黃驊港傳統(tǒng)預(yù)報與實測潮位差異分析及潮位實時推算方法

熊 偉，范東華

（1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設(shè)計院 天津市水運工程測繪技術(shù)重點實驗室，天津 300456）

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黃驊港傳統(tǒng)預(yù)報與實測潮位差異分析及潮位實時推算方法

熊 偉1,2，范東華1,2

（1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設(shè)計院 天津市水運工程測繪技術(shù)重點實驗室，天津 300456）

基于黃驊港港池站和航道40+0站的一年期潮位實測資料及該海域的一年期氣象資料，對兩站傳統(tǒng)預(yù)報與實測潮位的差異進行了統(tǒng)計分析，對兩站的余水位特性及變化規(guī)律進行了研究。研究成果表明：（1）黃驊港傳統(tǒng)預(yù)報潮位與實測潮位存在一定差別，對于黃驊港乘潮時間較長的航道，傳統(tǒng)的潮位預(yù)報值還不能作為乘潮進出港的依據(jù)，因此進行實時潮位遙測遙報是必要的；（2）港池、航道40+0兩站之間的余水位變化具有很強的相關(guān)性，可以用余水位修正的方法建立這一水域內(nèi)相關(guān)站點之間的潮位推算模型，實現(xiàn)利用岸基遙測遙報潮位實時推算整個航道潮位。

潮位；余水位；實時推算；潮位預(yù)報

黃驊港位于渤海灣西南岸，航道總長60.5 km，為我國最長的海上人工航道，航道設(shè)計底標高為-18.3 m，有效通航寬度為250 m。由于航道較長，航道起終點兩端潮位相差較大，船舶進出港時乘潮時間較長，因此黃驊港航道沿程的實時潮位數(shù)據(jù)對指導(dǎo)船舶進出港至關(guān)重要。

目前，獲得航道沿線實時潮位的方法有兩種：第一種是基于潮汐調(diào)和分析的傳統(tǒng)潮位預(yù)報，國內(nèi)很多學(xué)者對潮汐調(diào)和分析及潮位預(yù)報進行了大量研究并得到了很多成果[1-11]。第二種是潮位的遙測遙報，即以現(xiàn)有航標為載體，以設(shè)備集成、水下聲學(xué)通訊、北斗通訊為技術(shù)手段，實時獲取航道的潮位。第一種方法理論成熟，但預(yù)報潮位與實測潮位存在差異，第二種方法精度可靠但價格昂貴。那么是否可以將這兩種方法結(jié)合起來，建立基于岸基站遙測遙報的實時潮位數(shù)據(jù)推算整個航道實時潮位的方法呢？本文以黃驊港港池、航道40+0兩站2014年一年的連續(xù)潮位觀測資料為研究對象，結(jié)合搜集到的渤海灣西南部2014的氣象資料，分析兩潮位站的實測潮位與傳統(tǒng)預(yù)報潮位的差異，研究余水位特性及變化特性，探討基于岸基遙測遙報潮位實時推算整個航道潮位的可行性。

圖1 港池、航道40+0站位示意圖Fig.1 Sketch of harbor basin and channel 40+0 sites position

1 潮汐調(diào)和分析模型及預(yù)報模型

天文潮位是水位運動變化的主體， 由若干分潮綜合而成，假設(shè)分潮個數(shù)為m ，則表達式為

式中：MSL為平均海平面高度；H 代表分潮的振幅；σ代表分潮角速率；v代表分潮的天文初相角；g代表分潮的遲角。對于某一分潮，σ和v可以通過天體運動推算得到， H 和g為分潮調(diào)和常數(shù)，是該分潮在某點振動變化的參數(shù)。式（1）是純粹形式上的潮汐調(diào)和分析的潮高表達式, 也是我們做潮汐預(yù)報的潮高基本表達式。用式（1）進行潮汐預(yù)報顯然是最理想的，但若想用式（1）通過足夠多的水位觀測資料求解調(diào)和常數(shù)卻是不容易的，鑒于觀測資料時間和潮汐分潮分辨率的限制，不可能求出所有頻率的分潮調(diào)和常數(shù)，因此預(yù)報潮位精度受分潮的個數(shù)、分潮調(diào)和常數(shù)精度等多種因素影響。國內(nèi)很多學(xué)者對潮汐調(diào)和分析及潮位預(yù)報進行了大量研究并得到了很多成果，本文不再探討潮汐調(diào)和分析和潮位預(yù)報的方法及過程。

