基于全球潮汐模型的東海海域潮汐性質(zhì)空間分布

鄔紅濤

(福建省港航管理局勘測中心,福建 福州 350000)

潮汐是海水在日月等天體引潮力作用下產(chǎn)生的周期性運動,是影響海面起伏變化的重要因素,對沿海人們的生活等有重要影響[1]。潮汐類型和潮差大小的確定是明確潮汐變化規(guī)律的基礎(chǔ),而深度基準(zhǔn)面的精確確定是穩(wěn)態(tài)水深表達的關(guān)鍵。潮汐類型、深度基準(zhǔn)值和潮差大小等潮汐性質(zhì)的定量化分析,更是為港口建設(shè)、石油開發(fā)等海上活動直接提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

已有研究利用驗潮站實測潮位數(shù)據(jù)對山東沿海[2]、東山灣[3]等國內(nèi)海域以及國外如越南沿海[4]等海域的潮汐類型、漲落潮時等潮汐性質(zhì)進行了分析,獲取了驗潮站站點處較為準(zhǔn)確的潮汐性質(zhì),但限于驗潮站分布稀疏,無法了解整個研究海域的潮汐性質(zhì)的空間分布。東海海域的潮汐性質(zhì)長期以來也得到了廣泛關(guān)注和研究,比如,董慧和王文靜[5]及莊媛[6]采用驗潮站實測數(shù)據(jù)分別分析了舟山港區(qū)和長江口海域的潮汐性質(zhì)。事實上,采用驗潮站數(shù)據(jù)分析潮汐性質(zhì)的優(yōu)勢是站點觀測時間較長,能夠得到較為準(zhǔn)確的分潮調(diào)和常數(shù),從而獲取可靠的非調(diào)和常數(shù)。但是長期驗潮站站點分布稀疏,控制范圍有限,且每個站點提供的潮位數(shù)據(jù)時間范圍不一,隨著針對調(diào)和常數(shù)趨勢性的研究分析[7],利用這種時間范圍不一致、時間尺度不統(tǒng)一的潮位數(shù)據(jù)獲取的潮汐非調(diào)和常數(shù)往往存在較大差異?；诖?付延光等[8]聯(lián)合采用驗潮站數(shù)據(jù)和潮汐模型結(jié)果分析了中國沿海海域潮汐類型、潮差大小和潮高日不等現(xiàn)象,但其采用全球潮汐模型NAO.99b在中國沿海1°×1°空間分辨率的結(jié)果,其空間分辨率較為稀疏,對于描述局部海域潮汐性質(zhì)方面準(zhǔn)確性還有待提高。

目前有較多學(xué)者利用驗潮站實測數(shù)據(jù)分析了中國海域潮汐模型的精度[9-13],研究結(jié)果表明全球潮汐模型FES 2014在中國海域的精度略高于其他潮汐模型[14],且其空間分辨率能夠滿足本研究海域的潮汐性質(zhì)分析。鑒于潮汐類型的確定和潮差分布在海上港口建設(shè)、航運、軍事活動及海道測量作業(yè)等領(lǐng)域使用廣泛,且深度基準(zhǔn)面是穩(wěn)態(tài)水深表達、陸海垂直基準(zhǔn)統(tǒng)一的基礎(chǔ),因此,本文采用全球潮汐模型FES 2014提供的(1/16)°×(1/16)°空間分辨率網(wǎng)格點結(jié)果,主要定量分析東海海域潮汐類型、深度基準(zhǔn)面和不同潮差類型等潮汐非調(diào)和常數(shù),以及各類潮汐性質(zhì)參數(shù)在東海海域的分布,進而探討東海海域潮汐性質(zhì)分布規(guī)律,為進一步掌握東海海域潮汐性質(zhì)的空間分布和開展相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 潮汐模型和計算方法

