[科普中國(guó)]-負(fù)荷潮

負(fù)荷潮的觀測(cè)

最早用于地球固體潮觀測(cè)的儀器是傾斜儀，本世紀(jì)初歐洲地區(qū)的地傾斜固體潮觀測(cè)結(jié)果表明，同一地點(diǎn)的南北向和東西向地傾斜固體潮潮汐因子不一致，并且它們的地理分布有明顯的地區(qū)特點(diǎn)，沿海地區(qū)的潮汐因子與內(nèi)陸地區(qū)的潮汐因子差別很大。當(dāng)時(shí)就猜測(cè)產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是海潮負(fù)荷，自1957年地球物理年以后，隨著固體潮觀測(cè)儀器精度的提高以及固體潮觀測(cè)資料的積累，證明了地球?qū)３必?fù)荷產(chǎn)生響應(yīng)，地球?qū)３必?fù)荷的這種響應(yīng)后來就稱為海潮負(fù)荷潮。在沿海地區(qū)海潮負(fù)荷潮非常顯著，負(fù)荷潮的幅度可能接近或者超過固體潮本身，在一般情況下在沿海地區(qū)重力負(fù)荷潮約占重力固體潮的10%，應(yīng)變負(fù)荷潮約占應(yīng)變固體潮的25%，地傾斜負(fù)荷潮約占地傾斜固體潮的90%，即使在大陸內(nèi)部海潮負(fù)荷潮在固體潮觀測(cè)結(jié)果中也可占固體潮的百分之幾，因而在解釋固體潮的觀測(cè)資料時(shí)，如何將地球的固體潮及其海潮負(fù)荷潮分開是一項(xiàng)十分重要的工作。1

固體潮觀測(cè)結(jié)果至少包括以下三方面的信息：

球狀分層均勻地球模型對(duì)起潮力的響應(yīng)；

地球?qū)３焙痛髿獬钡捻憫?yīng)，其中主要是海潮負(fù)荷潮；

地殼和上地幔的橫向不均勻的影響。

負(fù)荷潮的計(jì)算探索計(jì)算和觀測(cè)都表明，球狀分層均勻地球模型的固體潮對(duì)地球模型內(nèi)部的力學(xué)參數(shù)變化反應(yīng)非常不靈敏，因而很難利用固體潮觀測(cè)結(jié)果建立或修正地球模型內(nèi)部力學(xué)參數(shù)的分布。一般的做法是根據(jù)地震、地球自由振蕩以及其他地球物理資料建立起來的地球模型，計(jì)算該模型對(duì)起潮力的響應(yīng)，計(jì)算出它的勒夫數(shù)、建立地球固體潮模型。把球狀分層均勻地球模型的固體潮模型作為正常固體潮，看成固體潮的觀測(cè)背景，固體潮觀測(cè)諧波與正常固體潮諧波的矢量差等于負(fù)荷潮諧波與地殼和上地幔橫向不均勻的影響。地球的負(fù)荷潮決定于海潮分布以及地球本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而海潮負(fù)荷潮包括全球海潮和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)特別是地殼和上地幔的結(jié)構(gòu)的信息；20年代末曾有人企圖利用海潮負(fù)荷潮的觀測(cè)結(jié)果反演海潮結(jié)構(gòu)，但這并未發(fā)展為反演成海潮圖的有效方法，全球海潮結(jié)構(gòu)還是由根據(jù)海潮觀測(cè)資料建立起來的海潮模型描述。

海潮負(fù)荷對(duì)固體潮的影響來自以下三個(gè)方面：

海潮的漲落使得全球大地水準(zhǔn)面上的海水質(zhì)量將隨時(shí)間波動(dòng)，這種海水質(zhì)量的重新分布使得地面上任一點(diǎn)的重力矢量發(fā)生變化，對(duì)與重力矢量有關(guān)的固體潮產(chǎn)生影響；

大地水準(zhǔn)面上的海水質(zhì)量的重新分布使得作用在地球表面上的負(fù)荷將隨時(shí)間變化，地球在此種表面負(fù)荷的作用下將發(fā)生形變，對(duì)地面上可觀測(cè)到的固體潮產(chǎn)生影響；

