衛(wèi)星海洋潮汐測(cè)量原理及其應(yīng)用

敖新東　謝宏全　馬東洋　王亞娜　梅雪琴

摘 要：潮汐是地球上普遍存在的一種自然現(xiàn)象，它是在太陽(yáng)和月亮引力的作用下，在地球的巖石圈、大氣圈和水圈中分別產(chǎn)生的周期性運(yùn)動(dòng)。本文主要介紹利用衛(wèi)星對(duì)海洋潮汐形成的原理、測(cè)量的方式方法進(jìn)行總結(jié)和歸納，以及海洋潮汐目前在環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害預(yù)防、電力等方面的應(yīng)用做出具體的闡釋，詳細(xì)地說(shuō)明了潮汐的可利用性以及對(duì)于未來(lái)建立環(huán)境友好型社會(huì)有著至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞：潮汐；潮汐測(cè)量；應(yīng)用；周期性

中圖分類號(hào)：P228 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

大家都知道，由于月球和太陽(yáng)對(duì)地球的引力作用導(dǎo)致地球表面海水會(huì)發(fā)生有規(guī)律的升降現(xiàn)象，此現(xiàn)象稱為潮汐。國(guó)內(nèi)學(xué)者阮銳、申炳琦等人對(duì)于海洋潮汐測(cè)量的理論和方法都做出了詳細(xì)的闡釋。目前，我國(guó)常用的潮汐測(cè)量方法有聲測(cè)潮法和壓力式測(cè)潮法，GPS測(cè)潮法尚處于推廣應(yīng)用階段。但其精度可以滿足海洋測(cè)量的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代測(cè)潮方法越來(lái)越多。潮汐測(cè)量技術(shù)已經(jīng)從人工測(cè)量逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂秒娮釉O(shè)備、衛(wèi)星觀測(cè)，潮汐測(cè)量也從點(diǎn)到平面的發(fā)展，潮汐數(shù)據(jù)從潮汐信息的觀測(cè)到實(shí)時(shí)的潮汐信息的自動(dòng)獲取。GPS潮汐測(cè)量、潮汐遙感是未來(lái)獲取潮汐數(shù)據(jù)的主要途徑。

1 潮汐形成的原理

潮汐是由于太陽(yáng)、月球和地球相對(duì)位置的不斷改變以及地球受到太陽(yáng)和月球的引力的合力不斷變化，導(dǎo)致海水周期性漲落的現(xiàn)象，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的力稱之為引潮力。牛頓的萬(wàn)有引力定律表明：引力的大小與兩個(gè)物體的乘積成正比，和兩個(gè)物體之間的距離成反比，月球和太陽(yáng)對(duì)海洋潮汐的影響是海水周期性波動(dòng)的原因，不管在其他行星上的作用力有多弱，月亮的作用大約是太陽(yáng)的兩倍。在最近的表面上，圍繞地球的共同質(zhì)量中心的軌道半徑明顯小于地球的軌道半徑。月球的引力將大于相應(yīng)的慣性力，慣性力已無(wú)法再抵消，其合力與物體受地球引力的方向相反。如果該物體是海水，那么就會(huì)有漲潮。用同樣的方法來(lái)研究離月球最遠(yuǎn)的地球上的物體。月球?qū)ξ矬w的引力小于相應(yīng)的慣性力，它們的合力與地球引力在這里的方向相反。它還使物體的引力明顯變小。因此，離月球最遠(yuǎn)的海域也會(huì)出現(xiàn)漲潮。

2 潮汐測(cè)量的意義

潮汐測(cè)量也稱為驗(yàn)潮，實(shí)際上是用來(lái)測(cè)量水位隨時(shí)間點(diǎn)的變化。潮汐站可分為短期潮汐站和長(zhǎng)期潮汐站。臨時(shí)潮汐站和固定潮位控制站是基地。它主要用于計(jì)算平均海平面和平均海平面的深度計(jì)算。該計(jì)算需要連續(xù)兩年的水位數(shù)據(jù)。短期潮汐站是用來(lái)補(bǔ)充長(zhǎng)期潮汐站的。結(jié)合長(zhǎng)期潮汐站計(jì)算的深度資料。在水深測(cè)量過(guò)程中，通常需要對(duì)水位進(jìn)行30天的觀測(cè)，并建立臨時(shí)潮汐站。用長(zhǎng)期或短期潮汐臺(tái)站同時(shí)觀測(cè)潮汐臺(tái)站至少3天的平均海平面或深度基準(zhǔn)。瞬時(shí)水位觀測(cè)與校正的檢測(cè)周期。

