潮汐分析和预报的准调和分潮方法 Ⅰ.准调和分潮

潮汐的调和分析和预报方法,一般是准确可靠的。但是由于调和分潮的数目非常多,使用起来有时有着许多不便之处。为了能够由一次或几次周日观测计算出调和常数和为了能够使航海人员迅速地由调和常数推算出即时的潮汐情况,Doodson建议将众多的潮汐分潮合并为O1、K1、M2和S2四个分潮。合并所得分潮的振幅和角速率不再是常数,亦即分潮不再是调和的,我们称之为“准调和分潮”。严格地说,Darwin引进的分潮也不是调和的,但是由于其交点系数f和天文相角中与交点有关的订正量u在一个很长的期间(例如一年)之内可视为不变,我们将仍按一般习惯,称之为“调和分潮”。至于Doodson得出的严格的调和分潮,可以叫做“纯调和分潮”。Doodson给出的计算准调和分潮的振幅系数B C和迟角订正b+c的公式是相当粗略的,误差主要来自两个方面。一个是,如他已经指出的,用月亮中天时刻表示黄经,另一个是没有考虑视差潮令。本文将给出计算准调和分潮的振幅系数和迟角订正的更准确的公式,同时引进了浅水准调和分潮。由于准调和分潮的个数很少,将给某些情况下的潮汐的分析和预报带来好处,同时使实际的潮汐表现和它的调和常数之间的联系获得更加清晰的图景。     

中国近海及邻近海域精密潮汐模型的构建

基于POM(princeton ocean model)模式与blending同化法,采用逐步同化卫星测高沿迹分析结果、中期验潮站成果与长期验潮站成果的方式,构建了中国近海及邻近海域1'×1'的13个主要分潮的精密潮汐模型。精度评估表明11个主要分潮(天文分潮与浅水分潮)的总体综合预报误差RSS优于9.7cm。分辨率及在中国沿海的精度都优于全球模型。     

全球大洋潮汐模式在南海的准确度评估

采用南海海域60个验潮站和22个TOPEX/Poseidon卫星高度计轨道交叉点的调和常数资料,对比了TPXO7.2、GOT00.2、NAO.99b和DTU10四种全球大洋潮汐模式M2、S2、K1、O1四个主要分潮调和常数在南海的准确度。为了准确评估这四种大洋潮汐模式在南海不同区域的准确度,本研究将南海分成了8个区分别进行了对比。结果表明,南海北部和东部区域,4个分潮都是DTU10准确度最高;南部区域,M2和O1分潮GOT00.2的偏差最小,S2和K1分潮DTU10的偏差最小。总体而言,在进行南海潮汐数值模拟选择开边界条件时,建议以DTU10模式为主,并利用GOT00.2模式作适当调整。还简单分析了南海M2、S2、K1、O1四个主要分潮的潮汐分布特征。     

南海TOPEX/ POSEIDON 高度计资料的正交响应法潮汐分析

根据Munk等提出的响应法 (ResponseMethod)和Groves等 ( 1 975 )的正交响应方法(OrthogonalizedConvolutionMethod)的思想 ,利用正交潮响应法对 2 4 8个周期超过 6年的南中国海的TOPEX/POSEIDON卫星高度计资料进行潮波分析。在分析中引入全日潮族和半日潮族 ,并利用正交潮函数 (OrthotideFunction)分析出了 3个主要的全日分潮 (K1 、O1 、P1 )和 3个主要半日分潮 (M2 、S2 、N2 ) ,并给出了K1 、O1 、M2 、S2 的等振幅线和同潮时图 ,结果与其他学者的主要结果符合得很好。通过与整个海区 5 3个验潮站的主要全日分潮K1 分潮和主要半日分潮M2 分潮的比较 ,K1 分潮的振幅和迟角的平均绝对误差分别为 4.73cm和 1 1 .6°,而M2 分潮的分别为 1 1 .91cm和 2 8.4°,优于Mazzega( 1 994)的结果。     

