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负荷潮

发布时间:2023-09-16 07:51:08

负荷潮(load tide)又称载荷潮。月亮和太阳的起潮力同时是海潮、大气潮和固体潮的驱动力,地面上观测到的固体潮除了包括地球对起潮力的直接响应外,还包括地球对海潮和大气潮的响应。地球对海潮和大气潮的响应称为地球的负荷潮。因为地球的固体潮、海潮和大气潮都来源于起潮力,因而地球的固体潮及其负荷潮的谱线完全相同。

负荷潮观测

最早用于地球固体潮观测的仪器是倾斜仪,本世纪初欧洲地区的地倾斜固体潮观测结果表明,同一地点的南北向和东西向地倾斜固体潮潮汐因子不一致,并且它们的地理分布有明显的地区特点,沿海地区的潮汐因子与内陆地区的潮汐因子差别很大。当时就猜测产生这种现象的原因可能是海潮负荷,自1957年地球物理年以后,随着固体潮观测仪器精度的提高以及固体潮观测资料的积累,证明了地球对海潮负荷产生响应,地球对海潮负荷的这种响应后来就称为海潮负荷潮。在沿海地区海潮负荷潮非常显著,负荷潮的幅度可能接近或者超过固体潮本身,在一般情况下在沿海地区重力负荷潮约占重力固体潮的10%,应变负荷潮约占应变固体潮的25%,地倾斜负荷潮约占地倾斜固体潮的90%,即使在大陆内部海潮负荷潮在固体潮观测结果中也可占固体潮的百分之几,因而在解释固体潮的观测资料时,如何将地球的固体潮及其海潮负荷潮分开是一项十分重要的工作。

负荷潮

固体潮观测结果至少包括以下三方面的信息:

    球状分层均匀地球模型对起潮力的响应;

    地球对海潮和大气潮的响应,其中主要是海潮负荷潮;

    地壳和上地幔的横向不均匀的影响。

负荷潮计算探索

计算和观测都表明,球状分层均匀地球模型的固体潮对地球模型内部的力学参数变化反应非常不灵敏,因而很难利用固体潮观测结果建立或修正地球模型内部力学参数的分布。一般的做法是根据地震、地球自由振荡以及其他地球物理资料建立起来的地球模型,计算该模型对起潮力的响应,计算出它的勒夫数、建立地球固体潮模型。把球状分层均匀地球模型的固体潮模型作为正常固体潮,看成固体潮的观测背景,固体潮观测谐波与正常固体潮谐波的矢量差等于负荷潮谐波与地壳和上地幔横向不均匀的影响。地球的负荷潮决定于海潮分布以及地球本身的内部结构,因而海潮负荷潮包括全球海潮和地球内部结构特别是地壳和上地幔的结构的信息;

2、0年代末曾有人企图利用海潮负荷潮的观测结果反演海潮结构,但这并未发展为反演成海潮图的有效方法,全球海潮结构还是由根据海潮观测资料建立起来的海潮模型描述。

负荷潮

海潮负荷对固体潮的影响来自以下三个方面:

    海潮的涨落使得全球大地水准面上的海水质量将随时间波动,这种海水质量的重新分布使得地面上任一点的重力矢量发生变化,对与重力矢量有关的固体潮产生影响;

    大地水准面上的海水质量的重新分布使得作用在地球表面上的负荷将随时间变化,地球在此种表面负荷的作用下将发生形变,对地面上可观测到的固体潮产生影响;

    地球在海潮负荷作用下产生形变,改变了地球内部的密度分布,进一步引起地面上任一点的重力矢量发生变化,随之对与重力矢量有关的固体潮产生影响。

只要知道海潮图,根据海水质量随着时间的分布,按照万有引力定律用数值积分的方法,可以计算第一种因素在地面上任意点产生的负荷潮。要想计算第二、第三种因素产生的负荷潮,需要计算该地球模型对面负荷的响应,一般首先计算出地球模型对单位点源面负荷的响应,然后根据海潮图用数值积分的方法计算全球海潮在地球上任一点产生的负荷潮。

70年代末、80年代初什维德斯基(Shwiderski)把海潮观测资料作为限制条件,利用大型计算机解拉普拉斯潮汐方程式,建立了全球海潮模型,给出了主要日波、主要半日波以及月亮的半月波的海潮图。什维德斯基本人称M2谐波海潮图的精度可达5cm,整个海潮的预测精度可达10cm。什维德斯基海潮模型提供了一种较好的描述全球海潮的海潮图。既然有了描述海潮的海潮图,即认为某种程度上已经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负荷,根据海潮图计算选定地球模型对已知海潮负荷的响应,计算海潮负荷潮的空间分布。固体潮观测谐波与正常固体潮谐波和负荷潮谐波的矢量差可称为固体潮异常,研究固体潮异常的空间分布是固体潮观测的重要目的之一。

60年代初芒克(Munk)等人为了描述地球模型对其面负荷的响应,引进了负荷勒夫数的概念,60年代后期朗曼(Longman)计算了高至千阶的负荷勒夫数。70年代末期法雷尔(Farrell)计算了G-B地球模型的更高阶、直至无穷大阶的负荷勒夫数,在此基础上计算了该模型对单位点源面负荷的响应,得出负荷格林函数,提出了计算负荷潮的格林函数方法。格林函数方法已发展成计算负荷潮的一种主要方法。

负荷潮

负荷潮计算方法

计算海潮负荷潮的格林函数方法

根据给定地球模型的点源面负荷格林函数,可以计算出球面上任意负荷在地面上产生的重力变化、地倾斜变化和应变变化。海潮图给出了海潮负荷在地面上的空间分布,因而根据海潮图利用点源面负荷格林函数可以计算出该海潮分波在地面上任一点产生的负荷潮。

计算海潮负荷潮的积分格林函数方法

在利用格林函数方法根据海潮图计算海潮产生的负荷潮时,需要在球面上完成海潮的潮高和负荷格林函数的卷积,这种球面上的数值积分需要较大的计算工作量;为了克服这种计算方法的缺点,可以首先完成负荷格林函数的积分,利用积分负荷格林函数,可以用代数运算计算海潮产生的负荷潮。

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