负荷潮是固体地球对海潮和大气潮的响应,其中海潮响应也称为海潮负荷,大气潮响应也称为大气负荷潮。海潮负荷影响一般比大气负荷潮影响大。负荷潮影响地面及地球外部各种几何和物理大地测量观测量和参数,在高精度现代大地测量中,一般都需要顾及负荷潮影响。
负荷潮
海洋和大气潮汐运动引起的周期性固体地球形变和地球外部重力位变化。
- 英文名称
- load tide
- 所属学科
- 测绘学
海水和大气的潮汐运动表现为负荷质量分布变化,引起地球重力位变化,这种质量变化又进一步作用于固体地球,使固体地球发生形变,再次使地球重力位发生变化。
固体潮和海潮负荷最基本的力源都是外部天体的引潮力,因此,他们的谱线大多数一致,这两种物理现象导致固体地球的潮汐影响难以定量分离。在固体潮的研究工作中,讨论固体潮、海潮和海潮负荷之间的相互作用是一项非常重要的工作。太阳日照和季节性照射差异也会引起大气压周期性变化和海平面逆气压周期性响应,影响海潮和大气潮,进而产生负荷潮。
固体潮由引潮天体相对地球的运动产生,负荷潮是海水和大气质量的空间分布状态随时间变化引起的。固体潮的直接引力场源是外部天体,由于远离地球,只需考虑几阶引潮位影响就能保证很高的精度;而负荷潮的直接引力场源是负荷的质量变化,就位于地球表面,因此负荷引力位的影响收敛很慢,一般需要考虑几百阶甚至上万阶影响才能达到一定的精度要求。固体潮用勒夫数和固体潮因子表征,负荷潮用负荷数和负荷潮因子表征,已知地球模型,可计算勒夫数和固体潮因子、负荷数和负荷潮因子的理论值,勒夫数与负荷数之间的关系由地球模型相联系。
海潮负荷是固体地球对海潮运动引起海水质量时空变化的响应,通常利用格林函数(定义为地球对单位点质量负荷变化的响应函数),对瞬时潮高进行褶积积分,来计算海潮负荷影响。地面及地球外部海潮负荷位可用位格林函数积分形式表示为:
式中为计算时刻;
分别为空间计算点的地心距、天顶距和经度;
为万有引力常数;
为海水密度;
为瞬时海潮潮高;
为整个海面;
为空间计算点
和海面流动点
之间的球面角距;
为平均地球半径;
为空间计算点与海面流动点的空间距离;
称为负荷位格林函数,可用球谐级数形式表示为:
式中为
阶勒让德函数;
为
阶位负荷数,是负荷对重力位的间接影响与直接影响的比值(比例系数、比例因子);
是重力位负荷潮因子。
利用公式(1)计算海潮负荷位时,积分区域是全球海面,且需要实时进行数值积分,难以实现快速计算,不方便实际应用。因此,通常对每个分潮的全球潮高数值模型进行球谐分析,将每个分潮的调和参数(即分潮潮高模型)展开成
阶规格化球谐级数形式(
),再由负荷形变理论,计算该分潮对各种大地测量观测量或参数的影响。
给定全球海潮潮高模型,即各分潮调和常数(振幅和迟角
)的格网数字模型,则时
刻海面
处的瞬时潮高
可表示为:
式中为分潮的频率;
、
分别为分潮
的振幅和迟角;
为分潮
在
时刻的天文幅角;
为对全部分潮求和。
将公式(3)中的和
用同相幅值
和异相幅值
的完全规格化球谐系数展开式代替,得:
式中为
、
项求和;
;
为
阶
次规格化连带勒让德函数;
称为分潮
的
阶
次正向前行和逆向后退的规格化球谐系数,也称分潮
的
阶
次调和幅值;
称为分潮
的相位偏差,由分潮振幅
的符号定义。记
,则
时刻全球海潮潮高的
阶
次规格化球谐系数可用复数形式表示为:
利用负荷形变理论,由公式(5)可得任意时刻地面或地球外部空间点的海潮负荷位(总影响)为:
任意时刻地面站点的东方向、北方向和径向的海潮负荷形变
计算公式分别为:
(10)
扩展阅读
- 许厚泽.固体地球潮汐.湖北科技出版社,2010.
- 党亚民,章传银,陈俊勇,等.现代大地测量基准.测绘出版社,2015.
- Farrell W.Deformation of the Earth by surface loads.Geophys. Space Phys,1972,10(3):761-797.