潮汐:从地月日位置看海水的周期变化

在海边待上一天,可以看到水位慢慢升降;把时间拉长到一个月,潮差也会有规律地变大、变小。月球是主要原因,太阳也会参与。两者的相对位置决定引潮力是互相加强,还是部分抵消;地球自转和海盆地形再把这种作用变成各地不同的潮时与潮高。下面先用运行图观察地、月、日的位置,再说明大潮、小潮,以及为什么图上的时刻不能代替港口潮汐表。

引潮力取决于地球各处所受重力的差

月球同时吸引海水、陆地和地心。近月侧离月球较近,加速度略大于地心;远月侧离月球较远,加速度略小于地心。扣除地心的共同加速度后,近月侧相对向月球伸展,远月侧则相对落后,于是地球两侧各有一个潮隆。这里比较的是重力在一个地球直径内改变了多少,物理上称为重力梯度。

太阳对整个地球的引力远大于月球,但太阳离我们约 1.5 亿公里,地球近端和远端所受引力相差较小。月球质量小得多,距离却近,因此主导地球潮汐。按平均距离计算,太阳引潮力约是月球的 46%,足以明显改变潮差。

引潮力随天体质量增加,也会随距离迅速减弱。这里的距离要计算到三次方,所以月球从远地点移到近地点时,即使距离只缩短一部分,引潮力也会明显增强。

两个潮隆和约 24 小时 50 分的月日

先把地球设想为被均匀海水覆盖:沿地月连线的两端是潮隆,与这条线相差 90 度处是潮谷。地球自转时,一个地点依次通过两个潮隆和两个潮谷,因此理想情况下一个月日有两次高潮、两次低潮。这幅平衡潮示意图用于说明周期;真实海水不会保持整齐的椭圆外形绕地球转动。

地球自转一圈时,月球每天沿轨道向东前进约 13 度。地球平均还要多转约 50 分钟,原来的经线才会再次朝向月球,所以平均月日约为 24 小时 50 分。主要月球半日分潮 M2 的周期约 12 小时 25 分,这是许多港口潮时逐日推迟的基本天文节奏。

海岸潮型不一定每天整齐出现两高两低。测站可能属于半日潮、全日潮或混合潮,两次高潮也可能高低悬殊。大陆位置、海底地形、科氏效应、摩擦和海盆共振会改变潮波路径,许多海域的潮波实际绕无潮点旋转。

大潮和小潮说的是潮差大小

朔附近,月球位于地球与太阳之间;望附近,地球位于太阳与月球之间。两种排列中,三个天体都接近一直线,太阳潮和月球潮的长轴随之对齐。叠加后,平均高潮偏高、低潮偏低,高潮与低潮的差距增大,这段时期称为大潮。大潮未必包含全年最高水位;英文 spring tide 中的 spring 是涌起之意,与春季无关。

上弦和下弦附近,从地球看,太阳与月球相隔约 90 度。太阳潮的潮隆方向接近月球潮的潮谷方向,两个成分部分抵消,于是高潮偏低、低潮偏高,潮差缩小,形成小潮。月球引潮力仍在作用,海水不会停止涨退。

朔望月平均长 29.5306 日。朔到望、望到下一次朔各约 14.765 日,因此大潮配置约每 14.765 日出现一次;小潮配置约位于两次大潮之间,相隔约 7.383 日。海盆需要时间响应,测站的最大或最小潮差常比月相晚一至数日,这段延迟称为潮龄。

同样是大潮,潮差仍会不同

月球轨道的偏心率约为 0.055,近地点和远地点的地月距离相差数万公里。引潮力受距离的三次方影响,因此朔或望若落在近地点附近,月球引潮力会强于平均值,称为近地点大潮。新闻常用“王潮”描述特别高的天文潮期,但这不是精确的天文分类,也不能单凭这个名称判断是否会淹水。

地球绕日轨道也有轻微偏心。一月初接近近日点,太阳引潮力稍强;七月初接近远日点,太阳引潮力稍弱。这项变化小于地月距离的影响,仍会与朔望、月球近远地点及测站本身的分潮共同改变每次大潮。

