唐山丰南海域余水位特征分析及应用研究.pdf

第 卷第 期 年 月水道港口 收稿日期：；修回日期：作者简介：赵海亮（），男，河北唐山人，高级工程师，主要从事水运工程咨询设计和研究工作。：（），通讯作者：邢硕（），女，天津人，助理工程师，主要从事海洋测绘领域研究工作。：唐山丰南海域余水位特征分析及应用研究赵海亮，邢硕，熊伟（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 ；交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 ）摘要：唐山丰南港区是唐山港“一港三区”的重要组成部分，对该海域进行余水位特征分析，是实现自然资源科学利用的重要手段。基于丰南站 的实测潮位和风数据，通过调和分析、频谱分析和统计分析等方法计算余水位和风的规律，对余水位的成因、规律与风速的关系进行讨论。结果表明：余水位在春、夏季的作用较弱，在秋、冬季的作用较强；春夏季常风向主要是东南偏南西南偏西；秋冬季的常风向主要是西北东北。并且余水位与风速呈现较强相关性；月的北向离岸风会导致施测海域发生较大减水。通过余水位与风建立相关关系，减小余水位的预报偏差，以提升短期潮位预报的精度，可对航道通航起到预警作用，从而提升其通航效率。关键词：丰南站；潮汐调和；余水位；风中图分类号：文献标识码：文章编号：（）潮位可分解为天文潮位和余水位（也称为非潮汐水位或者异常水位）。天文潮位是潮位的主体，可由调和常数进行预报。余水位是由天气等因素引起的短时间内水位异常，在时间上表现出比较复杂的非周期性变化，说明了天气和气候异常变化所造成的余水位决定了其空间强相关的特性 。国内学者对余水位的变化规律、形成原因、时空分布等特征进行了分析，如熊伟等 对黄骅港余水位的变化规律进行了分析并结合风要素特征对余水位进行预报；刘军 分析了青岛港余水位的成因及其主要特性；赵祥鸿等 以验潮站实测数据分析计算了余水位的时域统计规律和空间统计规律；刘雷等 介绍了基于潮汐模型与余水位监控的水位改正法的应用情况，并在此基础上依据实测数据证明潮汐差分的可行性，精确地反演潮位，大大提高了短期潮位预报的精度 。图 潮位站布置示意图 唐山丰南港区位于唐山市丰南区涧河村陡河河口至黑沿子沙河河口之间，已被列入国家口岸发展规划及河北省沿海地区发展规划，是唐山港“一港三区”的重要组成部分 ，。在该海域进行潮位观测和余水位特征分析，对科学有效地利用自然资源有着重要意义，是港口航道设计的基础来源。本文基于丰南站（见图 ）年 月 日 年月 日的实测潮位数据，对丰南海域的余水位特征进行分析，探讨利用余水位变化提升船舶乘潮进出港效率。年 月赵海亮，等唐山丰南海域余水位特征分析及应用研究 余水位特性及成因余水位又称为增减水，属于由非周期性变化的气象因素引起的水位升降，这种升降经常导致海平面短期骤变 。通过验潮站观测获取的水位 （），包含平均海平面 、天文潮位（）、余水位 （），误差（），即（）（）（）（）（）由于余水位是气象要素扰动影响导致的海平面波动，而气象要素比较复杂，然而位于不同的时段，因其物理诱因有连续性及海洋的惯性，必定有一定的统计关系，也就是其具有的“信号”特征，在长期施测的验潮站中，可以忽略不计观测误差 ，所以余水位可得（）（）（）（）当余水位是正值时，表示增水；当余水位是负值时，表示减水。对唐山丰南海域的余水位进行逐时统计分析（见图 ），可得丰南海域的余水位表现为短周期波动，全年减水幅度要大于增水。月出现较大幅度的减水，月出现的增减水幅度都很小。图 丰南站逐时余水位序列 图 丰南站余水位频谱分析 进一步研究余水位成因，对其展开傅立叶频谱分析。谱分析结果显示（见图），余水位的周期主要分布在 （频率小于 ）的部分，余水位的周期分布通过其特性可以分为 部分：（）周期小于 （频率大于 ），这部分属于不考虑的日分潮和半日分潮等周期性信号；（）周期在 （频率在 ），主要是气象要素导致的伪周期性信号；（）周期大于 （频率小于 ），属于不考虑的长周期分潮信号以及气候异常变化导致的伪周期性信号 。