基于風(fēng)要素的黃驊港余水位規(guī)律分析及預(yù)報(bào)研究

熊 偉，常 江，范東華

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院 天津市水運(yùn)工程測(cè)繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

圖1 港池、航道40+0站位示意圖Fig.1 Sketch of harbor basin and channel 40+0 sites

黃驊港水位除受天文潮位[1]影響外，還主要受到風(fēng)速和風(fēng)向等氣象因素影響，不同風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)時(shí)作用下，實(shí)際水位與預(yù)報(bào)得到的天文潮位不盡相同，這種實(shí)際水位與預(yù)報(bào)得到天文潮位的差異，稱之為余水位[2]。余水位為正，表現(xiàn)為增水，余水位為負(fù)，表現(xiàn)為減水。許多學(xué)者針對(duì)不同情況已經(jīng)進(jìn)行了不同方法的余水位推算[3-4]及預(yù)報(bào)研究，總體上，余水位幅度的大小和導(dǎo)致余水位產(chǎn)生的因素的大小有關(guān)。而以往的研究都著重于余水位極值[5]的預(yù)報(bào)，例如通過不同位置的氣壓差以及變化來預(yù)報(bào)可能產(chǎn)生的最大增水[6]或最小減水。此外，研究比較多的還有通過數(shù)值模擬來得到一次風(fēng)暴潮[7]過程中的余水位過程。而對(duì)于為通航提供參考的余水位預(yù)報(bào)，這些方法已不再適用，不過提供了很好的研究思路。本文以黃驊港現(xiàn)有港池和航道40+0觀測(cè)站(圖1)采集的潮位數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，分析余水位在風(fēng)作用下的變化規(guī)律，探討余水位預(yù)報(bào)思路與方法。

1 黃驊港余水位特征

將2012年12月～2017年5月期間觀測(cè)到的有效余水位情況按月進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各月的余水位分布情況見表1。表中記錄時(shí)長(zhǎng)為有效數(shù)據(jù)所包含的總時(shí)長(zhǎng)，增水時(shí)長(zhǎng)為發(fā)生增水的總時(shí)長(zhǎng)，減水時(shí)長(zhǎng)為發(fā)生減水的總時(shí)長(zhǎng)，增水占比為增水時(shí)長(zhǎng)與總時(shí)長(zhǎng)的比，減水占比為減水時(shí)長(zhǎng)與總時(shí)長(zhǎng)的比。表中還統(tǒng)計(jì)了余水位在增水和減水兩個(gè)方向上的平均值與最大值。

表1 總體情況下各月余水位分布表Tab.1 Distribution of residual water level each month in general

圖2 總體情況下各月余水位占比Fig.2 Proportion of residual water level each month in general

總體情況下，各月的余水位時(shí)長(zhǎng)占比如圖2所示，可以明顯看出，1、2、3、5、7和10月的增水時(shí)長(zhǎng)占比要比減水時(shí)長(zhǎng)占比高，這幾個(gè)月份發(fā)生增水的時(shí)長(zhǎng)要高于發(fā)生減水的時(shí)長(zhǎng)。4、8和12月則相反，發(fā)生減水的時(shí)長(zhǎng)要高于發(fā)生增水的時(shí)長(zhǎng)，而6、9和11月發(fā)生增水和減水的時(shí)長(zhǎng)接近，發(fā)生增水和減水時(shí)長(zhǎng)各占一半時(shí)間。

從總體上看，增水時(shí)長(zhǎng)占比為52.62%，減水時(shí)長(zhǎng)占比為47.29%，增水時(shí)長(zhǎng)略大于減水時(shí)長(zhǎng)，說明余水位在氣象作用下發(fā)生增水的概率略高于減水。

各月平均余水位大小分布如圖3所示，可以看出在春末和夏季的5、6、7和8月份平均增水和減水幅度都較小，表明這幾個(gè)月份氣象引起的余水位作用較弱。1、2、3、9、10和12月的平均增水和減水幅度都超過了0.2 m，此外4和11月的平均減水幅度也超過了0.2 m。在圖中還可以看出，在平均增水幅度較大的月份往往也伴隨著較大的平均減水幅度，在平均增水幅度較小的月份其平均減水幅度也較小。這一特征表明增水與減水之間有一定的關(guān)聯(lián)。

