歷元對(duì)深度基準(zhǔn)面的影響及其更新研究

王言冰，趙俊生

（海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018）

歷元對(duì)深度基準(zhǔn)面的影響及其更新研究

王言冰，趙俊生

（海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018）

針對(duì)海道測(cè)量中深度基準(zhǔn)的時(shí)效性問(wèn)題，分析深度基準(zhǔn)面歷元對(duì)基準(zhǔn)面的影響，通過(guò)與現(xiàn)行值的比較，提出更新和標(biāo)定方法，以提高深度基準(zhǔn)面的有效性。

深度基準(zhǔn)；歷元；更新

在海道測(cè)量中，由于海圖深度基準(zhǔn)面與當(dāng)?shù)爻毕再|(zhì)密切相關(guān)，因此，潮汐的變化特性使得海圖深度基準(zhǔn)面也存在著時(shí)變效應(yīng)，即同一地點(diǎn)不同時(shí)間、不同長(zhǎng)度的潮汐觀測(cè)資料會(huì)對(duì)計(jì)算所得的海圖深度基準(zhǔn)面產(chǎn)生一定的影響。中國(guó)現(xiàn)行的大多數(shù)深度基準(zhǔn)面值是通過(guò)20世紀(jì)50年代至80年代資料計(jì)算確定的，且從確定后未進(jìn)行更改，海圖深度基準(zhǔn)面的時(shí)變效應(yīng)已經(jīng)嚴(yán)重影響到現(xiàn)代高精度海圖測(cè)量數(shù)據(jù)使用的有效性和安全性[1]。為此，國(guó)外許多沿海國(guó)家對(duì)海圖深度基準(zhǔn)面引入了歷元的概念，例如美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局（NOAA）每隔20年—25年就更新一次海圖深度基準(zhǔn)面歷元（19年），美國(guó)當(dāng)前采用的海圖深度基準(zhǔn)面歷元更新到1983年—2001年歷元；澳大利亞潮汐和平均海面委員會(huì)建議采用長(zhǎng)度為20年的深度基準(zhǔn)面歷元，目前已將其海圖深度基準(zhǔn)面歷元更新至1992年—2011年歷元。

1 引入深度基準(zhǔn)面歷元的必要性

由于技術(shù)和歷史原因，中國(guó)先后采用過(guò)的海圖深度基準(zhǔn)面達(dá)15種之多，其中以平均大潮低潮面、略最低潮位面和可能最低低潮面3種較為廣泛使用[2]。1956年以后，中國(guó)統(tǒng)一采用前蘇聯(lián)弗拉基米爾方法計(jì)算的理論最低潮面作為海圖深度基準(zhǔn)面。該算法是在8個(gè)主要分潮組合出最低潮面的基礎(chǔ)上，加入3個(gè)淺水分潮和2個(gè)長(zhǎng)周期氣象分潮的改正，以最終13分潮的計(jì)算結(jié)果作為海圖深度基準(zhǔn)面。

對(duì)于中國(guó)海圖深度基準(zhǔn)面，雖均采用這一模型進(jìn)行計(jì)算，但在確定過(guò)程中存在著相應(yīng)問(wèn)題，主要體現(xiàn)在：（1）按照現(xiàn)行《規(guī)范》的要求，同一地點(diǎn)可以利用一年的水位觀測(cè)資料計(jì)算的海圖深度基準(zhǔn)面。但實(shí)際上以此計(jì)算的海圖深度基準(zhǔn)面具有一定的不穩(wěn)定性，不同年份觀測(cè)資料得出的海圖深度基準(zhǔn)面值存在著較大的變動(dòng)誤差；（2）現(xiàn)行的大多數(shù)海圖深度基準(zhǔn)面值從確定后未進(jìn)行更改。由于海圖深度基準(zhǔn)面的時(shí)變效應(yīng)，這些現(xiàn)行海圖深度基準(zhǔn)面值已影響到現(xiàn)代高精度海圖測(cè)量數(shù)據(jù)使用的有效性和安全性[3]。

