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中短期验潮站验潮零点不规则漂移精密处理

黄辰虎 陆秀平 边刚 黄贤源 管明雷 翟国君 黄谟涛

黄辰虎, 陆秀平, 边刚, 黄贤源, 管明雷, 翟国君, 黄谟涛. 中短期验潮站验潮零点不规则漂移精密处理[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(11): 1673-1680. doi: 10.13203/j.whugis20170200
引用本文: 黄辰虎, 陆秀平, 边刚, 黄贤源, 管明雷, 翟国君, 黄谟涛. 中短期验潮站验潮零点不规则漂移精密处理[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(11): 1673-1680. doi: 10.13203/j.whugis20170200
HUANG Chenhu, LU Xiuping, BIAN Gang, HUANG Xianyuan, GUAN Minglei, ZHAI Guojun, HUANG Motao. Precise Processing on the Irregularly Drift of the Zero Point of the Medium-Short Tide Gauge[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(11): 1673-1680. doi: 10.13203/j.whugis20170200
Citation: HUANG Chenhu, LU Xiuping, BIAN Gang, HUANG Xianyuan, GUAN Minglei, ZHAI Guojun, HUANG Motao. Precise Processing on the Irregularly Drift of the Zero Point of the Medium-Short Tide Gauge[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(11): 1673-1680. doi: 10.13203/j.whugis20170200

中短期验潮站验潮零点不规则漂移精密处理

doi: 10.13203/j.whugis20170200
基金项目: 

国家自然科学基金 41706111

国家自然科学基金 41474012

国家自然科学基金 41174062

详细信息
    作者简介:

    黄辰虎, 博士生, 高级工程师, 主要从事海底地形测量数据处理和潮汐分析研究。hchhch-1997@163.com

    通讯作者: 管明雷, 博士生。lyggml@126.com
  • 中图分类号: P229

Precise Processing on the Irregularly Drift of the Zero Point of the Medium-Short Tide Gauge

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41706111

The National Natural Science Foundation of China 41474012

The National Natural Science Foundation of China 41174062

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    Author Bio:

    HUANG Chenhu, PhD candidate, senior engineer, specializes in bathymetry sounding data processing and tide analysis. E-mail: hchhch-1997@163.com

    Corresponding author: GUAN Minglei, PhD candidate. E-mail:lyggml@126.com
  • 摘要: 压力验潮仪是海洋深度测量最重要的辅助传感器之一,中、短期验潮站一般采用压力验潮仪定点布设并实现对沿岸水深测量的水位控制。受复杂海洋作业环境的综合影响,在工程实践中发现验潮零点极易出现不规则漂移,是制约水深测量成果精度的主要因素之一,但相关的探测与校正精密理论研究滞后。分析了验潮零点不规则漂移的形成机理,提出了漂移探测及校正的精密处理数学模型。通过对定海长期站和港鑫临时站以及大丰长期站和三丫子临时站等近一个月实测同步验潮数据的处理,分析了两种日平均海面计算方法对不同周期分潮的削弱效果,结果表明,本文提出的新模型适用于验潮零点不规则漂移的精密处理,经零点校正后,港鑫、三丫子等临时验潮站的水位观测数据精度由dm级提高至cm级。
  • 图  1  定海和港鑫站的站位概略图

    Figure  1.  Approximate Position of Tide Gauge Between Dinghai and Gangxin Stations

    图  2  定海站和港鑫站在同步观测时段内的原始潮汐数据

    Figure  2.  Original Synchronized Tide Obervations Between Dinghai and Gangxin Stations

    图  3  两种方法计算得到的定海站日平均海面及其互差

    Figure  3.  Daily Mean Sea Levels and Mutual Difference of Dinghai Station by Two Methods

    图  4  Godin法计算的定海站和港鑫站日平均海面及其互差

    Figure  4.  Daily Mean Sea Levels and Mutual Difference of Dinghai and Gangxin Stations by Godin Method

    图  5  Godin法计算的定海站和港鑫站修订零点漂移后的日平均海面及其互差

    Figure  5.  Amended Daily Mean Sea Levels and Mutual Difference of Gangxin and Dinghai Stations by Godin Method

