盧小鵬，陸偉先，侯國鋒，成鳳暌，呂翠蘭

(寧波海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江 寧波 315012)

碼頭潮流精細化觀測預報淺析*1

盧小鵬，陸偉先，侯國鋒，成鳳暌，呂翠蘭

(寧波海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江 寧波 315012)

對港口碼頭的定點進行潮流精細化預報，是對區(qū)域潮流場預報工作的有利補充。結(jié)合當前定點潮流預報工作的開展，從基本的4個測站的站點布設，選擇合適的時間獲取預報所需的原始觀測資料，再到實測數(shù)據(jù)處理，至預報計算方法，以及預報產(chǎn)品開發(fā)應用等多方面，深入探討如何科學有效地開展港口碼頭潮流精細化預報工作，更好地滿足當前市場的需求。關于資料的采集主要側(cè)重目前運用較為成熟的四測站布置方案，并結(jié)合實際工作中遇到的一些問題進行具體闡述。

潮流；精細化預報；資料采集；測站布置；差比參數(shù)；調(diào)和分析

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，大量的海上運輸工作催生了沿海的大型港口碼頭工程的開發(fā)建設，大型泊位的數(shù)量也與日俱增。寧波—舟山沿海港區(qū)一直以來都是我國的重要港區(qū)，其周圍大型碼頭分布密集。而這一帶海域島嶼眾多、航道交錯、流況復雜、岸線及海底水深地形曲折多變，這些因素都為港口的船只?？繋聿槐恪榱税踩a(chǎn)需要，特別是一些大型船舶的安全引航和靠離、泊作業(yè)，許多大型碼頭迫切需要有針對性精密的潮汐潮流預報。

傳統(tǒng)的潮流預報，如國家信息中心提供的潮汐潮流預報表，它給出某個海域特定點的潮流預報數(shù)據(jù)，該預報產(chǎn)品的時間尺度較大，一般一天只有4個時次的預報，為轉(zhuǎn)流時刻和極值漲、落潮流時刻。在流況復雜多變的水域，這些預報不能很好地反映海流的分布變化，無法滿足安全作業(yè)的需要。特別是針對如寧波—舟山港區(qū)的復雜岸線，碼頭前沿流況往往具有非常細微的局地特征，碼頭附近的礁石、山岬、小島嶼及多變的等深線均會對潮流的流速、流向產(chǎn)生明顯的影響，而且局地的小渦旋、切變線時有發(fā)生，這都會影響到大型船只的安全靠離泊。此外，碼頭建成前后，其所在區(qū)域的流況也會發(fā)生一定的變化，所以對新建碼頭水域的流況進行潮流預報也顯得尤為重要。

開展港口碼頭的精細化潮流預報必須要掌握其所在海域的潮汐潮流實際情況，需要在建成后對碼頭的潮汐潮流進行一次觀測，以最經(jīng)濟的方法科學合理地安排觀測時間、布置觀測站點就都尤為重要。多年開展精細化潮流預報工作使得我們積累了一定的預報經(jīng)驗，下面將針對大型港口碼頭潮流精細化預報進行具體闡述，希望能對其它有港口潮流預報需求的研究給予啟發(fā)。

1 觀測資料獲取

開展精細化潮流預報首先必須準確掌握碼頭前沿潮汐、潮流情況，這是預報結(jié)果是否準確可靠的關鍵所在，需要獲取的原始資料主要包括潮汐、潮流和大面漂流跡線等。

潮汐、潮流資料的準確性直接影響到預報成果的好壞。但是準確的觀測數(shù)據(jù)不僅僅要求資料獲取的過程中要盡量減少人為誤差、機器誤差、天氣因素的干擾，還要求潮流的分潮調(diào)和常數(shù)具有代表性，使實測潮流資料能真實代表所在海域潮流的實際情況。采集滿足這些要求的觀測數(shù)據(jù)，除了應選擇合理的觀測時間和可靠、高準確度的儀器設備之外，還應根據(jù)碼頭的特點，科學合理地布置觀測站點。

1.1 觀測時間

因為海流、漂流資料獲取的經(jīng)濟成本較大，為了以較少天數(shù)的海流觀測資料求得盡可能準確的潮流調(diào)和常數(shù)，海流連續(xù)觀測應選擇在天文條件良好、天氣狀況較好的日期進行，避開冷空氣、氣旋、臺風等天氣系統(tǒng)影響時間。本文主要介紹選用引入差比參數(shù)的方法進行潮流調(diào)和分析，故在選擇良好天文條件時，要考慮滿足如下要求[1-2]：

