利用水位修正模型精化潮位數值模擬

管明雷，黃辰虎，李清泉，汪馳升,4，丁 凱

(1. 深圳大學海岸帶地理環境監測國家測繪地理信息局重點實驗室，廣東 深圳 518060； 2. 深圳大學空間信息智能感知與服務深圳市重點實驗室，廣東 深圳 518060； 3. 海軍海洋測繪研究所，天津 300061； 4. 武漢大學地理國情監測國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北 武漢430079)

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利用水位修正模型精化潮位數值模擬

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. 深圳大學海岸帶地理環境監測國家測繪地理信息局重點實驗室，廣東 深圳 518060； 2. 深圳大學空間信息智能感知與服務深圳市重點實驗室，廣東 深圳 518060； 3. 海軍海洋測繪研究所，天津 300061； 4. 武漢大學地理國情監測國家測繪地理信息局重點實驗室，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值模型，提取了整個場內各個網格點上天文潮位值的時間序列。利用該區域內分布的5個驗潮站資料提取水位修正模型，對場內的網格點進行水位修正，得到高精度的格點水位時間序列，然后對修正前后的水位值進行比較。結果表明，基于水位修正后的潮位數值模擬結果水位精度提高了10 cm左右。

FVCOM；潮汐數值模擬；余水位

目前，在高精度海道測量中，驗潮站提供潮位觀測值通常受有限距離的限定，驗潮站的有效范圍取決于深度測量的精度、驗潮站與深度點上瞬時(同一時間)的最大潮高差[2]。本文利用FVCOM模式模擬計算得到模擬海域整個場的天文潮潮位值。然后根據模擬區域內分布的長短期驗潮站資料提取水位修正模型，將修正水位利用反距離加權算法配置到模擬計算的網格中，得到整個網格每個格點的潮位時間序列，對于區域內的任意點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性方程、動量方程、溫鹽擴散方程和密度方程。σ坐標下的控制方程如下

(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)分別為海表面風切應力和海底摩擦切應力在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 潮位數值模擬

研究區域位于南黃海，包括海州灣及其附近海域，整體范圍為119°42′—120°，35°78′—34°41′，水深數據采用電子海圖數據，調和常數選用潮汐數據反演模式OTIS。計算網格對岸邊和島嶼的網格進行了局部加密，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個網格節點、96 252個水平網格單元。開邊界水位采用M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q18個分潮調和常數給出的預報水位。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的潮汐、潮流運動狀況，計算過程中每小時輸出一次結果。如圖1所示。

圖1 區域不規則三角網結構

2 水位修正模型

2.1 驗潮站資料

本文采用了日照、嵐山頭、連云港、開山島和車牛山島5個驗潮站的資料，其中日照和連云港為長期驗潮站，嵐山頭、開山島和車牛山島為短期驗潮站，短期驗潮站進行了一個月的連續驗潮。

2.2 水位修正模型設計

本文設計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個月以上的潮位資料才能調和分析出長周期分潮。對日照、連云港兩個長期站一年水位資料進行調和分析，得到了Sa、SSa兩個主要的長期分潮調和常數，然后對長周期分潮調和常數進行水位預報，從而獲取兩個長期驗潮站的長周期分潮引起的水位起伏時間序列，截取2007年1月27日7時至2007年2月14日16時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

本文研究區域分布2個長期驗潮站和3個短期驗潮站，截取5個驗潮站2007年1月16日0時至2007年2月15日23時的水位資料進行調和分析，得到了32個常數調和常數。在32個常數中選取了M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q18個主要分潮的調和常數進行了水位預報。修正水位算法是利用實測水位減去8個分潮的預報水位的方法得到，利用該算法提取了5個驗潮站的修正水位時間序列，其數學表達式為

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

(13)

式中，h(t)為實測水位；T8(t)為8個分潮的預報水位；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，利用反距離加權算法將兩組修正模型的修正水位值插入網格的格點水位值中。在確定的空間尺度L和時間尺度T范圍內，單個網格點的水位值的數學表達式為

(14)

(15)

3 修正模型驗證

選用了車牛山島站、連云港站2個具有代表性的驗潮站作為實測資料進行對比試驗。其中，車牛山島驗潮站為島礁短期驗潮站，距陸地43 km；連云港站為岸基長期驗潮站。提取驗潮站站點位置的模擬潮位資料，潮高基準采用理論深度基準面，將模擬潮位資料和驗潮站潮位資料的水位和調和常數分別作對比。

3.1 潮位驗證

圖2和圖3分別為截取兩個驗潮站部分模擬水位和實測水位的對比，時間為2007年1月20日0時到2007年2月5日23時。可以清楚看到模擬結果和實測結果吻合較好，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生時間與實測的基本一致。

圖2 車牛山站模擬水位與實測水位對比

圖3 連云港站模擬水位與實測水位對比

3.2 調和常數驗證

模型計算與驗潮站實測調和常數的差值比較見表1。

表1 修正前后調和常數誤差對比

3.3 中誤差比較

對于修正后的水位數據精度評估，采用測量數據處理理論中的中誤差指標表示，即

(16)

表2 兩個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，經過水位修正后的潮位相對于模擬結果得到了明顯改進，與實測結果吻合度提高，水位誤差精度提高了10 cm左右，相位和實測結果也無差別。從表2中的中誤差對比也可以看出，模擬結果的修正前后，潮位得到了明顯改善。潮位剩余誤差主要來自于兩方面：一方面主要來自數值模擬精度不夠；另一方面驗潮站分布和數量還比較少，使得改正水位模型的精度還不夠完善。

4 結 語

本文利用了FVCOM對海州灣及其外海進行了潮汐數值模擬，利用區域內驗潮站資料對數值進行了模擬，得到了各個網格點的潮位，并進行了水位修正，使得修正后的潮位精度相對于數值模擬結果有了明顯的改善。通過對修正后的網格水位進行插值可以得到區域內任一點的潮位值，為近海離岸工程和海上作業提供了精準的潮位信息，解決了臨時驗潮站布設的難題。

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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值模擬[J].測繪通報，2017(6)：68-71.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0192.

2016-12-13

深圳市科創委深港創新圈項目(SGLH20150206152559032)；深圳市未來產業“創新鏈+產業鏈”融合專項扶持計劃(201507211219247860)；地理國情監測國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金 (2015NGCM)

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

李清泉

P229

A

0494-0911(2017)06-0068-04