黄骅港传统预报与实测潮位差异分析及潮位实时推算方法

熊 伟，范东华

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.天津水运工程勘察设计院 天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津 300456）

勘察设计及工程咨询

黄骅港传统预报与实测潮位差异分析及潮位实时推算方法

熊 伟1,2，范东华1,2

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.天津水运工程勘察设计院 天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津 300456）

基于黄骅港港池站和航道40+0站的一年期潮位实测资料及该海域的一年期气象资料，对两站传统预报与实测潮位的差异进行了统计分析，对两站的余水位特性及变化规律进行了研究。研究成果表明：（1）黄骅港传统预报潮位与实测潮位存在一定差别，对于黄骅港乘潮时间较长的航道，传统的潮位预报值还不能作为乘潮进出港的依据，因此进行实时潮位遥测遥报是必要的；（2）港池、航道40+0两站之间的余水位变化具有很强的相关性，可以用余水位修正的方法建立这一水域内相关站点之间的潮位推算模型，实现利用岸基遥测遥报潮位实时推算整个航道潮位。

潮位；余水位；实时推算；潮位预报

黄骅港位于渤海湾西南岸，航道总长60.5 km，为我国最长的海上人工航道，航道设计底标高为-18.3 m，有效通航宽度为250 m。由于航道较长，航道起终点两端潮位相差较大，船舶进出港时乘潮时间较长，因此黄骅港航道沿程的实时潮位数据对指导船舶进出港至关重要。

目前，获得航道沿线实时潮位的方法有两种：第一种是基于潮汐调和分析的传统潮位预报，国内很多学者对潮汐调和分析及潮位预报进行了大量研究并得到了很多成果[1-11]。第二种是潮位的遥测遥报，即以现有航标为载体，以设备集成、水下声学通讯、北斗通讯为技术手段，实时获取航道的潮位。第一种方法理论成熟，但预报潮位与实测潮位存在差异，第二种方法精度可靠但价格昂贵。那么是否可以将这两种方法结合起来，建立基于岸基站遥测遥报的实时潮位数据推算整个航道实时潮位的方法呢？本文以黄骅港港池、航道40+0两站2014年一年的连续潮位观测资料为研究对象，结合搜集到的渤海湾西南部2014的气象资料，分析两潮位站的实测潮位与传统预报潮位的差异，研究余水位特性及变化特性，探讨基于岸基遥测遥报潮位实时推算整个航道潮位的可行性。

图1 港池、航道40+0站位示意图Fig.1 Sketch of harbor basin and channel 40+0 sites position

1 潮汐调和分析模型及预报模型

天文潮位是水位运动变化的主体， 由若干分潮综合而成，假设分潮个数为m ，则表达式为

式中：MSL为平均海平面高度；H 代表分潮的振幅；σ代表分潮角速率；v代表分潮的天文初相角；g代表分潮的迟角。对于某一分潮，σ和v可以通过天体运动推算得到， H 和g为分潮调和常数，是该分潮在某点振动变化的参数。式（1）是纯粹形式上的潮汐调和分析的潮高表达式, 也是我们做潮汐预报的潮高基本表达式。用式（1）进行潮汐预报显然是最理想的，但若想用式（1）通过足够多的水位观测资料求解调和常数却是不容易的，鉴于观测资料时间和潮汐分潮分辨率的限制，不可能求出所有频率的分潮调和常数，因此预报潮位精度受分潮的个数、分潮调和常数精度等多种因素影响。国内很多学者对潮汐调和分析及潮位预报进行了大量研究并得到了很多成果，本文不再探讨潮汐调和分析和潮位预报的方法及过程。

2 黄骅港港池、航道40+0两站实测潮位与预报潮位的差异

余水位是实测潮位与预报潮位差异的综合体现，余水位大小反映实测潮位与预报潮位水位差异程度。余水位是实测潮位分离天文分潮等可预报潮位之后剩余的部分，主要由风、气压、降水等短周期气象因素引起的短期水位异常和气候因素引起的海面季节异常两部分组成。一般而言，向岸风引发增水（余水位为正），离岸风引发减水（余水位为负），其空间影响范围一般为10～1000 km，在时间尺度上一般为1 ～100 h，其大小受岸线趋势、水域开阔程度、水深、风向、风力及持续时间、气压梯度变化等诸多因素影响，很难准确量化计算，只能利用实测潮位减去天文潮位等可预报部分的方法实时得到，余水位计算公式见式（2）。

式中：δ(t)为t时刻的余水位；H(t)为t时刻实测水位；h(t)为按式（1）计算的t时刻的预报潮位值；Δ为观测误差、计算误差等引起的综合误差，很难量化且数值相对较小，对于采用相同观测方法和相同分析方法的不同站而言，可认为其Δ一致，本文统计数据时忽略其影响，即余水位为实测潮位与预报潮位的差异值。

为更好地表现出实测潮位与预报潮位的差异特征，对黄骅港港池、航道40+0两站的余水位进行逐月统计，各月份极值及标准差见表1，从统计数据可看出港池余水位最大可到1.72 m，最小可到-1.48 m；航道40+0余水位最大可到1.37 m，最小可达-1.22 m。按黄骅港海域历史最大潮差4.14 m计算的话，实测、预报潮位最大差值已经达到了最大潮差的41.54%。

