利用潮汐調和分析完善潮汐基礎資料

蘇錫寰 張博 邢國建 中交第一航務工程勘察設計院有限公司

在港口、碼頭或近岸海域勘察設計中，經常會需要對某研究位置的潮汐資料進行整理和分析，但在實際潮汐觀測工作中，研究位置的潮汐觀測資料不完整或潮汐資料在需要研究的時間內沒有相關數據，這就需要我們用科學、合理的技術手段對缺失的潮汐資料進行補充和完善，使其達到使用標準，并符合潮汐變化的實際客觀規律。

利用研究位置的潮汐調和常數，可以對該位置的潮位變化進行預報和后報，得到不受天氣影響的潮位變化規律數值。如果研究位置附近的海域在研究時間段有實際觀測資料，并且有研究位置的潮汐調和常數，就可以對研究位置在研究時間段的潮汐資料進行科學的補充與完善。

本文就是對使用潮汐調和分析法補充研究區域的潮汐資料進行逐階統計與分析，找到合理、科學的數據完善方法，為工程設計和科學研究提供可靠、準確的潮汐資料。

1.建立臨時潮位觀測站

在某一研究海域選取5個位置分別建立臨時潮位觀測站，同步連續進行一個月的實際潮位觀測，將潮位觀測儀器設置為每個整點讀取一次數據。5個臨時潮位站的位置分別設置在近岸、距近岸7公里處、距近岸9公里處、距近岸15公里處和距近岸21公里處，待連續觀測31天后收集各測站的潮位觀測資料，利用這5個研究位置的潮位觀測資料進行分析與研究。

圖1 近岸實測潮位和后報潮位的變化分析

2.對潮汐觀測資料進行分析

2.1 對觀測資料進行調和分析

將收集得到5個測站1個月的逐時潮汐觀測資料分別進行調和分析，因為潮汐觀測資料不滿1年，所以得到沒有長周期Sa和Ssa的調和分析結果，將5個測站的11個主要分潮的調和常數進行統計，得到5個測站的11個主要分潮的調和常數的振幅和遲角數值與變化規律非常接近，由此可知5個測站的潮位變化規律在不受外界的影響下，潮位變化規律也是非常接近的。但由于觀測位置的不同，各測站的實測潮位還是有一定區別的，潮位的振幅隨著距岸邊的距離增大而減小，即離岸邊越遠潮位的振幅也就越小。由此可見，除去外界因素和距岸距離影響的振幅變化，5個測站的潮汐特性基本一致。

2.2 對5個測站進行潮位后報

利用實測潮汐資料計算得到的調和常數，計算得到5個測站觀測期間1個月的天文潮后報。利用后報得到的逐時結果與實際觀測結果進行對比和統計，如圖1所示。

從圖中可以看到近岸的實測潮位和后報的潮位結果基本一致，但是有個別時間段的潮位變化不太一致，其他4個測站的實測與后報潮位變化過程線與近岸的圖形相似，經對觀測記錄與氣象資料查閱，潮位變化區別較大的時間段有臺風或特殊天氣出現，形成風增水或風減水，從而使實測潮位與調和分析后報潮位結果出現較大差異，觀測期間出現的臺風風力為8級。

2.3 實測與后報潮位分析

選取5個測站實測資料與后報資料進行比較，將各測站的逐時實測潮汐資料減去各測站后報結果的逐時數值，可以得到5個測站的實測潮位和后報潮位的差值相差不大，且變化規律也較為接近。

將4個外海測站的實測與后報差值分別和近岸的實測與后報差值進行相關分析，通過相關分析可以得到，4個外海測站的潮位差值與近岸差值的相關性都較好，但隨著測站之間距離的增加，兩個測站差值結果的相關性也隨之減弱。

2.4 實測與后報潮位關系小結

圖2 4個外海測站實測與計算結果的相關分析

表1 計算結果與實測資料對應時間差值的絕對值統計（單位：cm）

實測潮位大致可以分為兩個部分，一個為較為穩定的可以由調和常數進行計算得到的非影響潮位值，另一個為受外界因素影響，導致增、減水情況的影響因素潮位差，將兩者相結合，即可得到與實測潮位相符合的潮位結果。同時兩個測站的距離越近，影響因素潮位差越小。

3.使用調和分析進行潮位資料補充

3.1 補充方法

通過之前對潮汐實測資料和調和分析后報結果的整理與研究，可知當研究海域需要的一段時間內沒有潮汐觀測資料的時候，如果附近海域在該段時間內有實際觀測資料，則可以在這2個海域進行1個月同步的潮汐觀測，然后將2個測站1個月的實際潮汐資料進行調和分析，計算得到2個海域各自的調和常數，之后再使用各自海域的調和常數計算得到各海域需要時間段的潮汐后報結果。根據2個海域同步觀測的潮汐資料與各自海域的后報潮汐結果，得到同步觀測期間2個海域的實測與后報潮位差值，對2個海域的實測與后報潮位差值進行相關性分析，得到2個海域實測與后報潮位差值的相對關系。

設在研究時間段沒有實測資料的海域命名為工程海域，將在研究時間段有實測資料的海域命名為已知海域，根據已知海域研究時間段的實際潮汐數據與后報結果的潮位差，通過2個海域實測與后報潮位差值的相對關系，得到研究時間段工程海域實測與后報的潮位差結果，將這個結果與通過調和分析計算得到的研究時間段的潮汐結果相加，即可得到工程海域在該研究時間段的潮汐資料。

則表達式如下（單位：cm）：

W---工程海域在研究時間段內的潮汐結果；

w---通過調和分析得到工程海域在研究時間段內的潮汐后報結果（非影響的潮位值）；

F（x）---2個海域實測與后報潮汐差值的相互關系；

YC研究時間---研究時間段已知海域的實測與后報潮汐差值；

YC同步---已知海域在同步觀測期間實測與后報的潮汐差值；

WC同步---工程海域在同步觀測期間實測與后報的潮汐差值。

3.2 結果驗證

將近岸測站設為已知海域，將外海的4個測站設為工程海域，通過以上計算方法得到的結果分別與對應測站的實測資料進行驗證，結果如圖2。

通過4個外海測站的結果驗證，可以看出計算結果與實測資料相當接近，4個外海測站計算結果與實測資料的相關系數R2范圍為0.9966至0.9996，十分接近于1。計算結果與實測資料對應時間差值的絕對值比較如表1。

通過統計結果可以看出，距離近岸最近的7公里測站的計算結果與實測資料最為接近，小于5公分誤差的結果占比接近99%，距離近岸最遠的21公里測站的計算結果與實測資料小于10公分誤差的結果占比接近96%，基本符合測量專業潮位誤差在10公分以內的計算標準，滿足測量工作需求，因此可以認為使用調和分析對潮汐資料進行補充的方法科學，有效，可以基本滿足科學研究與工程設計的需要。

4.結語

在實際港口、碼頭或近岸海域潮汐觀測工作中會遇到各種問題導致觀測資料缺失，這就需要用科學、合理的方法將缺測或丟失的潮位資料進行修復和補充，對潮汐觀測資料補充的方法有很多，可以做數學模型，可以做簡單的多站相關，本文所討論的使用調和分析補充潮汐資料在特定的條件下具有其獨到的處理與分析方式，符合科學性的同時，也較為滿足客觀規律，對以后的科學研究和工程設計具有一定的參考和實用價值。