2 黃驊港港池、航道40+0兩站實測潮位與預(yù)報潮位的差異

余水位是實測潮位與預(yù)報潮位差異的綜合體現(xiàn)，余水位大小反映實測潮位與預(yù)報潮位水位差異程度。余水位是實測潮位分離天文分潮等可預(yù)報潮位之后剩余的部分，主要由風(fēng)、氣壓、降水等短周期氣象因素引起的短期水位異常和氣候因素引起的海面季節(jié)異常兩部分組成。一般而言，向岸風(fēng)引發(fā)增水（余水位為正），離岸風(fēng)引發(fā)減水（余水位為負），其空間影響范圍一般為10～1000 km，在時間尺度上一般為1 ～100 h，其大小受岸線趨勢、水域開闊程度、水深、風(fēng)向、風(fēng)力及持續(xù)時間、氣壓梯度變化等諸多因素影響，很難準確量化計算，只能利用實測潮位減去天文潮位等可預(yù)報部分的方法實時得到，余水位計算公式見式（2）。

式中：δ(t)為t時刻的余水位；H(t)為t時刻實測水位；h(t)為按式（1）計算的t時刻的預(yù)報潮位值；Δ為觀測誤差、計算誤差等引起的綜合誤差，很難量化且數(shù)值相對較小，對于采用相同觀測方法和相同分析方法的不同站而言，可認為其Δ一致，本文統(tǒng)計數(shù)據(jù)時忽略其影響，即余水位為實測潮位與預(yù)報潮位的差異值。

為更好地表現(xiàn)出實測潮位與預(yù)報潮位的差異特征，對黃驊港港池、航道40+0兩站的余水位進行逐月統(tǒng)計，各月份極值及標準差見表1，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可看出港池余水位最大可到1.72 m，最小可到-1.48 m；航道40+0余水位最大可到1.37 m，最小可達-1.22 m。按黃驊港海域歷史最大潮差4.14 m計算的話，實測、預(yù)報潮位最大差值已經(jīng)達到了最大潮差的41.54%。

實測、預(yù)報潮位之間的差異在大風(fēng)惡劣天氣表現(xiàn)得更為明顯。黃驊港海域大風(fēng)天風(fēng)向主要以西北、北、東北為主，大風(fēng)天期間，黃驊港水域余水位表現(xiàn)出劇烈變化。2014-10-26大風(fēng)期間，港池、航道40+0的余水位同時達到年度最大值，分別為1.72 m，1.37 m。2014-3-11大風(fēng)期間；港池、航道40+0的余水位同時達到年度最小值，分別為-1.48 m，-1.22 m。另外，在黃驊港海域無劇烈變化的情況下，該海域附近的渤海海峽、渤海北部海域的天氣變化也會引起該水域余水位的急劇變化。這種客觀存在的差異對于利用預(yù)報潮位指導(dǎo)船舶乘潮進港是相當(dāng)不利的，甚至是危險的。

表1 實測與預(yù)報潮位差異（余水位）極值逐月統(tǒng)計表Tab.1 Monthly extreme value of differences between measured and real time calculated tidal level

表2 大風(fēng)天氣下實測與預(yù)報潮位差值（余水位）Tab.2 Differences between measured and real time calculated tidal level under strong wind

3 余水位特性及變化規(guī)律

對港池、航道40+0兩站的余水位進行統(tǒng)計分析，可知兩站余水位在時間上呈現(xiàn)短周期波動，波動幅度及波動周期在不同時期具有不同的特征；從空間上表現(xiàn)為水域開闊的航道40+0余水位變化稍緩于半封閉狀態(tài)的港池。從兩站余水位變化過程線（圖2）可知余水位的變化整體上是圍繞0值波動的，這與統(tǒng)計得到的全年余水位平均值趨于0保持一致。余水位變化表現(xiàn)出的另一個特點是在劇烈增水或減水后會有一個幅度稍小的反彈，這個特點在余水位變化過程線中也得到了較好體現(xiàn)。從兩站余水位的逐月相關(guān)系數(shù)（圖3）可以看出，港池與航道40+0兩站的余水位變化具有高度一致性，第一季度、第四季度這半年表現(xiàn)的尤為明顯，這也與這段時間的氣象變化保持著高度相關(guān)。第二季度、第三季度余水位變化相對較緩，余水位波動增幅較小。兩站余水位變化表現(xiàn)出的“波動幅度大時相關(guān)強，波動幅度小時相關(guān)弱”特點有效避免了后續(xù)潮位推算中的誤差累積，有利于實際應(yīng)用。

