漳州东山湾附近海域潮汐特性分析

李振云，熊 伟，刘 杰

(1.海南核电有限公司，昌江 572700；2.天津水运工程勘察设计院有限公司 天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津 300456)

东山湾位于台湾海峡南口西岸的闽南东山、云霄、漳浦三县之间，海域总面积247.89 km2，其中水域面积155.5 km2，是闽南最大的海湾。该湾三面为山丘环抱，呈不规则的梨形伸入陆地，南北长20 km，东西宽约15 km，湾顶有漳江入海。湾口朝南，口门狭窄，宽仅5 km，其间还有塔屿等大小岛屿屏障，是个半封闭型的海湾。湾北有梁山挡住北风，东以古雷半岛为屏障[1]。

2020年，在漳州东山湾及湾外附近海域设置H1、H2、H3、H4、H5共5个观测站，各站示意图见图1。按春夏秋冬四季开展潮位观测工作，每站每季观测一个月，观测基准采用1985国家高程基准。本文则基于这次的观测数据，对东山湾附近海域的潮汐性质、潮位特征值、理论最低潮面、平均海平面、余水位等进行分析计算。国内很多专家学者在潮汐调和分析及其应用领域做了大量研究，例如方国洪等学者对潮汐运动原理及分析做了大量研究并取得相应成果[2-6]，王冀等学者对基准面计算、余水位分离、特征值统计方法等做了大量研究[7-11]，本文基于这些研究成果，对东山湾附近水域潮汐特征进行分析，分析原理与过程不再赘述。

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

1 潮汐调和分析模型

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

(1)

式中：MSL为平均海平面高度；H为分潮的振幅；σ为分潮角速率；v为分潮的天文初相角；g为分潮的迟角。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。根据2020年4月8日～2020年5月8日(春季)、2020年6月11日～2020年7月11日(夏季)、2020年10月1日～2020年11月1日(秋季)、2020年12月25日～2021年1月25(冬季)期间的潮位观测数据(1985国家高程基准)，采用最小二乘法进行潮汐调和分析，得出11个主要分潮的调和常数。

2 潮汐性质

潮汐性质可分为正规半日潮和不正规半日潮、正规全日潮和不正规全日潮，潮汐性质以主要全日分潮(K1和O1)振幅之和与主要半日分潮的(M2)振幅的比值F(示性系数)来判别。

潮汐示性系数按下式计算

(2)

当F≤0.5时为正规半日潮；

当0.5

当2.0

当4.0

采用式(2)分季节计算各站潮汐示性系数如表1所示，计算结果表明：H1站和H2站为不正规半日潮， H3站和H4站兼具正规半日潮和不正规半日潮的特性，H5站为正规半日潮。

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

3 潮位特征值

根据5个潮位站的四季潮位数据统计结果可知：观测期间，H1站最高潮位为2.39 m(秋季)，最低潮位为-1.32 m(冬季)，最大潮差为2.98 m(冬季)，最小潮差为0.56 m(春季)，每季度平均涨潮历时基本一致，每季度平均落潮历时基本一致，涨潮历时大于落潮历时；H2站最高潮位为2.82 m(秋季)，最低潮位为-1.75 m(冬季)，最大潮差为3.82 m(冬季)，最小潮差为0.92 m(春季)，每季度平均涨潮历时基本一致，每季度平均落潮历时基本一致，涨潮历时大于落潮历时；H3站最高潮位为2.97 m(秋季)，最低潮位为-1.86 m(冬季)，最大潮差为4.10 m(秋季)，最小潮差为1.05 m(春季)，每季度平均涨潮历时基本一致，每季度平均落潮历时基本一致，涨潮历时大于落潮历时；H4站最高潮位为3.12 m(秋季)，最低潮位为-1.95 m(冬季)，最大潮差为4.32 m(秋季)，最小潮差为1.14 m(春季)，每季度平均涨潮历时基本一致，每季度平均落潮历时基本一致，涨潮历时大于落潮历时；H5站最高潮位为3.17 m(秋季)，最低潮位为-2.15 m(冬季)，最大潮差为4.48 m(冬季)，最小潮差为1.25 m(秋季)，每季度平均涨潮历时基本一致，每季度平均落潮历时基本一致，涨潮历时大于落潮历时。

