連云港站潮汐調(diào)和分析與預(yù)報(bào)

程　誠鄭小萌（.安徽省淮河河道管理局　蚌埠　33000　.安徽水利開發(fā)股份有限公司　蚌埠　33000）

連云港站潮汐調(diào)和分析與預(yù)報(bào)

程誠1鄭小萌2
（1.安徽省淮河河道管理局蚌埠2330002.安徽水利開發(fā)股份有限公司蚌埠233000）

應(yīng)用潮汐資料分析T_tide程序，將連云港站點(diǎn)1993年潮汐資料調(diào)和分析結(jié)果與實(shí)測情況進(jìn)行比對，并根據(jù)1993年計(jì)算的調(diào)和常數(shù)進(jìn)行1994年潮位預(yù)測分析，結(jié)果資料表明：計(jì)算分析與預(yù)測潮位與實(shí)測潮位基本吻合，精確度都在96%以上；測站區(qū)域主要分潮有O1、K1、N2、M2、S2，其中M2分潮尤其顯著；不同季節(jié)得出的潮性系數(shù)一致，調(diào)和分析結(jié)果與季節(jié)無關(guān)。

潮汐調(diào)和分析預(yù)報(bào)T_tide程序

1　引言

地球上海水受到月亮、太陽及其他星體引力作用而呈現(xiàn)出的周期性上升，下降運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象叫做潮汐，這種周期性潮汐現(xiàn)象既有垂直方向的漲落，又有水平方向的前后流動(dòng)。前者稱潮汐，后者稱潮流。實(shí)際的潮汐特征隨著地點(diǎn)和時(shí)間變化而變化。但是總體而言，一般潮汐可以劃分為日潮、半日潮和混合潮。半日潮是指在一個(gè)太陽日內(nèi)連續(xù)兩次高潮和兩次低潮的現(xiàn)象。一個(gè)太陽月中的大多數(shù)太陽日，每日出現(xiàn)一次高潮和一次低潮，形成了日潮。在一個(gè)太陽日內(nèi)也有兩次高潮和兩次低朝，但是相鄰的高潮或低潮的高度不相等，且高低潮差不一致，漲潮和落潮的時(shí)間間隔也不相同的現(xiàn)象被稱作混合潮。

2　研究現(xiàn)狀

近代海洋潮汐學(xué)創(chuàng)立于17世紀(jì)后半葉。它的基本任務(wù)是闡明海洋潮汐的成因，提出全球潮波分布及其隨時(shí)間的變化規(guī)律，并作出預(yù)報(bào)。國外針對潮汐的研究開展得較早，近代潮汐學(xué)關(guān)于平衡潮理論是1687年由牛頓提出的。早在1868年，開爾文便設(shè)計(jì)了調(diào)和分析方法進(jìn)行潮汐預(yù)報(bào)，并且發(fā)明了潮汐預(yù)報(bào)機(jī)。而真正研究出應(yīng)用于實(shí)際的調(diào)和分析方法的是Darwin，他于1907年將引潮力進(jìn)一步的調(diào)和展開，得出主要潮汐分潮的頻率。Doodson于1921得更進(jìn)一步提高了計(jì)算參數(shù)，他運(yùn)用布朗原理將引潮力展開成純調(diào)和的展開式，并于1928年得到60個(gè)分潮非常精確的調(diào)和常數(shù)?；舳髟?960年第一個(gè)運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行潮汐調(diào)和分析的計(jì)算。我國不少學(xué)者也在原有理論方法的基礎(chǔ)上，不斷地改進(jìn)，應(yīng)用到我國的實(shí)際情況中。宋志堯等于1997年提出了一種由高低潮資料進(jìn)行潮汐分析的方法，可大大減少所需的原始樣本量。李啟華等于2007年分析了調(diào)和分析法潮汐預(yù)報(bào)的局限性和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于潮汐預(yù)報(bào)的可行性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和更多的應(yīng)用，調(diào)和分析的計(jì)算方法越來越多，精度也越來越高。

