舟山海域潮汐特征及調(diào)和分析精度研究

石景元，張功瑾

（1.東海航海保障中心，上海 200090；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

海岸附近和河口地區(qū)潮汐現(xiàn)象顯著，潮位的觀測(cè)、分析是研究海平面變化最基本、最直接的方法，潮汐預(yù)報(bào)意義重大[1]。CARTWRIGHT D E 等[2-3]針對(duì)DARWIN G H[4]提出的調(diào)和分析方法不斷改進(jìn)，建立了調(diào)和分析的基本方法。調(diào)和常數(shù)作為潮汐的一個(gè)重要特征參量，在潮汐預(yù)報(bào)方面應(yīng)用廣泛[5-7]。隨著技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算效率的提高，許多學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法對(duì)研究海域的分潮進(jìn)行模擬計(jì)算。如王凱等[8]對(duì)東中國(guó)海的潮波運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行了數(shù)值模擬；于克俊等[9]通過對(duì)渤海的潮波模擬，給出了潮波的垂向結(jié)構(gòu)；劉鵬霞等[10]利用調(diào)和分析方法研究了魯海豐海洋牧場(chǎng)海域海流的時(shí)間變化規(guī)律和空間結(jié)構(gòu)特征。

浙江沿海岸線曲折，港灣眾多，近岸島嶼星羅棋布；沿海地區(qū)資源豐富，人口密集，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基地。浙江沿海的潮振動(dòng)是由太平洋潮波引起的協(xié)振動(dòng)和天體在本海區(qū)直接引起的獨(dú)立潮組成。來自西北太平洋的潮波傳經(jīng)琉球群島島間水道，以幾乎平行的行波形式，進(jìn)入東中國(guó)海，大部分經(jīng)東海傳向黃海，小部分沿西北偏西方向進(jìn)入浙江沿海。由于本海域面積小，故本區(qū)潮振動(dòng)主要為太平洋潮波的協(xié)振動(dòng)，所以浙江外海的潮波屬前進(jìn)波。近岸水域，特別是港灣、河口區(qū)，由于碰到岸壁、河床產(chǎn)生反射，故逐漸喪失了前進(jìn)波性質(zhì)而具有前進(jìn)駐波或者駐波性質(zhì)。受海洋地理位置等影響，舟山境內(nèi)海域主要為不規(guī)則半日潮。半日潮波是太平洋潮波進(jìn)入東海后向西北方向接近浙江沿海，潮差外海小，愈近沿岸愈大。由于浙江舟山海域島嶼多，岸線復(fù)雜，潮波受反射的干擾因素多；其次舟山海域水深條件復(fù)雜，灘槽高程差異大，潮波也易受地形影響。通過收集舟山海域潮位數(shù)據(jù)，采用調(diào)和分析方法研究舟山海域分潮特征、調(diào)和分析精度及余水位特征，對(duì)掌握舟山海域潮波運(yùn)動(dòng)規(guī)律有重要意義。

1 研究方法與區(qū)域

潮汐調(diào)和分析的目的是根據(jù)潮汐觀測(cè)資料計(jì)算各個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)。調(diào)和分析首先需要選擇分潮，即基于強(qiáng)迫振動(dòng)原理和小振動(dòng)疊加原理，將實(shí)際潮汐分成許多有規(guī)律的分振動(dòng)，被分離出的具有一定周期、振幅的分振動(dòng)稱為分潮。

某時(shí)刻的潮高可以表示如下。

式中，a0為觀測(cè)期的平均海面；Hj為分潮振幅；fj為分潮遲角因子；（V0+u）-gj為分潮的初位相；σj為角速度；m為分潮的個(gè)數(shù)。令fH=R，（V0+u）-gj=-θj，潮汐為多個(gè)分潮疊加而成，則有

取a=Rcosθ，b=Rsinθ，得到式（3）。

用計(jì)算所得的預(yù)報(bào)潮位ζ′（t）逼近實(shí)測(cè)值ζ（t），按最小二乘法原理，使得的值最小，求得a、b，利用H=R/f，g=V0+u+θ，求得調(diào)和常數(shù)H、g。用實(shí)測(cè)值減去預(yù)報(bào)值得到自報(bào)余差r，利用自報(bào)余差的均方差方法來判斷預(yù)報(bào)精度，見式（4）。

在忽略觀測(cè)誤差時(shí)，余水位是指從實(shí)測(cè)水位中去除天文潮位和平均海面之后的剩余部分，t時(shí)刻余水位的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

