河北黃驊港附近海域潮汐特性分析

邢 碩，劉 杰，熊 偉

(天津水運工程勘察設計院有限公司，天津 300456)

地球上的海水，在月球和太陽的作用下產生的一種規律性的上升下降運動為潮汐，潮汐的主要成因是由于地球表面上各點離月球和太陽的相對位置不同，各點所受到的引潮力有所差異，從而導致海水的相對運動。海岸附近和河口區域，是人類進行生產活動十分頻繁的地帶，而在這個地帶潮汐現象顯著，它直接或間接地影響著人們的生產和生活。例如，沿海地區農田排灌、海灘圍墾、水產的捕撈和養殖、航海、筑港，以至于利用潮能發電等，無不與潮汐漲落有著密切的關系。因此，潮汐在沿海農田水利、灘涂圍墾、建港、航道整治、捕撈、養殖以及潮能利用和對許多地球物理現象的研究以及為國防服務等方面，其作用十分重要和廣泛，是促使潮汐科學發展的基本動力[1]。

國內很多專家學者對潮汐分析及其應用做了大量研究，黃祖珂、徐漢興等論述了調和分析的原理和方法[2-3]；石景元、范東華、李振云、熊偉等基于不同海區的實測潮汐資料，進行相關海域的潮汐性質分析[4-7]；李陽東等分別對位于近海、河口、內河感潮河段等3種區域的驗潮站的預報結果與潮位數據進行對比分析[8]；吳富梅等對大港驗潮站處海洋潮汐以及國家高程基準面近60 a的變化進行了分析和研究[9]；孫磊等研究利用潮汐性質相似性判斷指標和基于余水位配置的潮汐推算方法恢復缺測數據的可行性,并分析了推算精度[10]。

本文研究區域為河北省黃驊港附近海域。黃驊港位于河北省和山東省交界處，海上距天津60 n mile，陸上112 km；東距龍口約149 n mile，陸上280 km；西距黃驊市45 km。現有各類生產性泊位40個(不含東渡旅游碼頭)，其中萬噸級以上泊位35個，最大泊位噸級為20萬t，包括煤炭港區、綜合港區、散貨港區和河口港區[11]。

2020年—2021年，在河北黃驊港附近海域設置CW1、CW2、CW3共三個觀測站(圖1)，按春夏秋冬四季開展潮位觀測工作，每站每季觀測一個月，觀測基準采用1985國家高程基準[12]。本文基于這次的觀測數據和這些研究成果，對黃驊港附近海域的潮汐性質、潮位特征值、理論最低潮面、平均海平面、余水位等進行分析計算。

圖1 潮位站布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the layout of the tide stations

1 潮汐調和分析模型

在實際潮位中，由引潮力直接引起的潮位變化叫引力潮或天文潮，為水位變化的主要成分。除此之外，還存在著氣象潮、天文-氣象復合潮和淺水潮，與天文潮共同構成實際水位中的可預報成分。氣象擾動引起的水位不規則變化是觀測資料中的噪聲，它是引起分析結果誤差的主要來源。現有的分析方法很多，分析精度也相近，基于最小二乘法原理得出的調和分析方法簡便實用，因此本文采用該方法進行調和分析。

海洋中的實際水位包含許多分潮振動，潮汐調和分析的目的，是依據實測水位資料獲得該地各分潮的實際平均振幅以及各分潮的實際相角與平衡潮理論相角的差值(調和常數)，從而掌握海區的潮汐特征。

則假設分潮個數為m，表達式為

(1)

式中：MSL為平均海平面高度；H為分潮的振幅；σ為分潮角速率；v為分潮的天文初相角；g為分潮的遲角。對于某一分潮，σ和v可以通過天體運動推算得到，H和g為分潮調和常數，是該分潮在某點振動變化的參數。式(1)是純粹形式上的潮汐調和分析的潮高表達式。分潮的調和常數反映了實際海洋對這一頻率天體引潮力的響應。這種響應決定于海洋本身的幾何形狀及其動力學性質，也決定了實際海洋中的分潮振幅與平衡潮引潮勢展出的分潮系數不完全成比例。同時，由于海洋環境變化非常緩慢，就一般海區而言，調和常數具有極大的穩定性。

根據2020年06月15日～2020年07月16日(夏季)、2020年08月25日～2020年09月25日(秋季)、2020年11月28日～2020年12月29日(冬季)、2021年04月04日～2021年05月05日(春季)期間的潮位觀測數據(1985國家高程基準)，采用最小二乘法進行潮汐調和分析[13]，得出11個主要分潮的調和常數。

2 潮汐性質

潮汐性質可分為正規半日潮、不正規半日潮、正規全日潮和不正規全日潮，潮汐性質以主要全日分潮與主要半日分潮的平均振幅比值F(示性系數)來判別

潮汐示性系數按下式計算

(2)

表1 各潮位站每季度潮汐示性系數Tab.1 The ratio of (K1+O1) to M2 of the stations for each quarter

當F≤0.5時，為正規半日潮；當0.5

通過(2)計算每個季節各個站潮汐示性系數，結果如表1所示。CW1～CW3站計算結果均表明：該海域的潮汐屬于不正規半日潮性質，各測站存在日潮不等現象，即相鄰高潮或低潮的潮位不等、漲潮歷時與落潮歷時不相等。該結果與2014年—2015年對黃驊港的分析一致[14]，符合黃驊港海域的潮汐性質特征。

