海洋垂直基準(zhǔn)面的測量

現(xiàn)代海洋測繪技術(shù)—海洋大地控制網(wǎng)主講人：趙玉新電話mail:zhaoyuxin@ECDISLAB2/4/20231本節(jié)提綱

潮汐概念潮汐是怎么產(chǎn)生的？

海洋垂直基準(zhǔn)統(tǒng)一框架潮汐分析方法？垂直基準(zhǔn)的概念、算法2/4/20232潮汐概念:潮汐概念受月球和太陽吸引力的作用，海水產(chǎn)生一種規(guī)律性的升降運動，稱之為海洋潮汐。2/4/20233潮汐概念潮汐的漲落:

海面上升到最高時為滿潮（亦稱高潮），降到最低為乾潮（亦稱低潮）。

乾、滿潮間的水位差叫潮差，滿、乾潮間的海岸稱為潮間帶，是生態(tài)環(huán)境相當(dāng)豐富的地方，海面上升的期間為漲潮，反之則為落潮。2/4/20234潮汐是怎么產(chǎn)生的？引潮力（勢）:

引潮力是地球上任何一點所受的天體引力減去該天體對地球中心的引力。地球上任意單位的質(zhì)點，在面向月球的一邊，它們距離月球比地心距離月球要近，該質(zhì)點受月球的引力大于地心受月球的引力；在背向月球的一側(cè)，質(zhì)點距離月球比地心距離月球遠(yuǎn)，該質(zhì)點受月球的引力比地心受月球的引力要小?？傮w來說，地球上單位質(zhì)量的質(zhì)點所受月球的引力，大小不同、方向也不同，但都指向月球中心。根據(jù)引潮力的定義，地球面對月球一邊的各個質(zhì)點所受月球的引力減去月球?qū)Φ匦牡囊?，得到一個趨向月球的力場；而在背向月球的一側(cè)，各質(zhì)點受月球的引力減去月球?qū)Φ匦牡囊?，得到一個背向月球的力場，這兩個力場合稱為月球的引力場。月球引潮力是太陽引潮力的2.17倍。2/4/20235月球的引潮力可以用[地球-月球]系統(tǒng)來討論。地球和欲求共同繞著整個系統(tǒng)的質(zhì)量中心運轉(zhuǎn)，這兩個星球的質(zhì)量相差太多，所以系統(tǒng)的質(zhì)量中心在二球中心連線上的地球內(nèi)部。此[地球-月球]系統(tǒng)繞質(zhì)心運轉(zhuǎn)時，離質(zhì)心較遠(yuǎn)的A點海水較易甩出去而形成滿潮；而正對月球的B點海水因為距月球較近易被月球吸引而形成另一個滿潮，其他地點則因受到上述因素影響較小，形成乾潮。這就是為什么一天會有兩次滿朝、乾潮的理由。潮汐是怎么產(chǎn)生的？潮汐周期，為何一天兩次潮？2/4/20236面向及背對月亮都是滿潮潮汐是怎么產(chǎn)生的？高潮與低潮2/4/20237面向及背對月亮都是滿潮潮汐是怎么產(chǎn)生的？高潮與低潮2/4/20238臺灣西岸沿海的潮差分布潮汐是怎么產(chǎn)生的？潮差兩個相鄰的高潮和低潮的水位高度差，稱為潮差。潮差的大小因地因時而異，我國最大的潮差在杭州灣，有8m左右(著名的錢塘潮)；世界上最大潮差在北美芬地灣(BayofFundy)，約有18m之多。在潮差大的地方，河流與外海的海水交換較快，海水一般都比較干凈，反之，則較差。2/4/20239初一、二(新月)及十五、十六日(滿月)前后，潮差是最大期。潮汐是怎么產(chǎn)生的？大潮2/4/202310陰歷初七、八(上弦月)及二十二、二十三日(下弦月)前后，潮差是最小期。潮汐是怎么產(chǎn)生的？小潮2/4/202311測量方式:潮汐觀測水尺驗潮、井式自記驗潮儀驗潮、超聲波潮汐計驗潮、壓力式驗潮儀驗潮等。2/4/202312潮汐分析方法潮汐調(diào)和分析:

潮汐分析亦稱潮汐調(diào)和分析，把任一海港的潮位變化看做是許多分潮余弦振動之和，根據(jù)最小二乘或波譜分析原理由實測數(shù)據(jù)計算出各分潮平均振幅和遲角的過程，即潮汐調(diào)和分析過程。

調(diào)和分析的目的是為了潮汐預(yù)報！實際海洋潮汐是天體引潮力作用下的一種波動，由于陸地存在、海底地形起伏變化、海底摩擦及地球自轉(zhuǎn)等影響，潮汐變化十分復(fù)雜，某一潮位站的潮汐觀測僅是對復(fù)雜潮波系統(tǒng)在這一點振動的采樣，無法準(zhǔn)確的反映該地區(qū)潮波運動的準(zhǔn)確規(guī)律。2/4/202313潮汐分析方法潮汐調(diào)和分析:

根據(jù)物理學(xué)有關(guān)原理可知，任何一種周期性運動，都可以由許多簡諧振動組成。潮汐變化是一種非常近似的周期性運動，因而也可以分解為許多固定頻率的分潮波，進(jìn)而求得分潮波的振幅和相位。

2/4/202314潮汐調(diào)和分析:潮汐分析方法2/4/202315垂直基準(zhǔn):垂直基準(zhǔn)的概念、算法陸地高程與海洋深度都需要固定的起算面，這里統(tǒng)稱這些垂直坐標(biāo)的參考面為垂直基準(zhǔn)，垂直基準(zhǔn)包括高程基準(zhǔn)和水深基準(zhǔn)。在測量實踐中，陸地高程的起算面通常取為某一特定驗潮站長期觀測水位的平均值——長期平均海面，即定義該面的高程為零。海洋測量中常采用深度基準(zhǔn)面。深度基準(zhǔn)面是海洋測量中的深度起算面。不同的國家和地區(qū)及不同的用途采用不同的深度基準(zhǔn)面。就實際測量而言，高程基準(zhǔn)與深度基準(zhǔn)并不統(tǒng)一！為什么？保守水深和平均水深

2/4/202316平均海平面:垂直基準(zhǔn)的概念、算法平均海平面亦稱海平面，指某一海域一定時期內(nèi)海水面的平均位置。是大地測量中的高程起算面，由相應(yīng)期間逐時潮位觀測資料獲得，高度一般由當(dāng)?shù)仳灣闭玖泓c起算。

假如水位觀測是連續(xù)曲線y(t)，則時間內(nèi)的平均海平面可表示為：一般情況下驗潮站的水位觀測值取為時間間隔為一小時的觀測序列，因此，實際計算時常用的方法是直接對一定時間周期（同時也近似地認(rèn)為潮汐周期：如24h、一個月、一年和多年等）的觀測值直接取算術(shù)平均：無論陸地高程基準(zhǔn)還是海洋水深基準(zhǔn)都與平均海面有關(guān)，可以說平均海面是所有垂直基準(zhǔn)中最重要的參考面，或可理解為一切垂直基準(zhǔn)的基準(zhǔn)。2/4/202317平均海平面的穩(wěn)定性:垂直基準(zhǔn)的概念、算法

1、由于所取的觀測時間長度不可能剛好為各分潮的整周期，因此，平均海平面受剩余潮汐成分的影響，而且短期平均海平面還包含著長周期分潮的貢獻(xiàn)。

2、非潮汐因素（主要由氣象原因引起）在不同的時間長度內(nèi)表現(xiàn)為不同的性質(zhì)，在足夠長的時間內(nèi)可視為噪聲，而短時間內(nèi)則表現(xiàn)為信號，即具有一定的規(guī)律性。這使得不同時間長度的平均海平面穩(wěn)定性不伺。一年內(nèi)各月平均海平面有比較可觀的變化幅度！

2/4/202318平均海平面的穩(wěn)定性:垂直基準(zhǔn)的概念、算法如何找到一種比較穩(wěn)定的海平面基準(zhǔn)？多年平均海平面的方差為：

可見，隨著年數(shù)n的增加，多年平均海平面具有較高的精度，可視為理想的無擾動海平面，并可作為其他時間尺度平均海平面變化的比較基準(zhǔn)。2/4/202319平均海平面的穩(wěn)定性:垂直基準(zhǔn)的概念、算法平均海平面的精度要求，可計算多年平均海平面計算所需年數(shù)

在以往的研究中，通常以95%的置信概率定義多年平均海平面的精度，并將該精度意義下的誤差量值取為lcm。此時需引入年平均海平面服從正態(tài)分布的假設(shè)：

由此得到在95％概率意義下中國沿海幾個驗潮站達(dá)到1cm平均海平面所需觀測年數(shù).2/4/202320平均海平面研究的意義:垂直基準(zhǔn)的概念、算法平均海平面的長期趨勢性變化，特別是海平面上升在近幾十年來已引起大地測量學(xué)家和海洋學(xué)家甚至政治家的廣泛關(guān)注，成為多學(xué)科交叉研究的課題之一。絕對海平面變化主要受全球性因素如溫室效應(yīng)引起的極地冰蓋融化等因素引起的，它對穩(wěn)定的平均海平面的確定有一定影響。2/4/202321國家高程基準(zhǔn):垂直基準(zhǔn)的概念、算法目前，世界各國或地區(qū)均以一個或幾個驗潮站的長期平均海平面定義高程基準(zhǔn)。美國以波特蘭驗潮站、日本以東京靈岸島驗潮站、歐洲地區(qū)以阿姆斯特丹驗潮站的多年平均海平面定義各自的高程基準(zhǔn)面。

1954年，總參測繪局定義青島（1953～1954兩年數(shù)據(jù)）和坎門兩站的平均海平面高程為零，作為約束條件，建立了“1954年黃海平均海平面基準(zhǔn)”，

