0引言

潮汐是重要的海洋水文環(huán)境要素之一，驗(yàn)潮站資料是建立局地高程基準(zhǔn)即平均海平面的基礎(chǔ)資料，亦可用于研究海平面變化以及衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)的標(biāo)定。研究者通常采用調(diào)和常數(shù)及潮汐特征值描述潮汐特征。本文采用調(diào)和分析方法對(duì)我國(guó)南極中山站五年的潮汐觀測(cè)資料進(jìn)行處理，對(duì)殘差進(jìn)行了檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)調(diào)和分析方法的局限性，提出了可能的改進(jìn)方法。

1調(diào)和分析

經(jīng)典潮汐調(diào)和分析是將潮汐各個(gè)分潮的平均振幅和相位從實(shí)際潮位資料中分解出來(lái)的計(jì)算方法，通常將潮位表示成各個(gè)分潮的疊加，利用最小二乘法對(duì)某一段時(shí)間內(nèi)（1mon、1a及以上）整點(diǎn)的潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到各分潮的平均振幅和相位。本文在年分析時(shí)采用369ｄ的整點(diǎn)潮位數(shù)據(jù)，采樣間隔1ｈ。根據(jù)Rayleigh準(zhǔn)則，年分析的分辨率Δσ≥0.041°·h-1，滿(mǎn)足該條件的分潮有170個(gè)，基于Fortran語(yǔ)言采用最小二乘法編寫(xiě)調(diào)和分析程序，計(jì)算了這170個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)，并對(duì)殘差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)5年的數(shù)據(jù)逐年按上述方法進(jìn)行調(diào)和分析，對(duì)應(yīng)于每一年得到一組調(diào)和常數(shù)。

本文使用369d8857個(gè)海面高整點(diǎn)觀測(cè)值進(jìn)行計(jì)算，得到第一組結(jié)果；然后，對(duì)下一組8857個(gè)觀測(cè)值進(jìn)行計(jì)算，依此類(lèi)推，一共得到５組結(jié)果；再分別對(duì)各主要分潮每年的調(diào)和常數(shù)（振幅和相位）進(jìn)行比較分析。

2數(shù)據(jù)來(lái)源及處理方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

由于南極地區(qū)海冰覆蓋海面的時(shí)間長(zhǎng)，底置壓力式驗(yàn)潮儀成為永久驗(yàn)潮站的首選。中山站驗(yàn)潮站建于1999年，位于69°22.998′Ｓ，76°22.803′Ｅ，采用壓力式驗(yàn)潮儀，本文所用的資料長(zhǎng)度截止到2005年10月。原始數(shù)據(jù)是壓力值，即驗(yàn)潮儀上方海水壓力和大氣壓的總和，采用中山站氣象站的資料進(jìn)行大氣壓改正，轉(zhuǎn)化為觀測(cè)時(shí)刻的海面高。經(jīng)過(guò)溫度校準(zhǔn)后相對(duì)精度為0.01％，在已知海水密度的情況下，絕對(duì)精度優(yōu)于±３ｍｍ。海面高的基準(zhǔn)面為岸邊驗(yàn)潮基準(zhǔn)點(diǎn)以下5.421ｍ。

2.2計(jì)算調(diào)和常數(shù)與潮汐特征值

某時(shí)刻的海面高（潮高）可以表示為：

利用最小二乘法對(duì)一年逐時(shí)海面高進(jìn)行最小二乘求解，此時(shí)，ｍ＝170。j＝0時(shí)，Ａ0即為年平均海面高，j=1~170，分別對(duì)應(yīng)170個(gè)分潮。根據(jù)式（4）、（5）求出各分潮的調(diào)和常數(shù)（振幅Ｈ與區(qū)時(shí)專(zhuān)用遲角ｇ）

2.3潮汐特征值及工程潮位的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)

得到潮位的均方根誤差估值后，進(jìn)一步可以得到分潮振幅和和遲角的均方根誤差估值對(duì)殘差進(jìn)行χ2檢驗(yàn)來(lái)判斷其是否屬于正態(tài)分布，進(jìn)而對(duì)調(diào)和分析模型進(jìn)行評(píng)估。潮汐特征值包括潮汐類(lèi)型、潮齡等，根據(jù)潮汐調(diào)和常數(shù)計(jì)算得到。潮汐類(lèi)型根據(jù)主要日分潮和主要半日分潮的振幅之比的大小來(lái)判斷。統(tǒng)計(jì)得到設(shè)計(jì)高、低水位，乘潮水位。

3結(jié)果與分析

先對(duì)5組年分析結(jié)果的殘差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，χ２檢驗(yàn)結(jié)果如表１所示。如表1，分別對(duì)5組年分析的殘差進(jìn)行χ２檢驗(yàn)，均事先給定顯著性水平0.05。每組又分三次檢驗(yàn)，分別是對(duì)所有殘差、剔除大于三倍標(biāo)準(zhǔn)差的殘差后、剔除大于兩倍標(biāo)準(zhǔn)差的殘差后進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)檢驗(yàn)值均大于理論值，僅第二組檢驗(yàn)結(jié)果在剔除兩倍中誤差后的結(jié)果比較接近理論值，即第二組殘差比較接近正態(tài)分布。χ２檢驗(yàn)表明年分析殘差不屬于正態(tài)分布，其中還有周期項(xiàng)未分離出來(lái)。本文采樣間隔Δt＝1ｈ，t∈［-Ｎ，Ｎ］，Ｎ＝4428。根據(jù)Rayleigh準(zhǔn)則，分辨率Δσ≥Δ/2Ｎ·360（°·ｈ-1），要提高分辨率，可采用更高頻率的采樣間隔，比如10min的間隔，此時(shí)分辨率為Δσ≥0.0068（°·ｈ-1）；或使用更長(zhǎng)的分析資料，比如19a，此時(shí)分辨率為Δσ≥0.0022（°·ｈ-1），可計(jì)算472個(gè)分潮，能將絕大部分分潮都分離出來(lái)。這樣，未參與計(jì)算的分潮數(shù)會(huì)大大減少，使得調(diào)和分析更加精確。

