潮汐

潮汐（tide），是指海洋水面在月球和太阳引力共同作用下，随着它们位置的变化而呈现出的周期性涨落现象。在中国古代，人们将白天的海水涨落称为“潮”，而晚间的则称为“汐”。这两者相结合，便形成了现今所说的“潮汐”一词。从涨落周期的角度来看，潮汐可分为半日潮、全日潮和混合潮三种类型。

潮汐这一名称的中文由来，主要源于古代中国对海水涨落现象的细致观察与记录。东汉时期，中国唯物主义哲学家王充在《论衡》一书中提到“涛之起也，随月盛衰：大小满损不齐同”。余道安《海潮图序》也提到“潮之涨落海非增减，盖月之所临，则之往之”。北宋燕肃著《海潮论》绘制《海潮图》。《海潮论》论述了海潮形成的原因。他指出“日者众阳之母，阴生于阳，故潮附之于日也；月者，太阳之精，水者阴，故潮依之于月也。是故随日而应月，依阴而附阳。根据古代的观察和记录，人们发现海水在白天和夜晚都有涨落的现象。于是，中国古代将白天海水涨落称为“潮”，而晚上海水涨落则称为“汐”。这两者合起来，便形成了现在所说的“潮汐”一词，用以描述海水因受天体引力影响而产生的周期性涨落现象。此外，中国古代航海者还将“潮”作为重要的计程单位。他们将潮汐从涨至落或从落至涨的过程称为“一潮”，并利用两地航道沿途潮汐相继发生的次数来估算航程的远近。潮汐的英文“tide”一词的起源与伽利略的学术研究。伽利略提出了“潮汐”这一术语，旨在证明潮汐现象完全是由地球的运动所产生的。他的这一观点旨在进一步证实哥白尼主义的物理真理，即地球围绕太阳运转的天文学说。伽利略的研究和理论为潮汐现象的科学解释奠定了重要基础，使得“tide”一词成为国际上通用的描述海水周期性涨落的名词。

广义广义上，潮汐是由月球和太阳对地球不同区域的引力差异导致的周期性水位、地壳形变和大气运动现象。这种现象是地球与其天然卫星月球以及太阳之间相互作用的结果，具体表现为海洋、陆地和大气层中的周期性变化。其包括海洋潮汐、固体潮（陆潮）和大气潮汐。其中，固体潮和大气潮汐分别指地壳的周期性形变和大气的周期性运动。狭义狭义上，潮汐特指海水在月球和太阳引力作用下，随其位置变化而呈现的周期性涨落现象。

海洋潮汐的形成主要源于天体的引潮力作用。引潮力是指月球、太阳或其他天体对地球上单位质量物体的引力与对地心单位质量物体的引力之差，即天体的引力与惯性离心力的合力。根据万有引力定律，不同地点的水质点受到的月球引力大小并不相同。离月球较近的水质点受到的引力较大，反之则较小，且这些引力的方向都指向月球，彼此并不平行。而海洋中的每个水质点都会受到一个惯性离心力的作用，这个力的大小在各个地方都是相同的，方向则背离月球，且彼此平行。当月球和太阳等天体对地球产生引力作用时，由于地球的自转和这些引力的综合效应，就形成了引潮力。尽管太阳的质量远大于月球，但由于月球距离地球较近，其对海水的引潮力实际上要大于太阳的引潮力，大约是太阳引潮力的两倍。其他行星对海水的引潮力则相对较小。这种引潮力导致地球上的海水产生周期性的涨落现象，便是潮汐。在月球和太阳的引力作用下，地球的海水被拉伸和压缩，形成了潮汐的涨落。因此，海洋潮汐的形成是天体引力与地球自转运动相互作用的结果。

潮汐示意图

• 高潮（High，HW）

指潮汐涨落一个周期内达到的最高潮位。潮位，即潮汐现象出现时海面相对于某一基准点的高度。

• 低潮（Low Water，LW）

为潮汐涨落一周期内所达到的最低潮位。

• 涨潮（Flood Tide，Flood）

描述一个潮汐周期内潮位逐渐上升的过程。

• 平潮（Still Tide）

指在高潮前后的一段时间内，海面保持相对稳定，既不上涨也不下降的平衡状态。平潮时间因地区而异，通常较短，从几分钟到几十分钟不等，但在大河入口处可能较长。

• 落潮（Ebb Tide，Ebb）

描述一个潮汐周期内潮位逐渐下降的过程。

• 停潮（Water Stand）

指低潮前后的一段时间内，海面处于静止状态，既不上涨也不下降。

• 低潮时

停潮的中间时刻。

• 平均海平面（Mean Sea Level，MSL）

海面因潮汐现象而周期性升降，这种升降是沿着某一特定面进行的上下振动。平均海平面则是指在一定时间间隔内，每小时海面高度的平均值。

潮汐的涨落现象因时间和地点的不同而展现出各异的风貌。从涨落周期的角度来分析，根据潮位曲线的变化，可以将其细分为以下三种类型：

这种潮汐的周期大约为半天，意味着一昼夜中会出现两次高潮和两次低潮。两次高潮与两次低潮的高度相差无几，相邻两次的潮差也几乎相等。同样地，两次相邻的高潮或低潮之间的时间间隔也基本保持一致，大约在12小时24分钟左右。