地球在海潮負(fù)荷作用下產(chǎn)生形變，改變了地球內(nèi)部的密度分布，進(jìn)一步引起地面上任一點(diǎn)的重力矢量發(fā)生變化，隨之對(duì)與重力矢量有關(guān)的固體潮產(chǎn)生影響。

只要知道海潮圖，根據(jù)海水質(zhì)量隨著時(shí)間的分布，按照萬有引力定律用數(shù)值積分的方法，可以計(jì)算第一種因素在地面上任意點(diǎn)產(chǎn)生的負(fù)荷潮。要想計(jì)算第二、第三種因素產(chǎn)生的負(fù)荷潮，需要計(jì)算該地球模型對(duì)面負(fù)荷的響應(yīng)，一般首先計(jì)算出地球模型對(duì)單位點(diǎn)源面負(fù)荷的響應(yīng)，然后根據(jù)海潮圖用數(shù)值積分的方法計(jì)算全球海潮在地球上任一點(diǎn)產(chǎn)生的負(fù)荷潮。

70年代末、80年代初什維德斯基（Shwiderski）把海潮觀測(cè)資料作為限制條件，利用大型計(jì)算機(jī)解拉普拉斯潮汐方程式，建立了全球海潮模型，給出了主要日波、主要半日波以及月亮的半月波的海潮圖。什維德斯基本人稱M2諧波海潮圖的精度可達(dá)5cm，整個(gè)海潮的預(yù)測(cè)精度可達(dá)10cm。什維德斯基海潮模型提供了一種較好的描述全球海潮的海潮圖。既然有了描述海潮的海潮圖，即認(rèn)為某種程度上已經(jīng)知道全球的海潮分布，就可以把海潮看成作用在地球表面上的已知負(fù)荷，根據(jù)海潮圖計(jì)算選定地球模型對(duì)已知海潮負(fù)荷的響應(yīng)，計(jì)算海潮負(fù)荷潮的空間分布。固體潮觀測(cè)諧波與正常固體潮諧波和負(fù)荷潮諧波的矢量差可稱為固體潮異常，研究固體潮異常的空間分布是固體潮觀測(cè)的重要目的之一。

60年代初芒克（Munk）等人為了描述地球模型對(duì)其面負(fù)荷的響應(yīng)，引進(jìn)了負(fù)荷勒夫數(shù)的概念，60年代后期朗曼（Longman）計(jì)算了高至千階的負(fù)荷勒夫數(shù)。70年代末期法雷爾（Farrell）計(jì)算了G-B地球模型的更高階、直至無窮大階的負(fù)荷勒夫數(shù)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算了該模型對(duì)單位點(diǎn)源面負(fù)荷的響應(yīng)，得出負(fù)荷格林函數(shù)，提出了計(jì)算負(fù)荷潮的格林函數(shù)方法。格林函數(shù)方法已發(fā)展成計(jì)算負(fù)荷潮的一種主要方法。1

計(jì)算海潮負(fù)荷潮的方法計(jì)算海潮負(fù)荷潮的格林函數(shù)方法根據(jù)給定地球模型的點(diǎn)源面負(fù)荷格林函數(shù)，可以計(jì)算出球面上任意負(fù)荷在地面上產(chǎn)生的重力變化、地傾斜變化和應(yīng)變變化。海潮圖給出了海潮負(fù)荷在地面上的空間分布，因而根據(jù)海潮圖利用點(diǎn)源面負(fù)荷格林函數(shù)可以計(jì)算出該海潮分波在地面上任一點(diǎn)產(chǎn)生的負(fù)荷潮。2

計(jì)算海潮負(fù)荷潮的積分格林函數(shù)方法在利用格林函數(shù)方法根據(jù)海潮圖計(jì)算海潮產(chǎn)生的負(fù)荷潮時(shí)，需要在球面上完成海潮的潮高和負(fù)荷格林函數(shù)的卷積，這種球面上的數(shù)值積分需要較大的計(jì)算工作量；為了克服這種計(jì)算方法的缺點(diǎn)，可以首先完成負(fù)荷格林函數(shù)的積分，利用積分負(fù)荷格林函數(shù)，可以用代數(shù)運(yùn)算計(jì)算海潮產(chǎn)生的負(fù)荷潮。1