壓力式驗潮儀在海洋測繪中的應用研究

溫坤發 何志敏

摘 要：本文以壓力式驗潮儀TGR-2050在珠江口的應用為研究背景，探討了TGR-2050型驗潮儀潮汐測量的原理和誤差來源，論文首先系統闡述了其潮汐測量原理，在此基礎上，從大氣擾動、潮流、海水密度和驗潮儀壓力感應零點漂移等幾個方面分析了誤差來源，并給出了消除誤差的具體措施，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：壓力式 驗潮儀 海洋測繪 潮汐

中圖分類號：P204 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（b）-0033-02

珠江口位于廣東沿海中部，有8個入海口門，其潮汐變化十分復雜，是我國華南地區港口最密集區域，因此，航道航行安全對潮汐測量精度提出了更高的要求。潮汐測量的手段很多，主要包括傳統水尺法、浮子式驗潮儀、引壓鐘式驗潮儀、聲學式驗潮儀、壓力式驗潮儀等潮位測量設備。對于短期潮汐測量，一般采用傳統水尺法和便攜壓力式驗潮儀。但傳統水尺法，效率低、人力投入大、容易產生人為誤差；而壓力式驗潮儀如常用的加拿大RBR公司的便攜式TGR-2050型驗潮儀，雖然設置簡單、方便、快捷，但在珠江口潮汐測量時，潮位精度受到大氣壓擾動、潮流、海水密度、壓力感應器零點漂移等因素的影響，不能滿足技術要求。對便攜式TGR-2050型驗潮儀測量精度鮮有人研究。因此，研究其誤差來源是十分必要的。

1 TGR-2050型驗潮儀潮汐測量原理

TGR-2050型自容式驗潮儀（以下簡稱2050驗潮儀），用于觀測和記錄潮水的變化以及海水表層溫度的變換。能有效摒除波浪的干擾，測量精度較高。

2050驗潮儀測深原理是基于壓力傳感器測量一定時段的平均壓力，計算出驗潮儀零點所處位置的水深。該儀器提供了兩種不同的模式計算水深，兩種方式均需要壓力傳感器測定的壓力。計算水深的壓力（P）數值為壓力傳感器測得的壓力（Pm）減去大氣壓在壓力傳感器上產生的壓力（Patm），如公式（1）所示：

P=Pm-Patm （1）

基于壓力P，有以下兩種方式計算瞬時海面至驗潮儀零點的深度。第一種方式簡化推求：為近似的方法，根據測區表面的海水密度，如公式（2）所示：

D=P/（0.980665×ρ） （2）

式中，D為所測深度，單位為m；P為公式（1）中計算的壓力，單位為dbar；ρ為海水的密度。

2 潮汐測量誤差來源分析

珠江口的潮汐屬于不正規半日潮，潮差比較大，而潮流屬于往復流，其潮流較急。基于2050驗潮儀的測量原理與珠江口的潮汐性質，不難發現其誤差主要是大氣壓擾動、潮流、海水密度、儀器本身的壓力感應零點漂移等因素的影響引起的。

2.1 大氣壓擾動影響

大氣壓會隨著所處位置的高度、溫度、濕度、地理緯度等條件的變化而變化。比如對于同一地區，在一天之內的不同時間，地面的大氣壓值也會有所不同。而2050驗潮儀在進行潮汐觀測時，將大氣壓設置為定值，大氣壓擾動勢必對驗潮儀的觀測精度產生較大的影響。基于以上分析，筆者選擇5臺2050驗潮儀進行實驗：1臺放置在水池附近測量大氣壓，其他4臺投放到淡水池中靜態實驗觀測水位。采用第一種簡化方式計算潮位，其密度設為1.0g/mm3，一個標準大氣壓對驗潮儀壓力感應區大氣壓力10.1325dbar，每隔10min采集一組數據，共采集147組。其中測量大氣壓力的儀器測得的大氣壓力，產生的水位變化達5cm，當處于臺風低氣壓控制的情況下，其引起的水位變化達14cm。

2.2 潮流對潮汐測量誤差的影響

在珠江口，由于潮差較大，潮流有較強的規律性，漲潮時，潮流方向是從下游至上游，而退潮時則是從上游至下游。由于潮流的存在，導致不同的安裝方式，產生潮汐測量的誤差，具體表現在以下兩個方面。