目前，我國(guó)大陸沿岸及近海已設(shè)立了一百多個(gè)長(zhǎng)期驗(yàn)潮站，積累了大量實(shí)測(cè)資料，有效監(jiān)測(cè)著我國(guó)沿海的潮位變化[5，6]。尤其是河口及沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，驗(yàn)潮站的設(shè)站較密，如上海長(zhǎng)江口區(qū)的正規(guī)長(zhǎng)期驗(yàn)潮站就有12個(gè)。我國(guó)沿海長(zhǎng)期海平面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)的基本建成為中國(guó)海區(qū)海圖深度基準(zhǔn)面引入歷元提供了必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，因此有可能利用這些長(zhǎng)期站多年的潮汐數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)一我國(guó)的海圖深度基準(zhǔn)面歷元，使我國(guó)各海區(qū)的海圖深度基準(zhǔn)面具有時(shí)間上的一致性和一定時(shí)期內(nèi)的時(shí)效性。

2中國(guó)現(xiàn)行海圖深度基準(zhǔn)面模型

如圖1所示，以深度基準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的海底深度[1]為：

圖1圖載水深結(jié)構(gòu)示意圖

D（x，y）=h（x，y，t）-T（x，y，t）（1）

式中：x，y為平面位置坐標(biāo)，t為時(shí)間參數(shù)；D（x，y）為從深度基準(zhǔn)面起算的海底深度值，即深度基準(zhǔn)面與海底表面的差距；h（x，y，t）為瞬時(shí)測(cè)深值，即瞬時(shí)海面與海底表面的差距；T（x，y，t）為瞬時(shí)水位（潮位）高度值，即瞬時(shí)海面與深度基準(zhǔn)面的差距。式（1）表明：只要已知h（x，y，t）和T（x，y，t），便可確定出D（x，y）。h（x，y，t）通常由海上船只用水聲學(xué)原理獲得，為直接觀測(cè)值，這是唯一直接觸及海底表面的觀測(cè)值，稱(chēng)為海洋測(cè)深的基本觀測(cè)值。

T（x，y，t）由驗(yàn)潮站的水位（潮位）觀測(cè)來(lái)獲得。這是唯一精確標(biāo)定瞬時(shí)海面起伏的觀測(cè)值，稱(chēng)為瞬時(shí)海面的基本觀測(cè)值，通常驗(yàn)潮站給出的瞬時(shí)海面水位（潮位）高度值以驗(yàn)潮站零點(diǎn)（基面）為基準(zhǔn)。故需歸化到以深度基準(zhǔn)面為基準(zhǔn)：

T（x，y，t）=T0（x，y，t）-L0（x，y）（2）

式中：T0（x，y，t）為以驗(yàn)潮站零點(diǎn)（基面）為基準(zhǔn)的水位（潮位）觀測(cè)值；L0（x，y，t）為深度基準(zhǔn)面與驗(yàn)潮站零點(diǎn)（基面）的差值。而L0（x，y）又由下式確定：

L0（x，y）=MSL0（x，y）-L（x，y）（3）

式中：MSL0（x，y）為從驗(yàn)潮站零點(diǎn)（基面）起算的平均海面高度值，即平均海面與驗(yàn)潮站零點(diǎn)（基面）之差值；L（x，y）為深度基準(zhǔn)面與平均海面的差距；MSL0（x，y）通常由驗(yàn)潮站多年水位（潮位）觀測(cè)數(shù)據(jù)取平均獲得，L（x，y）則根據(jù)調(diào)和常數(shù)計(jì)算求出。

