唐山豐南海域余水位特征分析及應(yīng)用研究

趙海亮,邢 碩,熊 偉

(1.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 天津市水運(yùn)工程測繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300456;2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,天津 300456)

潮位可分解為天文潮位和余水位(也稱為非潮汐水位或者異常水位)。天文潮位是潮位的主體,可由調(diào)和常數(shù)進(jìn)行預(yù)報(bào)。余水位是由天氣等因素引起的短時(shí)間內(nèi)水位異常,在時(shí)間上表現(xiàn)出比較復(fù)雜的非周期性變化,說明了天氣和氣候異常變化所造成的余水位決定了其空間強(qiáng)相關(guān)的特性[1-3]。國內(nèi)學(xué)者對(duì)余水位的變化規(guī)律、形成原因、時(shí)空分布等特征進(jìn)行了分析,如熊偉等[4]對(duì)黃驊港余水位的變化規(guī)律進(jìn)行了分析并結(jié)合風(fēng)要素特征對(duì)余水位進(jìn)行預(yù)報(bào);劉軍[5]分析了青島港余水位的成因及其主要特性;趙祥鴻等[6]以驗(yàn)潮站實(shí)測數(shù)據(jù)分析計(jì)算了余水位的時(shí)域統(tǒng)計(jì)規(guī)律和空間統(tǒng)計(jì)規(guī)律;劉雷等[7]介紹了基于潮汐模型與余水位監(jiān)控的水位改正法的應(yīng)用情況,并在此基礎(chǔ)上依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)證明潮汐差分的可行性,精確地反演潮位,大大提高了短期潮位預(yù)報(bào)的精度[8-11]。

唐山豐南港區(qū)位于唐山市豐南區(qū)澗河村陡河河口至黑沿子沙河河口之間,已被列入國家口岸發(fā)展規(guī)劃及河北省沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃,是唐山港“一港三區(qū)”的重要組成部分[4,12]。在該海域進(jìn)行潮位觀測和余水位特征分析,對(duì)科學(xué)有效地利用自然資源有著重要意義,是港口航道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)來源。本文基于豐南站(見圖1)2021年10月1日—2022年9月30日的實(shí)測潮位數(shù)據(jù),對(duì)豐南海域的余水位特征進(jìn)行分析,探討利用余水位變化提升船舶乘潮進(jìn)出港效率。

圖1 潮位站布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the layout of the tide stations

1 余水位特性及成因

余水位又稱為增減水,屬于由非周期性變化的氣象因素引起的水位升降,這種升降經(jīng)常導(dǎo)致海平面短期驟變[13-14]。通過驗(yàn)潮站觀測獲取的水位h(t),包含平均海平面MSL、天文潮位hA(t)、余水位r(t),誤差Δ(t),即

h(t)=MSL+hA(t)+r(t) +Δ(t)

(1)

由于余水位是氣象要素?cái)_動(dòng)影響導(dǎo)致的海平面波動(dòng),而氣象要素比較復(fù)雜,然而位于不同的時(shí)段,因其物理誘因有連續(xù)性及海洋的慣性,必定有一定的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,也就是其具有的“信號(hào)”特征,在長期施測的驗(yàn)潮站中,可以忽略不計(jì)觀測誤差[6],所以余水位可得

r(t)=h(t)-hA(t)-MSL

(2)

當(dāng)余水位是正值時(shí),表示增水;當(dāng)余水位是負(fù)值時(shí),表示減水。對(duì)唐山豐南海域的余水位進(jìn)行逐時(shí)統(tǒng)計(jì)分析(見圖2),可得豐南海域的余水位表現(xiàn)為短周期波動(dòng),全年減水幅度要大于增水。11～12月出現(xiàn)較大幅度的減水,6～8月出現(xiàn)的增減水幅度都很小。

圖2 豐南站逐時(shí)余水位序列Fig.2 Hourly residual water level sequence of Fengnan Station

進(jìn)一步研究余水位成因,對(duì)其展開傅立葉頻譜分析。譜分析結(jié)果顯示(見圖3),余水位的周期主要分布在2.1 d(頻率小于0.02)的部分,余水位的周期分布通過其特性可以分為3部分：(1)周期小于1.5 d(頻率大于0.027 8),這部分屬于不考慮的日分潮和半日分潮等周期性信號(hào);(2)周期在1.5～8 d(頻率在0.005 2～0.027 8),主要是氣象要素導(dǎo)致的偽周期性信號(hào);(3)周期大于8 d(頻率小于0.005 2),屬于不考慮的長周期分潮信號(hào)以及氣候異常變化導(dǎo)致的偽周期性信號(hào)[3]。根據(jù)譜能量值可以看出,第2部分占總能量的大部分,則長期余水位的主要成因是天氣因素。

