4潮汐_1

第4章潮汐潮汐：海面周期性的升降。

例如，来自海滨的水体在海岸上周期性地前进、后退。

在潮差（高潮位与低潮位之差）大的地方，如Fudy海湾,它会显露、淹没海滨上的滩地。

潮差大的河口,如英国Severn河口、中国的钱塘江河口和Amazon河口潮汐以海啸的形式在河口作周期性的运动。

自从牛顿于1687年建立了重力理论，潮汐现象就成了可以进行理论分析的首要地球物理问题之一。

之后，一些著名的科学家如Bernoulli, Laplace, Kelvin, Munk和Catwright对潮汐理论进行过研究。

继牛顿解释了半日潮的基本理论，半个世纪后，Daniel, Bernoulli 通过平衡潮理论分析,试图将潮汐定量化。

约一个世纪后，Marquis de Laplace研究了把潮汐划分为不同种类的分解形式和潮汐运动水动力学控制方程，为潮汐学的现代研究打下了坚实的基础。

又近一个世纪后，Lord Kelvin开创了潮汐调和分析理论，使得基于观测进行潮汐预报成为可能。

在现代，Walter Mank, Darid Cartwright和他们的合作者对潮汐科学研究作出了重要的贡献，具有比较突出的地位。

4.1潮汐的成因、平衡潮理论潮汐是由两种力引起的：第一是月亮和太阳的引力，第二是惯性离心力。

潮汐的形成可用简单的平衡潮理论来解释。

首先我们了解一下月球引力对大洋的影响。

图4.1为从地球北极上方观测的地球和月球。

假设地球被海水均匀地覆盖，想象我们离开地球向下观测地球和月球。

假设没有月球，那么海洋以相等的水深覆盖地球。

然后，月球产生引力，作用于地球水体上，导致水体在月球作用下抬升。

图4.1 潮汐形成示意图从北极上方看，地球绕轴作逆时针旋转。

同样地，地球和月球绕它们的轴心作反时针旋转。

地球和月球大约相距400,000km。

因为地球质量大约为月球的80倍，所以质心处于地球内1,600km处或约4分之1地球半径处。

图4.2表示地球和月球都绕质心旋转。

当月球绕质心运动时，地球也绕质心作圆周运动，半径为地球质量中心到月球和地球质量中心的距离。

图4.2：（a）地球和月球绕共同质心相互旋转。

通过点“A”以及“C”的曲线表示在地球上代表性点跟踪的曲线；（b）由（a）中所示代表性点的圆型路径以及要保持质点做圆形运动的向心力的方向。

地球上每个点作相似半径的圆运动。

也即在地球上连接任意两点的连线，当地球绕地球和月球质心旋转时保持平行。

因为地球上所有质点以同样的加速度和以同样相同半径的圆旋转，所以对地球上每个质点之间具有相同的惯性离心力。

对地球上所有质点它们相互平行，方向背离月球。

如图4.3所示。

图4.3 月球引力和离心力示意图月球对地球的引力使地球上的水体趋向月球。

两个物体间的引力正比例于它们的质量，反比例于他们之间距离的平方。

月球对地球上任意点引力的方向指向月球，处于月球和地球上某点的连线上（见4.3）。

牵引地球的月球引力随着距离月球距离的增加而减小。

地球上面对月球一面的质点比背向月球一面的质点经受了更大的引力作用。

作用于地球上所有质点的平均引力处于地球中心，并且一定等于惯性离心力，但对于地球上其它点（除地心）则处于不平衡中。

这个不平衡由图4.3中引力和惯性离心力的合成矢量所示，以及图4.4中相对月球的净力所示。

图4.4地球上矢量代表由于月球引力和离心力不平衡产生的净力，它能导致在地球两侧“潮汐膨胀”。

月球处于相隔一天的两个位置，用来说明处于“Ｏ”的观测者看到的每天大约50分钟的潮汐滞后。

沿着与地球和月球垂直的中线（过地心），作用于每个质点上的引力恰好提供了所需的惯性离心力。