还有更长的轨道周期:月球近地点方向在固定黄道坐标中约每 8.85 年进动一圈,轨道交点约每 18.6 年回归。JPL 表中的 5.997 年是近心点幅角相对移动交点的循环;本页引擎分别推进幅角与交点,合成后才得到固定坐标中的近地点方向。月球赤纬变化会造成日潮不等,长周期也会缓慢调制测站潮差。本页没有计算完整月球摄动,也没有加入任何测站的调和常数。

模型日期和港口潮时要分开读

日月引潮力提供潮汐的基本周期,港口水位则要等潮波实际传到当地。潮波绕过大陆、通过海峡,传播速度随水深改变;海盆接近特定周期时还会发生共振。月球过中天、朔望发生,或图上的潮隆朝向某条经线,都不代表当时当地正值满潮。

测站预报来自长期水位观测。分析时把记录拆成 M2、S2、K1、O1 等分潮,求出每个分潮在该站的振幅和相位,再将它们相加成预测水位。附属站有时还要套用时间差和潮高修正,因此相邻港口也可能在不同时间满潮。

潮汐表主要预测天文潮,实际水位还会受天气影响。向岸风会堆高岸边水位,低气压、河川流量、长浪和风暴增水也会造成偏差。遇到台风警报、海岸封闭或现场浪况恶化,应以官方警告和现场管制为准。

大潮只表示这段时间的潮差倾向较大,小潮表示潮差较小。它们没有直接说明某一刻的水位、流速或浪高。前往潮间带、潜水、钓鱼或行船前,潮位、潮流、波浪、天气和岸形都要分别查询。

阅读方式:用本课判断某段日期的潮差趋势;用潮汐页查询指定测站的满潮、干潮时间与预报高度。活动时间依据测站预报安排,安全判断以现场状况及官方警报为准。

轨道倾角与视黄纬

行星轨道倾角离开平面的最大高度从这里看的最大偏离
水星7.00°0.05 AU≈ 5.0°
金星3.39°0.04 AU≈ 8.6°
海王星1.77°0.94 AU≈ 2.0°
常见问题

为什么月球能在地球两侧都造成潮隆?

月球同时吸引海水、陆地和地心。近月侧离月球较近,加速度略大于地心;远月侧离月球较远,加速度略小于地心。扣除地心的共同加速度后,近月侧相对向月球伸展,远月侧则相对落后,于是地球两侧各有一个潮隆。这里比较的是重力在一个地球直径内改变了多少,物理上称为重力梯度。 太阳对整个地球的引力远大于月球,但太阳离我们约 1.5 亿公里,地球近端和远端所受引力相差较小。月球质量小得多,距离却近,因此主导地球潮汐。按平均距离计算,太阳引潮力约是月球的 46%,足以明显改变潮差。

大潮与小潮分别出现在哪些月相?

朔附近,月球位于地球与太阳之间;望附近,地球位于太阳与月球之间。两种排列中,三个天体都接近一直线,太阳潮和月球潮的长轴随之对齐。叠加后,平均高潮偏高、低潮偏低,高潮与低潮的差距增大,这段时期称为大潮。大潮未必包含全年最高水位;英文 spring tide 中的 spring 是涌起之意,与春季无关。 上弦和下弦附近,从地球看,太阳与月球相隔约 90 度。太阳潮的潮隆方向接近月球潮的潮谷方向,两个成分部分抵消,于是高潮偏低、低潮偏高,潮差缩小,形成小潮。月球引潮力仍在作用,海水不会停止涨退。

互动图能告诉我今天几点满潮吗?

日月引潮力提供潮汐的基本周期,港口水位则要等潮波实际传到当地。潮波绕过大陆、通过海峡,传播速度随水深改变;海盆接近特定周期时还会发生共振。月球过中天、朔望发生,或图上的潮隆朝向某条经线,都不代表当时当地正值满潮。 阅读方式:用本课判断某段日期的潮差趋势;用潮汐页查询指定测站的满潮、干潮时间与预报高度。活动时间依据测站预报安排,安全判断以现场状况及官方警报为准。

相关工具: 潮间带观察 · 潮汐预报 · 月相信息 · 黄道面

轨道元素取自 NASA/JPL「Keplerian Elements for Approximate Positions of the Major Planets」(Standish & Williams, 1992),适用 1800–2050 年。位置为几何位置,未计入光行时与光行差——这是黄道面的教学图,不是望远镜视野的模拟。