这种潮汐的周期大约为一天，即一昼夜中仅有一次高潮和一次低潮。它的主要特点是，在半个月的时间里，有超过一半的天数表现为日潮，而其余天数则表现为半日潮。

混合潮是指半日潮和全日潮相互交织的潮汐现象。它又可以进一步分为不正规半日潮和不正规日潮两类。

• 不正规半日潮

基本上保留了半日潮的特征，但在一个太阳日内，相邻的高潮或低潮的潮位差异显著，涨潮和落潮的时间也不尽相等。尤其是在浅海或江河口区域，落潮的时间往往会长于涨潮的时间。

• 不正规日潮

表现为在半个月内，日潮的天数不超过7天，其余天数则呈现出不正规半日潮的特点。

• 海滩形态的塑造与调节

海洋潮汐可以塑造和调节海滩形态。涨潮时，随着水位的上升，海滩前缘的高度降低，使得冲积物在湾区相对较多地积累，从而缩小了海滩前缘的横向范围。而在落潮时，海滩前缘的高度则增加，冲积物在湾区相对较少，导致海滩前缘的横向范围扩大。这种周期性的变化对理解和预测海滩的动态演变具有重要意义。

• 沉积物分布的再分配

海洋潮汐对沉积物的空间分布产生影响。潮汐的涨落会带动沉积物的搬运和再分配，使得不同区域的沉积物粒度表现出明显的差异。例如，在潮汐作用强烈的海域，沉积物粒度可能会随潮汐水位的变化而呈现明显的季节性变化。这种沉积物分布的再分配对于理解海岸地貌的演变以及海岸带资源的开发利用具有重要意义。

• 海岸线侵蚀与淤积的调控

海洋潮汐对海岸线的侵蚀与淤积过程具有直接影响。在潮汐作用强烈的区域，海岸线可能会经历更频繁的侵蚀与淤积过程。潮汐的大小、波浪条件以及海岸地形的特点共同决定了侵蚀与淤积的程度和速率。例如，在台风等极端天气事件发生时，潮汐与风暴潮的叠加效应可能会加剧海岸线的侵蚀过程，对海岸地貌造成显著影响。

• 潮沟地貌的发育与演变

潮沟作为潮滩地貌的重要组成部分，其形态和特征受到潮汐周期性涨落的深刻影响。潮汐的强弱、频率以及持续时间都会影响潮沟的摆动性、延伸方向以及深度等特征。因此，研究海洋潮汐对潮沟地貌的影响有助于深入理解潮滩地貌的演变规律和机制。

• 地球形状和结构的变化

海洋潮汐通过引起地球表面和内部的重力梯度变化，对地球的形状和结构产生显著影响。此外，海洋潮汐还会引起地球自转速度的微小变化。这种变化与海潮模式中的周日和半日变化相符合，进一步证明了海洋潮汐对地球运动状态的影响。

• 地球内部应力和应变的影响

海洋潮汐还对地球内部的应力和应变产生影响。这种影响在不同深度处表现出不同的特征，具有一定的复杂性和局部性。在靠近海洋潮汐作用强烈的区域，应力负荷的影响随深度增大而减小；而在远离这些区域的地方，应力负荷的影响则随深度增大而增大。这表明海洋潮汐对地球内部结构的影响并非均匀分布，而是受到多种因素的共同作用。