    图  6  大丰和三丫子站的站位概略图

    Figure  6.  Approximate Position of Tide Gauge Between Dafeng and Sanyazi Stations

    图  7  大丰站和三丫子站在同步观测时段内的原始潮汐数据

    Figure  7.  Original Synchronized Tide Obervations Between Dafeng and Sanyazi Stations

    图  8  Godin法计算得到的大丰站和三丫子站的日平均海面及其互差

    Figure  8.  Daily Mean Sea Levels and Mutual Difference of Dafeng and Sanyazi Stations by Godin Method

    图  9  Godin法计算得到的大丰站和三丫子站修订零点漂移后的日平均海面及其互差

    Figure  9.  Amended Daily Mean Sea Levels and Mutual Difference of Dafeng and Sanyazi Stations by Godin Method

    表  1  中数法与Godin法计算不同周期分潮的谱数值

    Table  1.   Spectrum of Tidal Component About Different Cycles Between Mean and Godin Methods

    分潮名称 分潮类型 中数法 Godin法
    Q1 0.117 555 0.000 649
    O1 0.075 374 0.000 081
    P1
    K1
    日分潮 0.111 790
    0.002 738
    0.000 526
    0.000 005
    M1 0.035 077 0.000 001
    MP1 0.069 196 0.000 050
    M2 0.035 160 0.000 001
    S2 0 0
    K2
    N2
    半日分潮 0.002 762
    0.054 448
    0.000 005
    0.000 009
    OQ2 0.093 161 0.000 261
    R2 0.001 383 0.000 002
    M4 0.035 497 0.000 002
    MS 4 1/4分潮 0.017 872 0.000 010
    MN 4 0.044 559 0
    M6 1/6分潮 0.036 082 0.000 002
    M8 1/8分潮 0.036 960 0.000 002
    M10 1/10分潮 0.038 202 0.000 003
    M12 1/12分潮 0.039 933 0.000 004
    Mf 半月分潮 0.991 224 0.972 437
    Msf 半月分潮 0.992 485 0.976 366
    Mm 月分潮 0.997 839 0.993 163
    Ssa 半年分潮 0.999 951 0.999 844
    Sa 年分潮 0.999 988 0.999 961
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    Zhao Jianhu, Dong Jiang, Ke Hao, et al. High Precision GPS Tide Measurement Method in a Far-Distance and Transformation Model for the Vertical Datum[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2015, 40(6): 761-766 http://ch.whu.edu.cn/CN/abstract/abstract3273.shtml
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-10-10
  • 刊出日期:  2018-11-05

中短期验潮站验潮零点不规则漂移精密处理

doi: 10.13203/j.whugis20170200
    基金项目:

    国家自然科学基金 41706111

    国家自然科学基金 41474012

    国家自然科学基金 41174062

    作者简介:

    黄辰虎, 博士生, 高级工程师, 主要从事海底地形测量数据处理和潮汐分析研究。hchhch-1997@163.com

    通讯作者: 管明雷, 博士生。lyggml@126.com
  • 中图分类号: P229

摘要: 压力验潮仪是海洋深度测量最重要的辅助传感器之一,中、短期验潮站一般采用压力验潮仪定点布设并实现对沿岸水深测量的水位控制。受复杂海洋作业环境的综合影响,在工程实践中发现验潮零点极易出现不规则漂移,是制约水深测量成果精度的主要因素之一,但相关的探测与校正精密理论研究滞后。分析了验潮零点不规则漂移的形成机理,提出了漂移探测及校正的精密处理数学模型。通过对定海长期站和港鑫临时站以及大丰长期站和三丫子临时站等近一个月实测同步验潮数据的处理,分析了两种日平均海面计算方法对不同周期分潮的削弱效果,结果表明,本文提出的新模型适用于验潮零点不规则漂移的精密处理,经零点校正后,港鑫、三丫子等临时验潮站的水位观测数据精度由dm级提高至cm级。

