【word】 临时验潮站深度基准面传递模型及其适用性研究

【word】 临时验潮站深度基准面传递模型及其适用性研究 临时验潮站深度基准面传递模型及其适用 性研究 第33卷第6期 2010年11月 现代测绘 ModernSurvevin~andMaDDin Vo1.33,NO.6 NOV.2010 临时验潮站深度基准面传递模型及其适用性研究 刘大伟,王真祥,张美富,刘桂平 (长江水利委员会长江口水文水资源勘测局,上海200136) 摘要长江口区域瞬时潮汐面受潮汐,径流,风暴潮的耦合作用.具有一定的区域特性.在阐述临时验潮站各种 传递模型的基础上,考虑径流季节特性与潮汐特性,利用长期验潮站传递不同时间序列下深度基准面,探讨了各种 传递模型在季节特性与潮汐特征组合条件下传递精度及其适用性,提出了长江口区域海图测绘深度基准面传递的 优选,具有较强的实用性与可操作性. 关键词深度基准面传递季节特征潮汐特征 中图分类号:P226文献标识码:A文章编 号:1672—4097(2010)06—0018—04 1引言 深度基准面是海洋测绘中海图水深的起算面, 也是深度场瞬时水位归算的起算面.通常采用的 理论最低潮面(TheoreticI.owestTide,TIT)是根 据长期验潮资料,利用调和函数模型方法计算得到 的.该方法需要各验潮站处主要分潮具有稳定可 靠的调和常数. 在海道测量及港口工程测量中,最常见,使用 最多的一种水位观测形式是临时验潮站.由于临 时验潮站的观测序列通常小于一个月,甚至仅有几 天的观测序列,因此难以根据观测序列独立确定出 精确的平均海平面与深度基准面,只能采用潮汐基 准面传递推估技术来推求其深度基准面. 深度基准面传递方法主要有直接传递法,同步 改正法,潮差比法和最小二乘潮位拟合传递法等. 通过选取长江口区域长期验潮站的长期序列求定 深度基准面,传递推求附近临时验潮站的深度基准 面.根据长江口地区潮汐与水文特征,选取不同时 间特征序列对临时验潮站的深度基准面传递方法 精度进行分析,对深度基准面传递模型的适用性进 行探讨,提出长江口区域临时验潮站在径流季节与 潮汐特征组合下传递模型的最优方案,为传递模型 的进一步优化与该区域海道测量深度基准面的推 求提供了技术参考. 2深度基准面传递模型 2.1深度基准面的求定 由主要分潮组合所得到的理论上可能最低潮 面称为深度基准面,利用理论计算求取理论最低潮 面至平均海平面距离.深度基准值由各分潮调和 常数综合表达潮高的可能最低值计算. 理论深度基准面计算公式为 L==min[Klco+Kecos(2~4-2gkl—g一180.) (R斗R:+R)](2—1) 式中,L表示由8个分潮确定的理论深度基准 面,H,g-及_厂分别为M2,S2,N2,K2,K,()l,P1,QJ 等8个分潮的调和常数及节点因数. (4一】)式未顾及浅海分潮M1,MS4及M6的影 响,若顾及浅海分潮的影响,则理论深度基准面应为: L】】一I+Mdcosg;M+MScos~m+M6cos蛾(2—2) 若进一步顾及气象分潮S和S,则计算公 式为 L】lJ—L11+cos99s+HsCOS~&(2—3) 式(2—1),(2—2),(2—3)分别为计算理论基准 面的8分潮,ll1分潮及13分潮公式. 2.2深度基准面传递数学模型 调和分析方法确定深度基准面是针对某验潮 站的求定方法,并且要求具有足够长的潮位观测资 料及较为稳定的调和常数.然而在实际海图测量 中,设立的临时验大伟等:临时验潮站深度基准面传递模型及其适用 性研究19 加权法来确定短期站的深度基准面. 