基于18.6年衛(wèi)星高度計資料對南海潮汐的分析與研究

王延強，仉天宇，朱學(xué)明

（國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，國家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)研究重點實驗室，北京 100081）

1 引言

衛(wèi)星高度計可以實現(xiàn)對海表面高度、海表面地形等動力參數(shù)的測量，同時可以獲取潮汐等動力信息。TOPEX/Poseidon(以下簡稱T/P)，Jason-1，Jason-2三顆衛(wèi)星（以下簡稱T/P-J）采用幾乎相同的軌道高度、軌道傾角、重復(fù)周期等基本參數(shù)，從T/P衛(wèi)星發(fā)射至今有20余年，長時間序列的衛(wèi)星高度計觀測資料積累已超過18.6年，T/P-J高度計運行時間見圖1，且開始出現(xiàn)變軌后的高度計資料，增加了海面高度觀測的空間覆蓋范圍，對于潮汐特征的提取與分析具有積極意義。

1994年以來出現(xiàn)了大量基于衛(wèi)星高度計資料的大洋潮汐模型[1-5]，但其在中國近海的均方根偏差均高于大洋[6]。國內(nèi)也有大量學(xué)者利用衛(wèi)星高度計資料研究中國海的潮汐特征[7-12]。南海潮汐的經(jīng)驗分析主要基于沿岸驗潮站資料[13-14]或衛(wèi)星高度計資料。如Yanagi等[15]、李培良等[8]、趙云霞等[9]分別利用3年、6年、10年的T/P資料，汪一航[9]利用16年變軌前的T/P-J資料，仲昌維[12]采用19年變軌前后的T/P-J資料分別計算了南海的潮汐調(diào)和常數(shù)。但采用變軌前T/P或T/P-J資料，其相鄰軌道間距比較大，在北部灣口等地區(qū)缺乏觀測資料，結(jié)果不是很理想[8]。加入變軌后T/P-J資料結(jié)果會有改善，但由于資料序列較短，在部分沿岸地區(qū)結(jié)果仍不夠理想。

本文綜合利用衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)及沿岸驗潮站數(shù)據(jù)，首先對T/P-J共18.6年衛(wèi)星高度計資料（含變軌后資料）進行最小二乘調(diào)和分析，分析南海Sa,Ssa,Mm,Mf,Q1,O1,P1,K1,N2,M2,S2,K2共12個分潮的調(diào)和常數(shù)，與南海沿岸及島嶼的58個驗潮站數(shù)據(jù)進行比較，4個主要分潮（M2,S2,K1和O1）的振幅和遲角誤差基本小于5 cm和10°；結(jié)合沿岸264個驗潮站數(shù)據(jù)，繪制南海4個主要分潮（M2,S2,K1和O1）的等振幅線和同潮時線。

2 數(shù)據(jù)處理

首先，對衛(wèi)星高度計的測高數(shù)據(jù)進行了除潮汐之外的其他各項訂正，主要有大氣濕對流層訂正、大氣干對流層訂正、大氣電離層訂正、電磁偏差訂正、氣壓引起的海面起伏訂正、固體潮汐訂正、負荷潮訂正、極潮訂正、有效波高訂正等。

圖1 T/P及Jason衛(wèi)星運行情況示意圖

圖2 南海海域衛(wèi)星高度計基準軌道、驗潮站及水深分布

衛(wèi)星高度計不同周期的地面軌跡在理論上是精確重復(fù)的，而在實際數(shù)據(jù)資料中會有細微的偏移。為了對數(shù)據(jù)進行準確定位，選取了高度計測距過程中數(shù)據(jù)比較完備，地面軌跡比較均勻的測量周期為基準軌道，將其他周期數(shù)據(jù)統(tǒng)一訂正到基準軌道上，變軌后軌道被漂移55″，位于先前地面軌跡的間隙中部，見圖2。每個基準軌道上的觀測點生成一個水位時間序列，變軌前T/P-J資料長度為18.6年，變軌后Jason-1長度為3年，表1給出了我們采用的衛(wèi)星資料的周期及時間分布情況。

表1 采用的衛(wèi)星高度計資料

T/P-J衛(wèi)星高度計對海面某處的采樣間隔為9.9156天，其相對應(yīng)的折疊頻率（ fc=1/2Δt）為0.050426 d-1，遠低于主要分潮（半日潮和全日潮）的潮汐頻率，因而產(chǎn)生潮汐高頻混淆。李培良[16]詳細討論過高度計資料的混淆問題。