English Abstract

黄辰虎, 陆秀平, 边刚, 黄贤源, 管明雷, 翟国君, 黄谟涛. 中短期验潮站验潮零点不规则漂移精密处理[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(11): 1673-1680. doi: 10.13203/j.whugis20170200
引用本文: 黄辰虎, 陆秀平, 边刚, 黄贤源, 管明雷, 翟国君, 黄谟涛. 中短期验潮站验潮零点不规则漂移精密处理[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(11): 1673-1680. doi: 10.13203/j.whugis20170200
HUANG Chenhu, LU Xiuping, BIAN Gang, HUANG Xianyuan, GUAN Minglei, ZHAI Guojun, HUANG Motao. Precise Processing on the Irregularly Drift of the Zero Point of the Medium-Short Tide Gauge[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(11): 1673-1680. doi: 10.13203/j.whugis20170200
Citation: HUANG Chenhu, LU Xiuping, BIAN Gang, HUANG Xianyuan, GUAN Minglei, ZHAI Guojun, HUANG Motao. Precise Processing on the Irregularly Drift of the Zero Point of the Medium-Short Tide Gauge[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(11): 1673-1680. doi: 10.13203/j.whugis20170200
  • 海洋深度测量包括定位、测深和水位控制三大主题内容[1-3]。水位控制一般通过布设验潮站、采用潮汐调和常数预报以及基于GNSS的无验潮测深等方式解决[4-6]。根据验潮时间的长度,验潮站可分为长期站和中短期站两种,长期站对于海洋环境监测、港口码头设计等至关重要。赵建虎等[7]基于潮汐调和分析、概率论与数理统计等方法,实现了长期验潮站粗差和系统误差的探测和修复。中短期验潮站观测时间短,一般采用压力验潮仪定点布设并应用于沿岸水深测量水位控制等,具有灵活机动、观测标称精度高等优点,是海洋深度测量中比较常用的一种潮汐测量方法[1-3]。但在具体工程实践中,受仪器自身内部漂移、布设位置处地基沉降、底部基座安装不稳固、强潮流冲击等综合影响,压力验潮仪的零点在垂直方向上会产生一项隐蔽性强、难以探测消除的不规则抖动, 进而被归入潮汐观测值,这将直接影响潮汐分析精度,最终影响水深测量水位改正质量[3-4]。国际海道测量组织(International Hydrographic Organization, IHO)[8-9]也对此高度重视,认为这将导致后续基准转换出现严重错误。压力验潮仪零点是否发生了漂移及其具体量值在验潮作业时是无法进行实时监测和校正的,只能在验潮结束后对数据回放时进行分析。刘雷等[10]指出仅依靠单一中、短期验潮站数据无法判断验潮零点是否漂移,应基于与相邻长期验潮站的日平均海面具有的强相关性来进行探测,提出采用中数法(即每24 h的滑动平均海面)来计算两个验潮站的日平均海面,该方法已得到实际应用。许军等[11]研究了最小二乘水位拟合模型的参数时变规律,指出计算时二站同步时长应控制在24 h内。柯灏等[4, 12]在文献[11]的基础上将最小二乘拟合法和中数法结合,来分段确定验潮零点沉降发生的具体时刻及沉降量,探测的效率及校正的精度有待提高。IHO《海道测量手册》规定[8],在对相邻两验潮站潮位数据进行质量检查时, 若发现不规则差异,应研究该差异是否为验潮仪故障、传感器漂移及其他异常高度变化综合导致,并指出可利用日平均海面的相似性来解决,但未明确如何计算日平均海面。由此可知,针对验潮零点的不规则漂移问题,国内外海道测量界均基于日平均海面的相似性为前提,通过计算日平均海面间差异来进行探测及校正。黄辰虎等[13]指出, 使用中数法计算得到的日平均海面会残存着大量短周期分潮的影响,这将影响验潮零点不规则漂移的探测及校正的精度,这也是文献[10, 12]需进一步改进的地方。

    鉴于使用压力验潮仪进行潮汐数据采集过程中,验潮零点不规则漂移出现的不可控以及国内外在探测与校正精密理论研究方面的相对滞后,本文首先分析验潮零点不规则漂移的形成机理,提出相对应的漂移探测及校正的精密处理模型,通过实例来整体确定验潮零点沉降发生的具体时刻及沉降量,实现验潮零点不规则漂移探测与校正的精密处理。