Pawlowicz等通過對Foreman的潮汐分析預(yù)報(bào)研究以及對Fortran程序的改進(jìn)，發(fā)表了T_tide潮汐處理軟件包。其認(rèn)為古典潮汐計(jì)算理論的不足之處主要有三點(diǎn)：忽略了對近日點(diǎn)的調(diào)制；不能確定得到的相位或者振幅是否來自于非潮汐因素；在沿岸淺水地區(qū)古典計(jì)算理論也存在問題。T_tide基于經(jīng)典潮流計(jì)算理論，克服了以上缺點(diǎn)。

T_tide的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）對一年或更短的潮汐資料進(jìn)行調(diào)和分析；（2）對分析結(jié)果給出置信區(qū)間；（3）T_predic.m可根據(jù)算得調(diào)和常數(shù)對未來某時(shí)刻的潮汐進(jìn)行預(yù)報(bào)，且其能獲得相當(dāng)高的精度。T_tide發(fā)表以來，得到了海洋工作者們的廣泛應(yīng)用，本文利用Matlab環(huán)境下的T_tide工具箱對研究區(qū)域進(jìn)行潮汐潮流調(diào)和分析。

3　研究區(qū)域及基本資料

此次的研究數(shù)據(jù)來自連云港潮位測站。連云港測站位于34°45′N，119°25′E；該區(qū)海域水深平均幾十米，針對2014年1月份的潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析。對連云港測站1993全年以及各季節(jié)逐時(shí)潮位資料進(jìn)行調(diào)和分析，最后利用調(diào)和分析結(jié)果對1994年潮位進(jìn)行預(yù)測并與實(shí)測數(shù)據(jù)比較分析，以評估其預(yù)測的準(zhǔn)確性。

4　潮汐調(diào)和分析理論與方法

潮汐靜力理論只對潮汐現(xiàn)象變化的基本規(guī)律和特點(diǎn)進(jìn)行簡單分析，如果要進(jìn)一步了解某個(gè)具體海域潮汐的變化規(guī)律則需要進(jìn)行實(shí)地觀測，根據(jù)實(shí)測潮汐變化過程進(jìn)行調(diào)和分析，求其主要分潮的調(diào)和常數(shù)，由調(diào)和常數(shù)就可以確定各個(gè)組成分潮的大小和進(jìn)行潮汐推算。潮汐調(diào)和分析的最小二乘法就是以潮汐靜力學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)測潮汐變化過程進(jìn)行分析，計(jì)算各分潮調(diào)和常數(shù)的過程。

由于月球和太陽的引潮力引起的潮汐是多個(gè)余弦函數(shù)的疊加，每一余弦函數(shù)可被定義成一個(gè)分潮，潮位可以表示成以下形式：

式中：A0為分析期間的平均海面；t是區(qū)時(shí)；m為選取的分潮數(shù)；f是分潮的交點(diǎn)因子；σ為分潮的角速率；G （V0+u）為格林威治零時(shí)平衡潮分潮的初相角；x（t）是非天文潮位，它是由氣象等因素引起的不規(guī)則擾動(dòng)、觀測中存在的誤差、數(shù)據(jù)中的差錯(cuò)和截?cái)嗾`差、被忽略的分潮等，具有隨機(jī)的特性，在物理學(xué)上稱為噪音；H為分潮的平均振幅；g為區(qū)時(shí)專用遲角。H，g為待定的潮汐調(diào)和常數(shù)。因此，分潮表達(dá)式又可以進(jìn)一步寫成：

式中：f、σ、（V+u）均為已知，故只要能求出每一個(gè)分潮的潮汐調(diào)和常數(shù)H及g，則分潮便可求。一般來說，調(diào)和常數(shù)是由海區(qū)的深度、地形、沿海外形等自然條件決定的。

表1　　連云港1993年1月潮位調(diào)和分析表

5　計(jì)算結(jié)果分析

首先對連云港潮位站1993年全年潮位資料進(jìn)行調(diào)和分析；為了研究潮汐特性和T_tide在不同時(shí)段數(shù)據(jù)的調(diào)和分析的效果，將全年資料分成春夏秋冬四個(gè)季節(jié)進(jìn)行調(diào)和分析；研究調(diào)和常數(shù)與季節(jié)變化的關(guān)系。同時(shí)采用1993年全年的潮位資料，用T_tide函數(shù)計(jì)算出調(diào)和常數(shù)，由得出的調(diào)和常數(shù)來預(yù)測連云港1994年的潮位。

