关于潮汐学课堂实验教学的思考

刘浩　胡松

摘要：本文介绍了潮汐学的教学内容和实验课的实验步骤以及每一步骤要达到的试验目的，希望通过实验教学帮助学生更好地理解和消化理论课知识，同时掌握潮汐观测数据处理的基本方法。

关键词：潮汐学；实验步骤；实验目的

一、引言

潮汐指的是在太阳和月球等天体引潮力作用下，地球的岩石圈、水圈和大气圈中分别产生的周期性的运动和变化。从这个意义上讲，潮汐学就是研究固体地球、海洋以及大气潮汐现象的一门科学。在所有潮汐现象中海洋潮汐的变化是最为显著的，因此海洋潮汐构成了潮汐学的研究主体。潮汐运动的最主要特征在于它的规律性和周期性。而造成潮汐这种规律性运动的根本原因是天体引潮力的周期性变化。

众所周知，白天黑夜、月圆月亏以及春夏秋冬等天文现象就是由太阳、月球和地球三个天体之间相对位置的周期性变化所引起的，而天体之间这种位置的变化必然导致引潮力随之发生变化。因此，研究引潮力如何周而复始的变化以及海水怎样响应引潮力的变化，在此基础上进一步预报海洋潮汐的变化过程就构成了大学本科阶段关于潮汐学的主要教学和研究内容。前者是关于潮汐理论的课堂教学，后者是通过实验课的形式对潮汐理论内容的消化和应用。本文主要关注潮汐学实验课的相关内容和要求。

二、实验课教学内容和要求

潮汐学实验课程的内容按照如下五个方面依次进行：一是潮汐观测，熟悉仪器的使用和数据的读取；二是数据的预处理，结合理论课所介绍的潮汐数据分析应注意的事项并对观测数据进行预处理；三是潮汐的调和分析，首先选取主要分潮，然后采用最小二乘法求解主要分潮的调和常数（振幅和迟角）；四是误差分析，根据计算得到的调和常数进行潮汐自报，与观测数据进行比较，确定误差，找出误差来源（观测数据上的还是分析方法上的），必要时进行第二次调和分析；五是任意时刻的潮汐预报，在确保调和分析结果准确的基础上，进行任意时段潮汐的预报。

潮汐的观测是一个长期的过程，在教学过程中不太可能安排学生进行现场观测，但是可以组织学生去海洋局下属的台站进行参观学习，一方面可以了解潮汐观测的具体流程，同时也能对测量仪器有一个感性的认识。在获得潮汐观测的第一手数据后，需要对原始数据进行预处理，进行潮汐调和分析时一定要注意分潮的选取与观测时间间隔以及观测时段长度之间是否匹配，具体要求是：第一，所选任意分潮的角速度一定要小于π/t；第二，任意两个分潮的角速度之差或之和不能等于2π的整数倍；第三，观测序列的时间长度要大于任意分潮的周期；第四，观测序列的时间长度还要大于任意两个分潮的汇合周期。在满足上述四个条件的基础上，用最小二乘法求解主要分潮的振幅和迟角，二者统称为潮汐的调和常数。即便求出了潮汐的调和常数，但是这个解是否准确还需要进行验证。通常的做法是根据调和常数进行潮位自报，即计算和观测数据同一时间段的潮位，然后比较观测值和计算值的误差。如果误差足够小，那么可以认为计算结果是可靠的；否则要进一步找出产生误差的原因，判断究竟是观测数据有问题还是计算结果有问题。排除系统误差后，有必要再次进行潮汐的调和分析，重复之前的实验步骤，直到误差足够小为止。最后，就可以用准确的调和常数预报任意时间段的潮位了，就像国家海洋局每年发布的沿海主要验潮站潮汐表一样，给出任意时刻的潮位数值。

三、实验教学的注意事项

潮汐学是涉海专业一门重要的专业必修课，对学生之前的知识积累要求比较高。一方面，研究引潮力需要学生对天体物理运动规律和研究方法有一定的认知，引潮力展开涉及傅立叶级数变换的基本方法，潮汐的调和分析又涉及最小二乘法在数据处理方面的应用，因此本门课程的学习需要學生具有较好的数理基础。另一方面，潮汐学的实验教学内容又具有很强的实用性，能够直接解决潮汐观测数据的处理问题，同时也能很好地衔接理论课的教学内容，帮助学生理解和消化在课堂上听起来可能很抽象的潮汐理论。为了保证实验教学内容的充分进行，一般会安排12个学时的上机课，教师会指导学生运用课堂学到的知识针对实际观测数据进行潮汐分析和预报。从这个角度讲，本门课程还要求学生具有一定的计算机编程能力，同时，为了能让学生按部就班地完成教师布置的每一项实验内容，编制一部内容翔实的实验指导书也是很必要的，可以让学生在实验过程中有据可循，提高实验课的效率。

参考文献：

[1]方国洪，郑文振，等.潮汐和潮流的分析和预报[M].北京：海洋出版社，1985.

[2]刘浩.关于潮汐学课堂教学的研究[J].新校园，2015（4）：63.endprint