2.2.2同步改正法 深度基准面同步改正法公式为 (如,帅)一M(,7:i3,)+Ln(XA,ya)一M(XA,) (2—5) 式中:M(,)及M(era,)分别为同步观测 期问验潮站B及A的短期平均海平面;L(如,) 及Lo(,)为两个验潮站从各自验潮站零点起算 的深度基准面的高度. L(z,yB)可由下式求出, L(zB,)一MSL(3cB,B)一Lo(B,B)(2—(2—8) 式中,,和,他分别为两验潮站A,B间的 潮差比,潮时差和基准面偏差. 3实例计算及分析 长江口区域长期验潮站徐六泾(31.7654.N, 120.9430.E),营船港(31.9190.N,120.9023.E)位 于澄通河段,白茆(31.7376.N,121.0530.E)位于南 支河段.两河段为中等强度感潮河段,受潮汐与径 流双重影响,属典型不规则半日潮. 在短期序列中,从潮汐条件可分为大潮,中潮, 小潮;从水文季节特征可分为枯季,洪季.在汛期 上游下泄径流量大,遇天文潮期潮汐作用力强,又 恰逢台风多发季节,因此在径流量,天文潮,风暴潮 的共同作用下瞬时潮面与其他季节有较大不同. 3.1时间序列的选取 通过以徐六泾站为长期验潮站,采用上述传递 模型推求营船港站,白茆站及本站短期同步观测序 列下的深度基准面,分析研究各临时验潮站在不同 序列特征条件下的传递精度. 长期验潮站徐六泾采用2006—2007年观测序 列,采用调和函数模型13分潮数求定深度基准面 (L0)或L值(深度基准面与平均海平面距离),以此 传递各临时验潮站LO或L值.临时验潮站根据长 江口季节特征,采用的同步观测序列分别为,枯季2 月(1月,2月),洪季2月(7月,8月),天文大潮期 1月(9月),枯季1月(2月),洪季1月(8月),天文 大潮1月(9月),枯季半月(2月3日,2月16日), 洪季半月(8月28日,9月10日),天文大潮半月(9 月26日,1O月9日),枯季大潮(2月3日,2月7 日),枯季中潮(2月8日,2月l1日),枯季小潮(2 月12日,2月16日),洪季大潮(8月28日,9月1 日),洪季中潮(9月2日,9月5日),洪季小潮(9 月6日,9月lO日),天文潮大潮(9月26日,9月 30日),天文潮中潮(1O月1日,1O月4日),天文 潮小潮(1O月5日,1O月9日). 3.2传递精度分析 深度基准面的求定与传递存在历元问题.长 期验潮站的深度基准面与选取的观测序列有关. 临时验潮站则与长期验潮站观测序列亦密不可分, 即临时验潮站通过传递方法所得的深度基准面是 长期验潮站所选观测时长下的深度基准面.为便 于比较传递结果精度,以营船港,白茆同步观测序 列2a数据独立求定深度基准面,作为误差比较的 “真值”.各站传递误差统计表及误差分布图见表 1,表2,图1,图2所示. 表1营船港站深度基准面的传递精度 直接传递法同步改正法潮差比最小二乘法 时间序列传递法 L误差/cm误差/cmL误差/era误差/era 枯季2月一5.11.7—12.87.8 洪季2月—5.17.3—4.35.4 天文潮期2月—5.16.6—6.66.9 枯季1月一5.12.0—16.77.7 洪季1月—5.17.2—7.55.2 天文潮期1月—5.17.3—10.07.6 枯季半月5.11.829.19.7 洪季半月—5.17.6—18.O7.0 天文潮期半月—5.17.5一18.97.7 枯季大潮一5.13.8—6O.O14.2 枯季中潮—5.11.6一73.31O.3 枯季小潮—5.1—0.2—56.74.9 洪季大潮一5.19.6—49.8l1.3 洪季中潮—5.17.0—64.66.9 洪季小潮—5.16.1——48.31.5 天文潮期一大一5.1l1.0—49.513.6 天文潮期一中—5.17.4—64.16.6 天文潮期一小—5.14.0—51.93.5 2O现代测绘第33卷 表2白茆站深度基准面的传递精度 直接传递法同步改正法潮差比最d sZ-乘法 时间序列传递法 L误差/cm误差/cmI误差/cmI.