3.2 潮汐

3.2 潮汐

地球上的海水，受到月球、太阳和其他天体引力作用而产生周期性运动，包括海面周期性垂直水位涨落和海水周期性水平流动，前者称为潮汐，后者称为潮流。

3.2.1 潮汐及其分类

地球绕太阳运动的轨迹为椭圆，且太阳位于该椭圆的一个焦点上，因此地球绕太阳运动的速度每日都在变化，真太阳日有长有短。月球绕地球运动的轨迹为一更扁的椭圆，且地球和月球一起绕太阳公转，真太阴日也有长有短。当地球、月球和太阳相对位置不同时，地球上的海水所受到的天体引力有所差异，从而使得海水产生相对运动。海水除了受到天体的引力之外，还受到绕地球与月球、地球与太阳共同质心转动而产生的离心力作用，这种引力与离心力总称为引潮力，由其引起的海面升降称为天文潮。台风与寒潮等天气系统带来的大风或气压剧变也能引起海面水位异常升降，则称为风暴潮^［3］。

从潮位随时间变化的过程曲线（图3-1）来看，海面上升到最高点时称为高潮，海面下降至最低点时称为低潮。在潮汐升降的每一个周期内，从低潮升至高潮所经历的时间称为涨潮历时，从高潮降至低潮所经历的时间称为落潮历时。在高潮和低潮之际，海面有短暂时间不做升降运动，称为停潮和平潮。相邻的高潮至低潮的水位差称为落潮潮差，相邻的低潮至高潮的水位差称为涨潮潮差。

潮位的分布特征曲线随着地点和时间而变化，从长期来看大致可分为3种类型，分别为半日潮、日潮和混合潮。在一个太阴日（24h50min）内发生两次高潮和两次低潮，相邻两次高潮和两次低潮的潮位大致相等，涨潮历时和落潮历时相同，潮位曲线近似为对称的余弦曲线，则称为半日潮，如图3-1（a）所示。我国青岛和厦门港的潮汐具有半日潮特点。在一个太阴月中的大多数太阴日内，每日出现一次高潮和一次低潮，则称为日潮，如图3-1（b）所示。我国南海的北部湾为典型的日潮潮汐海区^［2］。

混合潮又分为不规则半日潮和不规则日潮。不规则半日潮基本具有半日潮的特征，在一个朔望月中的大多数日子里，每个太阴日内一般有两次高潮和两次低潮，但相邻的高潮或低潮的潮位高度相差很大，涨潮历时和落潮历时也不同。有少数日子的第二次高潮很小，半日潮特征不明显，如图3-1（c）所示。我国浙江镇海、福建诏安与香港海区内具有这种潮汐的特点。不正规日期的特征是在一个朔望月中的大多数日子里具有日潮型的特征，但有少数日子出现两次高潮和两次低潮的半日潮特征，如图3-1（d）所示。我国海南榆林海区符合不规则日潮的特点。

潮汐存在着日不等、半月不等、月不等和年不等现象。地球上某点由于地球自转在一天内出现两次高潮和两次低潮，若该天月球的赤纬为零，则两次高潮大小相等，低潮亦然；若月球的赤纬不等于零则两次高潮不等，低潮亦然，从而形成了日不等现象。其中较高的高潮称为高高潮，较低的高潮称为低高潮，较低的低潮称为低低潮，较高的低潮称为高低潮。太阴潮和太阳潮形成的合成潮与月球、太阳和地球的相对位置有直接关系，每逢朔（初一）、望（十五）时，太阳、月球和地球在一条直线上，合成潮的高潮最高，低潮最低，潮差最大，亦名朔望潮；至上弦（初七、初八）和下弦（廿二、廿三）之日，地球、月球和太阳处于直角位置，出现半月中潮差最小的潮汐，形成了半月不等现象。月球绕地球公转的轨迹为椭圆，一个公转周期内月球距离地球的距离时远时近，对应的潮汐为远地潮和近地潮，在一个月之内变化一次，形成了潮汐的月不等现象。由于地球绕太阳公转的轨迹为一椭圆，且黄道与白道交点以周期18.61年不断移动，进而形成了潮汐的年不等现象。

图3-1 潮汐月过程曲线^［4］

海洋水文分析中经常需要利用已有的潮位资料来推算该地点将来的潮位变化规律，称为潮汐预报，调和分析方法是当今世界上用来预报海岸海域潮汐现象的主要方法。由于潮位曲线具有明显的周期特性，在数学上可以将其分解为多个振幅与位相不同的余弦曲线的叠加，每一个余弦曲线则代表一个假想的天体在天球赤道上做等速圆周运动所产生的潮位变化过程线。每一个假想天体引起的潮位余弦变化曲线称为分潮。分潮分为天文分潮、浅水分潮和气象分潮，调和分析中分潮的个数可以是11个、64个或更多，其中最主要的11个分潮的名称、符号、角速度与周期如表3-1所示，具体分析计算时常采用最小二乘法来进行。

