碼頭潮流精細(xì)化觀測(cè)預(yù)報(bào)淺析*1

盧小鵬，陸偉先，侯國鋒，成鳳暌，呂翠蘭

(寧波海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，浙江 寧波 315012)

碼頭潮流精細(xì)化觀測(cè)預(yù)報(bào)淺析*1

盧小鵬，陸偉先，侯國鋒，成鳳暌，呂翠蘭

(寧波海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，浙江 寧波 315012)

對(duì)港口碼頭的定點(diǎn)進(jìn)行潮流精細(xì)化預(yù)報(bào)，是對(duì)區(qū)域潮流場(chǎng)預(yù)報(bào)工作的有利補(bǔ)充。結(jié)合當(dāng)前定點(diǎn)潮流預(yù)報(bào)工作的開展，從基本的4個(gè)測(cè)站的站點(diǎn)布設(shè)，選擇合適的時(shí)間獲取預(yù)報(bào)所需的原始觀測(cè)資料，再到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理，至預(yù)報(bào)計(jì)算方法，以及預(yù)報(bào)產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用等多方面，深入探討如何科學(xué)有效地開展港口碼頭潮流精細(xì)化預(yù)報(bào)工作，更好地滿足當(dāng)前市場(chǎng)的需求。關(guān)于資料的采集主要側(cè)重目前運(yùn)用較為成熟的四測(cè)站布置方案，并結(jié)合實(shí)際工作中遇到的一些問題進(jìn)行具體闡述。

潮流；精細(xì)化預(yù)報(bào)；資料采集；測(cè)站布置；差比參數(shù)；調(diào)和分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，大量的海上運(yùn)輸工作催生了沿海的大型港口碼頭工程的開發(fā)建設(shè)，大型泊位的數(shù)量也與日俱增。寧波—舟山沿海港區(qū)一直以來都是我國的重要港區(qū)，其周圍大型碼頭分布密集。而這一帶海域島嶼眾多、航道交錯(cuò)、流況復(fù)雜、岸線及海底水深地形曲折多變，這些因素都為港口的船只?？繋聿槐恪榱税踩a(chǎn)需要，特別是一些大型船舶的安全引航和靠離、泊作業(yè)，許多大型碼頭迫切需要有針對(duì)性精密的潮汐潮流預(yù)報(bào)。

傳統(tǒng)的潮流預(yù)報(bào)，如國家信息中心提供的潮汐潮流預(yù)報(bào)表，它給出某個(gè)海域特定點(diǎn)的潮流預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，該預(yù)報(bào)產(chǎn)品的時(shí)間尺度較大，一般一天只有4個(gè)時(shí)次的預(yù)報(bào)，為轉(zhuǎn)流時(shí)刻和極值漲、落潮流時(shí)刻。在流況復(fù)雜多變的水域，這些預(yù)報(bào)不能很好地反映海流的分布變化，無法滿足安全作業(yè)的需要。特別是針對(duì)如寧波—舟山港區(qū)的復(fù)雜岸線，碼頭前沿流況往往具有非常細(xì)微的局地特征，碼頭附近的礁石、山岬、小島嶼及多變的等深線均會(huì)對(duì)潮流的流速、流向產(chǎn)生明顯的影響，而且局地的小渦旋、切變線時(shí)有發(fā)生，這都會(huì)影響到大型船只的安全靠離泊。此外，碼頭建成前后，其所在區(qū)域的流況也會(huì)發(fā)生一定的變化，所以對(duì)新建碼頭水域的流況進(jìn)行潮流預(yù)報(bào)也顯得尤為重要。