根据各站四季观测数据，计算每季的月平均海平面， H1站、H2站、H3站、H4站及H5站的各季月平均海平面如表2所示，各站月平均海平面随季节变化过程如图2所示。平均海平面的变化，主要受天文、气象等因素的影响。由表2和图2可知，各站月平均海平面基本一致，各站的月平均海平面均为秋季最高。虽然观测数据不是整年连续观测数据，无法分析逐月平均海平面的变化规律，但四季月平均海平面变化趋势与自然资源部海洋预警监测司发布的2019年中国海平面公报中提及的福建沿海月平均海平面变化规律基本一致[12]。

表2 各站每季度月平均海平面Tab.2 Monthly MSL of the stations for each season m

图2 各站月平均海平面变化趋势图Fig.2 Trend of the monthly MSL of each station

5 理论最低潮面

采用潮汐调和分析得到的主要分潮调和常数，根据《水运工程测量规范》(JTS131-2012)[13]附录F进行理论最低潮面的计算，按四季分别计算各站理论最低潮面值如表3所示。

表3 各站理论最低潮面值Tab.3 TLT of each station cm

表3数据表明：该海域理论最低潮面值呈现从西南沿岸向东北逐渐变大的特性，这与各站最大潮差变化规律基本一致，其中H1站最小，H5站最大，两站各季计算结果平均相差约70 cm；各季节计算结果相对稳定，没有出现大的跳动，侧面说明了调和常数的稳定性，其中尤以H1站最为稳定，各季计算结果基本一致。

对H1～H5站的余水位进行统计分析[14-15]，可知该海域的5个潮位观测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，在空间上表现为各站余水位变化具有高度相关性，余水位变化越剧烈，相关性越强，这种“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。在时间上表现为春夏季以减水为主，秋季以增水为主，除了受径流影响外，可能与月平均海平面变化有关，造成了这样的统计值差异表现，各站余水位极值如表4所示。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，各站余水位变化过程线如图3～图6所示。从各站余水位的变化过程线可以看出。从该海域余水位特性和变化规律得出推论：在今后的该海域工程建设中，建设少量的潮位观测站，采用潮汐预报和余水位订正的方式可有效掌握该海域潮位。

表4 各站余水位统计值Tab.4 Statistics of residual water level of each station cm

图3 春季余水位变化过程Fig.3 Hydrograph of residual water level in spring图4 夏季余水位变化过程Fig.4 Hydrograph of residual water level in summer

7 结论

(1)漳州东山湾附近海域兼具正规半日潮和不正规半日潮特性，H1站最高潮位为2.39 m，最低潮位为-1.32 m，最大潮差为2.98 m，最小潮差为0.56 m；H2站最高潮位为2.82 m，最低潮位为-1.75 m，最大潮差为3.82 m，最小潮差为0.92 m；H3站最高潮位为2.97 m，最低潮位为-1.86 m，最大潮差为4.10 m，最小潮差为1.05 m；H4站最高潮位为3.12 m，最低潮位为-1.95 m，最大潮差为4.32 m，最小潮差为1.14 m；H5站最高潮位为3.17 m，最低潮位为-2.15 m，最大潮差为4.48 m，最小潮差为1.25 m。各测站每季度平均涨潮历时基本一致，平均落潮历时基本一致，涨潮历时大于落潮历时。

(2)各观测站每季度的月平均海平面变化趋势基本一致，各站的月平均海平面均为秋季最高。各站理论最低潮面值呈现从西南沿岸向东北逐渐变大的特性，与各站最大潮差变化规律基本一致，各测站每季度计算结果相对稳定，计算结果未出现大的波动，侧面说明了调和常数的稳定性，其中尤以H1站最为稳定，各季计算结果基本一致。

(3)漳州东山湾附近海域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，在空间上表现为各站余水位变化具有高度相关性，余水位变化越剧烈，相关性越强。在时间上表现为春夏季以减水为主，秋季以增水为主。从该海域余水位特性和变化规律得出推论：在今后的该海域工程建设中，建设少量的潮位观测站，采用潮汐预报和余水位订正的方式可有效掌握该海域潮位。