利用水位修正模型精化潮位數(shù)值模擬

管明雷，黃辰虎，李清泉，汪馳升,4，丁 凱

(1. 深圳大學(xué)海岸帶地理環(huán)境監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060； 2. 深圳大學(xué)空間信息智能感知與服務(wù)深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060； 3. 海軍海洋測繪研究所，天津 300061； 4. 武漢大學(xué)地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430079)

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利用水位修正模型精化潮位數(shù)值模擬

管明雷1,2，黃辰虎3，李清泉1,2，汪馳升1,2,4，丁 凱1,2

(1. 深圳大學(xué)海岸帶地理環(huán)境監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060； 2. 深圳大學(xué)空間信息智能感知與服務(wù)深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060； 3. 海軍海洋測繪研究所，天津 300061； 4. 武漢大學(xué)地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430079)

利用海洋動力模式FVCOM(finite volume coast and ocean model)模式建立了高分辨率的海州灣及其外海域潮汐數(shù)值模型，提取了整個(gè)場內(nèi)各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上天文潮位值的時(shí)間序列。利用該區(qū)域內(nèi)分布的5個(gè)驗(yàn)潮站資料提取水位修正模型，對場內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行水位修正，得到高精度的格點(diǎn)水位時(shí)間序列，然后對修正前后的水位值進(jìn)行比較。結(jié)果表明，基于水位修正后的潮位數(shù)值模擬結(jié)果水位精度提高了10 cm左右。

FVCOM；潮汐數(shù)值模擬；余水位

目前，在高精度海道測量中，驗(yàn)潮站提供潮位觀測值通常受有限距離的限定，驗(yàn)潮站的有效范圍取決于深度測量的精度、驗(yàn)潮站與深度點(diǎn)上瞬時(shí)(同一時(shí)間)的最大潮高差[2]。本文利用FVCOM模式模擬計(jì)算得到模擬海域整個(gè)場的天文潮潮位值。然后根據(jù)模擬區(qū)域內(nèi)分布的長短期驗(yàn)潮站資料提取水位修正模型，將修正水位利用反距離加權(quán)算法配置到模擬計(jì)算的網(wǎng)格中，得到整個(gè)網(wǎng)格每個(gè)格點(diǎn)的潮位時(shí)間序列，對于區(qū)域內(nèi)的任意點(diǎn)的潮位都可以通過插值得到高精度的潮位。

1 FVCOM水動力模型

1.1 模型方程

模型控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、溫鹽擴(kuò)散方程和密度方程。σ坐標(biāo)下的控制方程如下

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

ρ=ρ(T,S)

(6)

海表面和底部速度邊界條件為

(7)

(8)

式中，(τsx,τsy)和(τbx,τby)分別為海表面風(fēng)切應(yīng)力和海底摩擦切應(yīng)力在x和y方向上的分量。

海表面和底部溫鹽邊界條件為

(9)

(10)

(11)

(12)

1.2 潮位數(shù)值模擬

研究區(qū)域位于南黃海，包括海州灣及其附近海域，整體范圍為119°42′—120°，35°78′—34°41′，水深數(shù)據(jù)采用電子海圖數(shù)據(jù)，調(diào)和常數(shù)選用潮汐數(shù)據(jù)反演模式OTIS。計(jì)算網(wǎng)格對岸邊和島嶼的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密，開邊界平均分辨率約0.01°，岸線及島嶼附近平均分辨率約0.002°，共包含49 333個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)、96 252個(gè)水平網(wǎng)格單元。開邊界水位采用M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q18個(gè)分潮調(diào)和常數(shù)給出的預(yù)報(bào)水位。模式模擬了2007年1月16至2007年2月15日期間海州灣及其外海海域內(nèi)的潮汐、潮流運(yùn)動狀況，計(jì)算過程中每小時(shí)輸出一次結(jié)果。如圖1所示。

圖1 區(qū)域不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 水位修正模型

2.1 驗(yàn)潮站資料

本文采用了日照、嵐山頭、連云港、開山島和車牛山島5個(gè)驗(yàn)潮站的資料，其中日照和連云港為長期驗(yàn)潮站，嵐山頭、開山島和車牛山島為短期驗(yàn)潮站，短期驗(yàn)潮站進(jìn)行了一個(gè)月的連續(xù)驗(yàn)潮。

2.2 水位修正模型設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的水位修正模型主要包括短周期分潮的水位修正、長周期分潮的水位修正和余水位修正。

2.2.1 長周期分潮水位修正模型

長周期分潮必須利用6個(gè)月以上的潮位資料才能調(diào)和分析出長周期分潮。對日照、連云港兩個(gè)長期站一年水位資料進(jìn)行調(diào)和分析，得到了Sa、SSa兩個(gè)主要的長期分潮調(diào)和常數(shù)，然后對長周期分潮調(diào)和常數(shù)進(jìn)行水位預(yù)報(bào)，從而獲取兩個(gè)長期驗(yàn)潮站的長周期分潮引起的水位起伏時(shí)間序列，截取2007年1月27日7時(shí)至2007年2月14日16時(shí)的水位序列作為長周期分潮水位訂正。

2.2.2 短周期分潮及余水位修正模型

本文研究區(qū)域分布2個(gè)長期驗(yàn)潮站和3個(gè)短期驗(yàn)潮站，截取5個(gè)驗(yàn)潮站2007年1月16日0時(shí)至2007年2月15日23時(shí)的水位資料進(jìn)行調(diào)和分析，得到了32個(gè)常數(shù)調(diào)和常數(shù)。在32個(gè)常數(shù)中選取了M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q18個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)進(jìn)行了水位預(yù)報(bào)。修正水位算法是利用實(shí)測水位減去8個(gè)分潮的預(yù)報(bào)水位的方法得到，利用該算法提取了5個(gè)驗(yàn)潮站的修正水位時(shí)間序列，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