全球垂向位移负荷潮模式在渤海、黄海、东海及周边区域的准确度评估

本研究利用渤海、黄海、东海及周边区域21个GPS站的调和常数资料,对5个全球垂向位移负荷潮模式（FES2014、EOT11a、GOT4.10c、GOT4.8和NAO.99b）在渤海、黄海、东海及周边区域的准确度进行了评估。结果表明,在渤海、黄海、东海及周边区域,对于M₂分潮,FES2014和EOT11a模式结果准确度相对较高;对于S₂分潮,NAO.99b和EOT11a模式结果准确度相对较高;对于K₁分潮,EOT11a和FES2014模式结果准确度相对较高;对于O₁分潮,EOT11a和GOT4.8模式结果准确度相对较高;对于N₂分潮,EOT11a和FES2014模式结果准确度相对较高;对于K₂分潮,NAO.99b和FES2014模式结果准确度相对较高;对于P₁分潮,EOT11a和GOT4.8模式结果准确度相对较高;对于Q₁分潮,FES2014和EOT11a模式结果准确度相对较高。除此之外,本文还简单分析了渤海、黄海、东海及周边区域8个主要分潮的垂向位移负荷潮分布特征。     

珠江“伶仃洋河口湾-虎门-潮汐通道”的潮波传播特征*

珠江“伶仃洋河口湾-虎门-潮汐通道”是珠江河口“网-湾”系统中的特殊地貌结构, 属潮优型河口, 潮波传播受河口湾地形辐聚效应、口门转换效应、潮汐通道辐散效应和底床摩擦等显著影响, 其时空变化复杂。本文根据珠江“伶仃洋河口湾-虎门-潮汐通道”的代表潮位站(赤湾、泗盛围和黄埔)1990—2016年逐日高、低潮位资料, 采用经典调和分析方法提取出主要天文分潮的调和常数, 通过计算获得了分潮振幅梯度及传播速度, 并在此基础上分析了伶仃洋河口湾(赤湾-泗盛围)、潮汐通道(泗盛围-黄埔)和总程(赤湾-泗盛围-黄埔)的潮波传播时空特征。结果表明: 全日分潮的振幅梯度和传播速度年均变化率均比半日分潮大, 其中K₁和O₁分潮的振幅梯度平均每年分别增加9%和18%, 传播速度每年均增加1.4%; M₂和S₂分潮的振幅梯度平均每年分别增加3%和6%, 传播速度每年均增加1%。人类活动导致地形异变, 进而驱动潮波亦发生突变, 伶仃洋河口湾和潮汐通道的M₂分潮传播速度突变年份不同, 分别为2009年和2000年。潮波传播速度突变后, 伶仃洋河口湾、潮汐通道两区段的传播速度和振幅梯度的关系也发生了变化。     

基于T/P和Jason-1/2卫星高度计海面高度数据获取南海同潮图的研究

随着卫星高度计资料的不断丰富,通过对卫星高度计所得潮汐调和常数进行插值或拟合得到潮汐同潮图成为可能。本文拟对T/P(TOPEX/POSEIDON)、Jason-1和Jason-2卫星高度计数据进行分析,得到南海区域星下观测点处四个主要分潮(M2、S2、K1和O1分潮)的调和常数,进而利用双调和样条插值方法对其进行插值,获取南海同潮图。首先,以1992～2016年T/P和Jason卫星高度计所得海面高度数据为基础,利用调和分析方法计算了南海星下观测点处M2、S2、K1和O1四个主要分潮的调和常数,并与40个验潮站数据进行了对比,最大矢量均差为4.99cm,说明分析所得调和常数与利用验潮站资料提取的调和常数的误差较小。进而采用双调和样条插值方法对星下点调和常数进行插值,得到了南海四个主要分潮的同潮图,所得结果与全球潮汐模型TPXO7.2模式结果的矢量均差分别为4.69、2.46、3.13和2.42 cm,与141个验潮站处观测结果的矢量均差分别为22.59、10.26、10.24和8.51 cm。此外,插值所得四个主要分潮的无潮点位置与前人研究结果相近。上述实验结果表明:利用双调和样条插值方法对卫星高度计所得调和常数进行插值能够获取较为准确的同潮图。     