在靠近月球的一边，引力大于离心力，它导致海洋朝月球方向堆积。

在背离月球方向一面，引力不足以提供离心力来保持质点做圆周运动，质点趋向于背离月球运动。

这个过程导致了地球两侧的潮汐膨胀。

所以，处于点“Ｏ”的观测者将观测到由于地球自身的旋转每天有两个高潮和两个低潮。

月球绕地球旋转，以一个朔望月大约29.5天旋转一周。

在点“Ｏ”的观测者旋转一天，月球已在自己的轨道上向前运动了12度，到了标上“明天”的位置上（见图4.4）。

今天观测到的高潮，在明天观测时将滞后。

由于地球每4分钟旋转一度，高潮将每天滞后约50分钟。

月球不是经常处于和前面图示的与地球赤道平行的平面上。

在月球位于赤道北侧25度处，如果我们从侧面看地球，而不是前面从北极顶部观测，潮汐膨胀最大值不再位于赤道处。

从图4.5可见，潮汐膨胀位于月球下方的赤道北侧，而另一个位于地球赤道南侧的另一侧。

在点“Ｏ”的观测者现在注意到每天有两个高潮和两个低潮，但高潮具有不同的高度，类似的低潮也具有不同的高度。

这个差别叫“日不等性”。

图4.5从侧面观测，月球在赤道北侧，相对赤道潮汐膨胀不对称，导致高低潮高度的日不等现象。

所有前面讨论的是基于地球完全被水覆盖的平衡潮理论。

这个简单的平衡模式确实解释了潮汐的一些主要特征，如日变化、潮汐高度的日不等、高低潮每日推迟约50分钟。

然而，这个理论不能用来预报任意个别地点的潮汐。

太阳的作用太阳引力也对海洋产生潮汐，太阳引起的潮汐成因十分类似于月球引起的潮汐成因。

因为太阳更加远离地球，所以太阳引起的潮汐膨胀只有月球产生的潮汐膨胀的46%。

当太阳和月球与地球正好处于一线时，太阳的影响特别重要。

两个天体的共同引力吸收在近海产生十分显著的潮汐，称大潮（spring tide）。

大潮在新月和满月时发生，大约每14天一次（见图4.6）。

当太阳和月球与地球形成直角时，合成的引力将产生弱的潮汐，称为小潮（neap tide）。

它也大约14天发生一次，在上弦和下弦时刻。

潮差（tidal range）定义为高潮时最大水位与低潮时最小水位之差。

月球和地球轨迹不完全是一个圆，而是一个椭圆。

这引起了它们间距离的变化。

有时它们靠近，有时它们远离。

在某种条件下，这会引起极端的潮汐条件。

图4.6大潮和小潮循环示意图4.2潮流由于潮汐引起的周期性的水体运动称之为潮流。

在开阔大洋中的潮流相对较弱。

然而，在近岸它们可达到每小时几公里的速度。

在浅海和河口潮流在地貌上十分重要。

它们可移动大量泥沙，最终淤积或阻断港口。

在一些河口大潮区，大波形成并向上游传播。

这个大波称之为涌潮。

涌潮可以达到3.0米高度或更大，速度可超过每小时15公里。

在世界范围内取平均值，潮差大约为1至3米。

在一些地方，如芬地湾和加利福尼亚湾，潮差可达到20米。

这些极端的潮汐是由一个地方的地貌产生的。

面向潮汐进入方向的典型的V型和U型海湾，有利于形成大的潮汐。

涨潮和落潮流当潮汐上升时向岸流动的流，称为涨潮流，当潮汐下降时向海流动的流，称为落潮流。

半日潮大部分地区每天有两个高潮和两个低潮。

当两个高潮和两个低潮有大致相同的振幅时，这种形态的潮汐称为半日潮。

全日潮一些地区，如墨西哥湾，每天只有一个高潮和低潮。

当高潮和低潮振幅接近时，这种形态潮汐称为全日潮。

混合潮如果高潮的高度以及低潮的高度不同，这个形态潮汐称为混合潮。

美国西海岸主要为混合潮，东海岸主要为半日潮为主。

3种潮型见图4.7。

图4.7 在New orleans 、New York 和Long Angeles处全日潮、半日潮和混合潮例子在狭长的水道中一般的潮流形态是当涨潮时涨潮流朝一个方向，而当落潮时落潮流朝反方向流动。