圖3 總體情況下各月平均余水位Fig.3 Average residual water level each month in general圖4 總體情況下各月最大余水位Fig.4 The maximum residual water level each month in general

圖4為各月余水位極值分布，與平均余水位的情況類似，在春末和夏季的5、6、7和8月份最大增水和減水幅度也都較小，其他月份的最大增水和減水幅度較大。其中3、9和10月份的最大增水幅度都超過了1.5 m，2、3和4月份的最大減水幅度超過了1.0 m。同樣，在最大增水和減水中可以看到增水與減水之間有一定的關(guān)聯(lián)。

各月增水占比分布如圖5所示，圖中以0.05 m作為區(qū)間劃分間隔。從圖5中可以看出，隨著增水水位區(qū)間的增加，占比迅速的減小，增水幅度能夠達(dá)到0.55 m以上的各區(qū)間占比已不足1%。發(fā)生增水時(shí)，絕大部分在增水水位較小的區(qū)間。增水幅度小于0.2 m的情況占67.1%，小于0.4 m的情況占90.7%，小于0.6 m的情況占97.1%，小于0.8 m的情況占98.7%。這個(gè)數(shù)據(jù)很明確地說明，較大的增水發(fā)生概率非常低，大約9成增水在0.4 m以下。

各月減水占比分布如圖6，從圖6中可以看出，隨著減水水位區(qū)間的減小，占比迅速的減小，減水小于-0.65 m的各區(qū)間占比不足1%。發(fā)生減水時(shí)，同樣絕大部分在減水水位較小的區(qū)間。減水幅度小于0.2 m的情況占71.9%，小于0.4 m的情況占88.4%，小于0.6 m的情況占95.6%，小于0.8 m的情況占98.3%，與增水情況略微不同。

圖5 總體情況下增水占比分布Fig.5 Distribution of water surge in general圖6 總體情況下減水占比分布Fig.6 Distribution of water reduction in general

表2 各月各風(fēng)向累積強(qiáng)度占比分布表Tab.2 Distribution of integrated intensity in every wind direction each month

2 黃驊港風(fēng)特征

黃驊港的風(fēng)是通過設(shè)置在黃驊港岸邊的氣象站測(cè)量得到的。在黃驊港導(dǎo)致余水位產(chǎn)生的主要因素為風(fēng)向和風(fēng)速，因此本項(xiàng)目只考慮風(fēng)對(duì)余水位的影響。將與余水位資料相同時(shí)間內(nèi)的風(fēng)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各月各方向風(fēng)的占比情況。首先， 為了能夠表征當(dāng)前風(fēng)向強(qiáng)度所占的比例，因此，定義一個(gè)風(fēng)向累積強(qiáng)度的概念，定義如下式

(1)

3 余水位預(yù)報(bào)

若將天文潮位的影響剔除，那么水位的變化由風(fēng)的作用產(chǎn)生，一定時(shí)段內(nèi)，某個(gè)方向的風(fēng)持續(xù)作用，即可產(chǎn)生一定的水位變化。這個(gè)水位變化是與風(fēng)速和方向有關(guān)的，因此可以通過實(shí)測(cè)資料來挖掘風(fēng)和水位變化的關(guān)系。得到水位變化后，疊加在當(dāng)前水位，即可預(yù)報(bào)某一時(shí)刻的水位。

通過前面的余水位特性和風(fēng)資料分析，可以基于風(fēng)強(qiáng)度的累積大小和風(fēng)向來進(jìn)行余水位的預(yù)報(bào)，通過回歸分析來確定相應(yīng)的預(yù)報(bào)方程。

對(duì)黃驊港的余水位產(chǎn)生影響的風(fēng)場(chǎng)范圍主要是渤海及周邊區(qū)域，而風(fēng)資料的獲取是通過岸上的氣象站得到的，因此在進(jìn)行預(yù)報(bào)研究時(shí)需要對(duì)風(fēng)資料進(jìn)行篩選，篩選的條件是選取觀測(cè)到的風(fēng)向和渤海以及環(huán)渤海周邊城市一致的風(fēng)資料。