3 潮位特征值

通過對三個潮位站的四季潮位數據進行統計，得到各站每季度的潮位特征值如表2所示。觀測期間，各測站實測最高潮位夏季最高、冬季最低，實測最大潮差春、夏季大于秋、冬季，平均潮差秋季最大、冬季最小。CW1和CW3平均漲潮歷時皆小于落潮歷時，CW1站平均漲落潮歷時差為1 h 7 min，CW3站平均漲落潮歷時差為1 h 20 min。CW2站漲落潮歷時差距不大，春、夏、秋季皆為漲潮歷時略大于落潮歷時，冬季為落潮歷時略大于漲潮歷時，與調和分析的結果一致。平均漲、落潮歷時差CW3站最大，四季間略有差異，表現為秋冬季略大于春夏季。

表2 每季度各潮位站特征值Tab.2 Tide level characteristics of each station for each quarter

圖2 潮位站每季度月平均海平面Fig.2 Monthly MSL of the stations for each quarter

4 平均海平面

根據潮位站四季觀測數據，計算每季的月平均海平面，結果如圖2所示。平均海平面的變化，主要受天文、氣象等因素的影響。可知，各站月平均海平面基本一致，秋季平均海平面為四季最高，其次為夏季和春季，冬季最低。四季月平均海平面變化趨勢與自然資源部海洋預警監測司發布的2020年—2021年中國海平面公報中的河北月平均海平面變化規律基本一致。

表3 各站理論最低潮面值Tab.3 LAT of each station cm

5 理論最低潮面

采用潮汐調和分析得到的主要分潮調和常數，根據《水運工程測量規范》(JTS131-2012)[15]附錄F進行理論最低潮面的計算，按四季分別計算CW1～CW3站的理論最低潮位，得到各站理論最低潮面如表3所示。表3數據表明：該海域理論最低潮面呈現CW2-CW3-CW1逐漸變大的特性，這與各站平均潮差變化規律一致，其中CW1站最大，CW2站最小，兩站每季計算結果平均差約為46 cm。理論最低潮面的季節變化為從冬季到秋季逐漸增高，秋季為四季最高，冬季最低。

6 余水位特性及變化規律

余水位是實測潮位與預報潮位差異的綜合體現，其大小反映實測潮位與預報潮位水位差異程度。余水位是實測潮位分離天文分潮等可預報潮位之后剩余的部分，其大小受岸線趨勢、水域開闊程度、水深、風向、風力及持續時間、氣壓梯度變化等諸多因素影響。利用實測潮位減去天文潮位等可預報部分的方法實時得到，余水位計算公式為

δ(t)=H(t)-h(t)-△

(3)

式中：δ(t)為t時刻的余水位；H(t)為t時刻實測潮位；h(t)為t時刻的預報潮位值；△為觀測誤差、計算誤差等引起的綜合誤差，很難量化且數值相對較小，對于采用相同觀測方法和相同分析方法的不同站，可認為其△一致，因此統計數據時可以忽略其影響，即余水位為實測潮位與預報潮位的差異值[16]。

表4 各站余水位統計值Tab.4 Statistics of residual water level of each station cm

對CW1～CW3站的余水位進行統計分析(表4)，可知該海域的3個潮位觀測站的余水位在時間上呈現短周期波動，且各站余水位變化具有高度相關性，余水位變化越劇烈，相關性越強。并且余水位曲線在強烈的增(減)水后有一個小幅度的反彈。增水最大出現在冬季，其次為夏季和春季，秋季最低；減水最大同樣出現在冬季，其次為春季和秋季，夏季最低(圖3～圖6)。從該海域余水位特性和變化規律得出推論：在該海域今后的實際測驗作業中，可以通過該余水位增大潮位的測驗范圍，利用其相關性推算其他站的潮位數據，進而達到減小測驗成本的目的。

圖3 春季余水位變化過程Fig.3 Hydrograph of residual water level in the spring

圖5 秋季余水位變化過程Fig.5 Hydrograph of residual water level in the autumn

圖6 冬季余水位變化過程Fig.6 Hydrograph of residual water level in the winter

7 結論

基于河北黃驊港附近海域三個潮位觀測站的四季實測數據，對該海域的潮汐性質、潮位特征值、理論最低潮面、平均海平面、余水位等進行了分析計算。結果表明：

(1)黃驊港海域潮汐具有不正規半日潮特性，各測站實測最高潮位夏季最高、冬季最低，實測最大潮差春、夏季大于秋、冬季，平均潮差秋季最大、冬季最小。CW1和CW3站平均漲潮歷時小于落潮歷時；CW2站漲落潮歷時差距不大。

(2)各潮位站每季度的月平均海平面基本一致，各站的月平均海平面均為秋季最高。該海域理論最低潮面值呈現CW2-CW3-CW1逐漸變大的特性，且秋季最高，冬季最低。

(3)該海域余水位呈短周期波動，且各站余水位變化趨勢具有高度相關性。增減水最大都出現在冬季。