開展港口碼頭的精細(xì)化潮流預(yù)報(bào)必須要掌握其所在海域的潮汐潮流實(shí)際情況，需要在建成后對(duì)碼頭的潮汐潮流進(jìn)行一次觀測(cè)，以最經(jīng)濟(jì)的方法科學(xué)合理地安排觀測(cè)時(shí)間、布置觀測(cè)站點(diǎn)就都尤為重要。多年開展精細(xì)化潮流預(yù)報(bào)工作使得我們積累了一定的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，下面將針對(duì)大型港口碼頭潮流精細(xì)化預(yù)報(bào)進(jìn)行具體闡述，希望能對(duì)其它有港口潮流預(yù)報(bào)需求的研究給予啟發(fā)。

1 觀測(cè)資料獲取

開展精細(xì)化潮流預(yù)報(bào)首先必須準(zhǔn)確掌握碼頭前沿潮汐、潮流情況，這是預(yù)報(bào)結(jié)果是否準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵所在，需要獲取的原始資料主要包括潮汐、潮流和大面漂流跡線等。

潮汐、潮流資料的準(zhǔn)確性直接影響到預(yù)報(bào)成果的好壞。但是準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù)不僅僅要求資料獲取的過程中要盡量減少人為誤差、機(jī)器誤差、天氣因素的干擾，還要求潮流的分潮調(diào)和常數(shù)具有代表性，使實(shí)測(cè)潮流資料能真實(shí)代表所在海域潮流的實(shí)際情況。采集滿足這些要求的觀測(cè)數(shù)據(jù)，除了應(yīng)選擇合理的觀測(cè)時(shí)間和可靠、高準(zhǔn)確度的儀器設(shè)備之外，還應(yīng)根據(jù)碼頭的特點(diǎn)，科學(xué)合理地布置觀測(cè)站點(diǎn)。

1.1 觀測(cè)時(shí)間

因?yàn)楹Ａ?、漂流資料獲取的經(jīng)濟(jì)成本較大，為了以較少天數(shù)的海流觀測(cè)資料求得盡可能準(zhǔn)確的潮流調(diào)和常數(shù)，海流連續(xù)觀測(cè)應(yīng)選擇在天文條件良好、天氣狀況較好的日期進(jìn)行，避開冷空氣、氣旋、臺(tái)風(fēng)等天氣系統(tǒng)影響時(shí)間。本文主要介紹選用引入差比參數(shù)的方法進(jìn)行潮流調(diào)和分析，故在選擇良好天文條件時(shí)，要考慮滿足如下要求[1-2]：

(1)

(2)

滿足公式(1)、(2)條件的觀測(cè)日期即為大潮期間(全日潮和半日潮)。一般說每月農(nóng)歷初一、十五前后是半日潮良好期間，每月太陰赤緯最大的日期前后是全日潮良好期間。而海區(qū)最大潮流發(fā)生時(shí)刻一般為初一、十五，月赤緯最大的日期加上半日潮齡或日潮齡，即大潮出現(xiàn)時(shí)間。一般海流調(diào)和分析計(jì)算要求連續(xù)觀測(cè)不應(yīng)少于3次，故分別為大、中、小潮期間，所以開展觀測(cè)期間一般要包括一次完整的大、中、小潮汛，選擇從低潮或高潮發(fā)生前開始，為保證各個(gè)分潮觀測(cè)周期的閉合性，一般觀測(cè)時(shí)間不少于26 h。在此期間還同步進(jìn)行漂流觀測(cè)和為期1個(gè)月的潮汐觀測(cè)。

1.2 儀器設(shè)備及使用

在調(diào)查海域附近設(shè)置一個(gè)臨時(shí)潮位觀測(cè)站點(diǎn)，按潮汐觀測(cè)規(guī)范GB/T 14914-2006《海濱觀測(cè)規(guī)范》[3]的要求，設(shè)置水尺、水準(zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，用潮位自動(dòng)觀測(cè)儀獲取一個(gè)月的連續(xù)潮位逐時(shí)觀測(cè)資料，利用該資料可計(jì)算所在海域的Q1，O1，P1，K1，N2，M2，S2和K2這8個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)。