R(t)=h(t)-T8(t)

(13)

式中，h(t)為實(shí)測水位；T8(t)為8個(gè)分潮的預(yù)報(bào)水位；R(t)為修正水位，修正水位包括了剩余短周期天文潮和余水位。

2.3 修正水位配置算法

通過修正水位算法得到了兩組水位修正模型，利用反距離加權(quán)算法將兩組修正模型的修正水位值插入網(wǎng)格的格點(diǎn)水位值中。在確定的空間尺度L和時(shí)間尺度T范圍內(nèi)，單個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的水位值的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(14)

(15)

3 修正模型驗(yàn)證

選用了車牛山島站、連云港站2個(gè)具有代表性的驗(yàn)潮站作為實(shí)測資料進(jìn)行對比試驗(yàn)。其中，車牛山島驗(yàn)潮站為島礁短期驗(yàn)潮站，距陸地43 km；連云港站為岸基長期驗(yàn)潮站。提取驗(yàn)潮站站點(diǎn)位置的模擬潮位資料，潮高基準(zhǔn)采用理論深度基準(zhǔn)面，將模擬潮位資料和驗(yàn)潮站潮位資料的水位和調(diào)和常數(shù)分別作對比。

3.1 潮位驗(yàn)證

圖2和圖3分別為截取兩個(gè)驗(yàn)潮站部分模擬水位和實(shí)測水位的對比，時(shí)間為2007年1月20日0時(shí)到2007年2月5日23時(shí)。可以清楚看到模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果吻合較好，水位誤差不超過50 cm，相位基本一致，模擬的高潮和低潮的發(fā)生時(shí)間與實(shí)測的基本一致。

圖2 車牛山站模擬水位與實(shí)測水位對比

圖3 連云港站模擬水位與實(shí)測水位對比

3.2 調(diào)和常數(shù)驗(yàn)證

模型計(jì)算與驗(yàn)潮站實(shí)測調(diào)和常數(shù)的差值比較見表1。

表1 修正前后調(diào)和常數(shù)誤差對比

3.3 中誤差比較

對于修正后的水位數(shù)據(jù)精度評估，采用測量數(shù)據(jù)處理理論中的中誤差指標(biāo)表示，即

(16)

表2 兩個(gè)站位修正前后中誤差對比 cm

通過圖1和圖2、圖3比較可以看出，經(jīng)過水位修正后的潮位相對于模擬結(jié)果得到了明顯改進(jìn)，與實(shí)測結(jié)果吻合度提高，水位誤差精度提高了10 cm左右，相位和實(shí)測結(jié)果也無差別。從表2中的中誤差對比也可以看出，模擬結(jié)果的修正前后，潮位得到了明顯改善。潮位剩余誤差主要來自于兩方面：一方面主要來自數(shù)值模擬精度不夠；另一方面驗(yàn)潮站分布和數(shù)量還比較少，使得改正水位模型的精度還不夠完善。

4 結(jié) 語

本文利用了FVCOM對海州灣及其外海進(jìn)行了潮汐數(shù)值模擬，利用區(qū)域內(nèi)驗(yàn)潮站資料對數(shù)值進(jìn)行了模擬，得到了各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的潮位，并進(jìn)行了水位修正，使得修正后的潮位精度相對于數(shù)值模擬結(jié)果有了明顯的改善。通過對修正后的網(wǎng)格水位進(jìn)行插值可以得到區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)的潮位值，為近海離岸工程和海上作業(yè)提供了精準(zhǔn)的潮位信息，解決了臨時(shí)驗(yàn)潮站布設(shè)的難題。

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Improvement of Tidal Level Numerical Simulation Based on Water Level Correction Model

GUAN Minglei1,2,HUANG Chenhu3,LI Qingquan1,2,WANG Chisheng1,2,4,DING Kai1,2

(1. Key Laboratory for Geo-Environmental Monitoring of Coastal Zone of the National Administration of Surveying, Mappingand GeoInformation, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China; 2. Shenzhen Key Laboratory of Spatial Smart Sensing and Services, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China; 3. Naval Institute of Hydrographic Surveying and Charting, Tianjin 300061, China; 4. Key Laboratory for National Geographic Census and Monitoring，National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Wuhan University, Wuhan 430079, China)

The finite volume coastal ocean model (FVCOM) has been applied to establish a high-resolution numerical model of tide in Haizhou Bay. The time series of astronomical tidal values at each grid point are extracted. The water level correction model is used to extract the water level correction data from the five tide station data in this area, and the water level of the grid site is corrected. The water level time series of the grid is obtained with high precision, then the modified water level value is interpolated. The instantaneous sea surface height is obtained at a certain time. The results show that the water level accuracy is improved by about 10 cm based on the numerical simulation of water level correction and the sea surface height model has been improved obviously.

FVCOM; tidal numerical simulation; residual water level

管明雷，黃辰虎，李清泉，等.利用水位修正模型精化潮位數(shù)值模擬[J].測繪通報(bào)，2017(6)：68-71.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0192.

2016-12-13

深圳市科創(chuàng)委深港創(chuàng)新圈項(xiàng)目(SGLH20150206152559032)；深圳市未來產(chǎn)業(yè)“創(chuàng)新鏈+產(chǎn)業(yè)鏈”融合專項(xiàng)扶持計(jì)劃(201507211219247860)；地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金 (2015NGCM)

管明雷(1990—)，男，博士生，主要從事潮汐模型、海域垂直基準(zhǔn)的理論及其應(yīng)用研究。E-mail:lyggml@126.com

李清泉

P229

A

0494-0911(2017)06-0068-04