圖2 2014年余水位過程線Fig.2 Hydrograph of residual water level in 2014

圖3 2014年港池、航道40+0兩站逐月余水位相關(guān)系數(shù)Fig.3 Monthly correlation coefficient of residual water level at harbor basin and channel 40+0 sites in 2014

4 潮位數(shù)據(jù)實時推算方法

以黃驊港港池站為岸基站，以航道40+0站為航道推算站，由式（2）可知岸基站、航道站的余水位表達式如下

圖4 航道實測與實時推算潮位過程線Fig.4 Hydrograph of measured and real time calculated tidal level in channel

利用余水位的高度相關(guān)對兩站余水位進行線性擬合得關(guān)系式如下

式中：k為岸基、航道兩站余水位的線性擬合系數(shù)；d為截距；將式（3）、式（4）代入式（5）得

式中：k接近1；（k - 1）Δ很難量化且數(shù)字相對較小，將其舍棄簡化式（6）如下

在已取得調(diào)和常數(shù)或潮位預(yù)報值的前提下，式（7）即為根據(jù)岸基站遙測遙報潮位實時推算航道潮位的基本公式。從舍棄(k-1)Δ項也可以看出，潮位推算的精度主要受該水域余水位相關(guān)性、分析所采用的原始數(shù)據(jù)精度及潮汐調(diào)和分析精度的影響。

為了檢驗基于岸基站遙測遙報潮位實時推算航道潮位方法的準確性，2016-12-29 ～2017-1-4期間，利用式（7）根據(jù)岸基站遙測遙報數(shù)據(jù)實時推算航道現(xiàn)有浮標觀測站位置處的潮位，然后與浮標觀測站的實測數(shù)據(jù)進行比對統(tǒng)計。參與統(tǒng)計的956組有效數(shù)據(jù)中，實時推算潮位與實測潮位差值不大于0.1 m的樣本約占總樣本的93.83%，最大差值為0.16 m。比對統(tǒng)計結(jié)果表明實時推算潮位的精度可滿足一般工程需求。

5 結(jié)語

（1）黃驊港實測水位與預(yù)報水位之間的不一致，通過余水位的變化得到了充分體現(xiàn)。對于黃驊港乘潮時間較長的航道，不能根據(jù)傳統(tǒng)的潮位預(yù)報值進行乘潮進出港，進行潮位遙測遙報是必要的。（2）黃驊港港池、航道水域余水位變化具有高度相關(guān)性，可以用余水位修正的方法建立這一水域內(nèi)相關(guān)站之間的潮位推算模型，實現(xiàn)利用岸基遙測遙報潮位實時推算整個航道潮位，以達到減少外海浮標觀測站數(shù)量，降低維護使用成本的目的。

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Analysis of differences between traditional forecast and measured tidal level and study of real time tidal level calculation in Huanghua Port

XIONG Wei1,2, FAN Dong-hua1,2
(1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, Tianjin 300456, China;2. Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering, Tianjin Key Laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering, Tianjin 300456, China)

Based on the measured tidal level and meteorological data during one year at harbor basin and channel 40+0 sites in Huanghua Port, the differences between traditional forecast and measured tidal level at two sites were analyzed. The characteristics and variation rules of the residual water level at two sites were studied. These research results indicate that: (1) There are some differences between traditional forecast and measured tidal level in Huanghua Port. For the channel with long period of high tidal level for ship passing, the traditional forecast still cannot be used as foundation for ship entering and leaving harbor. Therefore, telemetering and reporting the real time measured tidal level is very necessary. (2) The correlation of residual water level variation at harbor basin and channel 40+0 sites is very strong. Therefore, the tidal level calculation model at related sites can be established using residual water level correction method. Finally, the tidal level in whole channel can be calculated in real time based on shore-based telemetering and reporting system.

tidal level; residual water level; real time calculation; tidal level prediction

U 675.81

A

1005-8443(2017)03-0304-04

2017-01-17；

2017-03-10

熊偉（1984-），男，湖南省人，工程師，主要從事海洋測繪方面工作。Biography:XIONG Wei(1984-),male,engineer.