潮汐

潮汐（tide），是指海洋水面在月球和太陽引力共同作用下，隨著它們位置的變化而呈現出的周期性漲落現象。在中國古代，人們將白天的海水漲落稱為“潮”，而晚間的則稱為“汐”。這兩者相結合，便形成了現今所說的“潮汐”一詞。從漲落周期的角度來看，潮汐可分為半日潮、全日潮和混合潮三種類型。

潮汐這一名稱的中文由來，主要源于古代中國對海水漲落現象的細致觀察與記錄。東漢時期，中國唯物主義哲學家王充在《論衡》一書中提到“濤之起也，隨月盛衰：大小滿損不齊同”。余道安《海潮圖序》也提到“潮之漲落海非增減，蓋月之所臨，則之往之”。北宋燕肅著《海潮論》繪制《海潮圖》。《海潮論》論述了海潮形成的原因。他指出“日者眾陽之母，陰生于陽，故潮附之于日也；月者，太陽之精，水者陰，故潮依之于月也。是故隨日而應月，依陰而附陽。根據古代的觀察和記錄，人們發現海水在白天和夜晚都有漲落的現象。于是，中國古代將白天海水漲落稱為“潮”，而晚上海水漲落則稱為“汐”。這兩者合起來，便形成了現在所說的“潮汐”一詞，用以描述海水因受天體引力影響而產生的周期性漲落現象。此外，中國古代航海者還將“潮”作為重要的計程單位。他們將潮汐從漲至落或從落至漲的過程稱為“一潮”，并利用兩地航道沿途潮汐相繼發生的次數來估算航程的遠近。潮汐的英文“tide”一詞的起源與伽利略的學術研究。伽利略提出了“潮汐”這一術語，旨在證明潮汐現象完全是由地球的運動所產生的。他的這一觀點旨在進一步證實哥白尼主義的物理真理，即地球圍繞太陽運轉的天文學說。伽利略的研究和理論為潮汐現象的科學解釋奠定了重要基礎，使得“tide”一詞成為國際上通用的描述海水周期性漲落的名詞。

廣義廣義上，潮汐是由月球和太陽對地球不同區域的引力差異導致的周期性水位、地殼形變和大氣運動現象。這種現象是地球與其天然衛星月球以及太陽之間相互作用的結果，具體表現為海洋、陸地和大氣層中的周期性變化。其包括海洋潮汐、固體潮（陸潮）和大氣潮汐。其中，固體潮和大氣潮汐分別指地殼的周期性形變和大氣的周期性運動。狹義狹義上，潮汐特指海水在月球和太陽引力作用下，隨其位置變化而呈現的周期性漲落現象。

海洋潮汐的形成主要源于天體的引潮力作用。引潮力是指月球、太陽或其他天體對地球上單位質量物體的引力與對地心單位質量物體的引力之差，即天體的引力與慣性離心力的合力。根據萬有引力定律，不同地點的水質點受到的月球引力大小并不相同。離月球較近的水質點受到的引力較大，反之則較小，且這些引力的方向都指向月球，彼此并不平行。而海洋中的每個水質點都會受到一個慣性離心力的作用，這個力的大小在各個地方都是相同的，方向則背離月球，且彼此平行。當月球和太陽等天體對地球產生引力作用時，由于地球的自轉和這些引力的綜合效應，就形成了引潮力。盡管太陽的質量遠大于月球，但由于月球距離地球較近，其對海水的引潮力實際上要大于太陽的引潮力，大約是太陽引潮力的兩倍。其他行星對海水的引潮力則相對較小。這種引潮力導致地球上的海水產生周期性的漲落現象，便是潮汐。在月球和太陽的引力作用下，地球的海水被拉伸和壓縮，形成了潮汐的漲落。因此，海洋潮汐的形成是天體引力與地球自轉運動相互作用的結果。

潮汐示意圖

• 高潮（High，HW）

指潮汐漲落一個周期內達到的最高潮位。潮位，即潮汐現象出現時海面相對于某一基準點的高度。

• 低潮（Low Water，LW）

為潮汐漲落一周期內所達到的最低潮位。

• 漲潮（Flood Tide，Flood）

描述一個潮汐周期內潮位逐漸上升的過程。

• 平潮（Still Tide）

指在高潮前后的一段時間內，海面保持相對穩定，既不上漲也不下降的平衡狀態。平潮時間因地區而異，通常較短，從幾分鐘到幾十分鐘不等，但在大河入口處可能較長。

• 落潮（Ebb Tide，Ebb）

描述一個潮汐周期內潮位逐漸下降的過程。

• 停潮（Water StAND）

指低潮前后的一段時間內，海面處于靜止狀態，既不上漲也不下降。

• 低潮時

停潮的中間時刻。

• 平均海平面（Mean Sea Level，MSL）

海面因潮汐現象而周期性升降，這種升降是沿著某一特定面進行的上下振動。平均海平面則是指在一定時間間隔內，每小時海面高度的平均值。

潮汐的漲落現象因時間和地點的不同而展現出各異的風貌。從漲落周期的角度來分析，根據潮位曲線的變化，可以將其細分為以下三種類型：

這種潮汐的周期大約為半天，意味著一晝夜中會出現兩次高潮和兩次低潮。兩次高潮與兩次低潮的高度相差無幾，相鄰兩次的潮差也幾乎相等。同樣地，兩次相鄰的高潮或低潮之間的時間間隔也基本保持一致，大約在12小時24分鐘左右。

