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海洋潮汐是沿海地区的一种自然现象,古代称白天的河海涌水为“潮”,晚上的称为“汐”,合称为“潮汐”。习惯上把海面垂直方向涨落称为潮汐,而海水在水平方向的流动称为潮流。

基本介绍

在日、月等天体的引潮力作用下海水有一种周期性的涨落现象:到了一定时间,海水迅猛上
海洋潮汐

海洋潮汐

涨,达到高潮;过后一些时间,上涨的海水又自行退去,留下一片沙滩,出现低潮。如此循环重复,永不停息。海水的这种运动现象就是潮汐。海水受引潮力作用而产生的海洋水体的长周期波动现象。它在铅直方向表现为潮位升降,在水平方向表现为潮流涨落。
潮汐的升降和涨落,与人们的多种活动有密切的关系:船只航行和进港出港、舰艇活动、沿海地区的农业、渔业、盐业、港口建设、大地测量、环境保护等,都必须掌握潮汐变化的规律。此外,利用潮汐进行发电,也是能源开发的一个重要方面。

形成原因

月球、太阳或其他天体对地球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。任意天体对地球某处的引潮力的大小,与天体的质量成正比,与地心到天体中心的距离的三次方成反比,还与天体到该处的天顶距有关(天顶距越接近90°,引潮力越小)。因此,地球上引潮力的大小和方向都因时因地而异(图1)。虽然太阳的质量比月球大得多,但因它离地球更远,结果它的引潮力只有月球的46%。其他天体对地球的引潮力与月球或太阳相比甚小,都可以忽略。由月球的引潮力引起的潮汐,叫做太阴潮;由太阳引潮力引起的,叫做太阳潮。两者都属于天文潮。引潮力不仅产生了海洋潮汐,而且引起固体地球潮汐(地潮)和大气潮汐(气潮)。对海洋来说,地潮在海潮之下,气潮在海潮之上,它们都对海潮产生影响。

过程

月球和太阳相对于地球的运动都有周期性,故潮汐也有周期性。从潮汐过程来看:当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。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。

特征

潮汐的过程,每天不同,这是因为月球、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。其中比较主要的有半月不等、月不等、赤纬不等和日不等 4种现象。

半月不等现象

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(图2),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(廿二或廿三)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著,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

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。由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

潮汐曲线每天相邻的高潮和低潮的高度差逐日变化的现象,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:①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。②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,相应的潮汐叫做分点大潮;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,相应的潮汐叫做至点大潮。

主要类型

潮汐现象可看成由许多周期不同且振幅各异的分潮所组成。在这些分潮中,以主太阴半日分潮M2、主太阳半日分潮S2、太阴太阳赤纬全日分潮K1和主太阴全日分潮O1最为重要,它们的振幅分别为 HM2、 HS2、 HK1和 HO1。因此,通常用这4个基本分潮的振幅的比值作为潮汐的特征值:
第一类特征值:
第二类特征值
根据以上特征值的数值范围,将潮汐分为半日潮、混合的不正规半日潮、混合的不正规全日潮和全日潮4种类型。

半日潮

第一类特征值小于0.25,或者第二类特征值小于0.5。这种潮汐在一个太阴日(24小时25分)中有两次高潮和两次低潮,相邻的高潮或相邻的低潮的潮高大体相等,例如中国的厦门和塘沽的潮汐。

混合的不正规半日潮

第一类特征值为 0.25~1.5,或者第二类特征值为0.5~2。这种潮汐在一个太阴日中有两次高潮和两次低潮,但两次高潮或低潮的潮高不等,涨潮时和落潮时也不等,例如中国台湾省的马公和安平等地的潮汐。

混合的不正规全日潮

第一类特征值为1.5~30,或者第二类特征值为2~4。这种潮汐,在半个月内的大多数时间为不正规半日潮,少数几天在一个太阴日内会出现一次高潮和一次低潮的全日潮现象,例如中国广东省的榆林、碣石湾和陵水湾等地的潮汐。

全日潮

第一类特征值大于30,或者第二类特征值大于4。这种潮汐,在每半个月中有连续 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,而少数几天潮差较小,而且呈现出半日潮现象,例如中国的北海、北黎和涠洲岛等地的潮汐。
大洋潮汐是在月球、太阳等的引潮力的作用下所引起的强迫振动,在地转和地形的影响下形成各自的旋转潮波系统(见潮汐动力学理论)。中国沿海的潮汐主要是太平洋的潮波传入所产生的,在受到各海区的地转和地形的影响下,产生各自的潮波系统。中国沿海的潮汐类型的分布,是由主要潮波系统的分布决定的。一般说来,除南海外,中国沿海大多为半日潮类型;南海大多为混合潮类型,而北部湾是世界上最典型的全日潮海区,这是因为该海区的固有振动周期接近24小时的缘故。