在中国，近海沿岸的潮汐现象尤为显著，自古以来便激发了人们对这一自然现象的浓厚兴趣。北宋时期的燕肃，经过长达十几年的观测，精心绘制了《海潮图》；沈括则在《梦溪笔谈》中提出了潮波传播的创新思想。在西方，人们早在300多年前就在海边设立了验潮站，开始正规地观测潮汐现象，统计潮汐特征值，并据此进行潮汐预报。英国科学家卢巴克（Luback）提出的最原始的非调和潮汐分析预报法，至今仍广泛应用于航海实践中。尽管中外古代科学家对潮汐现象有着深刻的理解，但直到17世纪80年代，牛顿发现万有引力定律后，才首次科学地揭示了潮汐产生的机理，为这一学科奠定了科学基础。1687年，牛顿又在其《自然哲学的数学原理》（Philosophiae naturalis principiamathematica）xxx卷和第三卷以及题为《世界体系》的附录中，提出了潮汐的静力理论——也称为平衡理论，并率先尝试建立一般水波理论，即用于描述水面波动现象的简化模型。他通过将水波与U型管中液体振动的类比，推出了深水波的频率与波长的平方根的倒数成比例等结论。随后，法国数学家如拉普拉斯、拉格朗日等人，以及英国的罗素（Russell）、格林（Green）等人，都对水波理论做出了重要贡献。这些理论的发展为后来的潮汐研究奠定了坚实的基础。在牛顿潮汐理论建立约50年后，伯努利（Bernoulli）提出了平衡潮理论，成功解释了一些常见的海洋潮汐现象。然而，由于该理论基于静力学原理，它无法解释那些本质上属于动力学问题的海洋潮汐现象。大约在牛顿之后的100年，拉普拉斯（Laplace）进一步推动了潮汐理论的发展，提出了潮汐动力学理论。他认为，海洋潮汐是在天体引潮力作用下产生的一种强迫振动，并建立了描述潮汐运动与引潮力关系的动力学方程。这一方程成为研究大洋潮汐的基本工具，围绕其求解问题，潮汐动力学理论得以不断发展。潮汐动力学自拉普拉斯起，便沿着两大方向并行发展。一是大洋潮汐求解，旨在揭示其形成机制。20世纪60年代，学者如艾尼（Ainy）、杜德森（Doodson）和普鲁德曼（Prudman）在理想海洋潮汐分布与特征频率上取得了显著成果，为后续研究铺平了道路。另一方向则是小尺度潮波传播研究，其中汤姆森（Thomson）提出的开尔文波理论具有代表性。然而，早期理论往往简化海洋形状，导致模型与实际存在出入。得益于电子计算机与计算技术的进步，潮汐动力学方程的求解更为精准，如汉森（Hansen）的二维潮汐数值计算。在不依赖观测资料的情况下，佩克（Pekeris）等人成功计算出了M分潮分布。科学家们还不断引入新因素，如亨德肖特（Hendershot）考虑固体潮效应，普拉茨曼（Platzman）研究大西洋与印度洋的整体振动模式，施维德斯基（Schwiderski）则建立了当时精度最高的全球海洋潮汐模型。同时，潮汐分析与预报工作也取得了蓬勃发展。基于潮汐理论，科学家们处理观测数据求解调和常数，实现建模与预报。拉普拉斯首次将潮汐分解为不同周期成分，为调和分析奠定了基础。此后，汤姆森、达尔文（Darwin）和杜德森等人不断完善调和分析方法，使潮汐分析与预报更加精确。在计算机应用于潮汐分析之前，人们的主要目标是减轻分析预报的工作负担。随着计算机技术的普及，处理大量数据不再成为难题，人们转而追求更高的分析和预报精度。1960年，霍姆（Hom）首次发表了利用电子计算机进行潮汐分析的结果。在中国，1964年左右，国家海洋局海洋科技报研究所也开始利用计算机进行潮汐研究和预报。1966年，蒙克（Munk）和卡特赖特（Cartwright）提出了一种创新的潮汐响应分析方法。他们将实际观测的局部海区视为响应系统，通过求解系统权函数或导纳数，区分不同来源的振动。之后，格罗夫斯（Groves）和雷诺兹（Reynolds）进一步改进了这种方法，引入正交概念，使解算参数更稳定。自此，潮汐研究逐渐转向基于实际观测资料的经验模式。计算机技术的快速发展极大地推动了潮汐理论的研究，解决了超大规模计算难题。新的引潮位展开表对于研究潮波振幅的时间依赖性和高精度观测资料分析至关重要。然而，在数值模拟中仍存在较大差异，这主要源于近似假设和物理参数的不确定性。随着空间技术的进步，潮汐测量技术也取得了新突破。卫星测高、GPS等空对地观测手段为潮汐研究提供了丰富的资料。20世纪末，全球已积累了大量可靠的潮汐资料，研究方向也转向更精准和全面的数值模型。

在海洋潮汐检测方面，主要采用了卫星检测和重力仪检测两种方法。卫星检测是利用高度计收集的数据，能够深入分析全球范围内的海洋潮汐特征，准确提取主要分潮的潮汐调和常数。这种方法利用卫星技术收集并分析数据，有效提升了海洋潮汐研究的精确性和广度。重力仪检测则是通过观测重力场的变化来研究海洋潮汐，从而理解潮汐的物理机制并评估潮汐模型的准确性。