這種潮汐的周期大約為一天，即一晝夜中僅有一次高潮和一次低潮。它的主要特點是，在半個月的時間里，有超過一半的天數表現為日潮，而其余天數則表現為半日潮。

混合潮是指半日潮和全日潮相互交織的潮汐現象。它又可以進一步分為不正規半日潮和不正規日潮兩類。

• 不正規半日潮

基本上保留了半日潮的特征，但在一個太陽日內，相鄰的高潮或低潮的潮位差異顯著，漲潮和落潮的時間也不盡相等。尤其是在淺海或江河口區域，落潮的時間往往會長于漲潮的時間。

• 不正規日潮

表現為在半個月內，日潮的天數不超過7天，其余天數則呈現出不正規半日潮的特點。

• 海灘形態的塑造與調節

海洋潮汐可以塑造和調節海灘形態。漲潮時，隨著水位的上升，海灘前緣的高度降低，使得沖積物在灣區相對較多地積累，從而縮小了海灘前緣的橫向范圍。而在落潮時，海灘前緣的高度則增加，沖積物在灣區相對較少，導致海灘前緣的橫向范圍擴大。這種周期性的變化對理解和預測海灘的動態演變具有重要意義。

• 沉積物分布的再分配

海洋潮汐對沉積物的空間分布產生影響。潮汐的漲落會帶動沉積物的搬運和再分配，使得不同區域的沉積物粒度表現出明顯的差異。例如，在潮汐作用強烈的海域，沉積物粒度可能會隨潮汐水位的變化而呈現明顯的季節性變化。這種沉積物分布的再分配對于理解海岸地貌的演變以及海岸帶資源的開發利用具有重要意義。

• 海岸線侵蝕與淤積的調控

海洋潮汐對海岸線的侵蝕與淤積過程具有直接影響。在潮汐作用強烈的區域，海岸線可能會經歷更頻繁的侵蝕與淤積過程。潮汐的大小、波浪條件以及海岸地形的特點共同決定了侵蝕與淤積的程度和速率。例如，在臺風等極端天氣事件發生時，潮汐與風暴潮的疊加效應可能會加劇海岸線的侵蝕過程，對海岸地貌造成顯著影響。

• 潮溝地貌的發育與演變

潮溝作為潮灘地貌的重要組成部分，其形態和特征受到潮汐周期性漲落的深刻影響。潮汐的強弱、頻率以及持續時間都會影響潮溝的擺動性、延伸方向以及深度等特征。因此，研究海洋潮汐對潮溝地貌的影響有助于深入理解潮灘地貌的演變規律和機制。

• 地球形狀和結構的變化

海洋潮汐通過引起地球表面和內部的重力梯度變化，對地球的形狀和結構產生顯著影響。此外，海洋潮汐還會引起地球自轉速度的微小變化。這種變化與海潮模式中的周日和半日變化相符合，進一步證明了海洋潮汐對地球運動狀態的影響。

• 地球內部應力和應變的影響

海洋潮汐還對地球內部的應力和應變產生影響。這種影響在不同深度處表現出不同的特征，具有一定的復雜性和局部性。在靠近海洋潮汐作用強烈的區域，應力負荷的影響隨深度增大而減小；而在遠離這些區域的地方，應力負荷的影響則隨深度增大而增大。這表明海洋潮汐對地球內部結構的影響并非均勻分布，而是受到多種因素的共同作用。

