基于自動分潮優化技術的遼東地區感潮河段河口區潮汐規律模擬研究

孫 毅

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

當前對于潮位調和分析大都采用固定潮型的分潮方法[1- 5]，結合年逐時潮位數據去計算潮位調和系數，并基于潮位調和分析數據去推算不同時間尺度下的潮汐。這種方法對于推算潮位站潮汐，編印公用潮汐表示可行的；但由于水利部門的潮位站大都建設在海岸線較為復雜的河口以及近岸區域，這些區域的潮汐變化更為復雜，常規潮汐預報方法已不適應這些地區。水利部門有許多潮位站只有高低潮位記錄，往往要求對這些測站也跟逐時資料一樣，對其進行調和分析并進行潮汐預報。本文結合“埃爾米特”插值法[6- 9]進行逐時資料的補充，該方法既考慮插值基點函數值，又兼顧到基點上的一階導數，在半日潮、混合潮、全日潮以及河口地區的非正規半日潮4類潮型均獲得理想的結果。河口區的潮位受上游洪水波和下游潮波的共同影響。結合實測潮位數據對潮位預報進行校正，有利于提高河口地區潮位預報的精度。

1 自動分潮優化技術原理

潮站潮位的理論計算方程為：

(1)

式中，h(t)—復雜潮位過程中的一個分潮；σ—分潮的角速速率，km/h；v0+u—分潮相角度；f—節點因子數；A0—平均海平面高度，m；Hj和gj則表示為分潮的振幅，m以及遲角，(°)，為分潮潮汐的調和系數，該系數值通過實測潮位數據進行確定。其計算方程分別為：

(2)

將公式(1)和(2)進行對比，可得：

fjHj=Rj

(3)

(ν0+u-g)j=-θj

(4)

將公式(3)和(4)進行轉換，可得：

(5)

公式(5)即為自動分潮方程的調和系數。該系數需結合實測的潮位數據，將各個分潮從復雜的潮位過程中進行分離，將不需要的分潮進行消除，將剩余的分潮進行振幅Rj和初相角θj的計算，即可結合公式(5)推求分潮的調和系數。

在正常天氣系統下，潮位主要由天文潮來進行計算，計算方程為：

(6)

式中，A0—平均海平面高度，m；σi—第i個分潮的角速速率，km/h；fi、(V0+u)i—第i個分潮的分潮相角度(°)以及節點因子數；Hi和gi—第i個分潮調和系數。

2 遼東感潮河段潮汐規律模擬研究

2.1 區域概況

流域呈扇形形狀，流域內山峰林立，丘陵起伏，平均海拔300m，至東港境內，地勢開闊，平均海拔約100m。區域屬于典型受潮汐影響的感潮河段，河口區潮位既受到上游洪水影響，又受潮位頂托影響。河口區內有2個潮位觀測站，觀測站的數據系列從1965～2016年。結合區域實測潮位數據，結合分潮自動優化技術對潮位進行調和分析。

2.2 分潮自動優化技術預報精度分析

結合區域內兩個實測潮位站潮位數據，分析海洋情報所發行的潮汐表與本項目分潮優化預報結果的差異。分析結果見表1、2。

表1 1#潮位站精度分析結果

表2 2#潮位站精度分析結果

從表1、2中可以看出，自動分潮優化技術后可改變傳統潮汐表具有經驗性的局限性，在兩個潮位站的潮汐預報精度都較傳統方法有明顯改善，最大差值在±30cm提高了5%～8%，潮位年平均均方差提高1.3cm。各范圍內的潮汐預報次數，自動優化分潮后都有較為明顯的改善。總體上，自動分潮優化潮汐調和分析及預報技術，潮位預報精度比國內發行的潮汐表提高5%～8%，精度改善較為明顯。

2.3 基于高低潮資料的潮位預報精度分析

基于高低潮資料，采用埃爾米特插值方法得到逐時潮位資料，再經自動優化技術進行調和分析和潮汐預報。為了驗證該方法的有效性，選擇1#潮位站和2#潮位站，分屬半日潮、混合潮半日潮、全日潮及非正規半日潮性質的測站。各站取實測一年的高低潮資料，經用埃爾米特插值法獲得逐時潮位，經調和分析后，與實測的逐時潮位進行比較。分析比較結果見表3、4。

表3 不同潮型測站資料調和分析結果

表4 不同潮型測站資料調和分析結果

從表3、4中可以看，高低潮資料插值所作調和分析得到的分潮振幅和遲角與實測逐時資料的分析結果非常接近。在各類測站中，以正規半日潮效果尤佳，實測逐時與高低潮插值所得的逐時資料，用它們分別作調和分析，調和后的均方差降低顯著。用實測逐時資料和高低潮資料所作調和分析，優化后的分潮數大多均有明顯減少，由高低潮內插出逐時潮位，其平均海面與實測逐時潮位得到的平均海面相比，半日潮和非正規半日潮組的年平均海面減少3.9cm和0.6cm；混合潮和全日潮組則分別高出1.3cm和6.8cm。

2.4 河口區潮位預報精度分析

結合河口區潮位預報方法，對區域感潮河段河口區兩個潮位站的潮位進行預測，并結合對潮汐預報中所用的日均潮位，或者逐時潮位進行校正。校正前后的河口區兩個潮位站的潮位預報對比結果見表5、6。

表5 1#站校正前、后的計算精度統計結果

表6 2#站校正前、后的計算精度統計結果

從表5、6可以看出，采用潮位校正后，河口區日均潮位的計算精度得到明顯提高，各潮位站小于+10～+30cm合格率平均提高18.9%和7.2%。這主要是因為河口區上游徑流對河口潮位的影響一般為整體上升或下降，因此在徑流變化增量基礎上確定每日受潮汐影響增水量和潮汐模型預報潮位進行疊加后的逐時段對潮位進行實時校正后，其精度得到明顯改善。

3 結語

本文結合自動分潮優化技術對遼寧東部某感潮河段河口區的潮汐規律進行模擬分析，分析取得以下結論：

(1)自動分潮優化潮汐調和分析及預報技術，潮位預報精度以及潮位調和精度都較傳統方法有較為明顯的改善，適用于水利部門修建在河口潮位站的潮汐規律分析，對于外海潮汐分析的適用性還需進一步探究。

(2)由于徑流對河口潮位過程影響屬整體性抬高或降低，為此結合實測潮位對河口區潮位預測進行校正的方法較為簡單且適用。

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