先采用連云港潮位站1993年1～12月全年的間隔1h的潮位資料進(jìn)行調(diào)和分析，T_tide中設(shè)置開始時(shí)間為1993年1 月1日，緯度為34°45′N，信噪比取2，添加M10淺水分潮，其他參數(shù)保持默認(rèn)，計(jì)算出該站點(diǎn)處的調(diào)和常數(shù)，繪制出調(diào)和過程曲線，分析實(shí)測值與回報(bào)值的殘差，殘差是指觀測值與預(yù)測值之間的差，即是實(shí)際觀測值與回歸估計(jì)值的差。連云港回報(bào)準(zhǔn)確率為96.7%，可見T_tide調(diào)和分析的準(zhǔn)確度在一個(gè)月數(shù)據(jù)中表現(xiàn)良好，具有較高的準(zhǔn)確性。

為研究潮汐特性與不同時(shí)段數(shù)據(jù)T_tide的調(diào)和分析效果，將全年資料分成各季節(jié)進(jìn)行調(diào)和分析，繪制1993年各季節(jié)主要分潮對比圖，其中春季取3～5月的數(shù)據(jù)，夏季取6～8月的數(shù)據(jù)，秋季取9～11月的數(shù)據(jù)，冬季取12～2月的數(shù)據(jù)。

從結(jié)果上可以看到，各個(gè)季節(jié)的主要分潮貢獻(xiàn)基本一致，各個(gè)季節(jié)基本上都受到M2分潮的控制，以O(shè)1、K1、N2、S2為輔，只有N2、S2略有差異。全年中不同季節(jié)的調(diào)和分析區(qū)別不明顯；3個(gè)月長度的資料與全年資料分析結(jié)果基本一致，與所選取的季節(jié)資料幾乎無關(guān)。

根據(jù)連云港1993年資料所得的調(diào)和常數(shù)對1994年進(jìn)行預(yù)報(bào)，截取了180～200d的細(xì)節(jié)圖，繪制出連云港潮汐調(diào)和預(yù)報(bào)分析圖，從預(yù)報(bào)分析曲線圖上可以看出所得的預(yù)報(bào)值與實(shí)測值基本相等，同時(shí)得到預(yù)報(bào)值與實(shí)測值之差，殘差整體在0附近波動(dòng)，但在某些時(shí)段仍呈現(xiàn)一定程度的偏移，如192～196d波動(dòng)比較大，可能是由于受到風(fēng)、海浪、風(fēng)暴潮等自然因素造成的高頻運(yùn)動(dòng)的影響，另外其他非潮汐周期的低頻運(yùn)動(dòng)也會(huì)對殘差造成一定的影響。殘差與實(shí)測值的比值為3.76%。故認(rèn)為T_tide調(diào)和分析工具在連云港的預(yù)報(bào)精度是比較高的，滿足使用的需求。

6　結(jié)論

潮汐調(diào)和分析作為潮汐分析的基本方法，通過確定潮汐調(diào)和常數(shù)或找出實(shí)測資料與天文指標(biāo)的關(guān)系，可對當(dāng)?shù)靥煳某彼M(jìn)行預(yù)報(bào)和預(yù)測，具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值，研究調(diào)和常數(shù)對掌握潮汐的規(guī)律、利用潮汐都有很重要的意義。

T_tide潮汐調(diào)和分析預(yù)報(bào)程序在連云港測站潮位回報(bào)及預(yù)測中精度得到檢驗(yàn)，是一種可靠的潮汐分析預(yù)報(bào)工具。測站區(qū)域海岸潮汐性質(zhì)為：主要分潮有O1、K1、N2、M2、S2，其中M2分潮尤其顯著；不同季節(jié)得出的潮性系數(shù)一致，調(diào)和分析結(jié)果與季節(jié)無關(guān)■