根据谱能量值可以看出，第 部分占总能量的大部分，则长期余水位的主要成因是天气因素。图 丰南站各月余水位占比 余水位逐月变化规律将余水位按月进行统计（如表 以及图 所示），可以明显看出，月、月、月、月和 月发生增水的时长要多于发生减水的时长。月、月、月、月和 月则正好相反，发生增水的时长要少于发生减水的时长，而 月、月和 月发生增水和减水的时长比较接近。从全年分析，增水时长占比为 ，减水时长占比为 ，增水时长略大于减水时长，说明丰南站施测期间的余水位在气象作用下发生增水道港口第 卷第 期水的概率略高于减水。余水位逐月平均值分布见图 ，春末和夏季 月份平均增水和减水幅度都较小，说明这几个月的余水位作用都较弱。月、月的平均增水和减水幅度都超过了 ，说明这几个月余水位作用都相对较强。图 为各月余水位极值分布，与平均余水位的情况类似，在春末和夏季最大增水和减水幅度也都较小，其他月份的最大增水及最大减水幅度相对较大。其中 月的最大减水幅度都超过了 ，月、月、月、月和 月份的最大减水幅度都超过了 ；月、月的最大增水幅度超过了 。余水位的季节变化表现为春、夏季呈现小幅度减水，秋、冬季减水量逐渐增大，月、月、月、月以增水过程为主，增水期一般使潮汐的传输形成明显的加速，月、月、月以减水过程为主，而减水期则一般会对潮汐的传输导致阻碍影响，增减水的年变幅平均值为 。各月平均增减水 各月最大增减水图 丰南站各月平均和最大余水位 表 丰南站各月余水位分布表 月份记录时长 增水时长 增水占比 平均增水 最大增水 减水时长 减水占比 平均减水 最大减水 年 月 年 月 年 月 年 月 年 月 年 月 年 月 年 月 年 月 年 月 年 月 年 月 总计 风逐月变化规律根据观测期间获得的数据统计各月风的特征值如表所示。平均风速在观测期间周年平均值为 ；最大风速为 （级），发生在 年 月 日 ：，对应风向为北向。根据观测期间获得的风数据，对其进行逐月的 平均风速分向频率统计（见表 ）。月常风向为 向，强风向为 向，风速最大值为 （级）。月常风向为 向，强风向为 向，风速最大值为 （级）。月常风向为 向，强风向为 向，风速最大值为 （级）。月常风向为 向，强风向为 向，风速最大值为 （级）。月常风向为 向，强风向为 向，风速最大值为 （级）。月常风向为 向，强风向为 向，风速最大值为 （级）。月常风向 年 月赵海亮，等唐山丰南海域余水位特征分析及应用研究为 向，强风向为 向，风速最大值为 （级）。月常风向为 向，强风向为 向，风速最大值为 （级）。月常风向为 向，强风向为 向，风速最大值为 （级）。月常风向为 向，强风向为 向，风速最大值为 （级）。月常风向为 向，强风向为 向，风速最大值为 （级）。月常风向为 向，强风向为 向，风速最大值为 （级）。表 丰南站各月风分布特征统计 特征值 年 月 月 月 年月月月月月月月月月周年平均风速（）最大平均风速（）对应风向（）统计天数 表 丰南站各月 平均风速分向频率统计表 月份方向 年 月 年 月 年 月 年 月 年 月 年 月 年 月 年 月 年 月 年 月 年 月 年 月 图 丰南站余水位与风速的关系 余水位与风的关系根据相关学者的研究以及实际观测成果分析所得，风应力与余水位之间存在着一定关系 。为了继续探讨二者的关系，本文取余水位波动较大期间（年 月 日 年 月 日）的风场为例。由图 可见，水位测点的余水位与风速曲线的变化趋势高度吻合，风速较大时减水量也相应增大，两者相关系数 达 ，且余水位波动最大值较风速最大值稍有滞后性。进一步考虑余水位与风向的关系，在这期间北向风占比最多，且风速影响最大时对应的风向皆为北向，一般情况，向岸风会造成增水效果，离岸风造成减水效果 ，综上得到北向离岸风越大会导致丰南海域发生减水越大的现象。