3 中國(guó)海圖深度基準(zhǔn)面歷元的確定

關(guān)于理論最低潮面的歷元周期，要求固定周期能夠包括全部重要的天文周期，可以消除當(dāng)?shù)貧庀髮?duì)海平面變化的影響。通常大地測(cè)量以100年作為一個(gè)歷元周期，而對(duì)海洋測(cè)量來(lái)說(shuō)，由于潮汐影響占主導(dǎo)地位，因此，在確定理論最低潮面歷元周期時(shí)，應(yīng)注意到18.61年這個(gè)重要潮汐會(huì)合周期?？紤]到19年最為接近18.61年，故通常認(rèn)為19年周期是一個(gè)完整的潮汐周期。19年周期是月球和太陽(yáng)的回合周期，19個(gè)回歸年是6 939.60天，235個(gè)朔望月是6 939.69天，254個(gè)回歸月是6 937.71天，因而取連續(xù)19年（6 940天）的逐時(shí)潮汐資料進(jìn)行分析，其結(jié)果是較為穩(wěn)定的。這一時(shí)間長(zhǎng)度，一方面能夠包括全部重要的天文周期，經(jīng)歷最重要的潮汐變化；另一方面，也基本能夠消除當(dāng)?shù)貧庀髮?duì)海平面變化的影響。

3.1 當(dāng)前中國(guó)海圖深度基準(zhǔn)面歷元的確定

以?xún)砷L(zhǎng)期驗(yàn)潮站A、B為例，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度分別為44年（1954—1997）和47年（1962— 2008），分別取1、10、15、19和22年作為歷元周期，滑動(dòng)步長(zhǎng)均為一年，得到不同歷元周期的海圖深度基準(zhǔn)面值。表1列出了各歷元周期的計(jì)算值最大互差以及中誤差。

表1 不同歷元周期計(jì)算的深度基準(zhǔn)面（單位：cm）

表1表明：（1）根據(jù)現(xiàn)行《規(guī)范》的算法，采用長(zhǎng)度不同的觀測(cè)資料，所計(jì)算的海圖深度基準(zhǔn)面穩(wěn)定性不同。采用數(shù)據(jù)長(zhǎng)度越大，計(jì)算結(jié)果越平穩(wěn)。當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于等于19年時(shí)，結(jié)果的穩(wěn)定性相近。（2）由于潮汐性質(zhì)不同，不同驗(yàn)潮站采用相同時(shí)間區(qū)間數(shù)據(jù)計(jì)算的深度基準(zhǔn)面穩(wěn)定性不同，表中驗(yàn)潮站A明顯比驗(yàn)潮站B穩(wěn)定，這就意味著A站深度基準(zhǔn)面的更新周期可大于B站的更新周期。

3.2 現(xiàn)行值與歷元更新后的偏差

在確定深度基準(zhǔn)面歷元的周期后，需要具體確定當(dāng)前的各站深度基準(zhǔn)面的更新周期。仍以驗(yàn)潮站A為例，分析該驗(yàn)潮站在不同深度基準(zhǔn)面歷元條件下的變化。圖2為該站連續(xù)26個(gè)深度基準(zhǔn)面歷元條件下計(jì)算所得的深度基準(zhǔn)面值（算法為理論最低潮面算法），由圖2可看出，不同深度基準(zhǔn)面歷元的深度基準(zhǔn)面值互差可達(dá)到4.8 cm。若用1973—1991深度基準(zhǔn)面歷元的深度基準(zhǔn)面值作為1992年后國(guó)家的深度基準(zhǔn)面值，要優(yōu)于1954—1972國(guó)家深度基準(zhǔn)面歷元的深度基準(zhǔn)面值。因此，考慮到各站長(zhǎng)期平均海面的變化和海圖深度基準(zhǔn)面的時(shí)效性，對(duì)于當(dāng)前該站深度基準(zhǔn)面歷元的確定，宜選取距今較近的年份為國(guó)家深度基準(zhǔn)面歷元的起始時(shí)間。

