古代人如何预测潮汐？从潮汐表到西方航海经验解析

核心基础：月相与潮汐关系的发现

• 最迟在东汉时期，王充在《论衡》中就明确指出：“涛之起也，随月盛衰”，认识到潮汐涨落与月亮的盈亏有直接关系。这是古代中国预测潮汐最核心的理论基础。
• 古人通过长期观察，将一天（一个太阳日）内的两次高潮时间与月亮的周日运动联系起来，发现高潮时间每天比前一天推迟约50分钟（接近月球周日运动的滞后时间）。同时，也观察到大潮（朔望潮）发生在朔（初一）和望（十五）前后，小潮（方照潮）发生在上弦（初七、八）和下弦（廿二、三）前后。

关键方法：潮汐表的编制（“涛时图”、“潮候图”）

• 唐代窦叔蒙《海涛志》：这是世界上现存最早的系统的潮汐学专著（约8世纪）。其核心贡献是：
  • 精确计算潮汐周期：通过观测和计算，得出一个潮汐循环（两次大潮间隔）约为12小时25分12秒（强），与现代精确值（12小时25分14秒）极其接近。
  • 绘制“涛时图”：他创造性地绘制了一种图表，将一个月（一个朔望月）的潮汐涨落情况用曲线图的形式表示出来。这本质上是世界上最早的潮汐推算表（潮汐预报表）。通过这张图，可以根据月亮的相位（日期）推算出当天高潮发生的时刻。
• 北宋余靖与燕肃：他们进一步改进了窦叔蒙的方法。
  • 余靖强调潮汐周期与月亮运动的严格对应关系（“月临卯酉，则水涨乎东西；月临子午，则潮平乎南北”）。
  • 燕肃在《海潮论》中，并在沿海多地（如明州 - 今宁波）刻立石碑，公布了他推算的当地每日高潮时刻表（“潮候图”）。他采用了更精确的“分点法”，将一天分成100份（刻），计算出每日高潮时间比前一天推迟0.8刻（约12分钟），与现代值（约50分钟）有较大差距，但方法本身是进步的尝试。他的石碑是实用化的地方性潮汐表。

其他辅助方法：

• 物候与经验法则：沿海渔民和航海者总结出大量关于天气、风向、云彩、海鸟行为等与潮汐关系的经验性口诀和谚语（如“东风送潮，西风抢潮”、“初三潮，十八水”等），用于辅助判断和短期预测。
• 水位标记：在港口、码头或特定礁石上设置刻度或标记，观察水位变化，直观了解当前潮位和涨落速度。

中国古代方法的特点：

• 强观测驱动：基于对月亮运动与潮汐现象的长期、系统观测。
• 重经验积累：将观测结果转化为可量化的周期数据和图表。
• 代数模型为主：通过计算月亮运动（日期、时刻）来推算高潮时间（窦叔蒙、燕肃），建立了实用的代数推算模型（潮汐表）。
• 实用性导向：服务于渔业、盐业、航运和港口管理（如漕运）。

早期经验积累（地中海时代）：

• 地中海潮汐幅度很小，对航海影响不大，因此早期（古希腊、罗马）对潮汐的系统性研究较少，主要是一些哲学思辨（如认为潮汐是海洋的“呼吸”或与大西洋的连通有关）。
• 在潮汐显著的地区（如大西洋沿岸、英吉利海峡），当地水手和渔民同样依靠月相经验法则（初一、十五大潮）和本地潮汐规律的经验记忆来预测。

航海时代的推动与经验法则深化：

• 随着大航海时代的到来，船只频繁进出受潮汐影响巨大的港口（如伦敦、阿姆斯特丹、里斯本）和河口，精确掌握潮汐时间变得至关重要。
• “港口潮汐法则”：水手们总结出特定港口的潮汐规律。最著名的莫过于伦敦桥的潮汐法则：通过观察月亮经过伦敦子午线（中天）的时间，来推算伦敦桥（泰晤士河）的高潮时间。他们发现高潮发生在月亮中天后约3小时（称为“港口建立时间”或“潮龄”）。这个经验值对特定港口非常关键。
• “月龄法”：类似中国，根据月相（新月、满月为大潮）进行粗略预测。结合“港口建立时间”，可以估算特定日期的高潮时刻。

早期潮汐表与计算工具：

• 13-14世纪：欧洲出现了最早的实用潮汐表雏形，通常基于宗教日历（包含月相信息）和本地经验法则，列出一年中重要日子（如宗教节日）的高潮时间预测。
• 15-17世纪：
  • 更系统的潮汐表：随着航海需求增加，一些港口或航海国家开始编制更详细的潮汐表。例如，15世纪葡萄牙航海家就使用过潮汐表。
  • 潮汐计算盘：一种类似星盘的机械计算工具，通过旋转刻有日期和月相的圆盘，结合港口固定参数（如高潮滞后于月过中天的时间），可以方便地查询某地某日的高潮时间。