在工程实际应用中，根据当地全日分潮和半日分潮的振幅比值来判断潮汐类型，其比值为潮型数，计算为^［2］

式中 A——潮型数；

A _K1 ——K ₁分潮的振幅；

A _O1 ——O ₁分潮的振幅；

A _M2 ——M ₂分潮的振幅。

潮汐类型根据潮型数A来分类：当0＜A≤0.5时为半日潮，当0.5＜A≤2.0时为不规则半日潮，当2.0＜A≤4.0时为不规则日潮，当A＞4.0时为日潮。例如，我国青岛港的潮型数A=0.38，为正规半日潮；香港海区的潮型数A=1.4，为不正规半日潮；海南榆林港海区的潮型数A=2.7，为不正规日潮；东方港的潮型数A=6.48，为正规日潮^［2］。

3.2.2 潮位特征值

当进行海上风电场建设开发时，不管是工程地质勘察还是海图测量等工作，均需要一个高程基准面来确定各位置的高程，高程基准面多采用某海域的平均海平面。海面的周期性涨落表现为相对于平均海平面的上下振动，平均海平面为某处所测潮位记录（1次/h）的平均值，可分为日平均海平面、月平均海平面、年平均海平面和多年平均海平面。由于天文要素的变化周期为18.6年，因此要精确得到多年平均海平面必须取得19年每小时潮位的平均值。1987年5月我国开始采用“1985国家高程基准”作为大地高度的起算面，其平均海平面系以青岛验潮站19年验潮观测记录数据为依据计算确定的黄海平均海平面^［2］。

用平均海平面表示海域的深度并不方便，因为低潮位时水深为负值。为了保证航海的安全，在海图上基准深度以最小深度为宜，最小深度的基准面称为海图深度基准面。关于海图深度基准面的确定各国并不统一，我国于1956年统一采用“理论深度基准面”作为海图深度基准面，它是用8个分潮（M₂、S₂、N₂、K₂、K₁、O₁、P₁、Q₁）进行组合，通过计算得到的理论上潮汐可能达到的最低潮面。

潮汐表上预报潮位值的零点称为潮高基准面，其在平均海平面以下，与海图深度基准面也不一定一致。任何时刻海区某处的实际水深等于海图深度加上潮高基准面与海图深度基准面之间的差值和该海区潮位表上的预报潮位值^［3］。

工程上常用的特征潮位包括以下几种：

（1）极高（低）潮位。历史上曾经观测到的潮位最高（低）值，可能包含了非天文因素引起的水位升高值。

（2）平均最高（低）潮位。在多年潮位观测资料中，取每年最高（低）潮位的多年平均值。

（3）平均大潮高（低）潮位。取每月两次大潮的高（低）潮位的多年平均值。

（4）平均小潮高（低）潮位。取每月两次小潮的高（低）潮位的多年平均值。

各基准面与不同特征潮位间的相互关系如图3-2所示。

图3-2 基准面与特征潮位^［3］

设计潮位在港口工程的设计与施工中是一个重要的水文参数，设计高、低水位是港口水工建筑物在正常使用条件下的高、低水位。对于海岸港的设计高、低水位，各国所采用的标准并不相同，有的国家采用平均大潮高、低潮位；有的国家采用潮位历时累积频率1%、98%的潮位。

3.2.3 我国近海潮汐

我国渤海大部分的海区都是不正规半日潮，在秦皇岛附近有一小块正规全日潮海区，其周围部分的环形海域是不正规全日潮，在黄河口外有一小块不正规全日潮。

除山东半岛成山头有小范围全日潮，海州湾和济州岛附近存在不正规半日潮外，黄海的大部分海区都是正规半日潮。

整个东海的潮型数A＜2.0，属于半日潮，其中以正规半日潮为主。仅部分海域如舟山群岛附近是不正规半日潮。此外，东南侧与外海邻接海域，如济州岛、九州西南及琉球群岛等处是不正规半日潮。

南海的潮汐性质较复杂，绝大部分海域是不正规全日潮，北部湾等地是正规日潮，另有少数不正规半日潮散布在广东沿岸广州湾、雷州湾等地，北部湾是世界典型的全日潮海区之一，如吉婆岛的M₂分潮平均振幅为3cm，K₁分潮平均振幅为70cm，O₁分潮平均振幅为80cm，潮型数A=50，全日潮占主要优势。

我国海区的潮差在近岸受水深变浅影响，潮差逐渐增大，而在外海大洋潮波传入处的潮差很小，近岸蕴藏着丰富的海洋潮汐能资源。就沿海潮差的分布而言，东海闽浙沿岸的潮差大，如浙江省杭州湾澉浦的潮差达8.93m，福建三都澳的潮差达8.54m。而东海的东面潮差小。受黄海旋转潮波的影响，黄海的东岸潮差大于西岸，如朝鲜半岛西岸的仁川附近高达11m，我国沿海潮差相对较小。但在江苏小洋口附近可出现较大潮差，有文献给出9.28m的潮差值。渤海的潮差较小，多在2～3m之间，但在湾顶有最大潮差，如辽东湾湾顶可达5.4m，渤海湾湾顶可达5.1m，而秦皇岛和龙口附近的潮差最小。南海的潮差一般较小，少数较大的地方，如广东东部沿岸的潮差为1～3m，西部沿岸可达4m，在北部湾湾顶最大可达7m左右^［5］。表3-2为我国沿海部分潮汐观测站的平均潮差和最大可能潮差。