然而，在较开阔的大陆架和浅海，潮流具有变化的流速和旋转的方向的特征。

这样流可用流矢量潮流图表示。

即用流矢量端点来跟踪，代表一个潮周期内每隔1小时潮流位置。

在潮汐为半日潮或全日潮的地方，潮流图为一个椭圆，对混合潮，则复杂一点。

图4.8给出了一个典型的例子。

图4.8 潮流图形成（a）半日规则潮(b)半日不规则潮。

矢量代表从高潮起每太阴时流速（为避免流矢过密，b中画偶数时刻流矢）。

4.3典型海洋区域的潮汐在世界海洋中，潮汐包含许多主要分潮。

表4.1展示了一些主要分潮的特征。

主要分潮分为三个主要类型：（1）周期大约为12小时的半日朝；（2）周期大约为24小时的全日潮；（3）周期远大于24小时的长周期潮。

在大洋的许多地区有5个主要分潮所控制。

它们是三个半日潮：（1）M2分潮，太阴半日潮，周期为12.42 小时；（2）S2分潮，太阳半日潮，周期为12小时；（3）N2分潮，较大的太阴椭圆潮，周期为12.66小时，以及两个全日潮，K1分潮（太阴太阳日潮）和O1 分潮（主要太阴日潮）。

表4.1 主要分潮的特征4.3.1开阔大洋中潮汐 开阔大洋中只有少量的潮汐观测站。

我们目前对开阔大洋潮汐的了解主要基于Laplace 动力理论和数值模式结果。

为了更好地了解潮汐，我们首先引入了一些潮汐参量的概念。

第一个是无潮点（amphidrome or node ）。

无潮点是零潮位降升的地方，同潮时线在北半球一般反时针方向旋转，在南半球顺时针方向旋转。

第二个是同潮(co-tidal)和同位相(co-phase)线。

同潮和同位相线为任一时刻等振幅和等位相的连线。

波沿水渠传播，它们是与传播方向垂直的直线。

而对绕一个点旋转的潮波无潮点系统，它们看起来像轮辐。

第三个是同潮差线，它们是连接同潮差点的连线。

4.3.2近岸潮汐当潮波向大陆架传播时，它们正是表面惯性重力波，它们受底形折射后平行于局地等深线，随后朝海岸运动。

在近海岸，科氏力是潮汐运动的一个重要特征，在北半球它的作用是推动水体向右转，从而引起波的振幅朝海岸增加，也解释了Kelvin 波沿岸捕捉的机理。

这样捕捉的Kelvin 波引起水体平行海岸往复运动。

在一些海岸地区，潮汐主要有半日分潮控制。

然而，在其它地方，它们被全日潮控制（如墨西哥湾）。

一个更系统的潮汐类型分类为形态比（form ratio ），即)()(2211S M O K F ++= 两个主要全日分潮振幅之和与两个主要半日分潮振幅之和之比。

对实际应用，我们经常用下列数值来分类潮汐：F=0到0.25：半日潮，每天高潮和低潮均有大致相同的高度，平均大潮潮差=2(M2+S2)。

F=0.25到1.5：主要以半日潮为主的混合潮，每天在高潮和低潮之间的差值有大的不相等现象，平均大潮潮差=（M2+S2）。

F=1.5到3.0：主要以日潮为主的混合潮，每天只有一个高潮, 平均大潮潮差=2（K1+O1）。

F>3.0: 日潮，一般每天只有一个高潮，平均大潮潮差=2（K1+O1）。

以形态比分类的四个类型潮汐曲线例子可从图4.9所示。

图4.9 以形态比分类的四个类型潮汐曲线（资料取自Admiralty 潮汐表）4.3.3 河口潮因为河口宽度、深度的变化、摩擦的增加和向海的河流，向河口上游传播的潮波将发生变化。

如果向河口上游地形变窄、变浅，潮差将向上游增加。

在一些河口，可清楚地看到两层流系统。

当通过落潮流淡水向海移动时，底层将出现由海向河口的上朔流。