(1)

(2)

滿足公式(1)、(2)條件的觀測日期即為大潮期間(全日潮和半日潮)。一般說每月農(nóng)歷初一、十五前后是半日潮良好期間，每月太陰赤緯最大的日期前后是全日潮良好期間。而海區(qū)最大潮流發(fā)生時刻一般為初一、十五，月赤緯最大的日期加上半日潮齡或日潮齡，即大潮出現(xiàn)時間。一般海流調(diào)和分析計算要求連續(xù)觀測不應少于3次，故分別為大、中、小潮期間，所以開展觀測期間一般要包括一次完整的大、中、小潮汛，選擇從低潮或高潮發(fā)生前開始，為保證各個分潮觀測周期的閉合性，一般觀測時間不少于26 h。在此期間還同步進行漂流觀測和為期1個月的潮汐觀測。

1.2 儀器設備及使用

在調(diào)查海域附近設置一個臨時潮位觀測站點，按潮汐觀測規(guī)范GB/T 14914-2006《海濱觀測規(guī)范》[3]的要求，設置水尺、水準點，進行水準聯(lián)測，用潮位自動觀測儀獲取一個月的連續(xù)潮位逐時觀測資料，利用該資料可計算所在海域的Q1，O1，P1，K1，N2，M2，S2和K2這8個分潮的調(diào)和常數(shù)。

潮流觀測以歐拉方法和拉格朗日方法同步分別進行。在觀測海域，首先采用GPS全球差分定位系統(tǒng)進行準確的定位，然后以直讀式海流計或聲學多普勒海流剖面儀(ADCP)同步獲取各站點各層的潮流數(shù)據(jù)。直讀式海流計在流速較小時流向測量偏差較大，且數(shù)據(jù)取樣時間間隔一般為1 h，因此，多數(shù)情況下以ADCP應用更多些。

目前，ADCP測流主要有兩種類型，一種為固定式，一種為走航式。固定式ADCP對海底地形的要求較高，要求地形平坦或坡度較小，即保證儀器在水底穩(wěn)定，在整個觀測期間位置不變。走航式ADCP因安裝在船只上，在測流過程中會因船只的擺動受到一定程度的干擾，從而影響定點位置及測流數(shù)據(jù)。因此，對定點測流來說，固定式ADCP獲取的資料相比走航式ADCP更真實，建議使用固定式ADCP。

整個測流時間要求包含大、中、小三個潮汛，與潮位同步，這樣才能更好地分析本海域各站點潮流與潮位的關系，如潮流的轉(zhuǎn)流、漲落急時刻與高低潮時的關系。另外，在以歐拉方法獲取定點潮流資料的同時，還應在調(diào)查水域的上、下游分別進行大、中、小潮汛的同步漂流觀測，采用GPS對漂流示蹤浮標進行定位與測時，以了解海域是否存在“壓攏流”、“撇開流”、回流或漩渦等不利流況。這種將點與面的潮流調(diào)查有利結(jié)合的觀測方式，也是當前較為常見的準確獲取潮流資料的手段。

1.3 測點的設置

測點的布置[4]包括測流點、臨時潮位站點和漂流區(qū)起漂點。潮位站的布置較為簡單，就地取材，因地制宜，一般在碼頭附近尋找1個方便的位置設置1個臨時驗潮站。測流點和漂流區(qū)的布置，要依碼頭所在水域的具體地理位置及潮流情況而定。

潮流預報目的是為安全生產(chǎn)服務的，因此站點的布設也主要從實際的安全工作出發(fā)，主要根據(jù)碼頭的設計噸級，以碼頭前方靠泊船只的2至4倍船身寬度處開始考慮潮流對船只的影響。一般而言，從碼頭中軸向前約2倍和4倍船寬處各設1個測流點，考慮到潮流對船頭和船尾的影響，在碼頭兩端前方也各設1個測流點，故一般共設4個定點測流點，具體如圖1所示。但是每個碼頭水域?qū)嶋H情況都是各不相同的，在進行站點布設時，要綜合考慮到水深條件、碼頭周邊地形、儀器安放等多個因素的影響，并以引航部門的實際需要出發(fā)，對站點設置進行最優(yōu)化的調(diào)整，有必要時還應該增加測點。比如，碼頭前沿水域可能存在潮流切變線的情況，可將碼頭外側(cè)的測點適當布設得更遠一些，或者考慮增加一個測點，以便觀測到切變線的存在位置或存在時間。四測點布置方案只是常規(guī)辦法，實際操作中在編寫潮流觀測技術方案時，還需結(jié)合碼頭的初步設計書和通航評估報告等相關資料，并結(jié)合引航部門和碼頭方的要求(包括經(jīng)費投入情況)來合理布局潮流點。為了船只安全停靠碼頭，為了更多地了解海域流況，還可對船只進出的主要航道進行定點測量。