在海洋潮汐预报中，通常采用两种主要方法：非调和法和调和法。非调和法是一种经验统计方法，它通过将潮汐现象与月亮及太阳的运动关系联系起来，利用非调和常数来描述潮汐时间和高度的变化。调和法则是利用余弦函数来模拟潮高或流速等物理量的周期性变化，并通过分析历史数据来确定潮汐振幅、角速率和初相位等关键参数。调和法能够准确地识别和模拟潮汐的主要周期，从而实现对潮汐变化的精确预测。

潮汐，源于月球和太阳对地球的引力作用引起的海水周期性运动，其中蕴含的动能和势能具有巨大的应用价值。这种能量形式，以潮差能和潮流能的形式存在，常应用于发电。潮差能潮差能，由潮汐涨落中的水位变化产生，是海洋能的一种表现形式。在潮差较大的地区，如一些深入陆地的海湾和河口，这种能量尤为显著。利用潮差能，可以构建潮汐发电站。这些发电站通常建于潮差大的海湾入口或在河口筑堤构成水库，利用堤坝两侧潮汐涨落的水位差驱动水轮发电机组发电。这种发电方式不仅清洁环保，而且是一种可再生的能源来源。潮流能潮流能，由海水的周期性水平流动产生，是潮汐能的另一种表现形式。在沿岸地区，尤其是群岛地区的海峡、水道及海湾的狭窄处，由于海岸形态和海底地形的影响，潮流流速较大，使得这些地区成为潮流能开发利用的理想之地。潮流能的利用方式多样，包括安装涡轮机或其他动力转换装置，将潮流的动能转化为电能。这种发电方式不仅为沿海地区提供了稳定的能源供应，同时也促进了海洋工程的发展。

潮汐可以应用于浅海区域对海平面高度的研究。通过对潮汐的精确观测和建模，可以减小潮汐混淆效应，从而更准确地理解海平面的动态变化。此外，潮汐的应用还有助于提高长周期潮汐的精度，通过深入研究潮汐现象，能够更好地预测海洋环境的变化趋势并制定相应的应对策略，为人类的航海、渔业、海洋工程建设等活动提供更为可靠的依据。

涌潮是海洋潮汐暴涨时，潮波前峰线因水位、流速急剧变化而呈现的特殊现象，又称为暴涨潮、怒潮。主要发生在河口或狭窄的河道中。当潮水进入这些区域时，由于空间受限，潮水速度会显著减缓，导致水位急剧上升。这种现象通常伴随着强烈的水流和波浪，有时甚至会对周围环境造成影响，如影响沿岸建筑物和交通设施。

钱塘江涌潮

钱塘江涌潮（Tidal Bore Of Qiantang River），又称钱塘涌潮或海宁潮，是一种发生在中国杭州湾钱塘江口的潮水现象。在涨潮时段，潮水汹涌澎湃，波涛滚滚而来，声势浩大，涛声如雷。钱塘江涌潮的形成，既得益于杭州湾特殊的地理形态——呈喇叭形，使得潮差增大，也离不开东海传入的潮波与河水的相互作用。每年农历八月十八日前后，正值秋分大潮，加之东海沿岸的雨季影响，平均海面升高，当潮波遇到水下沙洲或沙坝时，波面受到阻力，潮峰前沿发生破碎，形成滚滚白浪。在特定的地点和时间，潮波还会发生折射、反射和交汇，激起十余米高的水柱。

亚马孙河涌潮

亚马逊河涌潮（The Amazon River is surging）现象主要集中在其下游地区，尤其在临近大西洋的地带。亚马逊河作为世界上流量xxx的河流之一，在洪水季节时，其河口流量可高达每秒二十多万立方米。根据《Implications of a Large River Discharge on the Dynamics of a Tide-Dominated Amazonian Estuary》的研究，亚马逊河口的庞大河流排放量在主导潮汐动态的过程中起到了关键性作用。尽管季节性高流量排放并未显著改变下游河口整体的水动力结构，但它确实对河口浊度xxx值（ETM）的位置产生了影响。具体来说，在湿季，随着河流排放量的显著增长，ETM会向海洋方向偏移；而在干季，ETM的位置则呈现出相对稳定的态势。除此之外，亚马逊河涌潮还受到季节性降雨和风暴活动的显著影响。正如《Stormflow generation and flowpath characteristics in an Amazonian rainforest catchment》一文中所提及的，降雨强度和频率的增加会促使近地表水体的快速流动，这一现象在雨林密布的亚马逊流域表现得尤为突出。这种快速流动不仅加剧了河流的流量，更在短时间内对潮汐行为造成了显著的影响。