。
在朔日和望日发生大潮,因为那时月球、太阳和地球几乎在同一直线上,太阴潮和太阳潮同时发生,彼此叠加,以致涨潮特别高,落潮特别低。而逢上弦和下弦时,月球和太阳的黄经相距90°,太阴潮的涨潮和太阳潮的落潮同时发生,两者互相抵消,就只能形成小潮。
月球每天在天球上还东移13°多,合计为50分钟,即每天月亮上中天时刻(为1太阴日=24时50分)约推迟50分钟左右,下中天也会发生潮水,每天一般都有两次潮水,故每天涨潮的时刻也推迟50分钟左右。
但由于月球和太阳运动的复杂性,大潮可能有时推迟一天或几天,一太阴日间的高潮也往往落后于月球上中天或下中天时刻一小时或几小时,有的地方一太阴日就发生一次潮汐。
全球潮汐概况
世界大洋潮汐状况
全球海洋大多数海区为半日潮类型,少数海区为混合潮和全日潮类型。
大洋潮汐是月、日引潮力引起的强迫振动,它在固定海盆(海域)产生旋转潮波系统,然后向四周传播,形成各大洋附属海的潮汐。潮汐现象是许多分潮叠加的结果,每一个分潮都是一个旋转潮波系统。对于某一旋转潮波系统而言,有一个无潮点,振动幅度在无潮点处为零,向四周逐渐增大。海洋中存在着许多旋转潮波系统,这个潮波系统的无潮点对于另一个潮波系统则可能就不是无潮点,仍会有潮位振动。
科学家已经计算出了各个大洋和海区一些主要分潮的分布情况,类似的无潮点每个大洋都有几个,我国海区也有。这就使得世界大洋的潮汐分布多种多样,各不相同。大洋中部潮差小,一般为1米左右,周围较大;东部潮差比西部大,但最大潮差出现在西岸。
在太平洋,正规全日潮及混合潮(不正规全日潮、不正规半日潮)较多,正规半日潮相对较少。在赤道与南纬40°之间的大部分太平洋地区,大洋中部的岛屿,巴拿马湾、阿拉斯加半岛沿岸,东海西侧,以及澳大利亚东岸等地都为正规半日潮;阿留申群岛东南、新几内亚(伊里安岛)东北岸、加罗林群岛等地为正规全日潮;西岸大部、北美沿岸及其余地区都是混合潮。太平洋沿岸许多地方的潮差可超过7~9米,东岸阿拉斯加库克湾的潮差为8.7米,巴拿马湾和加利福尼亚湾的潮差在9米以上;西岸的鄂霍茨克海品仁湾潮差可达13.2米,朝鲜仁川港11米,日本海俄罗斯沿岸2.5米,我国钱塘江8米多,福州7米;南太平洋澳大利亚东岸2~4米。
大西洋的潮汐多属半日潮。西欧沿岸为正规半日潮,美洲东侧中部的加勒比海沿岸大部分为不正规半日潮,有些地方为不正规全日潮;墨西哥湾沿岸,除东部为不正规半日潮外,其余地区都是正规全日潮或不正规全日潮。
毗邻北大西洋的加拿大芬迪湾,是世界上潮差最大的地方。平均大潮潮差达13.6米,最大潮差为21米。
印度洋的孟加拉湾、查戈斯群岛、莫桑比克、克罗泽群岛附近洋区和澳大利亚西北近海,为正规半日潮;阿拉伯海、苏门答腊及爪哇岛近海都是不正规半日潮;澳大利亚岸及南岸,属不正规全日潮,西南近海是正规全日潮。仰光的潮差为7.3米,达尔文港为8米,桑给巴尔为4.4米,金斯湾为10~12米,莫桑比克海峡西岸和阿拉伯海东北岸为3~4米,澳大利亚西南岸潮差最小,通常不足1米。
北冰洋的潮汐主要是由大西洋的潮波传入而引起的。除泰梅尔半岛顶端及喀拉海东部沿岸为不正规半日潮外,其余沿岸地区均为正规半日潮。潮高大多在1米以下。只在约坎加湾可以见到6.1米的潮高。
南大洋的潮波自东向西围绕南极大陆传播,以全日潮型为主,间有混合潮,潮差一般在3米以下。罗斯湾为全日潮,潮差在1米左右;威德尔海为半日潮和全日潮,潮差为0.6~3.2米;南极半岛沿岸潮最大,尖端处可达5米。
中国近海潮汐潮流特点由于渤海、黄海、东海和南海的体积远小于太平洋,所以我国近海的潮汐,主要是由太平洋传入的潮波形成的,由日、月等天体引潮力直接在本海区引起的潮汐所占的成分很小。如黄海,它由天体引潮力直接产生的强迫潮仅占3%。
由太平洋向中国海域传来的潮波,一支经日本九州和我国台湾之间水域进入东海,其中一小部分进入台湾海峡,而绝大部分向西北方向传播,引起东海、黄海、渤海的潮振动,形成了东海、黄海、渤海潮汐;另一支通过巴士海峡传入南海,形成南海的潮波。潮波在传播过程中,由于受到地转偏向力、复杂的海底地形和曲折的海岸轮廓的影响,变得因地而异,所以中国沿岸各地的潮汐类型复杂多样,潮差变化显着。大体上渤海、黄海、东海以半日潮为主,而南海则以全日潮为主,但就整个海区而言,潮汐性质是相互交错的。