表1調(diào)和分析殘差χ２檢驗(yàn)結(jié)果

如上所述，年分析的殘差中還有分潮未被分離出來(lái)，但未被分離的分潮影響較小，能夠得到比較準(zhǔn)確的調(diào)和常數(shù)。為了檢驗(yàn)算法的可靠性，采用澳大利亞戴維斯站1a的數(shù)據(jù)，利用上述潮汐調(diào)和分析方法進(jìn)行處理，對(duì)應(yīng)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)365ｄ，觀測(cè)值的個(gè)數(shù)為8761，與ESR采用的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)和采樣率相同，得到了該站170個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)。與ESR公布的年分析結(jié)果進(jìn)行比較，表2列出了這兩組結(jié)果中的８?jìng)€(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)。

從表２可以看出，兩組結(jié)果振幅差值在-0.4～0.2ｃｍ之間，絕對(duì)值最小0.1ｃｍ，最大0.4ｃｍ；區(qū)時(shí)專(zhuān)用遲角差值范圍是-1.3°～1.7°，絕對(duì)值最小0.5°，最大1.7°，且ESR公布的結(jié)果均在本文計(jì)算的誤差范圍之內(nèi)。

表2根據(jù)戴維斯站數(shù)據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果與ＥＳＲ公布結(jié)果的比較

3.1調(diào)和常數(shù)

利用上述調(diào)和分析方法計(jì)算得到了中山站附近海域潮汐的170個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)。由于篇幅限制，本文只列出了8個(gè)主要分潮每年的振幅Ｈ和區(qū)時(shí)專(zhuān)用遲角ｇ（以格林尼治時(shí)間為時(shí)間基準(zhǔn)）及其平均值（見(jiàn)表3）。各分潮的振幅變化量（最大值和最小值之差）分別為0.7、0.4、0.3、0.3、0.9、0.2、0.2、0.1ｃｍ，變化比率（變化量與最大值之比）為1％～14％；遲角變化量分別為1.8°、0.6°、2°、0.3°、6.9°、0.3°、1.4°、0.9°，變化比率為0.1％～3.8％。其中，振幅和遲角的變化量和變化比率最大的均為Ｎ２分潮（太陰橢率主要半日分潮），振幅和遲角變化分別為0.9ｃｍ、6.9°，變化比率分別為14％、3.8％，其變化可歸因于天文、非線(xiàn)性效應(yīng)、海底地形變遷、極潮、氣象等因素的影響，具體原因需更長(zhǎng)時(shí)間的資料才能確定。8個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)如圖１所示。

表３中山站８?jìng)€(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)

圖18個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)圖

由圖1中可以看出，各分潮的調(diào)和常數(shù)基本上保持不變，非常穩(wěn)定，其中，N2分潮的振幅和遲角在分析時(shí)段內(nèi)有減小的整體趨勢(shì)。

3.2潮汐特征值與工程潮位

由調(diào)和常數(shù)結(jié)果計(jì)算主要日分潮與主要半日分潮振幅之比為2.79，其值大小在2.0～4.0之間，根據(jù)我國(guó)通常使用的潮汐類(lèi)型劃分方法，中山站屬于不規(guī)則日潮混合潮港。主要半日分潮振幅比0.91，主要日分潮振幅比1.03，兩個(gè)比值均接近1。半日潮齡為102ｈ，即從朔望算起到大潮來(lái)臨時(shí)刻的平均時(shí)間間隔約為4ｄ。日潮齡為9ｈ，即從月球赤緯最大算起到發(fā)生回歸大潮的平均時(shí)間間隔只有9ｈ。表4列出了根據(jù)調(diào)和常數(shù)計(jì)算得到的其他潮汐特征值。根據(jù)5a的潮汐資料統(tǒng)計(jì)得到高低潮的累積頻率以及乘高低潮2h潮位累積頻率，分別如圖２、3所示。設(shè)計(jì)高水位即高潮10％約為1.9ｍ，設(shè)計(jì)低水位即低潮90％約為0.4ｍ。全年70％的高潮能滿(mǎn)足在2ｈ的乘潮作業(yè)中確保有高于約1.1ｍ的高度。

表４中山站5年潮汐特征值

圖２中山站高低潮累積頻率曲線(xiàn) 圖３中山站乘高低潮2h潮位累積曲線(xiàn)

4 結(jié) 語(yǔ)

1.利用年資料每小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐調(diào)和分析存在不足，不能計(jì)算出所有的分潮，可以通過(guò)采用更高的采樣間隔或使用長(zhǎng)時(shí)間的潮汐數(shù)據(jù)來(lái)提高分辨率。

2.各主要分潮的調(diào)和常數(shù)在分析時(shí)段內(nèi)非常穩(wěn)定，變化量很小。僅Ｎ2分潮變化量相對(duì)較大，且有變小的整體趨勢(shì)。3.中山站屬于不規(guī)則日潮混合潮港，半日潮齡102ｈ，日潮齡9ｈ；平均大的潮差為99cm，平均小的潮差為25cm；高潮10％約為1.9ｍ，低潮90％約為0.4ｍ；全年70％的高潮能滿(mǎn)足在2ｈ的乘潮作業(yè)中確保有高于約1.1ｍ的高度。

審核編輯：符乾江