3 衛(wèi)星海洋潮汐測(cè)量的方法

3.1 GPS驗(yàn)潮

GPS潮汐測(cè)量技術(shù)是隨著差分GPS技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)。它是目前GPS技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。目前尚處于試驗(yàn)階段。采用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量技術(shù)。該系統(tǒng)由GPS測(cè)量技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)組成。其工作原理是在參考站設(shè)置GPS接收機(jī)，連續(xù)觀測(cè)所有可見(jiàn)GPS衛(wèi)星。所述觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)所述無(wú)線電傳輸裝置實(shí)時(shí)地發(fā)送到所述用戶觀測(cè)站。GPS接收機(jī)同時(shí)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)。參考站發(fā)送的數(shù)據(jù)由無(wú)線電接收裝置接收，并根據(jù)相對(duì)定位原理實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示用戶站的三維坐標(biāo)。

DGPS潮汐檢測(cè)分為靜態(tài)潮汐檢測(cè)和動(dòng)態(tài)潮汐檢測(cè)。靜潮探測(cè)是指將DGPS潮汐站GPS接收天線放置在靠近海岸或海上固定位置的浮標(biāo)或測(cè)量船上。利用海岸GPS接收機(jī)進(jìn)行了載波相位差動(dòng)態(tài)測(cè)量。給出了一種獲取瞬時(shí)海面高度的方法。動(dòng)態(tài)測(cè)潮裝置是將DGPS測(cè)潮站的GPS接收天線置于船舶上。利用海岸的GPS接收機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分測(cè)量，從而獲得測(cè)量船瞬時(shí)的海面高度的測(cè)潮方式。利用GPS測(cè)量點(diǎn)到海面的距離的計(jì)算公式如下：

d= h-N-dant （1）

式中：d表示海面在規(guī)定高程系統(tǒng)下的高度；h代表GPS天線的WGS- 84橢球高度；N代表 WGS- 84參考橢球與所采用高程系統(tǒng)大地水準(zhǔn)面的差值；dant代表GPS天線與海水面之間的高度。

3.2 潮汐遙感測(cè)量

潮汐遙感測(cè)量的原理與GPS潮汐測(cè)量的原理基本相同，都是組合式的測(cè)量方法。它是將高度計(jì)搭載在衛(wèi)星上，然后測(cè)量海面的高低起伏，從中獲取有效的高程數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算出有關(guān)潮汐的有效數(shù)據(jù)。這種方法快捷經(jīng)濟(jì)，覆蓋的范圍廣，但精度較低。要想獲取高精度的有效的潮汐數(shù)據(jù)必須要開(kāi)發(fā)出高精度的傳感器搭載在衛(wèi)星上才可以。

4 潮汐的應(yīng)用

4.1 潮汐在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用

潮汐能是由潮汐力引起的海水周期性波動(dòng)產(chǎn)生的一種能量。這是一種可再生能源，儲(chǔ)量巨大，有待開(kāi)發(fā)。我國(guó)海岸線全長(zhǎng)32000km。大陸海岸線18000km，島嶼海岸線14000km，具有豐富的潮汐能源資源。潮汐能具有清潔、可再生的特點(diǎn)，如果使用得當(dāng)，則可再生利用。它將大大改善以煤為基礎(chǔ)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，減少一次能源燃燒產(chǎn)生的有害物質(zhì)，對(duì)改善空氣質(zhì)量具有重要意義。

4.2 潮汐在自然災(zāi)害預(yù)防方面的應(yīng)用

最近幾年全球的自然災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生，造成了很大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，如2004年的印尼海嘯、2008年的緬甸熱帶風(fēng)暴和中國(guó)四川汶川地震等，使人們對(duì)自然災(zāi)害的預(yù)報(bào)更加重視。潮汐的規(guī)律和潮汐的作用是一個(gè)比較煩瑣的地球物理問(wèn)題，潮汐和其他的自然現(xiàn)象對(duì)于自然災(zāi)害的預(yù)報(bào)有著重要作用。通過(guò)收集更多的信息，找到它們之間的聯(lián)系，要比單一的研究自然災(zāi)害更有效。

4.3 潮汐在電力方面的應(yīng)用

利用潮汐發(fā)電和普通的水力發(fā)電原理相同，都是通過(guò)具有一定高度的勢(shì)能差，將勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。利用潮汐發(fā)電必須滿足兩個(gè)條件：第一：潮汐必須很大，有足夠的勢(shì)能。第二：必須要有合適的地理環(huán)境。

結(jié)語(yǔ)

目前潮測(cè)的方式很多，其中比較常用的是聲學(xué)式測(cè)潮和壓力式測(cè)潮，GPS測(cè)潮目前還處于發(fā)展階段，其精度還不能滿足測(cè)量需求。而潮汐遙感測(cè)量我國(guó)還在探索階段，所以利用衛(wèi)星和傳感器對(duì)海洋潮汐測(cè)量依然需要繼續(xù)探索。

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