圖2 A站不同深度基準(zhǔn)面歷元的深度基準(zhǔn)面值（cm）

3.3 深度基準(zhǔn)面歷元條件下的標(biāo)定與維持

深度基準(zhǔn)面的建立與陸地高程基準(zhǔn)相比有較大的不同。深度基準(zhǔn)面不是規(guī)定某一個(gè)或某些參考點(diǎn)以供基準(zhǔn)維持，而是將由實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)計(jì)算的深度基準(zhǔn)面值通過(guò)當(dāng)?shù)仄骄Ｃ媾c國(guó)家高程系統(tǒng)建立相應(yīng)聯(lián)系。海圖深度基準(zhǔn)面的位置通常以相對(duì)于穩(wěn)定的平均海面的位置來(lái)表征，其數(shù)值定義為相對(duì)于平均海面的偏差（通常以符號(hào)L表示）。有關(guān)研究表明，我國(guó)東海、南海以及東海以北的西北太平洋廣大海區(qū)的海平面由于溫度、氣壓等原因，海平面均呈上升趨勢(shì)。因此，當(dāng)取19年作為國(guó)家深度基準(zhǔn)面歷元的周期時(shí)，平均海面也需要取與之相應(yīng)的19年周期進(jìn)行計(jì)算，從而使海圖深度基準(zhǔn)面的維持得以由平均海面來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

（1）為維持海洋深度基準(zhǔn)的統(tǒng)一，解決海圖深度基準(zhǔn)面時(shí)變效應(yīng)問(wèn)題，避免不同時(shí)期、不同周期觀測(cè)資料確定的海圖深度基準(zhǔn)面帶來(lái)的混亂，中國(guó)海圖深度基準(zhǔn)面引入歷元是必要的、可行的。（2）為保證海圖深度基準(zhǔn)面歷元期間海圖深度基準(zhǔn)面的穩(wěn)定性，在依理論最低潮面計(jì)算中國(guó)海區(qū)的海圖深度基準(zhǔn)面時(shí)，宜選定19年作為海圖深度基準(zhǔn)面歷元的周期。中國(guó)海區(qū)以19年作為歷元周期計(jì)算的海圖深度基準(zhǔn)面較10年或更短時(shí)間歷元周期計(jì)算的海圖深度基準(zhǔn)面具有更高的穩(wěn)定性。（3）目前中國(guó)海區(qū)海圖深度基準(zhǔn)面的現(xiàn)行值，與19年海圖深度基準(zhǔn)面歷元的深度基準(zhǔn)面存在著較大差異。引入歷元后，中國(guó)沿岸各長(zhǎng)期驗(yàn)潮站采用的海圖深度基準(zhǔn)面值需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

[1]劉雁春.海洋測(cè)深空間結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)處理[M].北京：測(cè)繪出版社，2003.

[2]翟國(guó)君，黃謨濤，暴景陽(yáng).海洋測(cè)繪基準(zhǔn)的需求及現(xiàn)狀[J].海洋測(cè)繪，2003，23（4）：54-58.

[3]暴景陽(yáng)，章傳銀.關(guān)于海洋垂直基準(zhǔn)的討論[J].測(cè)繪通報(bào)，2001（6）：10-11.

[4]章傳銀.測(cè)繪垂直基準(zhǔn)相互轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一技術(shù)[C].地理空間信息技術(shù)與應(yīng)用——中國(guó)科協(xié)2002年學(xué)術(shù)年會(huì)測(cè)繪論文集，2002.

[5]王志豪.中國(guó)的海平面與基準(zhǔn)面[M].應(yīng)用潮汐文集第二集，1986：278-288.

[6]趙明才.我國(guó)海區(qū)的驗(yàn)潮站布設(shè)和深度基準(zhǔn)面的確定問(wèn)題[M].天津：海洋測(cè)繪研究所，1988：1-38.

[7]劉雁春，暴景陽(yáng).海道測(cè)量基準(zhǔn)面?zhèn)鬟f轉(zhuǎn)換技術(shù)[J].軍事測(cè)繪，1992，31：106-109.

2012-04-19