大亚湾海域夏、冬季的潮汐特征及余水位与风的相关性初步探讨

大亚湾及其邻近海域冬、夏季各14个临时水位观测点1个月的实测潮位资料显示:各站的水位曲线均呈现明显的"双峰"现象,且湾顶比湾口更为明显。本文采用了调和分析方法,给出M_2、S_2、K_1、O_1四个主要分潮及M_4、M_6、2MS_6三个浅水分潮的振幅和迟角同潮图,分析大亚湾的主要潮汐特征,探讨了浅水分潮对双峰结构的贡献,并采用交叉谱分析对余水位与风的相关性进行了讨论。结果表明:(1)大亚湾海域各主要分潮振幅均由湾口向湾顶递增;高潮发生时间由湾口向湾顶推迟;涨潮历时均大于落潮历时;平均潮差在湾顶达到最大;(2)大亚湾内属于不正规半日潮,而考洲洋及其湾外海域则属于不正规全日潮;(3)大亚湾内浅水效应明显,从湾口至湾顶,六分之一日分潮的振幅呈5—7倍的增长,主导了大亚湾潮波系统的形变;(4)分潮重构结果显示,四分之一日和六分之一日浅水分潮(尤其是2MS_6分潮)的异常增长,是导致大亚湾潮汐双峰现象的主要原因;(5)冬季大亚湾内各点的余水位与风速呈现正相关,相关系数均在0.53以上;(6)周期为0.45—0.53 d的沿岸风对各站余水位的影响最大。     

楚科奇海夏季潮流和余流观测研究

根据2008年8月5日至9月7日在楚科奇海布放的一套锚碇潜标观测系统(71°40.024′N,167°58.910′W)获得的海流剖面资料研究了该海区的海流分布特征,重点探讨了潮流的垂向结构、余流剖面特征及海流的斜压性.结果表明:(1)该海域主要分潮为半日潮M1,S2和N2,近日分潮O1,天文分潮MM和MSF,其中以M...     

渤海天文-气象分潮的分析

本文研究了天文-气象分潮、相应的天文分潮及它们的合成分潮之间的关系,得出调制椭圆以表示合成分潮的季节变化.渤海实测资料表明,天文-气象分潮在潮汐分析和预报中有着重要意义.文章分析了渤海天文-气象分潮的主要特征,并用数值实验检查了可能造成天文-气象分潮的动力因素.     

全球大洋潮汐模式在北印度洋潮汐预报准确性的评估

为评估DTU10、TPXO8、GOT00.2和NAO.99b 4个全球大洋潮汐模式对北印度洋潮汐的预报能力,采用英国海洋资料中心提供的海区中部和沿岸站潮汐调和常数资料,检验了这些模式4个主要分潮(M_2、S_2、K_1、O_1)的准确度。它们的各分潮调和常数资料准确度都比较高,振幅绝均差的最大值仅5.61 cm,迟角绝均差的最大值仅9.13°。这些模式的调和常数给出潮波传播特征差别不大。基于这些模式提供的调和常数,分别建立了北印度洋4、8和16分潮潮汐预报模型,将预报结果与中国海事服务网提供的沿岸24个站潮汐表资料进行对比。各模式的8分潮(M_2、S_2、N_2、K_2、K_1、O_1、P_1、Q_1)潮汐预报模型均优于4分潮(M_2、S_2、K_1、O_1)潮汐预报模型,NAO.99b模式可以提供16分潮(M_2、S_2、N_2、K_2、K_1、O_1、P_1、Q_1、MU_2、NU_2、T_2、L_2、2N_2、J_1、M1、OO_1)潮汐预报模型,但是对预报结果改善不明显;在各模式中,GOT00.2模式的8分潮潮汐预报模型对北印度洋沿岸的预报效果最好,平均绝均差为14.97 cm。     

