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1、码头潮流精细化观测预报浅析 卢小鹏;陆伟先;侯国锋;成凤暌;吕翠兰【摘 要】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 t
2、o carry out scientifically and effectively the meticulous observation and prediction of tidal current in front of the w harf is discussed in detail from the aspects of the basic four-station layout,the acquiring of the original observation data needed for the predic-tion at the right time,the proces
3、sing of measured data,the calculation method of fore-casting 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 w hich
4、 illus-trations are made concretely according to the problems encountered in the practical work.%对港口码头的定点进行潮流精细化预报，是对区域潮流场预报工作的有利补充。结合当前定点潮流预报工作的开展，从基本的4 个测站的站点布设，选择合适的时间获取预报所需的原始观测资料，再到实测数据处理，至预报计算方法，以及预报产品开发应用等多方面，深入探讨如何科学有效地开展港口码头潮流精细化预报工作，更好地满足当前市场的需求。关于资料的采集主要侧重目前运用较为成熟的四测站布置方案，并结合实际工作中遇到的一些问题进
5、行具体阐述。【期刊名称】海岸工程【年(卷),期】2014(000)003【总页数】7 页(P10-16)【关键词】潮流;精细化预报;资料采集;测站布置;差比参数;调和分析【作 者】卢小鹏;陆伟先;侯国锋;成凤暌;吕翠兰【作者单位】宁波海洋环境监测中心站，浙江宁波 315012;宁波海洋环境监测中心站，浙江宁波 315012;宁波海洋环境监测中心站，浙江宁波 315012;宁波海洋环境监测中心站，浙江宁波 315012;宁波海洋环境监测中心站，浙江宁波 315012【正文语种】中 文【中图分类】P731.3 随着社会经济的迅速发展，大量的海上运输工作催生了沿海的大型港口码头工程的开发建设，大型泊
6、位的数量也与日俱增。宁波舟山沿海港区一直以来都是我国的重要港区，其周围大型码头分布密集。而这一带海域岛屿众多、航道交错、流况复杂、岸线及海底水深地形曲折多变，这些因素都为港口的船只停靠带来不便。为了安全生产需要，特别是一些大型船舶的安全引航和靠离、泊作业，许多大型码头迫切需要有针对性精密的潮汐潮流预报。传统的潮流预报，如国家信息中心提供的潮汐潮流预报表，它给出某个海域特定点的潮流预报数据，该预报产品的时间尺度较大，一般一天只有 4 个时次的预报，为转流时刻和极值涨、落潮流时刻。在流况复杂多变的水域，这些预报不能很好地反映海流的分布变化，无法满足安全作业的需要。特别是针对如宁波舟山港区的复杂岸线
7、，码头前沿流况往往具有非常细微的局地特征，码头附近的礁石、山岬、小岛屿及多变的等深线均会对潮流的流速、流向产生明显的影响，而且局地的小涡旋、切变线时有发生，这都会影响到大型船只的安全靠离泊。此外，码头建成前后，其所在区域的流况也会发生一定的变化，所以对新建码头水域的流况进行潮流预报也显得尤为重要。开展港口码头的精细化潮流预报必须要掌握其所在海域的潮汐潮流实际情况，需要在建成后对码头的潮汐潮流进行一次观测，以最经济的方法科学合理地安排观测时间、布置观测站点就都尤为重要。多年开展精细化潮流预报工作使得我们积累了一定的预报经验，下面将针对大型港口码头潮流精细化预报进行具体阐述，希望能对其它有港口潮流
8、预报需求的研究给予启发。开展精细化潮流预报首先必须准确掌握码头前沿潮汐、潮流情况，这是预报结果是否准确可靠的关键所在，需要获取的原始资料主要包括潮汐、潮流和大面漂流迹线等。潮汐、潮流资料的准确性直接影响到预报成果的好坏。但是准确的观测数据不仅仅要求资料获取的过程中要尽量减少人为误差、机器误差、天气因素的干扰，还要求潮流的分潮调和常数具有代表性，使实测潮流资料能真实代表所在海域潮流的实际情况。采集满足这些要求的观测数据，除了应选择合理的观测时间和可靠、高准确度的仪器设备之外，还应根据码头的特点，科学合理地布置观测站点。1.1 观测时间 因为海流、漂流资料获取的经济成本较大，为了以较少天数的海流观