圖1 碼頭前沿潮流觀測測點設置圖Fig.1 Layout of the tidal current observation stations in front of the wharf

定點測流的同時，還應該在碼頭前方海域進行大面漂流，目的是了解碼頭前沿海域的表層流情況。漂流海域范圍一般以碼頭為中心，分別向上游、下游及碼頭前方各延伸500 m，根據(jù)需要還可適當外延，與定點測流同步進行。參考臨時觀測站或附近站點的潮位資料，分別就大、中、小潮期間選擇漲、落潮時段，從下游或上游的位置布置3～6個浮標點進行同步跟蹤漂流，從流路軌跡分析海域是否存在渦旋及其存在位置、漂流軌跡走向是否與碼頭存在夾角以及夾角的大小。一般而言，每潮次的漂流跡線不應少于12條，即漲、落潮各6條，本文建議每潮次漂流跡線達20條以上。在漂流的過程中，還會存在漂流跡線遠離漂流區(qū)的情況，起漂點還要結(jié)合實際情況再做調(diào)整。因為實際情況的復雜性，建議在做跡線漂流時，能對現(xiàn)場特殊現(xiàn)象做一個跟蹤記錄，如哪里有渦旋、哪里有切變等，這些都是資料處理中不可多得的實測參考資料。

1.4 應用實例

為了更好地闡述這一站點布設方案，本文以寧波光明通用碼頭為例進行說明。該碼頭位于寧波市北侖區(qū)穿山半島的東北端，地處螺頭水道南側(cè)、與峙頭洋的交接水域(碼頭局地地形見圖2)。其水域岸線呈凹弧形，水下地形復雜，碼頭東西兩端均有山岬突出，又位于穿山半島的轉(zhuǎn)角位置，導致局地出現(xiàn)極為復雜的回流與渦旋。

圖2 寧波光明碼頭地形圖Fig.2 The topographic map of the Guangming Wharf

光明碼頭由5萬噸級海輪碼頭(寬30 m、長440 m)和萬噸級江海聯(lián)運碼頭(寬20 m、長190 m)組成，兩碼頭呈反L形聯(lián)結(jié)。在5萬噸級主碼頭的潮流觀測站布設測點，基本遵循四測點布置方案。在碼頭中間和兩端兩倍船寬(100 m)距離處分別布置了2#、3#和4#三個測點；為了更有利地觀測到碼頭前方可能存在的渦旋切變線，將外部5#測點延伸至約250 m處。此外，在萬噸級的江海聯(lián)運碼頭中間正前方50 m布置了1#測點，作為該碼頭的潮流預報點；在5萬噸級海輪碼頭右前方“船舶調(diào)頭水域”處布置了6#測點，用于了解調(diào)頭水域的流況。因光明碼頭前方存在明顯的渦旋，根據(jù)碼頭初步設計書提供的信息，本次設計的漂流區(qū)域在實際觀測中完全涵蓋了碼頭前方的渦旋區(qū)，見圖3。

圖3 光明碼頭潮流觀測站位布置圖Fig.3 Layout of the tidal current observation stations in front of the Guangming Wharf

2 精細化預報計算方法

從目前的潮流預報實際應用出發(fā)，碼頭定點潮流精細化預報引用碼頭附近潮汐站點的調(diào)和常數(shù)作為差比參數(shù)，運用嚴格最小二乘法進行調(diào)和分析，計算多個分潮的調(diào)和常數(shù)，并用于預報。

潮流分析和預報是根據(jù)海流周日連續(xù)觀測資料分離出潮流和非潮流，算得潮流調(diào)和常數(shù)，進而預報任意時刻的潮流流況。而實測海流包括由天體引力所產(chǎn)生的潮流以及主要由水文、氣象等條件所產(chǎn)生的非潮流(也稱余流)兩部分。運用短序列的實測資料用于預報，資料的準確性、代表性對整個潮流預報的開展將起到至關重要的作用。

按照上述要求開展潮汐、潮流資料的現(xiàn)場采集，利用獲取的資料開展預報工作。引用差比參數(shù)，用嚴格最小二乘法分別計算潮流北、東分量的調(diào)和常數(shù)，再按照下式進行潮流預報[1-2，5]：