在中國，近海沿岸的潮汐現象尤為顯著，自古以來便激發了人們對這一自然現象的濃厚興趣。北宋時期的燕肅，經過長達十幾年的觀測，精心繪制了《海潮圖》；沈括則在《夢溪筆談》中提出了潮波傳播的創新思想。在西方，人們早在300多年前就在海邊設立了驗潮站，開始正規地觀測潮汐現象，統計潮汐特征值，并據此進行潮汐預報。英國科學家盧巴克（Luback）提出的最原始的非調和潮汐分析預報法，至今仍廣泛應用于航海實踐中。盡管中外古代科學家對潮汐現象有著深刻的理解，但直到17世紀80年代，牛頓發現萬有引力定律后，才首次科學地揭示了潮汐產生的機理，為這一學科奠定了科學基礎。1687年，牛頓又在其《自然哲學的數學原理》（Philosophiae naturalis principiamathematica）第一卷和第三卷以及題為《世界體系》的附錄中，提出了潮汐的靜力理論——也稱為平衡理論，并率先嘗試建立一般水波理論，即用于描述水面波動現象的簡化模型。他通過將水波與U型管中液體振動的類比，推出了深水波的頻率與波長的平方根的倒數成比例等結論。隨后，法國數學家如拉普拉斯、拉格朗日等人，以及英國的羅素（Russell）、格林（Green）等人，都對水波理論做出了重要貢獻。這些理論的發展為后來的潮汐研究奠定了堅實的基礎。在牛頓潮汐理論建立約50年后，伯努利（Bernoulli）提出了平衡潮理論，成功解釋了一些常見的海洋潮汐現象。然而，由于該理論基于靜力學原理，它無法解釋那些本質上屬于動力學問題的海洋潮汐現象。大約在牛頓之后的100年，拉普拉斯（Laplace）進一步推動了潮汐理論的發展，提出了潮汐動力學理論。他認為，海洋潮汐是在天體引潮力作用下產生的一種強迫振動，并建立了描述潮汐運動與引潮力關系的動力學方程。這一方程成為研究大洋潮汐的基本工具，圍繞其求解問題，潮汐動力學理論得以不斷發展。潮汐動力學自拉普拉斯起，便沿著兩大方向并行發展。一是大洋潮汐求解，旨在揭示其形成機制。20世紀60年代，學者如艾尼（Ainy）、杜德森（DoODSon）和普魯德曼（Prudman）在理想海洋潮汐分布與特征頻率上取得了顯著成果，為后續研究鋪平了道路。另一方向則是小尺度潮波傳播研究，其中湯姆森（Thomson）提出的開爾文波理論具有代表性。然而，早期理論往往簡化海洋形狀，導致模型與實際存在出入。得益于電子計算機與計算技術的進步，潮汐動力學方程的求解更為精準，如漢森（Hansen）的二維潮汐數值計算。在不依賴觀測資料的情況下，佩克（Pekeris）等人成功計算出了M分潮分布。科學家們還不斷引入新因素，如亨德肖特（Hendershot）考慮固體潮效應，普拉茨曼（Platzman）研究大西洋與印度洋的整體振動模式，施維德斯基（Schwiderski）則建立了當時精度最高的全球海洋潮汐模型。同時，潮汐分析與預報工作也取得了蓬勃發展。基于潮汐理論，科學家們處理觀測數據求解調和常數，實現建模與預報。拉普拉斯首次將潮汐分解為不同周期成分，為調和分析奠定了基礎。此后，湯姆森、達爾文（Darwin）和杜德森等人不斷完善調和分析方法，使潮汐分析與預報更加精確。在計算機應用于潮汐分析之前，人們的主要目標是減輕分析預報的工作負擔。隨著計算機技術的普及，處理大量數據不再成為難題，人們轉而追求更高的分析和預報精度。1960年，霍姆（Hom）首次發表了利用電子計算機進行潮汐分析的結果。在中國，1964年左右，國家海洋局海洋科技報研究所也開始利用計算機進行潮汐研究和預報。1966年，蒙克（Munk）和卡特賴特（Cartwright）提出了一種創新的潮汐響應分析方法。他們將實際觀測的局部海區視為響應系統，通過求解系統權函數或導納數，區分不同來源的振動。之后，格羅夫斯（Groves）和雷諾茲（Reynolds）進一步改進了這種方法，引入正交概念，使解算參數更穩定。自此，潮汐研究逐漸轉向基于實際觀測資料的經驗模式。計算機技術的快速發展極大地推動了潮汐理論的研究，解決了超大規模計算難題。新的引潮位展開表對于研究潮波振幅的時間依賴性和高精度觀測資料分析至關重要。然而，在數值模擬中仍存在較大差異，這主要源于近似假設和物理參數的不確定性。隨著空間技術的進步，潮汐測量技術也取得了新突破。衛星測高、GPS等空對地觀測手段為潮汐研究提供了豐富的資料。20世紀末，全球已積累了大量可靠的潮汐資料，研究方向也轉向更精準和全面的數值模型。

在海洋潮汐檢測方面，主要采用了衛星檢測和重力儀檢測兩種方法。衛星檢測是利用高度計收集的數據，能夠深入分析全球范圍內的海洋潮汐特征，準確提取主要分潮的潮汐調和常數。這種方法利用衛星技術收集并分析數據，有效提升了海洋潮汐研究的精確性和廣度。重力儀檢測則是通過觀測重力場的變化來研究海洋潮汐，從而理解潮汐的物理機制并評估潮汐模型的準確性。