    • 压力式验潮仪是以压力传感器为主要水位测量部件的设备,通过实时测量水下某一固定深度位置处的压力值(绝对压力),然后减去空气气压值,将二者压力差转换为压力传感器至瞬时海面的高度来进行实时的水位观测。肖付民等[3]指出,由于压力式验潮仪一旦入水进入工作状态,其设置参数就在测量期间保持固定,不随外界环境因素的变化而改变,因此仪器出水后应首先对采集的数据进行气压及密度改正。

      进行完气压及密度改正后,验潮数据在垂直方向上存在的系统性偏差主要由验潮零点的线性以及非线性漂移综合引起,其中包括仪器内部漂移和外界多种环境因素引起的不规则漂移两种。前者校正原理较为简单,可在室内采用设备标定法予以精确校正,而后者只能在验潮作业结束后对数据回放时予以分析并校正。本文重点探讨如何解决第二种类型的验潮零点不规则漂移。

      从压力验潮仪验潮零点起算的逐时潮汐值ζ(t)可表示为:

      $$ \begin{array}{l} \zeta \left( t \right) = {\rm{MSL}} + \sum\limits_{i = 1}^m {{f_i}{H_i}\cos \left( {{\sigma _i}t + {v_i} + {u_i} - {g_i}} \right) + } \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\delta \left( t \right) + \varepsilon {\left( t \right)_{{\rm{MSL}}}} \end{array} $$ (1)

      其中,MSL(mean sea level)为长期平均海面;Higi为分潮振幅和迟角;fiui为分潮交点因子和交点改正角;m表示分潮个数;σi表示角速度;vi表示天文初位相;δ(t)为增减水;ε(t)MSL为验潮零点逐时刻的漂移[1-3]

      假定邻近长期验潮站为A,采用压力验潮仪的中、短期验潮站为B,一般情况下εA(t)MSL为0,由此AB两站的日平均海面的互差值可表示为:

      $$ \begin{array}{*{20}{c}} {\Delta = \left( {{\rm{MS}}{{\rm{L}}_A} - {\rm{MS}}{{\rm{L}}_B}} \right) + \left( {{{\bar h}_A} - {{\bar h}_B}} \right) + }\\ {\left( {{{\bar \delta }_A} - {{\bar \delta }_B}} \right) - {{\bar \varepsilon }_B}{{\left( t \right)}_{{\rm{MSL}}}}} \end{array} $$ (2)

      式中,$ \overline h $、$ \overline \delta $、$ {\overline \varepsilon _B} $(t)MSL分别表示一定观测时段内天文潮、增减水及B站验潮零点逐时刻漂移的平均值。

      考虑到海洋水深测量的实际需求,AB两验潮站之间的距离一般不会太远,由于增减水在一定空间尺度内具有较强的相关性[4, 10, 12, 14-15],即δA(t)≈δB(t),由此得(δAδB)≈0,此时式(2)可改为:

      $$ \Delta = \left( {{\rm{MS}}{{\rm{L}}_A} - {\rm{MS}}{{\rm{L}}_B}} \right) + \left( {{{\bar h}_A} - {{\bar h}_B}} \right) - {{\bar \varepsilon }_B}{\left( t \right)_{{\rm{MSL}}}} $$ (3)

      相邻验潮站的日平均海面是强相关的,因此二者的变化趋势应是相似的,在量值上则应是接近的。若AB两站的验潮零点均稳定,则(MSLA-MSLB)项应为常量值,且εB (t)MSL=0,此时两站日平均海面之间的差值Δ仅反映不同分潮作用引起的规则潮汐变化,即(hAhB)项,其量值应在cm级[13-14]。若B站验潮零点出现不稳定现象,对于已经完成室内标定的验潮仪,在Δ中还会增加一项验潮零点的逐时刻漂移,即εB (t)MSL≠0,其量值可能在dm级甚至更大,此项影响将严重干扰验潮数据的后续分析和使用。因此在实际工程应用中,应预先对中、短期验潮站的观测资料进行误差分析和探测,以判断其验潮零点是否存在不规则的漂移,若εB(t)MSL项量值较大,则应采取进一步的校正措施。