2.2.1 儀器安裝在錨鏈上導致的零點漂移誤差

如果將驗潮儀固定在錨鏈上，安裝方式見圖1，固定在錨鏈距水底3m處。在珠江口漲潮、落潮過程中，驗潮儀零點距離水底距離d，隨著與垂直方向偏移角度i的變大而變大。當偏移角i為5°時，驗潮儀零點變化為1cm；當i為15°時，零點變化達10.2cm。因此，驗潮儀不能固定于受潮流影響較大的錨鏈上。

2.2.2 儀器垂直安裝在固定的樁柱上

選擇3臺驗潮儀在珠江口實驗。將2臺驗潮儀固定在水尺的底部，1臺壓力感應孔區水平固定在水尺底部，另1 臺豎直固定在水尺的側面，第3臺儀器放置于空氣中測大氣壓擾動。這3臺儀器設計參數相同，大氣壓所產生的壓力設的一個常數10.1325dbar，取樣周期設為10min，啟用平均間隔設為40s，采用第一種方式測定潮位，密度設為1.0110g/mm3，在大潮期間測定4天數據，同時人工于每天08∶00～18∶00每隔30min同步觀測數據。

經過大氣擾動改正，并提取與白天人工驗潮同步觀測的數據進行比較，結果表明水平安裝的驗潮儀觀測數據曲線比垂直安裝的驗潮儀觀測數據曲線更逼近人工觀測潮汐曲線，其差值不超過2cm。因此，在珠江口利用該驗潮儀測量潮位時，為了減少動壓強及渦流等因素對潮位測量帶來的誤差影響，安裝驗潮儀時，應該將驗潮儀固定于水下且壓力感應面平行于水面。

2.3 海水密度的影響

筆者利用密度計，在大潮期間一天中，在珠江口測區測量了8組海水密度，其平均密度為1.0110g/mm3。在珠江口將2臺驗潮儀水平安裝在水尺上，經過3天測量后，提取數據。其中一臺采用第一種根據密度簡化推求潮位方式，其密度設為1.0110g/mm3；而另外一臺基于海水狀態方程采用第二種根據緯度推求潮位的方式，輸入緯度23.0。將驗潮儀測量的數據提取并經大氣壓擾動改正后，與人工驗潮潮汐數據相比較：密度設為1.0110g/mm3的潮位曲線更逼近人工驗潮的潮位曲線，其精度可以滿足測量要求。而基于海水狀態方程采用第二種根據緯度推求潮位的方式測量的潮位與人工驗潮數據相比較，潮位越高，誤差越大，最大達8cm。實驗證明，在珠江口等區域使用2050驗潮儀測量潮位時，采用平均密度簡化推求方式測量的潮位數據符合測量精度要求，明顯優于基于緯度的海水狀態方程推求潮位方式的結果。

2.4 驗潮儀壓力感應零點漂移產生的誤差

2050驗潮儀壓力感應零點漂移會導致測量的壓力誤差，影響測量的潮位精度。零點漂移過大，則潮位測量的數據不能滿足精度要求；但文獻與儀器廠商并沒有提供一個方便且行之有效的方法來檢測儀器零點漂移的大小。為了解決這一問題，本文基于第一種簡化的潮位測量方式，密度設置為1.0g/mm3，其他參數設置同上，然后將驗潮儀水平固定于靜態淡水池中，觀測24h，經大氣擾動改正后，查看其曲線是否基本處于同一直線。如果基本趨于一條直線，則說明儀器穩定。如果儀器穩定，則取潮位測量值的平均值與采用直接測量法量取的壓力感應孔至水面的數值比較，來確定壓力感應零點是否漂移。筆者對4臺2050驗潮儀進行了壓力感應靜態實驗，其結果如表1所示，通過靜態潮位數據平均值與人工直接測量的觀測值相比較可以看出，編號為“R1”的儀器零點與真實值相差達 2.6cm。這顯然不滿足“觀測誤差不得大于2cm”的測量規范要求，建議返廠檢校。

3 結語

針對TGR-2050型驗潮儀在珠江口測量潮位時誤差比較大的問題，通過分析了大氣壓擾動、潮流、海水密度、壓力感應零點漂移等因素產生的誤差，并通過大量的實驗與研究，提出了大氣壓擾動改正方法、合理的儀器安裝方式、推求潮位的簡化方式即平均密度法、測定驗潮儀壓力感應零點漂移等方法，消除或削弱了以上因素對測量潮位數據精度的影響，滿足了利用該驗潮儀測量潮位精度的要求。

參考文獻

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