關于潮汐學課堂實驗教學的思考

劉浩　胡松

摘要：本文介紹了潮汐學的教學內容和實驗課的實驗步驟以及每一步驟要達到的試驗目的，希望通過實驗教學幫助學生更好地理解和消化理論課知識，同時掌握潮汐觀測數(shù)據(jù)處理的基本方法。

關鍵詞：潮汐學；實驗步驟；實驗目的

一、引言

潮汐指的是在太陽和月球等天體引潮力作用下，地球的巖石圈、水圈和大氣圈中分別產生的周期性的運動和變化。從這個意義上講，潮汐學就是研究固體地球、海洋以及大氣潮汐現(xiàn)象的一門科學。在所有潮汐現(xiàn)象中海洋潮汐的變化是最為顯著的，因此海洋潮汐構成了潮汐學的研究主體。潮汐運動的最主要特征在于它的規(guī)律性和周期性。而造成潮汐這種規(guī)律性運動的根本原因是天體引潮力的周期性變化。

眾所周知，白天黑夜、月圓月虧以及春夏秋冬等天文現(xiàn)象就是由太陽、月球和地球三個天體之間相對位置的周期性變化所引起的，而天體之間這種位置的變化必然導致引潮力隨之發(fā)生變化。因此，研究引潮力如何周而復始的變化以及海水怎樣響應引潮力的變化，在此基礎上進一步預報海洋潮汐的變化過程就構成了大學本科階段關于潮汐學的主要教學和研究內容。前者是關于潮汐理論的課堂教學，后者是通過實驗課的形式對潮汐理論內容的消化和應用。本文主要關注潮汐學實驗課的相關內容和要求。

二、實驗課教學內容和要求

潮汐學實驗課程的內容按照如下五個方面依次進行：一是潮汐觀測，熟悉儀器的使用和數(shù)據(jù)的讀?。欢菙?shù)據(jù)的預處理，結合理論課所介紹的潮汐數(shù)據(jù)分析應注意的事項并對觀測數(shù)據(jù)進行預處理；三是潮汐的調和分析，首先選取主要分潮，然后采用最小二乘法求解主要分潮的調和常數(shù)（振幅和遲角）；四是誤差分析，根據(jù)計算得到的調和常數(shù)進行潮汐自報，與觀測數(shù)據(jù)進行比較，確定誤差，找出誤差來源（觀測數(shù)據(jù)上的還是分析方法上的），必要時進行第二次調和分析；五是任意時刻的潮汐預報，在確保調和分析結果準確的基礎上，進行任意時段潮汐的預報。

潮汐的觀測是一個長期的過程，在教學過程中不太可能安排學生進行現(xiàn)場觀測，但是可以組織學生去海洋局下屬的臺站進行參觀學習，一方面可以了解潮汐觀測的具體流程，同時也能對測量儀器有一個感性的認識。在獲得潮汐觀測的第一手數(shù)據(jù)后，需要對原始數(shù)據(jù)進行預處理，進行潮汐調和分析時一定要注意分潮的選取與觀測時間間隔以及觀測時段長度之間是否匹配，具體要求是：第一，所選任意分潮的角速度一定要小于π/t；第二，任意兩個分潮的角速度之差或之和不能等于2π的整數(shù)倍；第三，觀測序列的時間長度要大于任意分潮的周期；第四，觀測序列的時間長度還要大于任意兩個分潮的匯合周期。在滿足上述四個條件的基礎上，用最小二乘法求解主要分潮的振幅和遲角，二者統(tǒng)稱為潮汐的調和常數(shù)。即便求出了潮汐的調和常數(shù)，但是這個解是否準確還需要進行驗證。通常的做法是根據(jù)調和常數(shù)進行潮位自報，即計算和觀測數(shù)據(jù)同一時間段的潮位，然后比較觀測值和計算值的誤差。如果誤差足夠小，那么可以認為計算結果是可靠的；否則要進一步找出產生誤差的原因，判斷究竟是觀測數(shù)據(jù)有問題還是計算結果有問題。排除系統(tǒng)誤差后，有必要再次進行潮汐的調和分析，重復之前的實驗步驟，直到誤差足夠小為止。最后，就可以用準確的調和常數(shù)預報任意時間段的潮位了，就像國家海洋局每年發(fā)布的沿海主要驗潮站潮汐表一樣，給出任意時刻的潮位數(shù)值。

三、實驗教學的注意事項

潮汐學是涉海專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課，對學生之前的知識積累要求比較高。一方面，研究引潮力需要學生對天體物理運動規(guī)律和研究方法有一定的認知，引潮力展開涉及傅立葉級數(shù)變換的基本方法，潮汐的調和分析又涉及最小二乘法在數(shù)據(jù)處理方面的應用，因此本門課程的學習需要學生具有較好的數(shù)理基礎。另一方面，潮汐學的實驗教學內容又具有很強的實用性，能夠直接解決潮汐觀測數(shù)據(jù)的處理問題，同時也能很好地銜接理論課的教學內容，幫助學生理解和消化在課堂上聽起來可能很抽象的潮汐理論。為了保證實驗教學內容的充分進行，一般會安排12個學時的上機課，教師會指導學生運用課堂學到的知識針對實際觀測數(shù)據(jù)進行潮汐分析和預報。從這個角度講，本門課程還要求學生具有一定的計算機編程能力，同時，為了能讓學生按部就班地完成教師布置的每一項實驗內容，編制一部內容翔實的實驗指導書也是很必要的，可以讓學生在實驗過程中有據(jù)可循，提高實驗課的效率。

參考文獻：

[1]方國洪，鄭文振，等.潮汐和潮流的分析和預報[M].北京：海洋出版社，1985.

[2]劉浩.關于潮汐學課堂教學的研究[J].新校園，2015（4）：63.endprint