      确保$ {\overline \varepsilon _B} $(t)MSL项在Δ中占主导地位的前提下,可令εB(t)MSLΔ,此时,B站经精密处理后的潮汐观测值ζB(t)可按下式进行验潮零点的精密校正,即:

      $$ \begin{array}{*{20}{c}} {{{\zeta '}_B}\left( t \right) = {\zeta _B}\left( t \right) + \left( {{\rm{MS}}{{\rm{L}}_A} - {\rm{MS}}{{\rm{L}}_B}} \right) + }\\ {\left( {{{\bar h}_A} - {{\bar h}_B}} \right) - {{\bar \varepsilon }_B}{{\left( t \right)}_{{\rm{MSL}}}}} \end{array} $$ (4)

      其中,ζB(t)表示B站逐时刻的原始潮汐观测值。

      至此,本文建立了验潮零点不规则漂移的精密处理模型,相对于文献[12]而言,该模型可一次性整体确定验潮零点沉降发生的具体时刻及沉降量。

    • 若潮汐观测时段足够长如大于1 a,则可基于式(1)对两个验潮站数据进行长期调和分析,并准确计算(hAhB)和(δAδB)项,这样可精确探测并校正B站验潮零点不规则漂移的具体时刻及量值。但中短期验潮站的观测时段一般都短于1 a甚至短于0.5 a,不具备上述精细化潮汐调和分析条件。应用式(4)的关键是如何最大程度地削弱两个验潮站天文潮不一致造成的潮汐振动,即(hAhB)项,而呈现B验潮站验潮零点的真实漂移量,即(MSLA-MSLB)-$ {\overline \varepsilon _B} $(t)MSL项,因此下面重点讨论如何提高日平均海面的计算精度。

      日平均海面一般选用中数法[4, 8, 10, 12],其数学模型为:

      $$ {S_0} = \frac{{\sum\limits_{t = 0}^{23} {\zeta \left( t \right)} }}{{24}} $$ (5)

      其相对应的滤波器谱HM0为:

      $$ {H_{{M_0}}}\left( \sigma \right) = \frac{{\sin \left( {12\sigma } \right)}}{{24\sin \left( {\sigma /2} \right)}} $$ (6)

      Godin法计算日平均海面的数学模型为[13, 16]

      $$ {S_0} = \frac{1}{{{{25}^2} \times 24}}\sum\limits_{j = 1}^{24} {{Y_j}} $$ (7)
      $$ {Y_j} = \sum\limits_{i = 0}^{24} {{X_{i + j}}} $$ (8)
      $$ {X_i} = \sum\limits_{i = 0}^{24} {{\zeta _{t + i}}} $$ (9)

      其相对应的滤波器谱HG0为:

      $$ {H_{{G_0}}}\left( \sigma \right) = \left( {\frac{{\sin \left( {12\sigma } \right)}}{{24\sin \left( {\sigma /2} \right)}}} \right) \times {\left( {\frac{{\sin \left( {12.5\sigma } \right)}}{{25\sin \left( {\sigma /2} \right)}}} \right)^2} $$ (10)

      在式(6)和式(10)中的σ表示某分潮的角速度,式(5)和式(9)中的ζ(t)表示验潮站逐时刻的潮汐观测值。滤波器谱表示分潮的衰减因子,其绝对值越大,对分潮的滤波能力越强;绝对值越小,对分潮的滤波能力则越弱[1, 13]。根据式(6)和式(10)分别计算若干年、半年、月、半月、日、半日及更短周期分潮的谱数值,从而量化分析出式(5)和式(7)对(hAhB)项的削弱效果。中数法与Godin法分别计算不同周期分潮的谱数值的计算结果如表 1所示,其中,Q1O1P1K1M2S2K2N2M4MS4M6SsaSa为潮汐调和分析中对潮汐运动变化占主导作用的13个主要分潮,其余分潮的振幅较小。

      表 1  中数法与Godin法计算不同周期分潮的谱数值

      Table 1.  Spectrum of Tidal Component About Different Cycles Between Mean and Godin Methods

