
先赞下这个回答,利用在海滨城市的优势,从实际潮汐数据出发,尝试用傅里叶分析比较青岛和秦皇岛的潮汐类型,再寻找背后的物理解释,这个思路妙。
昨天恰好跟利兹大学一位研究地球大气与海洋流体动力学的大神学习了一个多小时,受他启发,回答这个问题还可以从另个角度切入。我试着把视角抬高一些,从全球海洋的潮汐规律说起,再回到题主的问题。
首先,半日潮、全日潮和混合潮的分布,在全球尺度上就存在明显差异。大西洋整体以半日潮(semidiurnal tides)为主,也就是一天大致两次高潮、两次低潮。而太平洋和印度洋的情况更复杂,全日潮(diurnal tides)的贡献相对更明显(注意是相对),多地呈现混合潮(mixed tides),如下图。当然这类全球尺度的分布图只反映大致规律,空间分辨率有限,不宜直接用来判断某个具体地点的潮汐类型。
我觉得这里可能该划重点的物理概念是共振(resonance)。所谓共振现象,例如推动秋千:如果施力的频率接近秋千本身的固有振荡频率,易产生较大振幅。万物皆如此,包括海洋,月球和太阳的引力提供不同频率的周期性强迫,海洋作为流体系统,也具有固有振荡模式。不同的海盆大小、形状、水深及地球自转效应,使这些模式有不同的空间结构和固有频率。
当外部潮汐强迫的频率接近某些固有模态的频率,而且能够有效激发这些模态时,就可能产生较强的响应。潮汐的受迫振荡频率已知,但实际海水在各个频率上的响应强弱,也取决于海洋自身的动力学性质。
人类在此已经有一些定量解释。这篇文章利用全球海洋的60个模态(normal modes),重构不同频率的潮汐响应。大西洋中若干能量较强的模态对半日潮贡献显著,而全日潮模态相对较弱。这能解释为何大西洋整体以半日潮为主。太平洋和印度洋则存在显著的全日潮模态响应,因此不少海域呈现半日潮与全日潮混合的特征。
当然了,真实世界的海洋比个简单的受迫振子复杂。海洋中的波还会受到大陆边界、海底地形、科里奥利力和能量耗散的影响,不同模态间也可能发生各种花式叠加。所以此处可以把问题收敛到具体城市。我最开始引用的回答里已经提到了无潮点(amphidromic point,如下图)的概念,在此只简要总结。想象下,海洋中不同位置的潮汐涨落不同步,有些地方涨潮,另一些地方可能正在退潮。如果把潮汐变化步调相同的位置连接起来,就得到等相位线(co-phase lines)。这些线有时会汇聚到同一个点。但一个位置不可能同时具有多个不同的潮汐相位,因此,这里的潮汐振幅只能为零,这就是无潮点(参考文献见此,书 An Introduction to Tides 第五章 Tidal Wave Propagation)。私以为这在数学上类似于波动中的节点(node)。
这也涉及了题主关心的秦皇岛和青岛之别。这篇文章利用十年的卫星测高数据,结合沿岸潮位观测,绘制了渤海、黄海和东海不同潮汐分量的振幅与相位分布。
他们发现,秦皇岛附近恰好存在半日潮无潮点(文章原话"The amphidromic points in the Bohai Sea are very close to the coast near Qinhuangdao"),导致当地半日潮分量的振幅很小。相比之下,全日潮分量没受到同样程度的抑制,于是当地表现出全日潮占主导的特征。青岛则处于不同的局地潮波环境,半日潮分量依然占据主导,因此表现为半日潮。
最后推荐个专业人士分享的网站:OSU TPXO Tide Models。网站提供全球和区域海洋潮汐模型,可以研究不同潮汐分量的振幅、相位,以及特定地点的潮位预测。有兴趣的同学可用它进一步探索自己熟悉的海域。