圖3 豐南站余水位頻譜分析Fig.3 Spectrum analysis of residual water level of Fengnan Station

2 余水位逐月變化規(guī)律

將余水位按月進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(如表1以及圖4所示),可以明顯看出,1月、3月、6月、7月和9月發(fā)生增水的時(shí)長要多于發(fā)生減水的時(shí)長。2月、4月、5月、8月和12月則正好相反,發(fā)生增水的時(shí)長要少于發(fā)生減水的時(shí)長,而7月、10月和11月發(fā)生增水和減水的時(shí)長比較接近。從全年分析,增水時(shí)長占比為49.9%,減水時(shí)長占比為47.8%,增水時(shí)長略大于減水時(shí)長,說明豐南站施測期間的余水位在氣象作用下發(fā)生增水的概率略高于減水。

表1 豐南站各月余水位分布表Tab.1 Distribution of residual water level each month of Fengnan Station

圖4 豐南站各月余水位占比Fig.4 Proportion of residual water level each month of Fengnan Station

余水位逐月平均值分布見圖5-a,春末和夏季4～8月份平均增水和減水幅度都較小,說明這幾個(gè)月的余水位作用都較弱。1～3月、9～12月的平均增水和減水幅度都超過了20 cm,說明這幾個(gè)月余水位作用都相對(duì)較強(qiáng)。圖5-b為各月余水位極值分布,與平均余水位的情況類似,在春末和夏季最大增水和減水幅度也都較小,其他月份的最大增水及最大減水幅度相對(duì)較大。其中11～12月的最大減水幅度都超過了200 cm,1月、2月、3月、9月和10月份的最大減水幅度都超過了100 cm;10月、11月的最大增水幅度超過了100 cm。

5-a 各月平均增減水 5-b 各月最大增減水圖5 豐南站各月平均和最大余水位Fig.5 Average and the maximum residual water level each month of Fengnan Station

余水位的季節(jié)變化表現(xiàn)為春、夏季呈現(xiàn)小幅度減水,秋、冬季減水量逐漸增大,1月、3月、6月、9月以增水過程為主,增水期一般使潮汐的傳輸形成明顯的加速,10～12月、2、4～5月、7～8月以減水過程為主,而減水期則一般會(huì)對(duì)潮汐的傳輸導(dǎo)致阻礙影響,增減水的年變幅平均值為-3.0 cm。

3 風(fēng)逐月變化規(guī)律

根據(jù)觀測期間獲得的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)各月風(fēng)的特征值如表2所示。10 min平均風(fēng)速在觀測期間周年平均值為3.75 m/s;最大風(fēng)速為19.68 m/s(8級(jí)),發(fā)生在2022年3月4日12：20,對(duì)應(yīng)風(fēng)向?yàn)楸毕颉?/p>

表2 豐南站各月風(fēng)分布特征統(tǒng)計(jì)Tab 2 Statistics of monthly wind distribution characteristics at Fengnan Station

根據(jù)觀測期間獲得的風(fēng)數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行逐月的10 min平均風(fēng)速分向頻率統(tǒng)計(jì)(見表3)。10月常風(fēng)向?yàn)镹E向,強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹E向,風(fēng)速最大值為10.37 m/s(5級(jí))。11月常風(fēng)向?yàn)镹向,強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹向,風(fēng)速最大值為14.59 m/s(7級(jí))。12月常風(fēng)向?yàn)镹W向,強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹向,風(fēng)速最大值為11.7 m/s(6級(jí))。1月常風(fēng)向?yàn)镾SE向,強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹向,風(fēng)速最大值為12.37 m/s(6級(jí))。2月常風(fēng)向?yàn)镹NE向,強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹NE向,風(fēng)速最大值為12.24 m/s(6級(jí))。3月常風(fēng)向?yàn)镾SE向,強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹向,風(fēng)速最大值為19.68 m/s(8級(jí))。4月常風(fēng)向?yàn)閃SW向,強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镾SE向,風(fēng)速最大值為12.89 m/s(6級(jí))。5月常風(fēng)向?yàn)閃SW向,強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹NE向,風(fēng)速最大值為10.99 m/s(6級(jí))。6月常風(fēng)向?yàn)镾SE向,強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镾E向,風(fēng)速最大值為12.52 m/s(6級(jí))。7月常風(fēng)向?yàn)镾W向,強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镾SE向,風(fēng)速最大值為10.28 m/s(5級(jí))。8月常風(fēng)向?yàn)閃SW向,強(qiáng)風(fēng)向?yàn)閃向,風(fēng)速最大值為13.14 m/s(6級(jí))。9月常風(fēng)向?yàn)閃SW向,強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹向,風(fēng)速最大值為15.33m/s(7級(jí))。

表3 豐南站各月10 min平均風(fēng)速分向頻率統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistics of 10-minute mean wind speed sub-frequency of Fengnan Station in each month %