1.1 全球潮汐模型

全球海洋潮汐模型可以分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀⒊辈▌恿W(xué)模型和同化潮汐模型三類模型。其中,經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭唤⒃谟^測數(shù)據(jù)上,在觀測點上具有較高的精度保證,但受限于驗潮站和衛(wèi)星軌跡的地面分布。潮波動力學(xué)模型理論上可以建立任意網(wǎng)格密度的模型,這有益于研究波長較小的淺水區(qū)域的潮汐分布,而實際上摩擦系數(shù)、黏性系數(shù)與開邊界條件的不準(zhǔn)確使得模型在淺水區(qū)域的精度并不理想。同化法使觀測數(shù)據(jù)與理論模型相互融合,數(shù)據(jù)對模型的“拉動”作用可改善模型的質(zhì)量,結(jié)合了經(jīng)驗法的真實性與動力學(xué)的規(guī)律性,是解決淺水區(qū)域潮汐復(fù)雜性的最好方法。目前得到廣泛采用的全球潮汐模型大多是同化模型。FES 2014是FES(Finite Element Solution)系列全球有限元潮汐模型的最新成果[15],屬于同化潮汐模型。該模型是利用基于波譜結(jié)構(gòu)的TUGOm(Toulou-Unstructured Grid Ocean model)水動力潮汐解,并結(jié)合SpEnOI(Spectrum Ensemble Optimal Interpolation)數(shù)據(jù)同化軟件建立起來的,同化的數(shù)據(jù)源包括TOPEX/Poseidon、Jason-1和Jason-2數(shù)據(jù),以及TOPEX/Poseidon變軌軌道任務(wù)數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)全球海域的覆蓋和改善模型在淺海海域的精度,地形數(shù)據(jù)采用20個區(qū)域的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格地形模型。

采用FES 2014潮汐模型提取東海海域(117°～131°E,23°～33°N,圖1)13個分潮(Q1、O1、P1、K1、N2、M2、S2、K2、M4、MS4、M6、Sa和Ssa)的調(diào)和常數(shù),并計算各潮汐特征值。該海域?qū)?yīng)的模型空間分辨率為(1/16)°×(1/16)°,共36 612個網(wǎng)格點,受陸海交界、島礁存在的影響,模型在距離海岸線一定范圍的海域內(nèi)不存在結(jié)果,最終獲得共計26 636個有效網(wǎng)格點。

圖1 本文中東海海域的研究范圍Fig.1 The study area in the East China Sea

1.2 深度基準(zhǔn)面的計算

1)理論最低潮面

理論最低潮面,也可稱為理論上可能最低潮面[16]。依據(jù)《海道測量規(guī)范》[17],將理論最低潮面采用13個分潮整體計算,得到相對于當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫娴纳疃然鶞?zhǔn)值,稱為L值,其計算公式為:

式中,RK1、RK2、RM2、RO1、RS2、RN2和RQ1分別為K1、K2、M2、O1、S2、N2和Q1分潮的振幅和交點因子的乘積,φK1為K1分潮相角的函數(shù),gK1、gO1、gM2、gP1、gS2、gQ1、gN2分別表示K1、O1、M2、P1、S2、Q1、N2分潮的遲角。

Lshellow為3個淺水分潮的貢獻量,

式中,RM4、RMS4、RM6分別為M4、MS4和M6分潮的振幅和交點因子f的乘積,φ為對應(yīng)分潮與φK1 的函數(shù)。

Llong為2個長周期分潮貢獻量,

式中,RSa、RSsa分別為Sa和Ssa分潮的振幅和交點因子的乘積,φ為對應(yīng)分潮與φK1的函數(shù)。φK1從0°至360°變化以適當(dāng)間隔離散取值,可求得L的最小值,其絕對值即為深度基準(zhǔn)面L值。

2)略最低低潮面

略最低低潮面相對當(dāng)?shù)亻L期平均海平面下的L1計算式為:

式中,H為分潮的振幅。

3)平均低低潮面

平均低低潮面相對當(dāng)?shù)亻L期平均海平面下的L2值計算式為:

式中,H為分潮的振幅。

1.3 潮差的計算

式中,H為各個分潮的振幅。

2 潮汐性質(zhì)分析

2.1 潮汐類型

我國海域潮汐性質(zhì)的劃分主要依據(jù)全日分潮O(jiān)1和K1的振幅之和與半日分潮M2的振幅比F,即F=(HO1+HK1)/HM2,以F值的大小判斷海域的潮汐類型:當(dāng)0＜F≤0.5 時,潮汐類型為正規(guī)半日潮;當(dāng)0.5＜F≤2.0時,潮汐類型為不規(guī)則半日潮混合潮;當(dāng)2.0＜F≤4.0時,潮汐類型為不規(guī)則日潮混合潮;當(dāng)F＞4.0時,則潮汐類型為正規(guī)日潮[16]。

利用FES 2014模型提供的分潮調(diào)和常數(shù)計算東海海域F值可得0.15≤F≤2.01(圖2),說明東海海域的潮汐類型單一,其為半日潮海域。其中,近海0.15≤F≤0.50,其潮汐類型屬于正規(guī)半日潮。離岸越遠,0.50＜F＜2.00,顯示為不規(guī)則半日潮。

圖2 東海海域潮汐類型F 值分布Fig.2 The distribution of F values of tidal types in the East China Sea