式中，S為余水位序列；h為實(shí)測(cè)水位序列；MSL為平均海面；T為天文潮位，由調(diào)和分析或響應(yīng)分析獲得。一般認(rèn)為，造成水位異常的因素主要包括天氣因素（主要是風(fēng)）造成的短期水位異常；氣候因素造成水位季節(jié)性變化異常；天文潮推算誤差的影響。

舟山海域島嶼多，岸線復(fù)雜，潮波受反射的干擾因素多，且水深條件復(fù)雜，灘槽高程差異大，潮波易受地形影響。本文收集了舟山及附近海域20個(gè)長(zhǎng)期潮位站的潮位資料進(jìn)行計(jì)算分析，其中中塊島站、東極島站、外洋鞍站位于舟山海域東側(cè)靠近外海區(qū)域，自北向南魚腥腦站、老塘山站、條帚門站、六橫站、大蚊蟲島站、東門島站位于舟山海域南側(cè)靠近內(nèi)海區(qū)域，國(guó)華電廠站、烏沙山站、錢倉站位于象山港上游區(qū)域。各潮位站的潮位資料長(zhǎng)度均為2 年，即2017 年1 月1日0 ∶00—2018 年12 月31 日23 ∶00，本文選擇11個(gè)分潮采用最小二乘法進(jìn)行調(diào)和分析（分潮選取的原則為，相鄰的兩個(gè)分潮角速度差大于360/N，N為資料長(zhǎng)度。如：1 個(gè)月資料，角速度差大于0.5?；1 年資料，角速度差大于0.041?），部分站點(diǎn)的調(diào)和分析結(jié)果如表1 所示。

表1 部分潮位站調(diào)和分析結(jié)果表（分潮振幅H；分潮遲角f）

2 分潮特征分析

2.1 分潮特征分析

分潮主要有全日分潮、半日分潮、長(zhǎng)周期分潮和淺水分潮等。

（1）半日分潮

引潮力場(chǎng)可以分解為許多分場(chǎng)，每一分場(chǎng)都為一諧和振動(dòng)，每一分振動(dòng)（即每一諧和振動(dòng)），稱為一個(gè)分潮。太陰主要半日分潮，以符號(hào)M2表示，周期12.420 6 h；太陽主要半日分潮，以符號(hào)S2表示，周期12.000 0 h；經(jīng)過調(diào)和分析，M2分潮在潮位中占主導(dǎo)地位，舟山海域潮位站的M2分潮振幅平均在1.2 m 以上，約是第二個(gè)主要分潮S2的2~3倍。受舟山海域島嶼及地形的影響，各潮位站的M2分潮的初位相（遲角）相差較大，從東門島的137?至魚腥腦的332?。通過繪制M2分潮的同潮時(shí)線和等振幅線（圖1），舟山海域的半日潮波基本以平行等深線的方向傳播，在傳播至舟山本島附近時(shí)同潮時(shí)線隨即分為兩條路徑呈八字形向南北兩側(cè)伸展，分別進(jìn)入杭州灣和寧波灣；從振幅的分布特征來看，近岸振幅大、離岸振幅小，自舟山海域西南側(cè)東門島至東北方向中塊島，振幅逐漸減小。

圖1 M2 分潮等振幅線（cm）和同潮時(shí)線

（2）全日分潮

太陰—太陽赤緯全日分潮，以符號(hào)K1表示，周期23.934 5 h。經(jīng)過調(diào)和分析，如圖2 所示，K1分潮基本以平行等深線的方向傳播，分潮遲角魚腥腦最大212?，鼠浪湖最小186?，分潮遲角比較穩(wěn)定。從振幅的分布特征來看，舟山海域K1分潮振幅變化幅度較小。

圖2 K1 分潮等振幅線（cm）和同潮時(shí)線

（3）淺水分潮

淺水分潮為高次簡(jiǎn)諧項(xiàng)，其周期為主要分潮的幾分之一。常用的淺水分潮有M4（太陰淺水1/4 日分潮），M6（太陰淺水1/6 日分潮） 和太陰太陽淺水1/4 日分潮。經(jīng)過調(diào)和分析，如圖3 所示，淺水分潮M4分潮的遲角變化較大，東極島僅為58?，東門島達(dá)到353?。從振幅的分布特征來看，舟山海域自南向北M4分潮振幅逐漸增大，自杭州灣、寧波灣灣口至外海振幅逐漸減小。

