歷元對深度基準面的影響及其更新研究

王言冰，趙俊生

（海軍大連艦艇學院 大連 116018）

歷元對深度基準面的影響及其更新研究

王言冰，趙俊生

（海軍大連艦艇學院 大連 116018）

針對海道測量中深度基準的時效性問題，分析深度基準面歷元對基準面的影響，通過與現行值的比較，提出更新和標定方法，以提高深度基準面的有效性。

深度基準；歷元；更新

在海道測量中，由于海圖深度基準面與當地潮汐性質密切相關，因此，潮汐的變化特性使得海圖深度基準面也存在著時變效應，即同一地點不同時間、不同長度的潮汐觀測資料會對計算所得的海圖深度基準面產生一定的影響。中國現行的大多數深度基準面值是通過20世紀50年代至80年代資料計算確定的，且從確定后未進行更改，海圖深度基準面的時變效應已經嚴重影響到現代高精度海圖測量數據使用的有效性和安全性[1]。為此，國外許多沿海國家對海圖深度基準面引入了歷元的概念，例如美國國家海洋和大氣局（NOAA）每隔20年—25年就更新一次海圖深度基準面歷元（19年），美國當前采用的海圖深度基準面歷元更新到1983年—2001年歷元；澳大利亞潮汐和平均海面委員會建議采用長度為20年的深度基準面歷元，目前已將其海圖深度基準面歷元更新至1992年—2011年歷元。

1 引入深度基準面歷元的必要性

由于技術和歷史原因，中國先后采用過的海圖深度基準面達15種之多，其中以平均大潮低潮面、略最低潮位面和可能最低低潮面3種較為廣泛使用[2]。1956年以后，中國統一采用前蘇聯弗拉基米爾方法計算的理論最低潮面作為海圖深度基準面。該算法是在8個主要分潮組合出最低潮面的基礎上，加入3個淺水分潮和2個長周期氣象分潮的改正，以最終13分潮的計算結果作為海圖深度基準面。

對于中國海圖深度基準面，雖均采用這一模型進行計算，但在確定過程中存在著相應問題，主要體現在：（1）按照現行《規范》的要求，同一地點可以利用一年的水位觀測資料計算的海圖深度基準面。但實際上以此計算的海圖深度基準面具有一定的不穩定性，不同年份觀測資料得出的海圖深度基準面值存在著較大的變動誤差；（2）現行的大多數海圖深度基準面值從確定后未進行更改。由于海圖深度基準面的時變效應，這些現行海圖深度基準面值已影響到現代高精度海圖測量數據使用的有效性和安全性[3]。

目前，我國大陸沿岸及近海已設立了一百多個長期驗潮站，積累了大量實測資料，有效監測著我國沿海的潮位變化[5，6]。尤其是河口及沿海經濟發達地區，驗潮站的設站較密，如上海長江口區的正規長期驗潮站就有12個。我國沿海長期海平面監測系統網的基本建成為中國海區海圖深度基準面引入歷元提供了必要的數據基礎，因此有可能利用這些長期站多年的潮汐數據來統一我國的海圖深度基準面歷元，使我國各海區的海圖深度基準面具有時間上的一致性和一定時期內的時效性。

2中國現行海圖深度基準面模型

如圖1所示，以深度基準面為基準的海底深度[1]為：

圖1圖載水深結構示意圖

D（x，y）=h（x，y，t）-T（x，y，t）（1）

式中：x，y為平面位置坐標，t為時間參數；D（x，y）為從深度基準面起算的海底深度值，即深度基準面與海底表面的差距；h（x，y，t）為瞬時測深值，即瞬時海面與海底表面的差距；T（x，y，t）為瞬時水位（潮位）高度值，即瞬時海面與深度基準面的差距。式（1）表明：只要已知h（x，y，t）和T（x，y，t），便可確定出D（x，y）。h（x，y，t）通常由海上船只用水聲學原理獲得，為直接觀測值，這是唯一直接觸及海底表面的觀測值，稱為海洋測深的基本觀測值。

T（x，y，t）由驗潮站的水位（潮位）觀測來獲得。這是唯一精確標定瞬時海面起伏的觀測值，稱為瞬時海面的基本觀測值，通常驗潮站給出的瞬時海面水位（潮位）高度值以驗潮站零點（基面）為基準。故需歸化到以深度基準面為基準：

T（x，y，t）=T0（x，y，t）-L0（x，y）（2）

式中：T0（x，y，t）為以驗潮站零點（基面）為基準的水位（潮位）觀測值；L0（x，y，t）為深度基準面與驗潮站零點（基面）的差值。而L0（x，y）又由下式確定：

L0（x，y）=MSL0（x，y）-L（x，y）（3）

式中：MSL0（x，y）為從驗潮站零點（基面）起算的平均海面高度值，即平均海面與驗潮站零點（基面）之差值；L（x，y）為深度基準面與平均海面的差距；MSL0（x，y）通常由驗潮站多年水位（潮位）觀測數據取平均獲得，L（x，y）則根據調和常數計算求出。

