利用水位修正模型精化潮位数值模拟

管明雷，黄辰虎，李清泉，汪驰升,4，丁 凯

(1. 深圳大学海岸带地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室，广东 深圳 518060； 2. 深圳大学空间信息智能感知与服务深圳市重点实验室，广东 深圳 518060； 3. 海军海洋测绘研究所，天津 300061； 4. 武汉大学地理国情监测国家测绘地理信息局重点实验室，湖北 武汉430079)



利用水位修正模型精化潮位数值模拟

管明雷1,2，黄辰虎3，李清泉1,2，汪驰升1,2,4，丁 凯1,2

(1. 深圳大学海岸带地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室，广东 深圳 518060； 2. 深圳大学空间信息智能感知与服务深圳市重点实验室，广东 深圳 518060； 3. 海军海洋测绘研究所，天津 300061； 4. 武汉大学地理国情监测国家测绘地理信息局重点实验室，湖北 武汉430079)

利用海洋动力模式FVCOM(finite volume coast and ocean model)模式建立了高分辨率的海州湾及其外海域潮汐数值模型，提取了整个场内各个网格点上天文潮位值的时间序列。利用该区域内分布的5个验潮站资料提取水位修正模型，对场内的网格点进行水位修正，得到高精度的格点水位时间序列，然后对修正前后的水位值进行比较。结果表明，基于水位修正后的潮位数值模拟结果水位精度提高了10 cm左右。

FVCOM；潮汐数值模拟；余水位

目前，在高精度海道测量中，验潮站提供潮位观测值通常受有限距离的限定，验潮站的有效范围取决于深度测量的精度、验潮站与深度点上瞬时(同一时间)的最大潮高差[2]。本文利用FVCOM模式模拟计算得到模拟海域整个场的天文潮潮位值。然后根据模拟区域内分布的长短期验潮站资料提取水位修正模型，将修正水位利用反距离加权算法配置到模拟计算的网格中，得到整个网格每个格点的潮位时间序列，对于区域内的任意点的潮位都可以通过插值得到高精度的潮位。

1 FVCOM水动力模型

1.1 模型方程

模型控制方程包括连续性方程、动量方程、温盐扩散方程和密度方程。σ坐标下的控制方程如下

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

ρ=ρ(T,S)

(6)

海表面和底部速度边界条件为

(7)

(8)

式中，(τsx,τsy)和(τbx,τby)分别为海表面风切应力和海底摩擦切应力在x和y方向上的分量。

海表面和底部温盐边界条件为

(9)

(10)

(11)

(12)

1.2 潮位数值模拟

研究区域位于南黄海，包括海州湾及其附近海域，整体范围为119°42′—120°，35°78′—34°41′，水深数据采用电子海图数据，调和常数选用潮汐数据反演模式OTIS。计算网格对岸边和岛屿的网格进行了局部加密，开边界平均分辨率约0.01°，岸线及岛屿附近平均分辨率约0.002°，共包含49 333个网格节点、96 252个水平网格单元。开边界水位采用M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q18个分潮调和常数给出的预报水位。模式模拟了2007年1月16至2007年2月15日期间海州湾及其外海海域内的潮汐、潮流运动状况，计算过程中每小时输出一次结果。如图1所示。

图1 区域不规则三角网结构

2 水位修正模型

2.1 验潮站资料

本文采用了日照、岚山头、连云港、开山岛和车牛山岛5个验潮站的资料，其中日照和连云港为长期验潮站，岚山头、开山岛和车牛山岛为短期验潮站，短期验潮站进行了一个月的连续验潮。

2.2 水位修正模型设计

本文设计的水位修正模型主要包括短周期分潮的水位修正、长周期分潮的水位修正和余水位修正。

2.2.1 长周期分潮水位修正模型

长周期分潮必须利用6个月以上的潮位资料才能调和分析出长周期分潮。对日照、连云港两个长期站一年水位资料进行调和分析，得到了Sa、SSa两个主要的长期分潮调和常数，然后对长周期分潮调和常数进行水位预报，从而获取两个长期验潮站的长周期分潮引起的水位起伏时间序列，截取2007年1月27日7时至2007年2月14日16时的水位序列作为长周期分潮水位订正。

2.2.2 短周期分潮及余水位修正模型

本文研究区域分布2个长期验潮站和3个短期验潮站，截取5个验潮站2007年1月16日0时至2007年2月15日23时的水位资料进行调和分析，得到了32个常数调和常数。在32个常数中选取了M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q18个主要分潮的调和常数进行了水位预报。修正水位算法是利用实测水位减去8个分潮的预报水位的方法得到，利用该算法提取了5个验潮站的修正水位时间序列，其数学表达式为