圖3 M4 分潮等振幅線（cm）和同潮時(shí)線

2.2 潮汐特征分析

（1）潮高日不等現(xiàn)象分析

潮高日不等現(xiàn)象與月赤緯變化相關(guān)潮高日不等現(xiàn)象可依以下公式計(jì)算[11-12]。

當(dāng)T1的值大于0.40，則潮高日不等現(xiàn)象明顯。根據(jù)半日分湖與全日分潮遲角差值的大小G1來判斷潮高日不等現(xiàn)象的類型，當(dāng)此差值為0?（或360?）、180?、270?左右時(shí)則分別表示該處潮位呈現(xiàn)出高潮日不等、低潮日不等、高潮和低潮均日不等的現(xiàn)象[13]。

各站位日潮不等現(xiàn)象的計(jì)算結(jié)果見表2，由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，各站的T1多處于0.32~0.35 之間，因此該地區(qū)潮高日不等現(xiàn)象不明顯。G1值處于228?~297?，該處海域G1值多接近于270?，呈現(xiàn)出既有高潮日不等也有低潮日不等的現(xiàn)象。

表2 部分潮位站潮汐特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果

（2） 漲、落潮歷時(shí)分析

漲、落潮歷時(shí)日不等現(xiàn)象是由于淺水分潮顯著所造成的，依據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算[11-12]。

漲、落潮歷時(shí)日不等現(xiàn)象是由于淺水分潮顯著造成的，其差值可由T2的值判斷，比值越大則差值就越大。例如當(dāng)比值為0.04 時(shí)，漲、落潮歷時(shí)相差30 min。漲、落潮歷時(shí)孰長(zhǎng)孰短可由分潮遲角差G2來判定，當(dāng)分潮遲角差為90?時(shí)，落潮歷時(shí)長(zhǎng)于漲潮歷時(shí)；當(dāng)分潮遲角差為270?時(shí)則相反。

表2的T2計(jì)算結(jié)果顯示，除錢倉外，各站漲落潮歷時(shí)相差均接近于30 min，錢倉漲落潮歷時(shí)差接近于1 h。G2值表明除錢倉外，落潮歷時(shí)大于漲潮歷時(shí)，錢倉漲潮歷時(shí)大，落潮歷時(shí)小。

3 調(diào)和精度分析

采用2017 年1 年、2018 年1 年、2017—2018年2 年的潮位資料，對(duì)舟山海域20 個(gè)潮位站分別進(jìn)行調(diào)和分析，對(duì)比不同資料長(zhǎng)度對(duì)調(diào)和精度的影響，并以2018 年潮汐資料的調(diào)和分析結(jié)果分析舟山海域調(diào)和分析精度及其分布特征。

在實(shí)施TBL教學(xué)過程中，也發(fā)現(xiàn)了很多問題與不足，例如，實(shí)施初期，有部分學(xué)生無法適應(yīng)新的教學(xué)模式，出現(xiàn)抵觸情緒，不積極與同組同學(xué)合作，課堂測(cè)試成績(jī)不理想。還有部分學(xué)生由于性格內(nèi)向，課堂討論時(shí)，不愿主動(dòng)表達(dá)自己的觀點(diǎn)。但是，幾次實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生逐步體會(huì)到TBL教學(xué)模式帶給他們的樂趣，尤其是按照自己設(shè)計(jì)的處方成功制備出藥物制劑后，學(xué)生所獲得的成就感極大地調(diào)動(dòng)了他們對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，充分激發(fā)了其主觀能動(dòng)性。這進(jìn)一步說明，TBL教學(xué)模式可以很好地應(yīng)用于藥劑學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

如圖4 所示，相比采用2017—2018 年2 年潮位資料進(jìn)行調(diào)和分析，采用2018 年全年潮位資料進(jìn)行調(diào)和分析時(shí)余水位最小，即調(diào)和分析精度最高，其次為采用2017 年全年潮位資料，說明調(diào)和分析選取的資料并非越長(zhǎng)越好，而應(yīng)選取合適的時(shí)段。

圖4 舟山海域不同資料長(zhǎng)度調(diào)和精度對(duì)比

如表3 所示，根據(jù)2018 年資料調(diào)和分析結(jié)果，舟山海域調(diào)和分析精度總體較好，除洞頭島站、國(guó)華電廠站、鹿西島站、魚腥腦站、烏沙山站余水位小于等于0.1 m 占比在60%以下，分析原因在于站點(diǎn)靠岸較近，受地形影響較大；其他站點(diǎn)余水位小于等于0.1 m 占比在60%以上，小于等于0.2 m 占比在85%以上，小于等于0.3 m 占比在95%以上。