我国海区的潮流,远海弱,近岸强;东海和黄海较显着,渤海和南海较弱;开阔海域多为旋转式潮流;近岸、岛礁和河口区多为往复式潮流。
潮汐潮流类型分布特点
1.渤海
只有秦皇岛和黄河口附近为正规全日潮,其外围环状区为不正规日潮,此外的大部分海域为不正规半日潮。渤海海峡为正规半日潮,但有一个日潮无潮点(没有潮汐的地点)。在秦皇岛外、旧黄河口岸边分别有一个半日潮的无潮点。
渤海的潮流以半日潮流为主。流速一般不超过1.0米/秒,最强的潮流出现于老铁山水道附近,多为往复流,可达2.0米/秒,辽东湾次之,为1.0米/秒,莱州湾仅为0.5米/秒左右。
2.黄海
除山东半岛成山头以东、海州湾和韩国济州岛附近为不正规半日潮外,大部分海区均为正规半日潮。山东半岛东端的成山头外以及苏北外海有两个半日潮的无潮点,黄海南部有一个日潮的无潮点。
黄海的潮流大都为正规半日潮流,仅在渤海海峡及烟台近海为不正规全日潮流。流速一般是东部大于西部。黄海西部的强流区出现在老铁山水道、成山头附近及江苏中南部沿岸海域,可达2.5米/秒。
3.东海
主要为正规半日潮海区,而日本九州至琉球西侧一带及舟山群岛附近为不正规半日潮。台湾海峡的北部和中部为正规半日潮,南部为不正规半日潮和不正规日潮组成的混合潮。
东海的潮流,西部大多为正规半日潮流,东部则主要为不正规半日潮流。
潮流流速近岸大而远岸小,长江口、杭州湾、舟山群岛附近为中国沿岸潮流最强区,流速可达4米/秒。
4.南海
绝大部分海域为不正规全日潮。正规全日潮分布于北部湾,吕宋岛西岸中、北部,加里曼丹的米里沿岸,卡里马塔海峡至苏门答腊岛海域以及泰国湾北部。
不正规半日潮区散见于巴士海峡、广东近岸、越南中部近岸及南部部分近岸海域、马来半岛东南端、加里曼丹西北近岸海域等。
南海潮流主要为全日潮流,只在广东沿岸以不正规半日潮流占优势。南海的潮流较弱,大部分不到0.5米/秒,琼州海峡和北部湾潮流流速稍大,可达2米/秒以上。
潮差分布特点
中国海沿岸潮差分布的总趋势是东海最大,黄海、渤海次之,南海最小。
各海区潮差的大小与海底地形、海岸线形状有密切关系,一般在海区中央潮差较小,逾近海岸潮差愈大,港湾内部,尤其是港湾顶部潮差最大。
渤海潮差大多为2~3米,渤海海峡区平均为2米左右。沿岸平均潮差以秦皇岛附近最小,不到2米。最大在辽东湾顶,营口达5.4米,其次在渤海湾顶,塘沽达5.1米。
黄海潮差一般是海区中部小而近岸大,东岸一般又比西岸大。朝鲜半岛的西侧,潮差一般为4~8米,最大在仁川附近,可达11米,是世界有名的大潮区。我国大陆沿岸潮差一般为2~4米。辽宁东南部沿岸由西向东潮差逐渐增大,可达4米。山东半岛北部潮差较小,南部略大,成山头附近最小,不足2米。江苏沿岸潮差北部小,南部大,有时可达8米以上。
东海潮差与黄海相反,是西侧大而东侧小。
琉球群岛附近,潮差大多在2米左右,日本九州沿岸一带为3~4米,而西侧浙江、福建沿岸大多在4~5米以上。自浙江的三门湾至福建的泉州湾为中国潮差最大的岸段,是中国潮汐能资源最富集的地区,并且有良好的开发环境条件,其中杭州湾的海宁可达9米,是我国沿海潮差最大的地方,每年农历8月18日前后,可形成壮观的潮涌。台湾岛南北两端的潮差只有2~3米,但海峡中部两侧潮差较大,台湾东侧潮汐属大洋潮汐,潮差很小,仅2米左右。
南海是我国近海潮差最小的区域,其广阔的中部、吕宋岛西岸及越南中部沿岸的潮差在2米以下。广东西部沿岸、北部湾、越南南部沿岸及南海南部的加里曼丹岛西北部沿岸潮差可达4米以上,北部湾是南海潮差最大的区域,其中位于湾顶的北海潮差高达7米。
潮汐对风暴潮的影响
一般的海水潮汐上涨幅度在2米(潮差为4米)左右,当月亮与太阳的引力作用相叠加时,则可以达到4米(潮差为8米)以上(地形独特的沿海地带潮差能达到15米)。风暴潮是由于台风等强天气系统引发的海水升高,一般能够使得海水上涨1~3米。所以当此时正值潮落之时,则相互抵消,不会造成海水大幅度上涨;而如果正好是涨潮,则两者相叠加,就形成了巨大的危害。
同时,风暴潮的危害不仅仅体现在潮水上涨之上,因为剧烈的风暴能使得海面形成巨浪,使海水具备强大的动能。这些动能与海水上涨的势能相结合,对沿海地带的威胁更加剧烈。