误差/cm 枯季2月一4.47.14.44.0 洪季2月—4.4—6.32.8—2O.2 天文潮期2月—4.41.40.7—8.0 枯季1月——4.46.5——9.53.7 洪季1月—4.4—7.5—1.1—22.0 天文潮期1月,4.4—5.1一1.6—19.1 枯季半月一4.47.2—17.64.3 洪季半月4.4—5.1—11.0—18.6 天文潮期半月—4.4—2.3一l2.2—14.6 枯季大潮一4.46.5—47.02.2 枯季中潮—4.47.4—6O.75.6 枯季小潮—4.47.7—51.05.7 洪季大潮一4.4—6.344.8—2O.1 洪季中潮—4.44.3—59.5—17.8 洪季小潮—4.4—7.1—31.1—20.0 天文潮期一大一4.4—7.7—42.5—25.2 天文潮期一中—4.40.0—6O.4—11.9 天文潮期一小—4.41.2—46.0—1O.9 一一&目—卜赢接传递法+l蒯步改lt法湖箍比传递弦衄 图1营船港站传递精度分布图 拈平凡测 +斑接传递法——?一酬形馥il法-洲蓉比传递法蛙小朵浊 图2白茆站传递精度分布图 直接传递法与潮差比法不能直接传递I加,因此 两种方法仅对比L的传递误差.从计算结果可以 看出,直接传递法由于假设长期站与临时站L值相 等,其传递精度仅取决于长期站与临时验潮站L的 相互关系.在各种传递方法中,潮差比传递法传递 误差最大,精度最低,且短于1月数据精度显着降 低.同步改正法与最小二乘法在营船港站精度相 当,在白茆站则同步改正法优于最小二乘法. 对营船港站,在时间序列上,同步改正法枯季 传递精度优于洪季,最小二乘法洪季优于枯季与天 文潮期.同步改正法与最小二乘法无论枯季,洪季 及天文潮期,短序列小潮期传递精度优于中潮期, 大潮期.两种方法随同步观测序列变短,平均误差 呈增大趋势.同步改正法在长于半月观测序列中 枯季精度优于最小二乘法,洪季则相反.天文潮期 精度则相当. 对白茆站,在时间序列上,同步改正法天文潮 期与洪季优于枯季,最小二乘法枯季优于洪季与天 文潮期.同步改正法与最小二乘法在洪季及天文 潮期,短序列小潮期传递精度优于中潮期,大潮期, 枯季则大潮期优于小潮期.同步改正法除在枯季 精度低于最小二乘法,其余各期传递精度均高于最 小二乘法. 潮差比法假定深度基准面与潮差呈线性变化, 其传递精度与观测序列时长显着相关,时长递减则 精度递减,对短于1月数据序列误差显着增大.由 于其结果仅取决于同步观测时间内潮差比,误差 较大. 最小二乘法在营船港站传递精度明显优于白茆 站.在验潮站空间分布上,营船港站位于徐六泾站上 游17.5km,白茆站位于徐六泾站下游10.8km.虽然 白茆站在空间距离上要近于营船港站,且最小二乘 法在假设中引入了潮时差与潮差比参数,但该法在 白茆站传递精度较低,反映了白茆站靠近分叉口, 潮汐传播性质有所改变,而在徐六泾节点以上潮汐 传播性质较为相似.同步改正法则有更好的兼 容性. 3.3传递模型优化方案 临时验潮站相对长期站空间位置在不同季节 特征下亦有影响.从表3统计结果可以看出,相对 长期验潮站,对位于上游的临时验潮站,在枯季不 同序列条件下,优选传递模型为同步改正法;在洪 季与天文潮期优选传递模型为最小二乘法.对位 于下游的临时验潮站,枯季优选传递模型为最小二 乘法,洪季与天文潮期则为同步改正法. 