4 余水位與風(fēng)的關(guān)系

根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究以及實(shí)際觀測成果分析所得,風(fēng)應(yīng)力與余水位之間存在著一定關(guān)系[15]。為了繼續(xù)探討二者的關(guān)系,本文取余水位波動(dòng)較大期間(2021年11月1日—2021年12月25日)的風(fēng)場為例。由圖6可見,水位測點(diǎn)的余水位與風(fēng)速曲線的變化趨勢高度吻合,風(fēng)速較大時(shí)減水量也相應(yīng)增大,兩者相關(guān)系數(shù)r達(dá)0.62,且余水位波動(dòng)最大值較風(fēng)速最大值稍有滯后性。進(jìn)一步考慮余水位與風(fēng)向的關(guān)系,在這期間北向風(fēng)占比最多,且風(fēng)速影響最大時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)向皆為北向,一般情況,向岸風(fēng)會(huì)造成增水效果,離岸風(fēng)造成減水效果[5],綜上得到北向離岸風(fēng)越大會(huì)導(dǎo)致豐南海域發(fā)生減水越大的現(xiàn)象。

圖6 豐南站余水位與風(fēng)速的關(guān)系Fig.6 Relation between residual water level and wind speed of Fengnan Station

5 工程領(lǐng)域應(yīng)用

若將天文潮位的影響剔除,那么水位的變化由風(fēng)的作用產(chǎn)生,一定時(shí)段內(nèi),某個(gè)方向的風(fēng)持續(xù)作用,即可產(chǎn)生一定的水位變化。這個(gè)水位變化是與風(fēng)速和方向有關(guān)的,因此可以通過實(shí)測資料來挖掘風(fēng)和水位變化。得到水位變化后,疊加在當(dāng)前水位,即可預(yù)報(bào)某一時(shí)刻的水位系。

對(duì)于急需乘潮進(jìn)出港的港口,根據(jù)余水位自身變化特性及其與風(fēng)之間的相關(guān)關(guān)系建立短臨潮位預(yù)報(bào)模型,可有效提升乘潮出港效率。以豐南海域某碼頭航道為例,建立基于相關(guān)關(guān)系的潮位短臨預(yù)報(bào)模型進(jìn)行潮位短臨預(yù)報(bào),根據(jù)2022年10月至2022年12月的實(shí)測潮位與短臨預(yù)報(bào)潮位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可得知短臨預(yù)報(bào)3 h時(shí),預(yù)報(bào)最大偏差20 cm以內(nèi)的數(shù)據(jù)占比為88.6%,預(yù)報(bào)最大偏差30 cm以內(nèi)的數(shù)據(jù)占比為98.7%。當(dāng)短臨預(yù)報(bào)時(shí)間延長至6 h時(shí),預(yù)報(bào)最大偏差20 cm以內(nèi)的數(shù)據(jù)占比為80.3%,預(yù)報(bào)最大偏差30 cm以內(nèi)的數(shù)據(jù)占比為96.2%(見表4)。

表4 短臨預(yù)報(bào)精度統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistical of short-term and imminent forecast accuracy

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明短臨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的預(yù)測精度可滿足通航應(yīng)用要求,可對(duì)航道通航提供3方面的技術(shù)支持：(1)通過短臨預(yù)報(bào),提升航道乘潮進(jìn)出港船舶艘次,提升航運(yùn)效能;(2)余水位極端減水預(yù)測可提前對(duì)航道通航安全進(jìn)行預(yù)警,防止船舶在劇烈減水期間進(jìn)出港,防止擱淺事故;(3)余水位極端增水預(yù)測可提前對(duì)碼頭作業(yè)安全進(jìn)行預(yù)警,防止碼頭作業(yè)安全事故。

6 結(jié)論

根據(jù)唐山豐南站1 a的實(shí)測潮位數(shù)據(jù),采用了調(diào)和分析、頻譜分析和統(tǒng)計(jì)分析等方法對(duì)余水位的成因、規(guī)律與風(fēng)速的關(guān)系進(jìn)行分析討論,得到：(1)余水位的年變幅平均值為-3.0 cm,其具有一定的季節(jié)性,在春末和夏季的作用較弱,在秋、冬季的作用較強(qiáng);(2)秋冬季的常風(fēng)向主要分布在西北—東北范圍內(nèi),強(qiáng)風(fēng)向主要為北向;春夏季常風(fēng)向主要分布在東南偏南—西南偏西范圍內(nèi),強(qiáng)風(fēng)向主要為東南向;(3)余水位與風(fēng)速呈現(xiàn)較強(qiáng)相關(guān)性,且余水位波動(dòng)最大值較風(fēng)速最大值稍有滯后性;(4)因離岸風(fēng)和低氣壓會(huì)造成減水效果,所以北向離岸風(fēng)越大導(dǎo)致施測海域產(chǎn)生的減水量越大;(5)進(jìn)行短臨潮位預(yù)報(bào)的偏差在20 cm以內(nèi)可達(dá)80%以上,可對(duì)航道通航起到重要作用,提升其通航效率。