潮流觀測(cè)以歐拉方法和拉格朗日方法同步分別進(jìn)行。在觀測(cè)海域，首先采用GPS全球差分定位系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，然后以直讀式海流計(jì)或聲學(xué)多普勒海流剖面儀(ADCP)同步獲取各站點(diǎn)各層的潮流數(shù)據(jù)。直讀式海流計(jì)在流速較小時(shí)流向測(cè)量偏差較大，且數(shù)據(jù)取樣時(shí)間間隔一般為1 h，因此，多數(shù)情況下以ADCP應(yīng)用更多些。

目前，ADCP測(cè)流主要有兩種類型，一種為固定式，一種為走航式。固定式ADCP對(duì)海底地形的要求較高，要求地形平坦或坡度較小，即保證儀器在水底穩(wěn)定，在整個(gè)觀測(cè)期間位置不變。走航式ADCP因安裝在船只上，在測(cè)流過程中會(huì)因船只的擺動(dòng)受到一定程度的干擾，從而影響定點(diǎn)位置及測(cè)流數(shù)據(jù)。因此，對(duì)定點(diǎn)測(cè)流來說，固定式ADCP獲取的資料相比走航式ADCP更真實(shí)，建議使用固定式ADCP。

整個(gè)測(cè)流時(shí)間要求包含大、中、小三個(gè)潮汛，與潮位同步，這樣才能更好地分析本海域各站點(diǎn)潮流與潮位的關(guān)系，如潮流的轉(zhuǎn)流、漲落急時(shí)刻與高低潮時(shí)的關(guān)系。另外，在以歐拉方法獲取定點(diǎn)潮流資料的同時(shí)，還應(yīng)在調(diào)查水域的上、下游分別進(jìn)行大、中、小潮汛的同步漂流觀測(cè)，采用GPS對(duì)漂流示蹤浮標(biāo)進(jìn)行定位與測(cè)時(shí)，以了解海域是否存在“壓攏流”、“撇開流”、回流或漩渦等不利流況。這種將點(diǎn)與面的潮流調(diào)查有利結(jié)合的觀測(cè)方式，也是當(dāng)前較為常見的準(zhǔn)確獲取潮流資料的手段。

1.3 測(cè)點(diǎn)的設(shè)置

測(cè)點(diǎn)的布置[4]包括測(cè)流點(diǎn)、臨時(shí)潮位站點(diǎn)和漂流區(qū)起漂點(diǎn)。潮位站的布置較為簡單，就地取材，因地制宜，一般在碼頭附近尋找1個(gè)方便的位置設(shè)置1個(gè)臨時(shí)驗(yàn)潮站。測(cè)流點(diǎn)和漂流區(qū)的布置，要依碼頭所在水域的具體地理位置及潮流情況而定。

潮流預(yù)報(bào)目的是為安全生產(chǎn)服務(wù)的，因此站點(diǎn)的布設(shè)也主要從實(shí)際的安全工作出發(fā)，主要根據(jù)碼頭的設(shè)計(jì)噸級(jí)，以碼頭前方靠泊船只的2至4倍船身寬度處開始考慮潮流對(duì)船只的影響。一般而言，從碼頭中軸向前約2倍和4倍船寬處各設(shè)1個(gè)測(cè)流點(diǎn)，考慮到潮流對(duì)船頭和船尾的影響，在碼頭兩端前方也各設(shè)1個(gè)測(cè)流點(diǎn)，故一般共設(shè)4個(gè)定點(diǎn)測(cè)流點(diǎn)，具體如圖1所示。但是每個(gè)碼頭水域?qū)嶋H情況都是各不相同的，在進(jìn)行站點(diǎn)布設(shè)時(shí)，要綜合考慮到水深條件、碼頭周邊地形、儀器安放等多個(gè)因素的影響，并以引航部門的實(shí)際需要出發(fā)，對(duì)站點(diǎn)設(shè)置進(jìn)行最優(yōu)化的調(diào)整，有必要時(shí)還應(yīng)該增加測(cè)點(diǎn)。比如，碼頭前沿水域可能存在潮流切變線的情況，可將碼頭外側(cè)的測(cè)點(diǎn)適當(dāng)布設(shè)得更遠(yuǎn)一些，或者考慮增加一個(gè)測(cè)點(diǎn)，以便觀測(cè)到切變線的存在位置或存在時(shí)間。四測(cè)點(diǎn)布置方案只是常規(guī)辦法，實(shí)際操作中在編寫潮流觀測(cè)技術(shù)方案時(shí)，還需結(jié)合碼頭的初步設(shè)計(jì)書和通航評(píng)估報(bào)告等相關(guān)資料，并結(jié)合引航部門和碼頭方的要求(包括經(jīng)費(fèi)投入情況)來合理布局潮流點(diǎn)。為了船只安全?？看a頭，為了更多地了解海域流況，還可對(duì)船只進(jìn)出的主要航道進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量。