第6期刘大伟等:临时验潮站深度基准面传递模型及其适用性研究 21 表3季节特征与潮汐特征组合的传递模型优选方案 时间序列上游站下游站 枯季2月同步改正法最小二乘法 洪季2月最小二乘法,潮差比法同步改正法,潮差比法 天文潮期2月最小二乘法,潮差比法同步改正法,潮差比法 枯季1月同步改正法最小二乘法 洪季1月最小二乘法同步改正法,潮差比法 天文潮期1月最小二乘法,同步改正法同步改正法,潮差比法 枯季半月同步改正法最小二乘法 洪季半月最小二乘法同步改正法 天文潮期半月最小二乘法,同步改正法同步改正法 枯季大潮同步改正法最小二乘法 枯季中潮同步改正法最小二乘法 枯季小潮同步改正法最小二乘法 洪季大潮同步改正法同步改正法 洪季中潮最小二乘法,同步改正法同步改正法 洪季小潮最小二乘法同步改正法 天文潮期一大最小二乘法,同步改正法同步改正法 天文潮期一中最小二乘法,同步改正法同步改正法 天文潮期一小最小二乘法,同步改正法同步改正法 (1)潮差比法较同步改正法传递精度低,且与 观测序列时长显着相关,对短于1个月观测数据误 差显着增大.同步改正法与最小二乘法精度相当, 同步改正法稍优于最小二乘法. (2)同步改正法与最小二乘法传递精度与季节 特征下枯季,洪季与天文潮期密切相关.不同季节 特征下应选取不同传递方法. (3)在短期序列大潮,中潮,小潮期中,小潮期 传递精度优于大潮,中潮期. (4)临时验潮站相对长期站位置亦有影响,在 上,下游应选取不同传递方法. 综上所述,在长江口区域海图测绘中,应根据 测量中临时验潮站观测时间所处的季节特征,潮汐 特征,相对长期站位置,选取不同的传递模型.对 位于长期验潮站上游的临时验潮站,枯季条件下不 同时长序列应选取同步改正法,洪季与天文潮期应 选取最小二乘潮位拟合法,位于下游的临时验潮站 则相反. 参考文献 刘雁春.海洋测深空间结构及其数据处理[M].北京:测 绘出版社,2003 国家质量技术监督局.GB12327—1998.海道测量规范 Is].北京:中国标准出版社,1999:28—3o 刘雁春.海道测量基准面传递的数学模型厂J].测绘, 2000,29(4):310—316 暴景阳,黄辰虎,刘雁春,等.海图深度基准面的算法研究 [J].海洋测绘,2003,23(1):8—12 INGHAMAESeaSurveying[M].London:JohnWi— ley&SonsLtd.1975 徐元.长江河口地区的高程系统EJ].水运工程,2000, 319(8):1—4 ResearchonApplieabilityToTransferModelforDepthDatum LevelsAboutTemporaryTideStation LIUDa—wei,WANGZhen—xiang,ZHANGMei—fu.LIUGui—ping (YangtzeEstuaryHydrologyandWaterResourcesSurveyBureau,Shanghai 200136,China) AbstractInstantaneoustidewhichaffectedwithtide,flowandstormtidetakes onregioncharacterinestuaryYangtseRiver. Basedondifferenttransfermodels,depthdatumoftheshort—termtidalleveldataplottedwithflowandtideisascertainedusing ofthelong-termtidalleveldate.Theprecisionandapplicabilityoftransfermodelsarediscussedfoundingonthecombinationof flowandtide.Apracticableandmaneuverableschemeoftransferringdepthda tumformappinginYangtseRiverisputtedfor— ward. Keywordsdepthdatum;transfer;seasoncharacter~tidecharacter