2.2 深度基準(zhǔn)值

采用13個分潮調(diào)和常數(shù),按照式(2)～式(7)計算東海海域的理論最低潮面、最低天文潮位、略最低低潮面和平均低低潮面等不同深度基準(zhǔn)面,各個基準(zhǔn)面的統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示,不同深度基準(zhǔn)面分布如圖3所示。

圖3 不同深度基準(zhǔn)值分布Fig.3 The distribution of different depth datum values

表1 東海海域的不同深度基準(zhǔn)值統(tǒng)計Table 1 Statistics of different types of chart datum values in the East China Sea

由圖3可以看出,理論最低潮面和最低天文潮面在東海海域具有基本一致的西低、東高空間分布,即在近海海域的基準(zhǔn)值較大,在距離海岸線較遠的開闊海域基準(zhǔn)值較低;在南北向上,各基準(zhǔn)面呈現(xiàn)出南低、北高的空間分布。由表1可知,理論最低潮面介于68.31～426.54 cm,其中80.31%的點位基準(zhǔn)值在200 cm 以內(nèi),主要分布在開闊海域;18.23%的點位基準(zhǔn)值介于200～350 cm。最低天文潮位值介于73.34～420.93 cm,其中80.54%的點位基準(zhǔn)值在200 cm 以內(nèi),18.19%的點位基準(zhǔn)值介于200～350 cm。東海海域逐個網(wǎng)格點處理論最低潮面值與最低天文潮面值的差值結(jié)果表明,兩者之間的差值為-17.78～7.76 cm,其中72.69%的點位基準(zhǔn)值為負值,這說明在東海海域大部分海區(qū)理論最低潮面位于最低天文潮面之下。

略最低低潮面和平均低低潮面的確定主要取決于四大主要分潮的振幅。其中,略最低低潮面的空間分布與理論最低潮面類似,基準(zhǔn)值介于59.87～384.16 cm,其中83.50%的點位基準(zhǔn)值低于200 cm,18.19%的點位基準(zhǔn)值介于200～350 cm。而平均低低潮面基準(zhǔn)值在東海海域相對較小,介于41.43～289.37 cm,其中95.03%的點位基準(zhǔn)值低于200 cm,且在外海海域,多數(shù)海區(qū)的點位基準(zhǔn)值在100 cm 以內(nèi)。

2.3 潮差空間分布

利用式(7)～式(10)計算東海海域的潮差,進而分析不同潮差類型的空間分布情況(圖4),以及最大值、最小值和平均值(表2)可知:東海海域的平均潮差為42.64～517.14 cm,平均潮差的平均值為164.08 cm,而最大可能潮差為133.33～948.25 cm;最大可能潮差平均值為350.94 cm,最大值所在的位置為(120°E,26°45′N),位于東海東南部。由圖4可以看出,平均大潮差、平均小潮差、最大可能潮差與平均潮差的變化趨勢基本一致,均表現(xiàn)為北部較小、南部較大,開闊海域較小、近海海域較大的分布特點。

表2 東海海域不同潮差類型統(tǒng)計Table 2 Statistics of different tidal range types in the East China Sea

圖4 東海海域不同類型潮差分布Fig.4 The distribution of different types tidal range in the East China Sea

3 結(jié) 論

為了進一步明確我國東海海域準(zhǔn)確的潮汐性質(zhì)和深度基準(zhǔn)面的空間分布情況,本文利用全球潮汐模型FES 2014提供的13個分潮(Q1、O1、P1、K1、N2、M2、S2、K2、M4、MS4、M6、Sa和Ssa)的調(diào)和常數(shù),基于F值、深度基準(zhǔn)L值等各個參數(shù)的計算公式,定量分析了東海海域的潮汐類型、深度基準(zhǔn)值和不同的潮差類型的空間分布,得出主要結(jié)論:

1)東海海域潮汐類型比較單一,屬于半日潮海域,以近海海域為主的絕大多數(shù)海域?qū)儆谝?guī)則半日潮海區(qū),而距離海岸線越遠的開闊海域?qū)儆诓灰?guī)則半日潮海區(qū)。

2)東海海域理論最低潮面起伏較大,介于68.31～426.54 cm,基本呈現(xiàn)出南低、北高,近海海域較低而遠海較高的空間分布形式;最低天文潮面、略最低低潮面和平均低低潮面表現(xiàn)出與理論最低潮面基本一致的空間分布。

3)東海海域潮差較大,平均潮差介于42.64～517.14 cm,最大值位于東海海域中部,平均大潮差、平均小潮差、最大可能潮差與平均潮差的變化趨勢基本一致。