在海洋潮汐預報中，通常采用兩種主要方法：非調和法和調和法。非調和法是一種經驗統計方法，它通過將潮汐現象與月亮及太陽的運動關系聯系起來，利用非調和常數來描述潮汐時間和高度的變化。調和法則是利用余弦函數來模擬潮高或流速等物理量的周期性變化，并通過分析歷史數據來確定潮汐振幅、角速率和初相位等關鍵參數。調和法能夠準確地識別和模擬潮汐的主要周期，從而實現對潮汐變化的精確預測。

潮汐，源于月球和太陽對地球的引力作用引起的海水周期性運動，其中蘊含的動能和勢能具有巨大的應用價值。這種能量形式，以潮差能和潮流能的形式存在，常應用于發電。潮差能潮差能，由潮汐漲落中的水位變化產生，是海洋能的一種表現形式。在潮差較大的地區，如一些深入陸地的海灣和河口，這種能量尤為顯著。利用潮差能，可以構建潮汐發電站。這些發電站通常建于潮差大的海灣入口或在河口筑堤構成水庫，利用堤壩兩側潮汐漲落的水位差驅動水輪發電機組發電。這種發電方式不僅清潔環保，而且是一種可再生的能源來源。潮流能潮流能，由海水的周期性水平流動產生，是潮汐能的另一種表現形式。在沿岸地區，尤其是群島地區的海峽、水道及海灣的狹窄處，由于海岸形態和海底地形的影響，潮流流速較大，使得這些地區成為潮流能開發利用的理想之地。潮流能的利用方式多樣，包括安裝渦輪機或其他動力轉換裝置，將潮流的動能轉化為電能。這種發電方式不僅為沿海地區提供了穩定的能源供應，同時也促進了海洋工程的發展。

潮汐可以應用于淺海區域對海平面高度的研究。通過對潮汐的精確觀測和建模，可以減小潮汐混淆效應，從而更準確地理解海平面的動態變化。此外，潮汐的應用還有助于提高長周期潮汐的精度，通過深入研究潮汐現象，能夠更好地預測海洋環境的變化趨勢并制定相應的應對策略，為人類的航海、漁業、海洋工程建設等活動提供更為可靠的依據。

涌潮是海洋潮汐暴漲時，潮波前峰線因水位、流速急劇變化而呈現的特殊現象，又稱為暴漲潮、怒潮。主要發生在河口或狹窄的河道中。當潮水進入這些區域時，由于空間受限，潮水速度會顯著減緩，導致水位急劇上升。這種現象通常伴隨著強烈的水流和波浪，有時甚至會對周圍環境造成影響，如影響沿岸建筑物和交通設施。

錢塘江涌潮

錢塘江涌潮（Tidal Bore Of Qiantang River），又稱錢塘涌潮或海寧潮，是一種發生在中國杭州灣錢塘江口的潮水現象。在漲潮時段，潮水洶涌澎湃，波濤滾滾而來，聲勢浩大，濤聲如雷。錢塘江涌潮的形成，既得益于杭州灣特殊的地理形態——呈喇叭形，使得潮差增大，也離不開東海傳入的潮波與河水的相互作用。每年農歷八月十八日前后，正值秋分大潮，加之東海沿岸的雨季影響，平均海面升高，當潮波遇到水下沙洲或沙壩時，波面受到阻力，潮峰前沿發生破碎，形成滾滾白浪。在特定的地點和時間，潮波還會發生折射、反射和交匯，激起十余米高的水柱。

亞馬孫河涌潮

亞馬遜河涌潮（The Amazon River is surging）現象主要集中在其下游地區，尤其在臨近大西洋的地帶。亞馬遜河作為世界上流量最大的河流之一，在洪水季節時，其河口流量可高達每秒二十多萬立方米。根據《Implications of a Large River Discharge on the Dynamics of a Tide-Dominated Amazonian Estuary》的研究，亞馬遜河口的龐大河流排放量在主導潮汐動態的過程中起到了關鍵性作用。盡管季節性高流量排放并未顯著改變下游河口整體的水動力結構，但它確實對河口濁度最大值（ETM）的位置產生了影響。具體來說，在濕季，隨著河流排放量的顯著增長，ETM會向海洋方向偏移；而在干季，ETM的位置則呈現出相對穩定的態勢。除此之外，亞馬遜河涌潮還受到季節性降雨和風暴活動的顯著影響。正如《Stormflow generation and floWPAth characteristics in an Amazonian rainforest CATCHment》一文中所提及的，降雨強度和頻率的增加會促使近地表水體的快速流動，這一現象在雨林密布的亞馬遜流域表現得尤為突出。這種快速流動不僅加劇了河流的流量，更在短時間內對潮汐行為造成了顯著的影響。