9、测资料求得尽可能准确的潮流调和常数，海流连续观测应选择在天文条件良好、天气状况较好的日期进行，避开冷空气、气旋、台风等天气系统影响时间。本文主要介绍选用引入差比参数的方法进行潮流调和分析，故在选择良好天文条件时，要考虑满足如下要求1-2：p(全日潮良好日期)(半日潮良好日期)式中,d 为分潮的天文迟角；12为观测中间时刻的订正值；为 K1 与 O1 分潮的迟角差；为 S2 与 M2 分潮的迟角差。满足公式(1)、(2)条件的观测日期即为大潮期间(全日潮和半日潮)。一般说每月农历初一、十五前后是半日潮良好期间，每月太阴赤纬最大的日期前后是全日潮良好期间。而海区最大潮流发生时刻一般为初一、十五，月
10、赤纬最大的日期加上半日潮龄或日潮龄，即大潮出现时间。一般海流调和分析计算要求连续观测不应少于 3次，故分别为大、中、小潮期间，所以开展观测期间一般要包括一次完整的大、中、小潮汛，选择从低潮或高潮发生前开始，为保证各个分潮观测周期的闭合性，一般观测时间不少于 26 h。在此期间还同步进行漂流观测和为期1 个月的潮汐观测。1.2 仪器设备及使用 在调查海域附近设置一个临时潮位观测站点，按潮汐观测规范 GB/T 14914-2006海滨观测规范3的要求，设置水尺、水准点，进行水准联测，用潮位自动观测仪获取一个月的连续潮位逐时观测资料，利用该资料可计算所在海域的 Q1，O1，P1，K1，N2，M2，S
11、2 和 K2 这 8 个分潮的调和常数。潮流观测以欧拉方法和拉格朗日方法同步分别进行。在观测海域，首先采用 GPS全球差分定位系统进行准确的定位，然后以直读式海流计或声学多普勒海流剖面仪(ADCP)同步获取各站点各层的潮流数据。直读式海流计在流速较小时流向测量偏差较大，且数据取样时间间隔一般为 1 h，因此，多数情况下以 ADCP 应用更多些。目前，ADCP 测流主要有两种类型，一种为固定式，一种为走航式。固定式 ADCP对海底地形的要求较高，要求地形平坦或坡度较小，即保证仪器在水底稳定，在整个观测期间位置不变。走航式 ADCP 因安装在船只上，在测流过程中会因船只的摆动受到一定程度的干扰，从
12、而影响定点位置及测流数据。因此，对定点测流来说，固定式 ADCP 获取的资料相比走航式 ADCP 更真实，建议使用固定式 ADCP。整个测流时间要求包含大、中、小三个潮汛，与潮位同步，这样才能更好地分析本海域各站点潮流与潮位的关系，如潮流的转流、涨落急时刻与高低潮时的关系。另外，在以欧拉方法获取定点潮流资料的同时，还应在调查水域的上、下游分别进行大、中、小潮汛的同步漂流观测，采用 GPS 对漂流示踪浮标进行定位与测时，以了解海域是否存在“压拢流”、“撇开流”、回流或漩涡等不利流况。这种将点与面的潮流调查有利结合的观测方式，也是当前较为常见的准确获取潮流资料的手段。1.3 测点的设置 测点的布置
13、4包括测流点、临时潮位站点和漂流区起漂点。潮位站的布置较为简单，就地取材，因地制宜，一般在码头附近寻找 1 个方便的位置设置 1 个临时验潮站。测流点和漂流区的布置，要依码头所在水域的具体地理位置及潮流情况而定。潮流预报目的是为安全生产服务的，因此站点的布设也主要从实际的安全工作出发，主要根据码头的设计吨级，以码头前方靠泊船只的 2 至 4 倍船身宽度处开始考虑潮流对船只的影响。一般而言，从码头中轴向前约 2 倍和 4 倍船宽处各设 1 个测流点，考虑到潮流对船头和船尾的影响，在码头两端前方也各设 1 个测流点，故一般共设 4 个定点测流点，具体如图 1 所示。但是每个码头水域实际情况都是各不
14、相同的，在进行站点布设时，要综合考虑到水深条件、码头周边地形、仪器安放等多个因素的影响，并以引航部门的实际需要出发，对站点设置进行最优化的调整，有必要时还应该增加测点。比如，码头前沿水域可能存在潮流切变线的情况，可将码头外侧的测点适当布设得更远一些，或者考虑增加一个测点，以便观测到切变线的存在位置或存在时间。四测点布置方案只是常规办法，实际操作中在编写潮流观测技术方案时，还需结合码头的初步设计书和通航评估报告等相关资料，并结合引航部门和码头方的要求(包括经费投入情况)来合理布局潮流点。为了船只安全停靠码头，为了更多地了解海域流况，还可对船只进出的主要航道进行定点测量。定点测流的同时，还应该在码