      分潮名称 分潮类型 中数法 Godin法
      Q1 0.117 555 0.000 649
      O1 0.075 374 0.000 081
      P1
      K1
      日分潮 0.111 790
      0.002 738
      0.000 526
      0.000 005
      M1 0.035 077 0.000 001
      MP1 0.069 196 0.000 050
      M2 0.035 160 0.000 001
      S2 0 0
      K2
      N2
      半日分潮 0.002 762
      0.054 448
      0.000 005
      0.000 009
      OQ2 0.093 161 0.000 261
      R2 0.001 383 0.000 002
      M4 0.035 497 0.000 002
      MS 4 1/4分潮 0.017 872 0.000 010
      MN 4 0.044 559 0
      M6 1/6分潮 0.036 082 0.000 002
      M8 1/8分潮 0.036 960 0.000 002
      M10 1/10分潮 0.038 202 0.000 003
      M12 1/12分潮 0.039 933 0.000 004
      Mf 半月分潮 0.991 224 0.972 437
      Msf 半月分潮 0.992 485 0.976 366
      Mm 月分潮 0.997 839 0.993 163
      Ssa 半年分潮 0.999 951 0.999 844
      Sa 年分潮 0.999 988 0.999 961

      表 1可知,Godin法较中数法在削弱Q1分潮时,Q1的影响由11.76%降低至0.07%;削弱P1分潮时,P1的影响由11.18%降低至0.05%;削弱O1分潮时,O1的影响由7.53%降低至近0.01%;削弱M2分潮时,M2的影响由3.52%降低至接近0。若采用中数法,由于日、半日分潮的振幅多在数十厘米,则(hAhB)项中包含的短周期分潮影响可在数十厘米;若采用Godin法,(hAhB)项中受短周期分潮影响可近似为0。显然,Godin法较中数法在削弱日、半日及更短周期分潮方面的优势更为明显。

      而在削弱年、半年、月、半月周期分潮影响方面,两种方法的效果是基本相当的,反映出日平均海面对日周期以上的分潮基本无削弱能力。月、半月分潮的振幅一般在cm级,半年、年分潮的振幅在数十个厘米,因此h主要包含半年、年分潮的影响。由潮汐调和分析实践可知,半年、年分潮具有较大的空间尺度,在数十千米内振幅、迟角的差异不明显,因此(hAhB)项中非日周期分潮影响应在cm级。

      基于上述分析可知,若采用式(3)并使用Godin法来计算验潮站的日平均海面,理论上Godin法较中数法,Δ的计算精度可由数十厘米提高至cm级,这样B验潮站的零点不规则漂移经校正后,其潮位值的观测质量将可得到较大幅度的提升。

    • 以浙江宁波舟山群岛附近的定海长期站和港鑫短期站在2014-11-06—2014-12-07同步时段的逐时潮汐数据为例进行分析。两个验潮站的直线距离约25 km,潮汐性质相近,均属正规半日潮港,两站站位的概略位置如图 1所示。港鑫站采用了加拿大产RGB-2050型自容式压力验潮仪, 其使用的压力验潮仪验潮零点内部漂移在布设验潮站前已进行了严格的标定,仪器出水后采集的潮汐数据也分别进行了气压及密度改正。

      图  1  定海和港鑫站的站位概略图

      Figure 1.  Approximate Position of Tide Gauge Between Dinghai and Gangxin Stations

      首先将定海站同时段的潮汐数据归算至该站的长期平均海面,由于港鑫站验潮零点的深度位置可作任意的假定,因此将该站的潮汐观测数据整体核减一个常数,以方便与定海站的潮汐数据在深度方向上作比较。对港鑫站的潮汐数据在深度方向上作整体平移后,上述两站的水位观测值曲线如图 2所示。

      图  2  定海站和港鑫站在同步观测时段内的原始潮汐数据

      Figure 2.  Original Synchronized Tide Obervations Between Dinghai and Gangxin Stations

      图 2可知,在2014-11-06—2014-11-26时段,港鑫站的水位曲线整体在定海站之下,且二者的差值为非常量,而在2014-11-27—2014-12-05时段内两站的水位曲线变化基本一致。由于定海站属长期验潮站,其验潮零点是稳定可靠的,其数据质量经严格的控制也是可信的,因此可判断港鑫站的水位观测值至少在上述1个时段内出现了不规则的零点漂移,其量值最大达到了30 cm左右,为此应对港鑫站验潮零点发生不规则漂移的具体时刻和量值作进一步的详细探测。