表3 2018 年全年潮位資料調(diào)和分析精度統(tǒng)計(jì)單位：%

從分布來看，近岸的站點(diǎn)調(diào)和分析精度較低，如國(guó)華電廠站調(diào)和分析余水位小于等于0.1 m 的占比僅有45%，離岸距離越遠(yuǎn)，調(diào)和分析精度越高，如東極島站調(diào)和分析余水位小于等于0.1 m 的占比超過70%，這是由于近岸受地形影響潮波變形較大；在舟山海域附近，自西南海域至東北海域調(diào)和分析精度逐漸增大。

4 余水位特征分析

余水位具有良好的空間一致性，可用來推算長(zhǎng)期驗(yàn)潮站臨近海域的臨時(shí)站潮位。《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》（JTS 131—2012）規(guī)定，在離岸距離小于100 km的非河口開闊海域，可采用基于余水位訂正的水位推算法求取推算點(diǎn)水位，替代海上定點(diǎn)水位站獲取水位，或構(gòu)建測(cè)區(qū)潮汐模型實(shí)施水位控制。

分別采用余水位和絕對(duì)余水位兩種方法統(tǒng)計(jì)余水位。余水位統(tǒng)計(jì)為各時(shí)刻的余水位值疊加，若該值為正，則表示統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的實(shí)測(cè)潮位值整體比天文分潮高，反之，表示統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的實(shí)測(cè)潮位值整體比天文分潮低，分析余水位的目的在于明晰各站點(diǎn)不同月份平均水位的分布特征；絕對(duì)余水位表示不考慮余水位的正負(fù)，僅考慮余水位的絕對(duì)值，該值的大小表示天文分潮與實(shí)測(cè)潮位的平均偏差，分析目的在于了解各月份調(diào)和分析的誤差大小。

經(jīng)計(jì)算舟山海域各潮位站2018 年全年各月度平均余水位均在0.05 m 以內(nèi)；各月度分布規(guī)律不明顯，各月度呈交錯(cuò)狀態(tài)，舟山海域的余水位較小。各站絕對(duì)余水位逐月平均值統(tǒng)計(jì)可知，各潮位站在6 月份時(shí)，絕對(duì)余水位最小，其他各月份基本相當(dāng)，各月度絕對(duì)余水位基本在0.07~0.13 m 之間。

圖5 舟山海域余水位月度分布特征

圖6 舟山海域絕對(duì)余水位月度分布特征

總體來看，各站平均余水位均在0.05 m 以內(nèi)；各月度分布規(guī)律不明顯，各月度呈交錯(cuò)狀態(tài)，但整體來說，舟山海域的余水位較小，各站不同月份絕對(duì)余水位基本0.12 m 以內(nèi)，說明調(diào)和分析精度較高。

5 結(jié) 論

基于舟山海域多年實(shí)測(cè)潮汐資料，采用最小二乘法進(jìn)行潮汐調(diào)和分析、余水位特征分析，主要研究結(jié)論如下。

（1） 舟山海域M2分潮在潮位中占主導(dǎo)地位，近岸振幅大、離岸振幅小，自舟山海域西南側(cè)東門島至東北方向中塊島，振幅逐漸減小。各潮位站的K1分潮的初位相（遲角）相差較小，M4分潮的初位相（遲角）相差較大。潮波在傳播至舟山本島附近時(shí)同潮時(shí)線隨即分為兩條路徑呈八字形向南北兩側(cè)伸展，分別進(jìn)入杭州灣和寧波灣。

（2）潮汐類型主要呈現(xiàn)規(guī)則半日潮，潮高日不等現(xiàn)象不明顯，呈現(xiàn)出既有高潮日不等也有低潮日不等的現(xiàn)象。外海漲落潮歷時(shí)相差接近于30 min，落潮歷時(shí)大于漲潮歷時(shí)，接近河口站位附近如錢倉漲落潮歷時(shí)差接近于1 h，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)。

（3）相比采用2017—2018 年2 年潮位資料進(jìn)行調(diào)和分析，采用2018 年全年潮位資料進(jìn)行調(diào)和分析時(shí)余水位最小，調(diào)和分析精度最高。其次，舟山海域調(diào)和分析精度離岸距離越遠(yuǎn)精度越高，自西南海域至東北海域調(diào)和分析精度逐漸增大。

（4） 舟山海域各站平均余水位均在0.05 m 以內(nèi)；各月度分布規(guī)律不明顯，各月度呈交錯(cuò)狀態(tài)，但整體來說，舟山海域的余水位相對(duì)較小。