1956年，則選定青島大港驗潮站1950～1956年7年的平均海平面作為全國統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)面，該基準(zhǔn)沿用了30年。2/4/202322國家高程基準(zhǔn):垂直基準(zhǔn)的概念、算法原則上應(yīng)采用長期平均海平面定義高程基準(zhǔn)，至少要顧及交點潮引起的平均海平面年際周期變化。這就要求作為高程起算面的平均海平面觀測時間應(yīng)不短于19年，而這樣的時間長度，根據(jù)上節(jié)的穩(wěn)定性分析，在青島附近即便包含著交點潮影響，以95％置信概率指標(biāo)，也可達(dá)1cm精度?；谶@樣的考慮和已積累的足夠長時間的觀測數(shù)據(jù)，建立了“1985國家高程基準(zhǔn)”?！?985國家高程基準(zhǔn)”在具體建立時，采用了1952～1979年共28年的數(shù)據(jù)（1950年和1951年數(shù)據(jù)因水尺變動原因而不使用）。具體計算則是采用10組19年數(shù)據(jù)滑動平均，最后取10組滑動平均值的總平均。

1985黃海高程系與1956高程系的差值僅為2.9cm，這表明青島附近的年平均海平面是非常穩(wěn)定的。2/4/202323海圖深度基準(zhǔn)面:垂直基準(zhǔn)的概念、算法長期平均海平面具有良好的穩(wěn)定性，因此長期平均海平面本身即是理想的深度起算面。海圖深度基準(zhǔn)面基本可描述為：定義在當(dāng)?shù)胤€(wěn)定平均海平面之下，使得瞬時海平面可以但很少低于該面。在具體求定時，需考慮當(dāng)?shù)氐某辈钭兓Ｉ疃然鶞?zhǔn)面是相對于當(dāng)?shù)胤€(wěn)定（或長期）平均海平面定義的。

我國航海圖采用的深度基準(zhǔn)面為理論最低潮面，其保證率為95％左右。2/4/202324理論深度基準(zhǔn)面的計算:垂直基準(zhǔn)的概念、算法

①平均大潮低潮面：

采用的國家有意大利、德國、阿爾巴尼亞、希臘、加拿大（大西洋沿岸）、丹麥、比利時、挪威、印度尼西亞、阿根廷和巴拿馬等。

①平均大潮低潮面：

②平均低潮面

：

采用的國家有美國（大西洋沿岸）、瑞典（北海地區(qū)）和荷蘭等。

M2分潮的振幅確定深度基準(zhǔn)面在平均海平面下的位置。

③平均低低潮面：

采用的國家有美國（太平洋沿岸、阿拉斯加）、菲律賓等。

④略最低低潮面：

印度洋沿岸和日本等國家采用

⑤觀測的最低潮面：

采用的國家主要有法國、葡萄牙和巴西等國。

2/4/202325理論深度基準(zhǔn)面的計算:垂直基準(zhǔn)的概念、算法

我們國家采用什么方法計算？2/4/202326基準(zhǔn)傳遞與推估:垂直基準(zhǔn)的概念、算法為什么要研究這個問題？只有在長期驗潮站才能獲得穩(wěn)定的平均海平面，而長期驗潮站不可能以足夠高的密度布設(shè)，而通常在測量期間布設(shè)短期或臨時驗潮站，在這些驗潮站上只能獲得短期平均海平面，而水位控制所需的穩(wěn)定海平面基準(zhǔn)必須通過傳遞方法推估得到。2/4/202327短期驗潮站平均海平面的確定:垂直基準(zhǔn)的概念、算法根據(jù)附近長期驗潮站信息推求短期驗潮站穩(wěn)定（長期）平均海平面的方法有三種：水準(zhǔn)聯(lián)測法、同步改正法、線性關(guān)系最小二乘擬合法（回歸分析法）。1.同步改正法基本原理是在同一短時間內(nèi)，兩驗潮站短期平均海平面與長期平均海平面的差距（稱為短期平均海平面距平）一致，其依據(jù)是兩驗潮站的氣象對水位作用的平均效應(yīng)及長周期分潮貢獻(xiàn)相同，一定時間長度的平均海平面已基本消除了主要潮汐成分的作用，所以潮汐性質(zhì)的不同對傳遞精度的影響不大。2/4/202328短期驗潮站平均海平面的確定:垂直基準(zhǔn)的概念、算法1.同步改正法在長期驗潮站處平均海平面的短期距平為：

在短期驗潮站可寫出相同的距平公式：假設(shè)短期站長期平均海平面（相對于本驗潮站水尺零點）高度為：

2/4/202329短期驗潮站平均海平面的確定:垂直基準(zhǔn)的概念、算法2.線性關(guān)系最小二乘擬合法

同步改正法假定兩驗潮站的平均海平面短期距平相等，下面將該假設(shè)進(jìn)一步放寬，認(rèn)為兩站的平均海平面短期距平具有比例關(guān)系：

則有：

令：

則短期平均海平面有如下關(guān)系：即兩站的長期平均海平面與短期平均