实测、预报潮位之间的差异在大风恶劣天气表现得更为明显。黄骅港海域大风天风向主要以西北、北、东北为主，大风天期间，黄骅港水域余水位表现出剧烈变化。2014-10-26大风期间，港池、航道40+0的余水位同时达到年度最大值，分别为1.72 m，1.37 m。2014-3-11大风期间；港池、航道40+0的余水位同时达到年度最小值，分别为-1.48 m，-1.22 m。另外，在黄骅港海域无剧烈变化的情况下，该海域附近的渤海海峡、渤海北部海域的天气变化也会引起该水域余水位的急剧变化。这种客观存在的差异对于利用预报潮位指导船舶乘潮进港是相当不利的，甚至是危险的。

表1 实测与预报潮位差异（余水位）极值逐月统计表Tab.1 Monthly extreme value of differences between measured and real time calculated tidal level

表2 大风天气下实测与预报潮位差值（余水位）Tab.2 Differences between measured and real time calculated tidal level under strong wind

3 余水位特性及变化规律

对港池、航道40+0两站的余水位进行统计分析，可知两站余水位在时间上呈现短周期波动，波动幅度及波动周期在不同时期具有不同的特征；从空间上表现为水域开阔的航道40+0余水位变化稍缓于半封闭状态的港池。从两站余水位变化过程线（图2）可知余水位的变化整体上是围绕0值波动的，这与统计得到的全年余水位平均值趋于0保持一致。余水位变化表现出的另一个特点是在剧烈增水或减水后会有一个幅度稍小的反弹，这个特点在余水位变化过程线中也得到了较好体现。从两站余水位的逐月相关系数（图3）可以看出，港池与航道40+0两站的余水位变化具有高度一致性，第一季度、第四季度这半年表现的尤为明显，这也与这段时间的气象变化保持着高度相关。第二季度、第三季度余水位变化相对较缓，余水位波动增幅较小。两站余水位变化表现出的“波动幅度大时相关强，波动幅度小时相关弱”特点有效避免了后续潮位推算中的误差累积，有利于实际应用。

图2 2014年余水位过程线Fig.2 Hydrograph of residual water level in 2014

图3 2014年港池、航道40+0两站逐月余水位相关系数Fig.3 Monthly correlation coefficient of residual water level at harbor basin and channel 40+0 sites in 2014

4 潮位数据实时推算方法

以黄骅港港池站为岸基站，以航道40+0站为航道推算站，由式（2）可知岸基站、航道站的余水位表达式如下

图4 航道实测与实时推算潮位过程线Fig.4 Hydrograph of measured and real time calculated tidal level in channel

利用余水位的高度相关对两站余水位进行线性拟合得关系式如下

式中：k为岸基、航道两站余水位的线性拟合系数；d为截距；将式（3）、式（4）代入式（5）得

式中：k接近1；（k - 1）Δ很难量化且数字相对较小，将其舍弃简化式（6）如下

在已取得调和常数或潮位预报值的前提下，式（7）即为根据岸基站遥测遥报潮位实时推算航道潮位的基本公式。从舍弃(k-1)Δ项也可以看出，潮位推算的精度主要受该水域余水位相关性、分析所采用的原始数据精度及潮汐调和分析精度的影响。

为了检验基于岸基站遥测遥报潮位实时推算航道潮位方法的准确性，2016-12-29 ～2017-1-4期间，利用式（7）根据岸基站遥测遥报数据实时推算航道现有浮标观测站位置处的潮位，然后与浮标观测站的实测数据进行比对统计。参与统计的956组有效数据中，实时推算潮位与实测潮位差值不大于0.1 m的样本约占总样本的93.83%，最大差值为0.16 m。比对统计结果表明实时推算潮位的精度可满足一般工程需求。

5 结语

（1）黄骅港实测水位与预报水位之间的不一致，通过余水位的变化得到了充分体现。对于黄骅港乘潮时间较长的航道，不能根据传统的潮位预报值进行乘潮进出港，进行潮位遥测遥报是必要的。（2）黄骅港港池、航道水域余水位变化具有高度相关性，可以用余水位修正的方法建立这一水域内相关站之间的潮位推算模型，实现利用岸基遥测遥报潮位实时推算整个航道潮位，以达到减少外海浮标观测站数量，降低维护使用成本的目的。

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Analysis of differences between traditional forecast and measured tidal level and study of real time tidal level calculation in Huanghua Port

XIONG Wei1,2, FAN Dong-hua1,2
(1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, Tianjin 300456, China;2. Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering, Tianjin Key Laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering, Tianjin 300456, China)

Based on the measured tidal level and meteorological data during one year at harbor basin and channel 40+0 sites in Huanghua Port, the differences between traditional forecast and measured tidal level at two sites were analyzed. The characteristics and variation rules of the residual water level at two sites were studied. These research results indicate that: (1) There are some differences between traditional forecast and measured tidal level in Huanghua Port. For the channel with long period of high tidal level for ship passing, the traditional forecast still cannot be used as foundation for ship entering and leaving harbor. Therefore, telemetering and reporting the real time measured tidal level is very necessary. (2) The correlation of residual water level variation at harbor basin and channel 40+0 sites is very strong. Therefore, the tidal level calculation model at related sites can be established using residual water level correction method. Finally, the tidal level in whole channel can be calculated in real time based on shore-based telemetering and reporting system.

tidal level; residual water level; real time calculation; tidal level prediction

U 675.81

A

1005-8443(2017)03-0304-04

2017-01-17；

2017-03-10

熊伟（1984-），男，湖南省人，工程师，主要从事海洋测绘方面工作。Biography:XIONG Wei(1984-),male,engineer.