莫桑比克海峡及其邻近海区正压潮流数值模拟与能量收支分析*

莫桑比克海峡及其邻近海区是全球海洋潮流和潮能耗散最强的海区之一。文章利用高分辨率通用环流模式对该海区的正压潮流进行模拟, 并对该海区潮能通量和潮能耗散特征进行分析。结果表明, 莫桑比克海峡及其邻近海区的潮波主要是半日分潮占主导地位, 全日分潮可忽略不计, M₂分潮形成1个左旋潮波系统和1个右旋潮波系统, S₂分潮形成1个左旋潮波系统。莫桑比克海峡和马达加斯加岛南部等绝大数区域的M₂和S₂半日潮流是逆时针旋转, 在马达加斯加岛顶部等局部区域是顺时针旋转, 而且在海峡通道等复杂地形处潮流流速量级较大。潮能通量矢量主要来自东边界, 大部分潮能通量沿马达加斯岛北部传入莫桑比克海峡区域, 其中经过马达加斯加岛北部和进入莫桑比克海峡的M₂ (S₂)分潮的潮能通量分别为156.86GW (40.53GW)和148.07GW (36.05GW), S₂分潮潮能通量的量级大约为M₂分潮的1/5~1/4。底摩擦耗散主要发生莫桑比克海峡和马达加斯加岛南北部, 其中莫桑比克海峡M₂ (S₂)分潮的底摩擦耗散为1.762GW (0.460GW), 占其底部总耗散的43.74% (39.72%)。     

基于FVCOM 的渤海潮波数值模拟

基于有限体积法海洋数值模型(FVCOM),对渤海当前水深岸线状况下的潮汐潮流进行了数值计算。模式采用不规则三角形网格,较好地提高了黄河口处网格分辨率,模拟了渤海海域K1,O1,M2和S2四个主要分潮。利用渤海沿岸19个验潮站的资料对模拟结果进行了验证,K1分潮振幅绝均差2.39 cm,迟角绝均差4.36°,O1分潮振幅绝均差1.40 cm,迟角绝均差4.29°,M2分潮振幅绝均差为3.55 cm,迟角绝均差为5.69°,S2分潮振幅绝均差1.72 cm,迟角绝均差8.86°,结果显示各分潮模拟结果合理,较真实地反映了渤海海域四个分潮传播情况。     

北部湾北部白龙尾附近海域潮流谱分析

用锚定、座底声学多普勒海流剖面仪(ADCP),对白龙尾开阔水域进行为期1a的分层海流观测,通过最大熵谱分析方法,得出结论:1)日分潮O1,K1和半日分潮M2,S2是白龙尾主要分潮流,半日潮流能量大于日潮流能量;2)在半日潮和全日潮分量中,逆时针运动(f0)是主要的,并从潮波旋转形态方面给予解释;3)周期为6h左右的浅水分潮,在底层通过显著性检验,表明近底摩擦是浅水分潮生成的主要机制;4)在f0情况下,周期超过3d的长周期运动(余流)有3个,其中8.3d的长周期运动,在表、中和底层都通过显著性检验,5.2d在中层和底层通过显著性检验,认为主要是潮余流引起的。     

渤海潮波系统的数值模拟

利用二维非线性潮波方程组,讨论了渤黄海主要分潮(全日潮、半日潮及浅水分潮) 数值模拟中的有关问题。数值模拟中同时考虑了4个主要分潮(M2,S2,K1,O1)和两个浅水分潮(M4,MS4)。分析表明,在渤黄海潮波系统数值模拟中,稳定后选取14 d的数值模拟结果进行调和分析能够取得最佳(最合理)的调和分析结果。计算出调和常数的模拟值与实测值之差的绝对平均值:M2分潮的振幅差为4cm,迟角差为3.3°,S2分潮的振幅差为2cm,迟角差为4.2°,K1 分潮的振幅差为1cm,迟角差为3.7°,O1分潮的振幅差为2 cm,迟角差为5.5°。实验结果较好地体现了渤黄海潮波系统的特征。     

南海潮汐数值计算

南海水域广阔,潮汐现象十分复杂。已有一些研究南海潮汐的文章和成果,如(1964)、(1975)、叶安乐(1983)等。但是,比较各作者的成果和结论,发现对南海潮波系统的分析、阐述差异甚大。国内书刊关于南海潮亦众说不一。本文期望进一步探索南海潮的传播与分布规律,供南海区域海洋学参考,并愿能为南海开发者提供一点潮汐信息。本文用边值方法数值求解四个主要分潮(M_2、S_2、K_1、O_1)潮波运动方程,依计算结果绘制出各分潮等潮图,探讨了主要全日和半日潮波在南海传播、分布的规律。     