R(t)=h(t)-T8(t)

(13)

式中，h(t)为实测水位；T8(t)为8个分潮的预报水位；R(t)为修正水位，修正水位包括了剩余短周期天文潮和余水位。

2.3 修正水位配置算法

通过修正水位算法得到了两组水位修正模型，利用反距离加权算法将两组修正模型的修正水位值插入网格的格点水位值中。在确定的空间尺度L和时间尺度T范围内，单个网格点的水位值的数学表达式为

(14)

(15)

3 修正模型验证

选用了车牛山岛站、连云港站2个具有代表性的验潮站作为实测资料进行对比试验。其中，车牛山岛验潮站为岛礁短期验潮站，距陆地43 km；连云港站为岸基长期验潮站。提取验潮站站点位置的模拟潮位资料，潮高基准采用理论深度基准面，将模拟潮位资料和验潮站潮位资料的水位和调和常数分别作对比。

3.1 潮位验证

图2和图3分别为截取两个验潮站部分模拟水位和实测水位的对比，时间为2007年1月20日0时到2007年2月5日23时。可以清楚看到模拟结果和实测结果吻合较好，水位误差不超过50 cm，相位基本一致，模拟的高潮和低潮的发生时间与实测的基本一致。

图2 车牛山站模拟水位与实测水位对比

图3 连云港站模拟水位与实测水位对比

3.2 调和常数验证

模型计算与验潮站实测调和常数的差值比较见表1。

表1 修正前后调和常数误差对比

3.3 中误差比较

对于修正后的水位数据精度评估，采用测量数据处理理论中的中误差指标表示，即

(16)

表2 两个站位修正前后中误差对比 cm

通过图1和图2、图3比较可以看出，经过水位修正后的潮位相对于模拟结果得到了明显改进，与实测结果吻合度提高，水位误差精度提高了10 cm左右，相位和实测结果也无差别。从表2中的中误差对比也可以看出，模拟结果的修正前后，潮位得到了明显改善。潮位剩余误差主要来自于两方面：一方面主要来自数值模拟精度不够；另一方面验潮站分布和数量还比较少，使得改正水位模型的精度还不够完善。

4 结 语

本文利用了FVCOM对海州湾及其外海进行了潮汐数值模拟，利用区域内验潮站资料对数值进行了模拟，得到了各个网格点的潮位，并进行了水位修正，使得修正后的潮位精度相对于数值模拟结果有了明显的改善。通过对修正后的网格水位进行插值可以得到区域内任一点的潮位值，为近海离岸工程和海上作业提供了精准的潮位信息，解决了临时验潮站布设的难题。

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Improvement of Tidal Level Numerical Simulation Based on Water Level Correction Model

GUAN Minglei1,2,HUANG Chenhu3,LI Qingquan1,2,WANG Chisheng1,2,4,DING Kai1,2

(1. Key Laboratory for Geo-Environmental Monitoring of Coastal Zone of the National Administration of Surveying, Mappingand GeoInformation, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China; 2. Shenzhen Key Laboratory of Spatial Smart Sensing and Services, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China; 3. Naval Institute of Hydrographic Surveying and Charting, Tianjin 300061, China; 4. Key Laboratory for National Geographic Census and Monitoring，National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Wuhan University, Wuhan 430079, China)

The finite volume coastal ocean model (FVCOM) has been applied to establish a high-resolution numerical model of tide in Haizhou Bay. The time series of astronomical tidal values at each grid point are extracted. The water level correction model is used to extract the water level correction data from the five tide station data in this area, and the water level of the grid site is corrected. The water level time series of the grid is obtained with high precision, then the modified water level value is interpolated. The instantaneous sea surface height is obtained at a certain time. The results show that the water level accuracy is improved by about 10 cm based on the numerical simulation of water level correction and the sea surface height model has been improved obviously.

FVCOM; tidal numerical simulation; residual water level

管明雷，黄辰虎，李清泉，等.利用水位修正模型精化潮位数值模拟[J].测绘通报，2017(6)：68-71.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0192.

2016-12-13

深圳市科创委深港创新圈项目(SGLH20150206152559032)；深圳市未来产业“创新链+产业链”融合专项扶持计划(201507211219247860)；地理国情监测国家测绘地理信息局重点实验室开放基金 (2015NGCM)

管明雷(1990—)，男，博士生，主要从事潮汐模型、海域垂直基准的理论及其应用研究。E-mail:lyggml@126.com

李清泉

P229

A

0494-0911(2017)06-0068-04