科学理论的萌芽与探索（牛顿之前）：

• 开普勒：认识到月球引力是潮汐的主要成因（“月球吸引海水”）。
• 伽利略：错误地认为潮汐主要是地球自转和公转引起的，试图用“拍岸浪”理论解释，但否认月球引力是主因。
• 笛卡尔：提出“漩涡理论”解释潮汐，认为月球压迫其下方的以太漩涡，挤压海水导致涨潮。
• 这些探索虽然方向各异，甚至错误，但都试图为潮汐现象寻找力学解释，为牛顿的突破铺平了道路。

牛顿的划时代贡献（1687年）：

• 在《自然哲学的数学原理》中，牛顿首次运用万有引力定律科学地解释了潮汐现象。
• 核心理论：潮汐主要是月球引力和太阳引力作用于地球上的海水造成的。月球引力是主因（约为太阳引力的2.17倍）。地球-月球系统围绕共同质心旋转产生的离心力也参与了作用。
• 解释了关键现象：
  • 日不等现象：一天内两次高潮高度不同（月球赤纬不为零时）。
  • 半月不等现象：朔望大潮（日月引力叠加）与上下弦小潮（日月引力部分抵消）。
  • 月不等现象：月球在近地点（引力强）和远地点（引力弱）时潮汐幅度的差异。
• 意义：牛顿的理论为精确预测潮汐奠定了坚实的物理基础，标志着潮汐学从经验时代进入科学时代。后续的潮汐调和分析（将复杂的潮汐视为多个天文分潮叠加）正是在此基础上发展起来的。

西方方法的特点：

• 强航海需求驱动：大航海时代对港口进出、河口航行的安全需求是核心推动力。
• 重本地化经验参数：“港口建立时间”是预测的关键本地经验值。
• 几何/力学模型探索：早期有潮汐计算盘等工具，后期（牛顿）建立了基于引力的物理模型。
• 科学理论突破：牛顿的引力理论解决了潮汐成因的根本问题，为现代预测铺平道路。

• 古代潮汐表（东西方）：本质是基于月相和本地经验参数（如高潮滞后时间） 的天文潮推算表。它预测的是在理想天气条件下，主要由天体引力引起的潮汐（天文潮）。它无法精确预测受气象（风、气压）、地形、水深等因素显著影响的气象潮。
• 现代潮汐表：建立在牛顿引力理论和潮汐调和分析的基础上。
• 调和分析：通过长期（通常18.6年以上）观测某个地点的潮位，分解出数十个甚至上百个由不同天体运动（主要是月球和太阳）引起的、具有固定周期和振幅的分潮（如M2主太阴半日分潮、S2主太阳半日分潮、K1太阴太阳日分潮等）。
• 建立模型：利用这些分潮的调和常数（振幅、迟角），结合精确的天体位置（太阳、月球、地球轨道参数）计算，可以预测未来任何时刻该地点的天文潮位。
• 气象修正：现代预报还会结合气象模型，对天文潮预报进行风、气压等因素的修正，以更接近实际水位。
• 数据来源：依赖全球潮位观测站网络和卫星测高技术提供的大量实测数据来校准模型。

• 古代预测核心：无论东方还是西方，古人都敏锐地抓住了月亮运动（月相） 是预测潮汐的关键钥匙，并通过长期观测建立了基于月相和本地经验的潮汐推算表或法则。
• 东西方差异：
  • 中国：更早、更系统地进行了观测和理论总结（窦叔蒙），建立了以代数推算为主的实用潮汐表（涛时图、潮候图），服务于广泛的沿海经济活动。
  • 西方：在大航海时代强大需求的推动下，发展了基于“港口建立时间”等本地参数的经验法则和早期潮汐表/计算工具，并最终由牛顿完成了理论上的根本性突破，揭示了引力的物理本质。
• 现代基石：牛顿的万有引力定律是理解潮汐成因和实现精确预测的物理基础。现代潮汐表是潮汐调和分析这一强大数学工具的应用，它建立在古代人发现的周期性规律和牛顿揭示的物理原理之上，并融入了现代观测技术和气象修正。

古代人的智慧，从对月亮运行的观察开始，通过记录、归纳和早期计算，创造了实用的预测方法，为人类利用海洋、规避风险提供了至关重要的知识，最终汇入了现代海洋科学的洪流。