15、头前方海域进行大面漂流，目的是了解码头前沿海域的表层流情况。漂流海域范围一般以码头为中心，分别向上游、下游及码头前方各延伸 500 m，根据需要还可适当外延，与定点测流同步进行。参考临时观测站或附近站点的潮位资料，分别就大、中、小潮期间选择涨、落潮时段，从下游或上游的位置布置 36 个浮标点进行同步跟踪漂流，从流路轨迹分析海域是否存在涡旋及其存在位置、漂流轨迹走向是否与码头存在夹角以及夹角的大小。一般而言，每潮次的漂流迹线不应少于 12 条，即涨、落潮各 6 条，本文建议每潮次漂流迹线达20 条以上。在漂流的过程中，还会存在漂流迹线远离漂流区的情况，起漂点还要结合实际情况再做调整。因为实际情况
16、的复杂性，建议在做迹线漂流时，能对现场特殊现象做一个跟踪记录，如哪里有涡旋、哪里有切变等，这些都是资料处理中不可多得的实测参考资料。1.4 应用实例 为了更好地阐述这一站点布设方案，本文以宁波光明通用码头为例进行说明。该码头位于宁波市北仑区穿山半岛的东北端，地处螺头水道南侧、与峙头洋的交接水域(码头局地地形见图 2)。其水域岸线呈凹弧形，水下地形复杂，码头东西两端均有山岬突出，又位于穿山半岛的转角位置，导致局地出现极为复杂的回流与涡旋。光明码头由 5 万吨级海轮码头(宽 30 m、长 440 m)和万吨级江海联运码头(宽 20 m、长 190 m)组成，两码头呈反 L 形联结。在 5 万吨级主
17、码头的潮流观测站布设测点，基本遵循四测点布置方案。在码头中间和两端两倍船宽(100 m)距离处分别布置了 2#、3#和 4#三个测点；为了更有利地观测到码头前方可能存在的涡旋切变线，将外部 5#测点延伸至约 250 m 处。此外，在万吨级的江海联运码头中间正前方 50 m 布置了 1#测点，作为该码头的潮流预报点；在5 万吨级海轮码头右前方“船舶调头水域”处布置了 6#测点，用于了解调头水域的流况。因光明码头前方存在明显的涡旋，根据码头初步设计书提供的信息，本次设计的漂流区域在实际观测中完全涵盖了码头前方的涡旋区，见图3。从目前的潮流预报实际应用出发，码头定点潮流精细化预报引用码头附近潮汐站点
18、的调和常数作为差比参数，运用严格最小二乘法进行调和分析，计算多个分潮的调和常数，并用于预报。潮流分析和预报是根据海流周日连续观测资料分离出潮流和非潮流，算得潮流调和常数，进而预报任意时刻的潮流流况。而实测海流包括由天体引力所产生的潮流以及主要由水文、气象等条件所产生的非潮流(也称余流)两部分。运用短序列的实测资料用于预报，资料的准确性、代表性对整个潮流预报的开展将起到至关重要的作用。按照上述要求开展潮汐、潮流资料的现场采集，利用获取的资料开展预报工作。引用差比参数，用严格最小二乘法分别计算潮流北、东分量的调和常数，再按照下式进行潮流预报1-2，5：式中，U0，V0 为调和分析潮流北、东分量的平
19、均振幅，计算时取北、东分量余流；Ui，i 为分潮北分量的调和常数；Vi，i 为分潮东分量的调和常数；Di，v0i 为平衡潮分潮的振幅系数和格林威治初相。对北、东分量的两组预报数据进行合并，计算出每小时或半小时的潮流预报结果。目前关于港口、码头潮流精细化预报产品，主要是各定点潮流逐时(或每半小时)流速、流向预报报表，预报层次以 5 m 层或 10 m 层为主。码头单位或海事引航部门可根据该报表进行合理的进出港调度，保障生产安全。针对流速变化较大水域，还可利用预报数据制作乘流预报产品，即分别对涨、落潮流时段进行流速的分级统计，找出150 cm/s 的潮流分布情况，这样用户在使用时可直接找出可操作的
20、靠泊时间；可以根据特殊用户的要求，制作涨、落急及转流时刻等更加精细化的预报产品。对潮汐而言，对一些水深条件较为苛刻的航道，可制作乘潮预报产品，以保证船只的吃水不受阻碍。因为每个水道和区域的特殊性，每个地方的潮流都有各自的特征，我们在制作产品时可结合用户单位的意见，了解他们更关注于潮流的哪些方面，这样才能制作出更能满足用户需求的产品。上述产品都是基于同一份潮流数据制作的数据表形式的产品，还可在这些数据表的基础上再进行二维预报产品的可视化表达，使预报结果更为直观地呈现给用户。码头前沿的潮汐、潮流精细化预报产品是为大型码头安全生产，特别是大型船舶的安全引航和靠、离泊作业服务的海洋环境预报产品，在实际
21、应用中为码头安全生产和船舶靠离港作业提供了有力的安全保障。在观测技术和计算机技术越来越先进的今天，在定点潮流精细化预报基础之上，还可以根据码头生产的特点，开发出更多、更好的服务于码头安全生产的预报产品。【相关文献】1黄祖珂,黄磊.潮汐原理与计算M.北京:海洋出版社,2006.2陈宗镛.潮汐学M.北京:科学出版社,1980.3GB/T 14914-2006 海滨观测规范S.北京：中国标准出版社，2006.4卢小鹏,吕翠兰.码头前沿水域潮流观测与分析预报的应用J.海岸工程,2012,31(1)：16-21.5方国洪,郑文振,陈宗镛,等.潮汐和潮流的分析与预报M.北京:海洋出版社,1986：388-406.