利用

潮汐能是以位能的形态出现的海洋能,是指海水潮涨和潮落形成的水的势能。全世界潮汐能的理论蕴藏量约为3 ×109kw。中国海岸线曲折,全长约1.8×104km,沿海还有6000多个大小岛屿,组成1.4×104km的海岸线,漫长的海岸蕴藏着十分丰富的潮汐能资源。中国潮汐能的理论蕴藏量达1.1×108kw,其中浙江、福建两省蕴藏量最大,约占全国的80.9%,但这都是理论估算值,实际可利用的远小于上述数字。
潮汐能的重要作用之一是用来发电,世界各国已选定了相当数量的适宜开发潮汐能的站址。据最新的估算,有开发潜力的潮汐能量每年约200TW·h。1912年,世界上最早的潮汐发电站在德国的布斯姆建成。1966年,世界上最大容量的潮汐发电站在法国的朗斯建成。中国在1958年以来陆续在广东省的顺德和东湾、山东省的乳山、上海市的崇明等地,建立了潮汐能发电站。世界三大著名潮汐电站是加拿大安纳波利斯潮汐电站、法国朗斯潮汐电站 、基斯拉雅潮汐电站 。
此外人们还用海洋潮汐来安排捕鱼、产盐及发展航运、海洋生物养殖活动,而且海洋潮汐对于很多军事行动有重要影响。历史上就有许多成功利用潮汐规律而取胜的战例。
1661年4月21日,郑成功率领两万五千将士从金门岛出发,到达澎湖列岛,进入台湾攻打赤嵌城。郑成功率领军队乘着涨潮航道变宽且深时,攻其不备,顺流迅速通过鹿耳门,在禾寮港登陆,直奔赤嵌城,一举登陆成功。
1939年,德国布置水雷,拦袭夜间进出英吉利海峡的英国舰船。德军根据精确计算潮流变化的大小及方向,确定锚雷的深度、方位,用漂雷战术取得较大战果。
1950年朝鲜战争初期,朝鲜人民军如风卷残石,长驱直入打到釜山一带。经过分析计算,美军于9月15日利用大潮高涨,穿过了平时原本狭窄、淤泥堆积的飞鱼峡水道和礁滩,出人意料地在仁川港登陆。朝鲜人民军因此被拦腰截断,前线后勤完全失去保障,腹背受敌,损失惨重,几乎陷入绝境。麦克阿瑟指挥的美军和联合国军,仅用1个月,几乎席卷朝鲜半岛,兵临鸭绿江边,取得空前胜利。

研究历史

人类很早就知道潮汐和月球有密切的关系。中国的古人曾把早晨海水上涨的现象叫做潮,把黄昏上涨的叫做汐,故合称潮汐,或称海潮。中国汉代的王充(公元27~97)在《论衡》一书中指出:“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961~1040)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,并计算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)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,英国科学家I.牛顿(1643~1727)才根据他提出的万有引力定律,对潮汐作了科学的解释,至此,用引潮力说明潮汐的原因,便为大家所接受。继牛顿之后,D.伯努利和P.-S.拉普拉斯分别建立了潮汐的静力学和动力学的基础理论。此后,不少学者继续对潮汐进行理论研究,直到19世纪60年代末,开尔文和G.H.达尔文等人提出了潮汐分析和预报方法,并得到广泛应用之后,才形成了潮汐学。
从潮汐学的发展情况来看,在引潮力作用下,实际的大洋水体如何作出响应和在地转适应过程中如何形成各自的潮波系统,一直是重要的研究课题;对全球海洋的主要分潮波的分布虽然已经作出计算,但其精度仍有待于进一步提高;对于有一年以上的每小时潮位观测资料的深水港口,虽可作出可靠的潮位预报,但是对于浅水港口的预报精度不如前者;因为潮流的观测比潮位困难,而影响流场的因素又更加复杂(如天气状况等),所以潮流的分析和预报的精度有待于提高。应用人造卫星的测量技术和布设海洋浮标阵及浮标站等,可提高潮位和潮流的观测精度,使潮汐的分析预报更加可靠。此外,无论大地测量学、地球物理学、气象学、海洋学或天文学,在应用卫星测高仪时,都要求了解全球海洋任何时刻在大地水准面上的潮位高度。然而,海洋大地水准面受潮汐的影响,难以确定,故必须算出高精度的海洋潮汐分布图。
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