圖7 余水位時(shí)間過程線Fig.7 Time process line of residual water level

另外，還需要注意的是，在發(fā)生余水位時(shí)，因重力和慣性作用，在增水后往往會(huì)跟隨一個(gè)減水，而在發(fā)生減水后也會(huì)有一個(gè)增水過程。圖7給出了一個(gè)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生較大增水和減水的過程，圖中1號(hào)增水時(shí)間前的較為平穩(wěn)，沒有明顯的余水位，這個(gè)增水完全由風(fēng)作用產(chǎn)生。2號(hào)增水較類似，也可以考慮為完全由風(fēng)產(chǎn)生，而3號(hào)減水前有一個(gè)較大的增水，這一個(gè)減水就有一部分是因?yàn)橹亓蛻T性作用產(chǎn)生。同樣4號(hào)增水由3號(hào)減水的慣性和風(fēng)作用共同產(chǎn)生。因?yàn)橹亓蛻T性的作用導(dǎo)致增水和減水伴隨發(fā)生，這也就解釋了前面增水較大的月份往往也伴隨著較大的減水。

為了能夠獲得風(fēng)對(duì)余水位的影響程度，在余水位時(shí)間過程線中抽取圖7中1號(hào)和2號(hào)增水相類似的情況進(jìn)行分析。從發(fā)生余水位開始時(shí)刻到余水位幅度的峰值結(jié)束，作為一個(gè)風(fēng)作用過程進(jìn)行分析。那么，余水位的大小就可以通過下式進(jìn)行計(jì)算

(2)

(3)

式中:VDa定義與式(1)中的相同，為風(fēng)的強(qiáng)度累積值，這一量按式(1)計(jì)算即可，因此在計(jì)算這一累積值時(shí)包含了時(shí)間參數(shù)。式(3)中的a和b為待定系數(shù)，通過回歸分析可以得到不同風(fēng)向的系數(shù)如表3所示。

式(3)中還有一個(gè)量VH為發(fā)生H幅值的余水位時(shí)對(duì)應(yīng)的當(dāng)前風(fēng)向的風(fēng)速，這一值也通過式(1)計(jì)算，當(dāng)獲得當(dāng)前的余水位時(shí)，通過計(jì)算機(jī)迭代求解即可算出這一值。

雖然得到了基于風(fēng)的余水位預(yù)報(bào)公式，但是僅憑此公式還不能夠較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)所有余水位情況。在余水位因重力和慣性交替發(fā)生時(shí)，須將慣性導(dǎo)致余水位部分考慮進(jìn)去。此時(shí)余水位可按下式計(jì)算

(4)

式中：△Hpmax為前一個(gè)增水最大值或者前一個(gè)減水最小值；△tp為前一個(gè)增水回落或者前一個(gè)減水回漲時(shí)間；△tn為當(dāng)前余水位以發(fā)生的時(shí)間。

除了增水回落和減水回漲外，余水位不可能無限大或小，因此還需對(duì)余水位進(jìn)行限制，經(jīng)統(tǒng)計(jì)最大值為1.72 m[8]，最小值為-1.48 m[8]。將最大、最小值考慮后得到最終余水位預(yù)報(bào)公式如下

(5)

在獲取當(dāng)前余水位后，即可按式(5)依照當(dāng)前余水位和未來的預(yù)報(bào)風(fēng)資料進(jìn)行未來某一時(shí)刻余水位的預(yù)報(bào)。

為了驗(yàn)證式(5)的計(jì)算精度，分別用該式計(jì)算一個(gè)減水和一個(gè)增水過程。其中減水發(fā)生的時(shí)間為2017年1月20～21日，最大減水為-1.086 m，在發(fā)生減水時(shí)存在0.003 m的增水水位。增水發(fā)生的時(shí)間為2017年2月15～16日，最大增水為1.524 m，在發(fā)生此次增水時(shí)也有一個(gè)0.447 m的增水水位。