    • 分别采用中数法和Godin法,依据式(5)和式(7)计算定海站日平均海面值及其互差,以此来检验§1.2中从理论上分析得到Godin法较中数法在计算Δ时精度可由数十厘米提高至cm级的结论是否准确,部分结果如图 3所示。

      图  3  两种方法计算得到的定海站日平均海面及其互差

      Figure 3.  Daily Mean Sea Levels and Mutual Difference of Dinghai Station by Two Methods

      图 3可知,由式(5)计算的日平均海面的抖动较式(7)要剧烈许多,而且还明显叠加了不少较短周期扰动。两种方法计算得到的日平均海面互差值在-12~12 cm,表明式(5)计算的结果受日分潮及更短周期分潮方面的影响要显著,而式(7)计算的日平均海面较式(5)的结果更稳定,这与§1.2的理论分析是一致的。因此在工程实践中,应优先选择式(7)来作为计算日平均海面的最佳模型。

    • 使用Godin法,依据式(7)分别计算定海站和港鑫站的日平均海面及其互差,部分结果如图 4所示。由图 4可知,在2014-11-06—2014-11-27时段内,两站的日平均海面的互差值为0~20 cm,且呈连续的、迂回的不规则变化。这表明港鑫站的验潮零点在该时段出现了迂回型的不规则漂移,可能是受较强海流冲击,验潮仪的支架出现了多次移位、倾覆或沉降,从而导致验潮零点出现了较强的不规则抖动,其漂移量是显著的,因此这个时段的数据必须作零点校正后方可使用,其现象较文献[12]采用的模拟数据更复杂,处理也更困难。在2014-11-27—2014-12-27时段内,两站日平均海面的互差值为-1.5~0.3 cm,漂移量为cm级,可认为该时段港鑫站的验潮零点是稳定的。由此判定港鑫站在2014-11-27—2014-12-05时段内的潮汐数据是可靠的。

      图  4  Godin法计算的定海站和港鑫站日平均海面及其互差

      Figure 4.  Daily Mean Sea Levels and Mutual Difference of Dinghai and Gangxin Stations by Godin Method

      基于式(4)并使用图 4中定海站和港鑫站的日平均海面间的互差值,首先对港鑫站在2014-11-06—2014-11-27时段内的观测数据作零点不规则漂移的整体校正,然后使用Godin法重新计算定海站和港鑫站两站的日平均海面及其互差,以检验港鑫站的验潮零点不规则漂移校正的实际效果,部分结果如图 5所示。

      图  5  Godin法计算的定海站和港鑫站修订零点漂移后的日平均海面及其互差

      Figure 5.  Amended Daily Mean Sea Levels and Mutual Difference of Gangxin and Dinghai Stations by Godin Method

      对比图 4图 5可知,对港鑫站的验潮零点不规则漂移进行校正后(校正幅度为0~20 cm),在2014-11-06—2014-12-07同步时段内,定海站和港鑫站二者日平均海面间的互差值为-2.8~1.2 cm,变化幅度为cm级,该差异主要由两站的非日周期分潮的振幅和迟角不一致造成,该量级在合理变化范围内,这表明港鑫站的验潮零点经校正后基本达到了稳定状态。由此得知,港鑫站的验潮零点经校正后,水位观测数据的精度已由原先的dm级提高到了cm级。

      为进一步检核本文提出的验潮零点不规则漂移校正精密处理模型的有效性,以江苏大丰长期验潮站和三丫子短期站在2016-07-01—2016-07-31同步时段的逐时潮汐数据为例作分析。两个验潮站的直线距离约30 km,潮汐性质相近,均属正规半日潮港,其中三丫子站与大丰站的潮时差约50 min,两站站位的概略位置如图 6所示。三丫子站采用了加拿大产RGB-3050型自容式压力验潮仪,其使用的压力验潮仪及潮汐数据的预处理过程同港鑫站。

      图  6  大丰和三丫子站的站位概略图

      Figure 6.  Approximate Position of Tide Gauge Between Dafeng and Sanyazi Stations