水道港口第 卷第 期 工程领域应用若将天文潮位的影响剔除，那么水位的变化由风的作用产生，一定时段内，某个方向的风持续作用，即可产生一定的水位变化。这个水位变化是与风速和方向有关的，因此可以通过实测资料来挖掘风和水位变化。得到水位变化后，叠加在当前水位，即可预报某一时刻的水位系。表 短临预报精度统计表 预报偏差 ，（，（，其他 预报最大偏差占比 预报最大偏差占比 对于急需乘潮进出港的港口，根据余水位自身变化特性及其与风之间的相关关系建立短临潮位预报模型，可有效提升乘潮出港效率。以丰南海域某码头航道为例，建立基于相关关系的潮位短临预报模型进行潮位短临预报，根据 年 月至 年 月的实测潮位与短临预报潮位进行统计分析，可得知短临预报 时，预报最大偏差 以内的数据占比为 ，预报最大偏差 以内的数据占比为 。当短临预报时间延长至 时，预报最大偏差 以内的数据占比为 ，预报最大偏差 以内的数据占比为 （见表 ）。统计数据表明短临预报数据的预测精度可满足通航应用要求，可对航道通航提供 方面的技术支持：（）通过短临预报，提升航道乘潮进出港船舶艘次，提升航运效能；（）余水位极端减水预测可提前对航道通航安全进行预警，防止船舶在剧烈减水期间进出港，防止搁浅事故；（）余水位极端增水预测可提前对码头作业安全进行预警，防止码头作业安全事故。结论根据唐山丰南站 的实测潮位数据，采用了调和分析、频谱分析和统计分析等方法对余水位的成因、规律与风速的关系进行分析讨论，得到：（）余水位的年变幅平均值为 ，其具有一定的季节性，在春末和夏季的作用较弱，在秋、冬季的作用较强；（）秋冬季的常风向主要分布在西北东北范围内，强风向主要为北向；春夏季常风向主要分布在东南偏南西南偏西范围内，强风向主要为东南向；（）余水位与风速呈现较强相关性，且余水位波动最大值较风速最大值稍有滞后性；（）因离岸风和低气压会造成减水效果，所以北向离岸风越大导致施测海域产生的减水量越大；（）进行短临潮位预报的偏差在 以内可达 以上，可对航道通航起到重要作用，提升其通航效率。参考文献：唐岩 余水位的时空分布规律及数值海面形态表达 大连：海军大连舰艇学院，裴文斌，牛桂芝，董海军 余水位及潮汐差分方法 水道港口，（）：，（）：牛桂芝，董海军，裴文斌 余水位的成因及其特性 中国测绘学会 中国测绘学会第九次全国会员代表大会暨学会成立 周年纪念大会论文集 北京：中国测绘协会，熊伟，常江，范东华 基于风要素的黄骅港余水位规律分析及预报研究 水道港口，（）：，（）：刘军 余水位的主要特性分析及其在海洋测绘中的应用 测绘通报，（）：，（）：赵祥鸿，暴景阳，王一丁，等 余水位时变统计规律分析及水位预报方法改进 海洋测绘，（）：，（）：刘雷，董玉磊，曲萌，等 基于潮汐模型与余水位监控法的实例分析 海洋测绘 ，（）：，（）：许军，暴景阳，刘雁春，等 基于区域潮汐场模型的水位控制可行性研究 海洋测绘，（）：年 月赵海亮，等唐山丰南海域余水位特征分析及应用研究 ，（）：侯世喜，黄辰虎，陆秀平，等 基于余水位配置的海洋潮汐推算研究 海洋测绘，（）：，（）：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 测绘通报，（）：，（）：唐岩，暴景阳，许军 余水位的内插及其对潮高模型的精化 测绘科学，（）：，（）：熊伟，刘杰，邢硕唐山丰南海域潮汐特征分析 水道港口，（）：，（）：郑文振 我国海平面年速率的分布和长周期分潮的变化 海洋通报，（）：，（）：尤晓籦，武国相，梁丙臣，等 基于长期观测资料的黄海天文潮 风暴潮非线性相互作用研究 中国海洋大学学报：自然科学版，（）：，（）：朱佳，胡建宇，陈照章，等 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 海洋与湖沼，（）：，（）：，（，；，）：，；，：；