圖1 碼頭前沿潮流觀測(cè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置圖Fig.1 Layout of the tidal current observation stations in front of the wharf

定點(diǎn)測(cè)流的同時(shí)，還應(yīng)該在碼頭前方海域進(jìn)行大面漂流，目的是了解碼頭前沿海域的表層流情況。漂流海域范圍一般以碼頭為中心，分別向上游、下游及碼頭前方各延伸500 m，根據(jù)需要還可適當(dāng)外延，與定點(diǎn)測(cè)流同步進(jìn)行。參考臨時(shí)觀測(cè)站或附近站點(diǎn)的潮位資料，分別就大、中、小潮期間選擇漲、落潮時(shí)段，從下游或上游的位置布置3～6個(gè)浮標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行同步跟蹤漂流，從流路軌跡分析海域是否存在渦旋及其存在位置、漂流軌跡走向是否與碼頭存在夾角以及夾角的大小。一般而言，每潮次的漂流跡線不應(yīng)少于12條，即漲、落潮各6條，本文建議每潮次漂流跡線達(dá)20條以上。在漂流的過程中，還會(huì)存在漂流跡線遠(yuǎn)離漂流區(qū)的情況，起漂點(diǎn)還要結(jié)合實(shí)際情況再做調(diào)整。因?yàn)閷?shí)際情況的復(fù)雜性，建議在做跡線漂流時(shí)，能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)特殊現(xiàn)象做一個(gè)跟蹤記錄，如哪里有渦旋、哪里有切變等，這些都是資料處理中不可多得的實(shí)測(cè)參考資料。

1.4 應(yīng)用實(shí)例

為了更好地闡述這一站點(diǎn)布設(shè)方案，本文以寧波光明通用碼頭為例進(jìn)行說明。該碼頭位于寧波市北侖區(qū)穿山半島的東北端，地處螺頭水道南側(cè)、與峙頭洋的交接水域(碼頭局地地形見圖2)。其水域岸線呈凹弧形，水下地形復(fù)雜，碼頭東西兩端均有山岬突出，又位于穿山半島的轉(zhuǎn)角位置，導(dǎo)致局地出現(xiàn)極為復(fù)雜的回流與渦旋。

圖2 寧波光明碼頭地形圖Fig.2 The topographic map of the Guangming Wharf

光明碼頭由5萬噸級(jí)海輪碼頭(寬30 m、長440 m)和萬噸級(jí)江海聯(lián)運(yùn)碼頭(寬20 m、長190 m)組成，兩碼頭呈反L形聯(lián)結(jié)。在5萬噸級(jí)主碼頭的潮流觀測(cè)站布設(shè)測(cè)點(diǎn)，基本遵循四測(cè)點(diǎn)布置方案。在碼頭中間和兩端兩倍船寬(100 m)距離處分別布置了2#、3#和4#三個(gè)測(cè)點(diǎn)；為了更有利地觀測(cè)到碼頭前方可能存在的渦旋切變線，將外部5#測(cè)點(diǎn)延伸至約250 m處。此外，在萬噸級(jí)的江海聯(lián)運(yùn)碼頭中間正前方50 m布置了1#測(cè)點(diǎn)，作為該碼頭的潮流預(yù)報(bào)點(diǎn)；在5萬噸級(jí)海輪碼頭右前方“船舶調(diào)頭水域”處布置了6#測(cè)點(diǎn)，用于了解調(diào)頭水域的流況。因光明碼頭前方存在明顯的渦旋，根據(jù)碼頭初步設(shè)計(jì)書提供的信息，本次設(shè)計(jì)的漂流區(qū)域在實(shí)際觀測(cè)中完全涵蓋了碼頭前方的渦旋區(qū)，見圖3。