這兩個(gè)過程的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分別如表4和表5所示。表中實(shí)測(cè)余水位變化量為相應(yīng)風(fēng)作用累積時(shí)長(zhǎng)實(shí)測(cè)得到的發(fā)生增水或減水的量，計(jì)算余水位變化量為計(jì)算得到的相應(yīng)時(shí)間內(nèi)的發(fā)生增水和減水的量。實(shí)測(cè)余水位為風(fēng)在相應(yīng)時(shí)間作用后的時(shí)刻的實(shí)測(cè)余水位，計(jì)算余水位是相應(yīng)時(shí)刻計(jì)算得到的余水位，這一時(shí)刻的余水位都為相應(yīng)的余水位變化量加上發(fā)生余水位前的余水位。計(jì)算誤差絕對(duì)誤差，是計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差。

總體上，在不同時(shí)刻計(jì)算得到的余水位變化量和水位與實(shí)測(cè)值比較接近，最大誤差位0.162 m，發(fā)生在較大增水時(shí)，此時(shí)的極值達(dá)到了1.524 m。而從相對(duì)誤差方面看，在余水位較小時(shí)其相對(duì)誤差較大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在余水位較小時(shí)，風(fēng)的累積效應(yīng)還不明顯，隨機(jī)性較強(qiáng)。而當(dāng)風(fēng)的累積效應(yīng)積累到一定程度后，隨機(jī)性則相對(duì)較弱，此時(shí)的相對(duì)計(jì)算誤差則變小。因此，在使用式(5)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，取較大的余水位能夠得到更好的相對(duì)精度。

表4 減水時(shí)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison between calculation and measured results during water reduction

表5 增水時(shí)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Tab.5 Comparison between calculation and measured results during water surge

表6給出了另外一個(gè)增水的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，時(shí)間為2017年3月22日。但此次增水過程的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在較大的誤差，在部分時(shí)段還有計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相反的現(xiàn)象。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是黃驊港局部的風(fēng)向與環(huán)渤海大區(qū)域的風(fēng)向不同所致，而大范圍的風(fēng)作用才能夠產(chǎn)生明顯的余水位。

表6 另一個(gè)增水時(shí)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Tab.6 Another comparison between calculation and real results during water surge

上面的算例表明采用局部地區(qū)風(fēng)資料進(jìn)行余水位預(yù)報(bào)并不合適，這里再采用環(huán)渤海大范圍的風(fēng)資料再進(jìn)行一次簡(jiǎn)化的余水位預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)結(jié)果如表7所示，可以看出采用較大范圍的風(fēng)資料預(yù)報(bào)的結(jié)果明顯好于采用局部地區(qū)的，也進(jìn)一步驗(yàn)證了預(yù)報(bào)公式的可靠性。

表7 采用環(huán)渤海風(fēng)資料進(jìn)行增水預(yù)報(bào)Tab.7 Water surge forecast using Bohai Sea wind data

4 結(jié)論

(1)黃驊港余水位增水和減水發(fā)生的次數(shù)較接近，總體增水發(fā)生次數(shù)略多于減水發(fā)生的次數(shù)。余水位幅度90%左右都在0.4 m以內(nèi)，大幅度的余水位占比非常少。余水位除了風(fēng)的作用產(chǎn)生外，還有重力和慣性的作用，往往在一個(gè)較大的增水作用后，會(huì)緊隨著一個(gè)較大的減水，反之亦然。

(2)不同月份的風(fēng)向分布不同，差異較大，同樣風(fēng)強(qiáng)度累積分布差異也較大。風(fēng)強(qiáng)度累積是余水位產(chǎn)生的原因之一，而非僅風(fēng)向影響。

(3)得出了余水位預(yù)報(bào)公式，其中包含了重力慣性影響和最大值。利用公式在計(jì)算余水位時(shí)，對(duì)于較大余水位其可靠性更強(qiáng)。

(4)使用較大海域范圍風(fēng)資料能夠得到更加準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果。公式的準(zhǔn)確性與資料的豐富程度有著直接的聯(lián)系，因此在將來獲得更多的資料后可以得到更加準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)公式。