表2 主要分潮基本分辨時間(y)[16]

表2[16]列出了12個分潮在T/P-J衛(wèi)星采樣間隔下的可分辨周期，從表中可以看出，將K2與P1、K1與Ssa分開需要9.18年的資料，M2與S2分開需要2.97年的資料，將N2與O1、M2與Q1分開需要1.63年的資料，將S2與Q1分開需要1.05年的資料，其他主要分潮之間的可分辨時間都小于1年。采用18.6年的T/P-J高度計資料可以分開12個主要分潮，采用3年的變軌后Jason-1資料也可以分辨開4個主要分潮（M2,S2,K1和O1），其他發(fā)生混淆的分潮振幅比較小，對4個主要分潮影響也比較小。

在T/P-J系列衛(wèi)星高度計實際運行中，時間間隔不是嚴格的9.9156天，衛(wèi)星交替時的時間間隔也會發(fā)生變化，為精確計算，采用每個觀測序列的時間間隔平均值進行計算。在1°—26°N，99°—123°E的整個南海海域范圍內(nèi)，共搜集到7926個觀測點的水位時間序列。對變軌前T/P-J及變軌后Jason-1的每個觀測點的水位時間序列采用最小二乘法[17-18]，計算各點的調(diào)和常數(shù)。T/P-J衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)采用世界時系統(tǒng)，為了方便與前人研究成果進行對比，將其時間加上8個小時，計算相對于北京時間（東8時）的遲角。

3 結(jié)果驗證與討論

3.1 與驗潮站資料比較

選取Fang等[19]給出的58個驗潮站（原文中共63個驗潮站，其中5個站位因觀測時間比較短，代表性相對較差而被舍棄）4個主要分潮（M2,S2,K1和O1）的調(diào)和常數(shù)對高度計資料的分析結(jié)果進行驗證，各站位位置見圖2。經(jīng)對驗證結(jié)果的統(tǒng)計分析可知，4個主要分潮振幅最大平均絕對誤差為4.4 cm，除S2分潮外，遲角最大平均絕對誤差為7.8°。各分潮振幅和遲角的平均絕對誤差及其與前人研究成果的對比見表3，誤差小于Fang等[19]，李培良等[8]所得結(jié)果，尤其小于李培良等[8]的結(jié)果，表明采用更長時間序列的衛(wèi)星高度計資料，尤其加入變軌資料，分析所得的調(diào)和常數(shù)結(jié)果得到了明顯改善。

表3 各分潮振幅和遲角的平均絕對誤差

3.2 潮汐分布特征

除Fang等給出的58個站位資料外，另從英版潮汐表中搜集到206個沿岸驗潮站（其位置見圖2）的潮汐調(diào)和常數(shù)，共計264個驗潮站資料。將其與高度計資料調(diào)和分析的振幅和遲角一并插值到0.1°×0.1°的規(guī)則網(wǎng)格上，繪制出南海4個主要分潮（M2,S2,K1和O1）的等振幅線和同潮時線分布（見圖3）。

研究海域內(nèi)共得到兩個M2分潮的旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)，都分布在泰國灣內(nèi)。一個在灣口，呈順時針方向旋轉(zhuǎn)，Ye等[20]、沈育疆等[21]、丁文蘭[22]、方國洪等[19,23-24]、李培良等[8]、Zu 等[25]文獻都曾給出過此無潮點，但Ye等[20]、沈育疆等[21]和李培良等[8]給出的要更靠近灣口外部；另一個在灣頂，呈逆時針方向旋轉(zhuǎn)，此無潮點在Ye等[20]、俞慕耕[13]、沈育疆等[21]、方國洪等[19,23-24]文獻都給出過，Ye等[20]、方國洪等[24]分析此無潮點退化到陸地上。南海M2半日潮波由呂宋海峽傳入，在南海內(nèi)區(qū)、北部灣等海域的M2半日潮波都呈現(xiàn)出前進波形態(tài)，且海盆潮波傳播速度要明顯快于陸架區(qū)。

M2分潮的振幅在臺灣海峽北部最大，超過200 cm，達圖灣次之，超過150 cm，在湄公河口，馬來半島超過50 cm。而在廣闊的南海海盆，振幅較小，都在20 cm左右。