圖3 光明碼頭潮流觀測(cè)站位布置圖Fig.3 Layout of the tidal current observation stations in front of the Guangming Wharf

2 精細(xì)化預(yù)報(bào)計(jì)算方法

從目前的潮流預(yù)報(bào)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，碼頭定點(diǎn)潮流精細(xì)化預(yù)報(bào)引用碼頭附近潮汐站點(diǎn)的調(diào)和常數(shù)作為差比參數(shù)，運(yùn)用嚴(yán)格最小二乘法進(jìn)行調(diào)和分析，計(jì)算多個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)，并用于預(yù)報(bào)。

潮流分析和預(yù)報(bào)是根據(jù)海流周日連續(xù)觀測(cè)資料分離出潮流和非潮流，算得潮流調(diào)和常數(shù)，進(jìn)而預(yù)報(bào)任意時(shí)刻的潮流流況。而實(shí)測(cè)海流包括由天體引力所產(chǎn)生的潮流以及主要由水文、氣象等條件所產(chǎn)生的非潮流(也稱余流)兩部分。運(yùn)用短序列的實(shí)測(cè)資料用于預(yù)報(bào)，資料的準(zhǔn)確性、代表性對(duì)整個(gè)潮流預(yù)報(bào)的開展將起到至關(guān)重要的作用。

按照上述要求開展潮汐、潮流資料的現(xiàn)場(chǎng)采集，利用獲取的資料開展預(yù)報(bào)工作。引用差比參數(shù)，用嚴(yán)格最小二乘法分別計(jì)算潮流北、東分量的調(diào)和常數(shù)，再按照下式進(jìn)行潮流預(yù)報(bào)[1-2，5]：

(3)

(4)

式中，U0，V0為調(diào)和分析潮流北、東分量的平均振幅，計(jì)算時(shí)取北、東分量余流；Ui，ξi為分潮北分量的調(diào)和常數(shù)；Vi，ηi為分潮東分量的調(diào)和常數(shù)；Di，v0i為平衡潮分潮的振幅系數(shù)和格林威治初相。

對(duì)北、東分量的兩組預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，計(jì)算出每小時(shí)或半小時(shí)的潮流預(yù)報(bào)結(jié)果。

3 潮流精細(xì)化預(yù)報(bào)產(chǎn)品的應(yīng)用探討

目前關(guān)于港口、碼頭潮流精細(xì)化預(yù)報(bào)產(chǎn)品，主要是各定點(diǎn)潮流逐時(shí)(或每半小時(shí))流速、流向預(yù)報(bào)報(bào)表，預(yù)報(bào)層次以5 m層或10 m層為主。碼頭單位或海事引航部門可根據(jù)該報(bào)表進(jìn)行合理的進(jìn)出港調(diào)度，保障生產(chǎn)安全。

針對(duì)流速變化較大水域，還可利用預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)制作乘流預(yù)報(bào)產(chǎn)品，即分別對(duì)漲、落潮流時(shí)段進(jìn)行流速的分級(jí)統(tǒng)計(jì)，找出<50 cm/s，50～100 cm/s，100～150 cm/s和>150 cm/s的潮流分布情況，這樣用戶在使用時(shí)可直接找出可操作的靠泊時(shí)間；可以根據(jù)特殊用戶的要求，制作漲、落急及轉(zhuǎn)流時(shí)刻等更加精細(xì)化的預(yù)報(bào)產(chǎn)品。對(duì)潮汐而言，對(duì)一些水深條件較為苛刻的航道，可制作乘潮預(yù)報(bào)產(chǎn)品，以保證船只的吃水不受阻礙。