(3)

(4)

式中，U0，V0為調(diào)和分析潮流北、東分量的平均振幅，計算時取北、東分量余流；Ui，ξi為分潮北分量的調(diào)和常數(shù)；Vi，ηi為分潮東分量的調(diào)和常數(shù)；Di，v0i為平衡潮分潮的振幅系數(shù)和格林威治初相。

對北、東分量的兩組預報數(shù)據(jù)進行合并，計算出每小時或半小時的潮流預報結(jié)果。

3 潮流精細化預報產(chǎn)品的應用探討

目前關于港口、碼頭潮流精細化預報產(chǎn)品，主要是各定點潮流逐時(或每半小時)流速、流向預報報表，預報層次以5 m層或10 m層為主。碼頭單位或海事引航部門可根據(jù)該報表進行合理的進出港調(diào)度，保障生產(chǎn)安全。

針對流速變化較大水域，還可利用預報數(shù)據(jù)制作乘流預報產(chǎn)品，即分別對漲、落潮流時段進行流速的分級統(tǒng)計，找出<50 cm/s，50～100 cm/s，100～150 cm/s和>150 cm/s的潮流分布情況，這樣用戶在使用時可直接找出可操作的靠泊時間；可以根據(jù)特殊用戶的要求，制作漲、落急及轉(zhuǎn)流時刻等更加精細化的預報產(chǎn)品。對潮汐而言，對一些水深條件較為苛刻的航道，可制作乘潮預報產(chǎn)品，以保證船只的吃水不受阻礙。

因為每個水道和區(qū)域的特殊性，每個地方的潮流都有各自的特征，我們在制作產(chǎn)品時可結(jié)合用戶單位的意見，了解他們更關注于潮流的哪些方面，這樣才能制作出更能滿足用戶需求的產(chǎn)品。

上述產(chǎn)品都是基于同一份潮流數(shù)據(jù)制作的數(shù)據(jù)表形式的產(chǎn)品，還可在這些數(shù)據(jù)表的基礎上再進行二維預報產(chǎn)品的可視化表達，使預報結(jié)果更為直觀地呈現(xiàn)給用戶。

4 結(jié) 語

碼頭前沿的潮汐、潮流精細化預報產(chǎn)品是為大型碼頭安全生產(chǎn)，特別是大型船舶的安全引航和靠、離泊作業(yè)服務的海洋環(huán)境預報產(chǎn)品，在實際應用中為碼頭安全生產(chǎn)和船舶靠離港作業(yè)提供了有力的安全保障。在觀測技術和計算機技術越來越先進的今天，在定點潮流精細化預報基礎之上，還可以根據(jù)碼頭生產(chǎn)的特點，開發(fā)出更多、更好的服務于碼頭安全生產(chǎn)的預報產(chǎn)品。

[1]黃祖珂,黃磊.潮汐原理與計算[M].北京:海洋出版社,2006.

[2]陳宗鏞.潮汐學[M].北京:科學出版社,1980.

[3]GB/T 14914-2006 海濱觀測規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2006.

[4]盧小鵬,呂翠蘭.碼頭前沿水域潮流觀測與分析預報的應用[J].海岸工程,2012,31(1)：16-21.

[5]方國洪,鄭文振,陳宗鏞,等.潮汐和潮流的分析與預報[M].北京:海洋出版社,1986：388-406.

MeticulousObservationandPredictionofTidalCurrentinFrontoftheWharf

LUXiao-peng,LUWei-xian,HOUGuo-feng,CHENGFeng-kui,LüCui-lan

(NingboMarineEnvironmentMonitoringCenterStation,SOA,Ningbo 315012,China)

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 to carry out scientifically and effectively the meticulous observation and prediction of tidal current in front of the wharf is discussed in detail from the aspects of the basic four-station layout,the acquiring of the original observation data needed for the prediction at the right time,the processing of measured data,the calculation method of forecasting 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 which illustrations are made concretely according to the problems encountered in the practical work.

tidal current;meticulous prediction;gathering of the data;station layout;comparative parameters;harmonic analysis

2013-09-22

國家海洋局東海分局基金項目——碼頭前沿潮汐潮流預報優(yōu)化及可視化研究(201205)

盧小鵬(1976-)，女，工程師，主要從事海洋預報方面研究.E-mail:597335508@qq.com

(王 燕 編輯)

P731.3

A

1002-3682(2014)03-0010-07