基于卫星高度计资料提取浙江近海的潮汐信息

利用Topex/Poseidon(T/P)、Jason-1和Jason-2卫星24a的原始轨道及6a的变轨轨道高度计资料,对浙江近海区域内进行潮汐调和分析,得到8个主要分潮(Q_1、O_1、P_1、K_1、N_2、M_2、S_2和K_2)的调和常数.比较卫星轨道交叉点处潮汐调和常数结果显示,8个分潮总体综合误差在原始轨道,变轨轨道及原始轨道与变轨轨道交叉点处的和方根RSS值分别为3.16、7.02、5.54cm;用卫星高度计资料及31个近岸验潮站得到的潮汐分布与21个验潮站资料结果进行比较,M_2、S_2、N_2、K_1和O_1主要分潮的多点向量均方根偏差分别为4.32、3.64、1.97、2.61、1.83 cm;本研究结果与前人数值模拟结果比较显示M2、S2分潮在对比点处的多点向量均方根偏差在11、8 cm左右,最后给出了浙江近岸及近海区域更为精确的5个主要分潮(M_2、S_2、N_2、K_1和O_1)的同潮图.     

台湾海峡及其邻近海域潮汐数值计算

建立二维潮波模式,模拟了台湾海峡及其邻近海域(18-30°N,110-130°E)八个主要分潮(M2、S2、K1、O1、P1、Q1、K2、N2),并利用中国大陆及环台湾岛20多个潮位站的实测资料进行验证,计算结果与实测值吻合良好.此外,给出了八个主要分潮的同潮图,并逐个讨论了潮汐特征.结果显示:⑴台湾海峡中的潮波运动是北部蜕化了的旋转潮波系统和南部的前进潮波系统共同作用的结果.⑵半日分潮南、北两支潮波在台湾海峽中部汇合,而全日分潮则在台湾海峽南部海域汇合后继续朝西南方向传播.⑶半日分潮振幅最高值发生在福建省湄洲湾—兴化湾一带,全日分潮最高值则出现在雷州半岛以东一带近岸海域.⑷N2、K2和O1、P1、Q1分潮的振幅、迟角分布分别同M2与K1分潮的整体分布趋势相似.     

泰国湾及邻近海域潮汐潮流的数值模拟

本文基于FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)模式,模拟了泰国湾及其周边海域K1、O1、M2和S2四个主要分潮。采用47个验潮站实测调和常数与模拟结果进行比较,所得4个分潮的均方差分别为4.06cm、3.76cm、8.22cm和4.71cm,符合良好。根据计算结果分析了泰国湾及其周边海域的潮汐、潮流的分布特征和潮波的传播特征。数值试验表明,现有的数字水深资料(ETOPO1,ETOPO5,DBDB-V)的准确度不足以合理地模拟泰国湾潮波。     

地壳升降对渤、黄、东海潮波系统的影响

利用海平面变化预测模型,预测了渤黄东海未来海平面的上升值。该模型考虑了温室效应和地壳升降。根据潮波运动基本方程和海平面上升的预测值,数值模拟了渤黄东海潮波系统的变化。结果显示,半日分潮(M2,S2)的振幅变化ΔH(或位相变化Δg)有相似的正负分布模式,全日分潮(K1,Q1)的也是如此。考虑和不考虑地壳升降情况下得到的正负分布模式,在黄海存在着较明显的差别,那是由于在黄海存在一个范围很广的海平面变化年速率为负的区域所致。在我国沿岸主要站点,考虑地壳升降情况下获得的主要分潮振幅与不考虑的相比,其中M2分潮的差别最大,其差值范围为-1.8～3.3 cm。在主要站点,利用考虑地壳升降情况下获得的调和常数计算所得的海图深度基准面、最高和最低天文潮位,与利用原调和常数计算所得的相比,海图深度基准面的变化范围为-12.4～14.6 cm,最高天文潮位的变化范围为-11.7～13.0 cm,最低天文潮位的变化范围为-11.9～10.5 cm。