因?yàn)槊總€(gè)水道和區(qū)域的特殊性，每個(gè)地方的潮流都有各自的特征，我們?cè)谥谱鳟a(chǎn)品時(shí)可結(jié)合用戶單位的意見，了解他們更關(guān)注于潮流的哪些方面，這樣才能制作出更能滿足用戶需求的產(chǎn)品。

上述產(chǎn)品都是基于同一份潮流數(shù)據(jù)制作的數(shù)據(jù)表形式的產(chǎn)品，還可在這些數(shù)據(jù)表的基礎(chǔ)上再進(jìn)行二維預(yù)報(bào)產(chǎn)品的可視化表達(dá)，使預(yù)報(bào)結(jié)果更為直觀地呈現(xiàn)給用戶。

4 結(jié) 語

碼頭前沿的潮汐、潮流精細(xì)化預(yù)報(bào)產(chǎn)品是為大型碼頭安全生產(chǎn)，特別是大型船舶的安全引航和靠、離泊作業(yè)服務(wù)的海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品，在實(shí)際應(yīng)用中為碼頭安全生產(chǎn)和船舶靠離港作業(yè)提供了有力的安全保障。在觀測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)越來越先進(jìn)的今天，在定點(diǎn)潮流精細(xì)化預(yù)報(bào)基礎(chǔ)之上，還可以根據(jù)碼頭生產(chǎn)的特點(diǎn)，開發(fā)出更多、更好的服務(wù)于碼頭安全生產(chǎn)的預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

[1]黃祖珂,黃磊.潮汐原理與計(jì)算[M].北京:海洋出版社,2006.

[2]陳宗鏞.潮汐學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1980.

[3]GB/T 14914-2006 海濱觀測(cè)規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[4]盧小鵬,呂翠蘭.碼頭前沿水域潮流觀測(cè)與分析預(yù)報(bào)的應(yīng)用[J].海岸工程,2012,31(1)：16-21.

[5]方國洪,鄭文振,陳宗鏞,等.潮汐和潮流的分析與預(yù)報(bào)[M].北京:海洋出版社,1986：388-406.

MeticulousObservationandPredictionofTidalCurrentinFrontoftheWharf

LUXiao-peng,LUWei-xian,HOUGuo-feng,CHENGFeng-kui,LüCui-lan

(NingboMarineEnvironmentMonitoringCenterStation,SOA,Ningbo 315012,China)

It is a beneficial supplement to the prediction of regional tidal current field to carry out meticulous observation and prediction of tidal current at the fixed points in front of the wharf.Combining with the work of prediction of fixed point tidal current,how to carry out scientifically and effectively the meticulous observation and prediction of tidal current in front of the wharf is discussed in detail from the aspects of the basic four-station layout,the acquiring of the original observation data needed for the prediction at the right time,the processing of measured data,the calculation method of forecasting and the development and application of the forecast products.Concerning the gathering of the data,particular emphasis is mainly put on the four-station layout scheme that has been used more maturely at the present,for the details of which illustrations are made concretely according to the problems encountered in the practical work.

tidal current;meticulous prediction;gathering of the data;station layout;comparative parameters;harmonic analysis

2013-09-22

國家海洋局東海分局基金項(xiàng)目——碼頭前沿潮汐潮流預(yù)報(bào)優(yōu)化及可視化研究(201205)

盧小鵬(1976-)，女，工程師，主要從事海洋預(yù)報(bào)方面研究.E-mail:597335508@qq.com

(王 燕 編輯)

P731.3

A

1002-3682(2014)03-0010-07