      上述两站的同步水位曲线如图 7所示。由图 7可知,在2016-07-01—2016-07-14时段,三丫子站的水位曲线整体在大丰站之上,且差值为非常量;而在2016-07-21—2016-07-31时段内,三丫子站的水位曲线整体在大丰站之下,差值也为非常量。这表明,相对于图 2港鑫站的水位数据来说,三丫子站在上述时段的验潮零点整体呈近似线性的不规则漂移,但漂移量较港鑫站更为显著。

      图  7  大丰站和三丫子站在同步观测时段内的原始潮汐数据

      Figure 7.  Original Synchronized Tide Obervations Between Dafeng and Sanyazi Stations

      使用Godin法,依据式(7)分别计算大丰站和三丫子站的日平均海面及其互差,部分结果如图 8所示。由图 8可知,在2016-07-01—2016-07-31时段内, 两站的日平均海面的互差值为-14~13 cm,且呈连续的不规则变化,这表明三丫子站的验潮零点一直处于不稳定状态。三丫子站位于江苏苏北海域,该海域的潮差最大可达7 m,且潮流急,导致在该海域布设中短期验潮站比较困难,验潮站的验潮零点极易发生不规则变动。

      图  8  Godin法计算得到的大丰站和三丫子站的日平均海面及其互差

      Figure 8.  Daily Mean Sea Levels and Mutual Difference of Dafeng and Sanyazi Stations by Godin Method

      基于式(4)并使用图 8中大丰站和三丫子站的日平均海面间的互差值,首先对三丫子站在2016-07-01—2016-07-31时段内的观测数据作零点不规则漂移的整体校正,然后使用Godin法重新计算大丰站和三丫子站两站的日平均海面及其互差,以检验三丫子站的验潮零点不规则漂移校正的实际效果,部分结果如图 9所示。

      图  9  Godin法计算得到的大丰站和三丫子站修订零点漂移后的日平均海面及其互差

      Figure 9.  Amended Daily Mean Sea Levels and Mutual Difference of Dafeng and Sanyazi Stations by Godin Method

      对比图 8图 9可知,三丫子站的验潮零点不规则漂移经校正后(校正幅度为-14~13 cm),在2016-07-01—2016-07-31同步时段内,两站日平均海面间的互差值为-0.1~0.2 cm,变化幅度仅为cm级,这表明三丫子站的验潮零点经校正后基本达到了稳定状态。

      对比图 6图 1可知,相对于定海站和港鑫站而言,大丰站和三丫子站之间无岛屿阻挡,尽管二者间距离更远,但潮汐性质较定海站和港鑫站更为相似,因此由非日周期分潮的振幅和迟角不一致导致的影响也更小,图 9图 5中日平均海面间互差值的量级对比也证明了这一点。

      由此可知,三丫子站验潮零点经校正后,水位观测数据精度由原先的dm级提高到了cm级。尽管三丫子站验潮零点的不规则漂移较港鑫站要显著,但由于其整体处于近似线性的漂移,因此较港鑫站的零点校正要简单,其校正的精度及效果也更好。

    • 本文建立了中短期验潮站验潮零点不规则漂移精密处理模型,通过实际算例开展了定量分析,结果显示,新模型较以往研究成果在探测效率方面要快,在校正精度方面要高。具体结论如下。

      1) 采用相邻验潮站日平均海面互差值作为探测中短期验潮站验潮零点不规则漂移的指标参数,在理论上是合理的,且在实践中是可行的。

      2) 采用Godin法计算日平均海面,在削弱日、半日及更短周期分潮影响方面较中数法具有比较明显的优势,在削弱日周期以上分潮影响方面二者的作用相当。

      3) 依据Godin法计算日平均海面并进行验潮零点不规则漂移探测校正,港鑫站的潮汐观测数据精度由20 cm提高至cm级,三丫子站的潮汐观测数据精度由27 cm提高至cm级。

      需指出的是,中短期验潮站由于不具备使用长期潮汐调和分析来达到精确剥离天文潮位和增减水的基本条件,只能基于日平均海面相似性这一前提来对验潮零点不规则漂移作探测并校正,国际海道测量界是认可并普遍实践该做法的。

参考文献 (16)

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