3 中國海圖深度基準面歷元的確定

關于理論最低潮面的歷元周期，要求固定周期能夠包括全部重要的天文周期，可以消除當地氣象對海平面變化的影響。通常大地測量以100年作為一個歷元周期，而對海洋測量來說，由于潮汐影響占主導地位，因此，在確定理論最低潮面歷元周期時，應注意到18.61年這個重要潮汐會合周期?？紤]到19年最為接近18.61年，故通常認為19年周期是一個完整的潮汐周期。19年周期是月球和太陽的回合周期，19個回歸年是6 939.60天，235個朔望月是6 939.69天，254個回歸月是6 937.71天，因而取連續19年（6 940天）的逐時潮汐資料進行分析，其結果是較為穩定的。這一時間長度，一方面能夠包括全部重要的天文周期，經歷最重要的潮汐變化；另一方面，也基本能夠消除當地氣象對海平面變化的影響。

3.1 當前中國海圖深度基準面歷元的確定

以兩長期驗潮站A、B為例，數據長度分別為44年（1954—1997）和47年（1962— 2008），分別取1、10、15、19和22年作為歷元周期，滑動步長均為一年，得到不同歷元周期的海圖深度基準面值。表1列出了各歷元周期的計算值最大互差以及中誤差。

表1 不同歷元周期計算的深度基準面（單位：cm）

表1表明：（1）根據現行《規范》的算法，采用長度不同的觀測資料，所計算的海圖深度基準面穩定性不同。采用數據長度越大，計算結果越平穩。當數據長度大于等于19年時，結果的穩定性相近。（2）由于潮汐性質不同，不同驗潮站采用相同時間區間數據計算的深度基準面穩定性不同，表中驗潮站A明顯比驗潮站B穩定，這就意味著A站深度基準面的更新周期可大于B站的更新周期。

3.2 現行值與歷元更新后的偏差

在確定深度基準面歷元的周期后，需要具體確定當前的各站深度基準面的更新周期。仍以驗潮站A為例，分析該驗潮站在不同深度基準面歷元條件下的變化。圖2為該站連續26個深度基準面歷元條件下計算所得的深度基準面值（算法為理論最低潮面算法），由圖2可看出，不同深度基準面歷元的深度基準面值互差可達到4.8 cm。若用1973—1991深度基準面歷元的深度基準面值作為1992年后國家的深度基準面值，要優于1954—1972國家深度基準面歷元的深度基準面值。因此，考慮到各站長期平均海面的變化和海圖深度基準面的時效性，對于當前該站深度基準面歷元的確定，宜選取距今較近的年份為國家深度基準面歷元的起始時間。

圖2 A站不同深度基準面歷元的深度基準面值（cm）

3.3 深度基準面歷元條件下的標定與維持

深度基準面的建立與陸地高程基準相比有較大的不同。深度基準面不是規定某一個或某些參考點以供基準維持，而是將由實測潮位數據計算的深度基準面值通過當地平均海面與國家高程系統建立相應聯系。海圖深度基準面的位置通常以相對于穩定的平均海面的位置來表征，其數值定義為相對于平均海面的偏差（通常以符號L表示）。有關研究表明，我國東海、南海以及東海以北的西北太平洋廣大海區的海平面由于溫度、氣壓等原因，海平面均呈上升趨勢。因此，當取19年作為國家深度基準面歷元的周期時，平均海面也需要取與之相應的19年周期進行計算，從而使海圖深度基準面的維持得以由平均海面來實現。

4 結論

（1）為維持海洋深度基準的統一，解決海圖深度基準面時變效應問題，避免不同時期、不同周期觀測資料確定的海圖深度基準面帶來的混亂，中國海圖深度基準面引入歷元是必要的、可行的。（2）為保證海圖深度基準面歷元期間海圖深度基準面的穩定性，在依理論最低潮面計算中國海區的海圖深度基準面時，宜選定19年作為海圖深度基準面歷元的周期。中國海區以19年作為歷元周期計算的海圖深度基準面較10年或更短時間歷元周期計算的海圖深度基準面具有更高的穩定性。（3）目前中國海區海圖深度基準面的現行值，與19年海圖深度基準面歷元的深度基準面存在著較大差異。引入歷元后，中國沿岸各長期驗潮站采用的海圖深度基準面值需要進行相應的調整。

[1]劉雁春.海洋測深空間結構及其數據處理[M].北京：測繪出版社，2003.

[2]翟國君，黃謨濤，暴景陽.海洋測繪基準的需求及現狀[J].海洋測繪，2003，23（4）：54-58.

[3]暴景陽，章傳銀.關于海洋垂直基準的討論[J].測繪通報，2001（6）：10-11.

[4]章傳銀.測繪垂直基準相互轉換與統一技術[C].地理空間信息技術與應用——中國科協2002年學術年會測繪論文集，2002.

[5]王志豪.中國的海平面與基準面[M].應用潮汐文集第二集，1986：278-288.

[6]趙明才.我國海區的驗潮站布設和深度基準面的確定問題[M].天津：海洋測繪研究所，1988：1-38.

[7]劉雁春，暴景陽.海道測量基準面傳遞轉換技術[J].軍事測繪，1992，31：106-109.

2012-04-19