压力式验潮仪数据处理时应注意的几个问题探讨

董玉磊，曲 萌

（天津海事测绘中心 天津市 300222）

随着科学技术的发展与进步，压力式验潮仪的生产技术已日趋成熟，很多海洋测绘单位也越来越重视压力验潮仪的应用。压力式验潮仪因其安装简便使得原来人工验潮比较困难或有些荒远地区不具备安装其它水位计条件的地方实现了不间断验潮，既降低了劳动强度又提高了观测精度，尤其对于短期验潮站和临时验潮站以及海上定点验潮站，压力验潮仪的使用已经越来越广泛。压力式验潮仪工作的基本原理是它的半导体硅片受到水的压力影响，利用材料的压电效应将被测水压力转换成可测信号并输出，数据记录应用固态存贮技术定期读取处理，并可利用无线网络进行数据实时传输[1]。压力式验潮仪通常记录压力数据，也有一些厂家根据气压、水体密度等参数将压力数据转换成水深，当然用户通常也可以对这些参数进行设定。在处理压力式验潮仪数据时，尤其将压力数据转换成潮位数据时，有几个容易忽视的问题，这些问题将影响到潮位数据的准确性以及可靠性，下面将分别阐述。

1 单位换算

压力的单位有很多，法定的国际压力单位是帕（Pa）[2]。常用的压力单位有兆帕（MPa）、千帕（kPa），惯用的非法定单位还有巴（bar）、分巴（dbar）、毫巴（mbar）、标准大气压（atm）、工程大气压（at）、毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O）、磅每平方英寸（psi）、托（Torr）等。他们的换算关系如表1 所示：

表1 常用压力单位的换算关系

另外，1 pa=0.001 kPa=1*10-6MPa；1 bar=10 dbar=1 000 mbar。

从表1 可以看出，巴（bar）与标准大气压（atm）及工程大气压（at）三者之间的换算数值接近于1，单从观测结果的数值上很难断定出具体采用的是哪种单位，比较容易混淆，使用时应注意。通常潮位数据采用米（m）或厘米（cm）为单位，用户一般可以根据自己的需要对压力式验潮仪的测量单位进行设置，为避免错用可直接设置为米（m）或厘米（cm），若不能设置在潮位处理时也可根据表1 的换算关系进行转换。

2 气压改正

压力式验潮仪主要分为气密引压式压力验潮仪和补气引压式压力验潮仪两种，在气密引压式压力验潮仪中，海水的压力通过引压钟内密封气体传输至敏感元件进行测量和记录。补气引压式压力验潮仪通过供气装置使水下感压系统不断放出气泡，保证该系统中的气体压强与它所处深度的水头压强相等，测量气压即可换算成潮位。因此对于气密引压式压力验潮仪来说，需要在数据处理时进行气压改正。有些使用单位将气压改正这一问题忽略或简单化，直接用1 个标准大气压代替验潮期间的整个气压，或仅测定期间的某几个气压，其实这些做法都将降低验潮数据的精度，甚至影响到最终的验潮结果。大气压力的变化跟天气有密切的关系，表现在时间上是一条连续变化的曲线，在空间上有一定的相关性（如图1 所示）。为提高观测精度在验潮期间应实时测量验潮点附近的气压变化，在数据处理时用压力验潮仪获取的压力数值减去相应时间的大气压力即为完全由水体产生的压力，通过进一步处理获得潮位数据。

3 密度改正

图1 烟台与大连同期5 天气压数据变化图

海水密度是海水的温度、盐度和压力的函数，海水表层的海水密度更多地取决于海水的表层温度值[3]。同一海域的海水密度也会随季节等因素有小量变化，不同海区的海水密度更存在不同的变化。海水的密度可以根据实际观测海水的温度、盐度和压力等参数按照海水密度的计算公式进行计算，也可以查阅采用海区的经验数值。4 ℃纯水的密度是1.0×103kg/m3，海水的密度通常要大于1.0×103kg/m3，在将压力式验潮仪获取的压力转换成水柱高度的时候，得到的是基于密度为1.0×103kg/m3的水柱高，对于海水在数据处理时必须进行海水密度改正。最精确的做法是实测验潮点附近的海水密度，无法实测的也可以采用该海区的参考值，比如在黄渤海地区通常认为海水的密度是1.02×103kg/m3。密度改正对潮位的影响跟验潮仪测得的压力大小有关，也可以说与深度成正比。以黄渤海为例密度改正前后数值如表2 所示：

表2 不同深度下密度改正前后潮位差值表

按照海滨观测规范GB/T 14914-2006 的要求，潮位观测的准确度分为三级：一级为±1 cm；二级为±5 cm；三级为±10 cm[4]。根据上表的差值可以看出，在黄渤海地区深度大于等于5 m 水深的地方，仅密度改正造成的误差已经超过了规范的最低要求，因此密度改正对潮位观测的精确度和可靠性有很大的影响，不容忽视。

4 零点漂移

压力式验潮仪的压力感应片长时间受到水压作用，会发生一定程度的变形，这种变形通常是一段长时间的渐变过程，直接造成了潮位数据的观测误差，这种变化有线性的，也有非线性的；另外验潮仪的零点也由于安装不牢固、站基沉降等原因造成验潮仪的零点高程发生变化，大多数情况下上述两种情况夹杂在一起，难以从潮位曲线中直接凭主观经验判断发现，容易带入到潮位数据处理中（如图2 所示）。对于岸上验潮站，可以通过定期与人工水尺比对的方式确定验潮仪的零点有无漂移；对于海上定点验潮站，首先要保证观测同期有一个零点稳固的岸上验潮站，通过岸上验潮站与海上定点验潮站日平均海面的相关性进行判断并修正（如图3 所示）[5]。

图2 存在零点漂移的潮位数据曲线（10 分钟间隔记录）

图3 某海上定点验潮站的零点漂移曲线（10 分钟间隔记录）

5 结 语

从上述论述中可以看出，在压力式验潮仪潮位数据处理时每一步的疏漏都会降低潮位观测数据的精度，对数据处理的结果造成严重影响，进而影响到水深测量或同步验潮的结果。尤其是海洋测绘单位对其测量结果要求较高，任何一个环节处理不好都无法得到真实结果。为防止压力式验潮仪潮位数据处理过程中出现某一过程的遗漏，使用单位可以结合购买设备的特点，编制一个详细的数据处理流程指导书，建议在对压力式验潮仪数据进行处理时，先统一气压数据和水压数据的单位，进行气压改正后转换成以米或厘米表示的深度数值，再进行密度改正。上述工作完成后再对压力式验潮仪是否存在零点漂移进行检测，从而保证潮位数据处理的准确性和可靠性。

[1] 范新云.水尺与压力式水位计多次数据比对的综合计算[J].浙江水利科技，2007（1）：54-56.

[2] 仲跻良.国际压力单位—帕斯卡[J].工业仪表与自动化装置，1979（4）：6-9.

[3] 张铁军，张晓明.压力式观测数据的处理方法研究[J].海洋测绘，2007（5）：22-25.

[4] GB/T 14914-2006.海滨观测规范[S].北京：中国标准出版社，2006 3-4.

[5] 刘雷，缪锦根，李宝森.压力式验潮仪零点漂移检测及修正方法研究[J].海洋测绘，2010（4）：73-75.