S2分潮的分布形態(tài)與M2分潮有很大的相似性，在泰國灣口形成一個順時針旋轉(zhuǎn)的無潮點，在泰國灣頂形成退化無潮點，S2分潮的分布圖在俞慕耕[13]、沈育疆等[21]、Fang等[19]、李培良等[8]、Zu等[25]等文獻也給出過，但無潮點位置都有些差異。S2分潮在南海東北部接近岸邊的地方形成一個無潮點，此無潮點位置與俞慕耕[13]，F(xiàn)ang等[19]基本一致。

S2分潮的振幅要比M2分潮振幅小很多，大部分地區(qū)為10 cm，最大振幅出現(xiàn)在臺灣海峽北部，達到60 cm，其次出現(xiàn)在湄公河口及達圖灣。

K1分潮在北部灣口和泰國灣各形成一個旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)，都呈逆時針方向旋轉(zhuǎn)。北部灣口的無潮點退化到了陸地上，Ye等[20]、方國洪等[19,24]、Zu等[25]等都分析出此退化的無潮點，俞慕耕[13]、沈育疆等[21]、丁文蘭[22]、Fang[23]在北部灣口分析出接近岸邊的無潮點。由于變軌前T/P高度計在北部灣口附近觀測數(shù)據(jù)較少，李培良等[8]，趙云霞等[9]采用T/P高度計資料沒有分析出此無潮點，見圖4。在泰國灣中部偏南的無潮點位置與Ye等[20]，俞慕耕[13]，沈育疆等[21]，丁文蘭[22]，方國洪等[19,23-24]，李培良等[8]，Zu等[25]結(jié)果基本一致。K1分潮主要由呂宋海峽，其次由臺灣海峽同時傳入南海，在深水地區(qū)以前進波形式傳播，到了泰國灣和北部灣形成旋轉(zhuǎn)潮波。

圖3 主要分潮的等振幅線（虛線,單位/cm）與同潮時線（實線,單位/°）分布圖

圖4 主要分潮的等振幅線（虛線,單位/cm）與同潮時線（實線,單位/°）分布圖（引自李培良等[8]）

K1分潮振幅在南海大部分地區(qū)超過30 cm，最大出現(xiàn)在北部灣頂，超過90 cm，振幅由灣口向灣頂遞增，泰國灣振幅由灣中部無潮點附近向灣口和灣頂遞增，最大在灣頂達到70 cm，在湄公河口，振幅超過60 cm。

O1分潮分布與K1分潮大致相同，在泰國灣有一逆時針方向的無潮點，與俞慕耕[13]，沈育疆等[21]，F(xiàn)ang等[19]，李培良等[8]，Zu等[25]一致。在北部灣口也得到一個退化的無潮點，方國洪等[19]，Zu等[25]也曾給出過此無潮點。

O1分潮振幅分布與K1分潮在南海分布基本一致，最大振幅出現(xiàn)在北部灣頂，超過90 cm，但在湄公河口及泰國灣頂小于K1分潮，為40 cm左右。

4 總結(jié)

利用最小二乘調(diào)和分析法對南海T/P-J共18.6年長時間序列的衛(wèi)星高度計資料（含變軌后資料）進行分析，得到南海12個分潮調(diào)和常數(shù)，并與58個驗潮站資料比較。結(jié)果表明，4個主要分潮（M2,S2,K1和O1）振幅平均絕對誤差最大不超過5 cm，除S2分潮外，遲角平均絕對誤差不超過10°。同時，結(jié)合沿岸驗潮站資料，繪制4個主要分潮（M2,S2,K1和O1）的等振幅線和同潮時線分布，較好的展現(xiàn)了南海潮汐分布特征。得到如下主要結(jié)論：

（1）采用更長時間序列的衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)分析所得結(jié)果得到明顯改善，也更趨合理；

（2）增加3年變軌后的資料有助于提高沿岸地區(qū)的潮汐分析結(jié)果；

（3）在泰國灣內(nèi)得到兩個半日分潮的旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)，南海內(nèi)區(qū)、北部灣等海域的半日潮波都呈現(xiàn)前進波形態(tài)，南海海盆半日分潮振幅在10—20 cm左右。

（4）在北部灣口和泰國灣各得到一個全日分潮的旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)，南海內(nèi)區(qū)的全日潮波呈現(xiàn)前進波形態(tài)，南海海盆內(nèi)的全日分潮振幅在30—40 cm之間。

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