王延強(qiáng)，仉天宇，朱學(xué)明

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

1 引言

衛(wèi)星高度計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海表面高度、海表面地形等動(dòng)力參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)可以獲取潮汐等動(dòng)力信息。TOPEX/Poseidon(以下簡(jiǎn)稱T/P)，Jason-1，Jason-2三顆衛(wèi)星（以下簡(jiǎn)稱T/P-J）采用幾乎相同的軌道高度、軌道傾角、重復(fù)周期等基本參數(shù)，從T/P衛(wèi)星發(fā)射至今有20余年，長(zhǎng)時(shí)間序列的衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)資料積累已超過(guò)18.6年，T/P-J高度計(jì)運(yùn)行時(shí)間見(jiàn)圖1，且開(kāi)始出現(xiàn)變軌后的高度計(jì)資料，增加了海面高度觀測(cè)的空間覆蓋范圍，對(duì)于潮汐特征的提取與分析具有積極意義。

1994年以來(lái)出現(xiàn)了大量基于衛(wèi)星高度計(jì)資料的大洋潮汐模型[1-5]，但其在中國(guó)近海的均方根偏差均高于大洋[6]。國(guó)內(nèi)也有大量學(xué)者利用衛(wèi)星高度計(jì)資料研究中國(guó)海的潮汐特征[7-12]。南海潮汐的經(jīng)驗(yàn)分析主要基于沿岸驗(yàn)潮站資料[13-14]或衛(wèi)星高度計(jì)資料。如Yanagi等[15]、李培良等[8]、趙云霞等[9]分別利用3年、6年、10年的T/P資料，汪一航[9]利用16年變軌前的T/P-J資料，仲昌維[12]采用19年變軌前后的T/P-J資料分別計(jì)算了南海的潮汐調(diào)和常數(shù)。但采用變軌前T/P或T/P-J資料，其相鄰軌道間距比較大，在北部灣口等地區(qū)缺乏觀測(cè)資料，結(jié)果不是很理想[8]。加入變軌后T/P-J資料結(jié)果會(huì)有改善，但由于資料序列較短，在部分沿岸地區(qū)結(jié)果仍不夠理想。

本文綜合利用衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)及沿岸驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)，首先對(duì)T/P-J共18.6年衛(wèi)星高度計(jì)資料（含變軌后資料）進(jìn)行最小二乘調(diào)和分析，分析南海Sa,Ssa,Mm,Mf,Q1,O1,P1,K1,N2,M2,S2,K2共12個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)，與南海沿岸及島嶼的58個(gè)驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，4個(gè)主要分潮（M2,S2,K1和O1）的振幅和遲角誤差基本小于5 cm和10°；結(jié)合沿岸264個(gè)驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)，繪制南海4個(gè)主要分潮（M2,S2,K1和O1）的等振幅線和同潮時(shí)線。

2 數(shù)據(jù)處理

首先，對(duì)衛(wèi)星高度計(jì)的測(cè)高數(shù)據(jù)進(jìn)行了除潮汐之外的其他各項(xiàng)訂正，主要有大氣濕對(duì)流層訂正、大氣干對(duì)流層訂正、大氣電離層訂正、電磁偏差訂正、氣壓引起的海面起伏訂正、固體潮汐訂正、負(fù)荷潮訂正、極潮訂正、有效波高訂正等。

圖1 T/P及Jason衛(wèi)星運(yùn)行情況示意圖

圖2 南海海域衛(wèi)星高度計(jì)基準(zhǔn)軌道、驗(yàn)潮站及水深分布

衛(wèi)星高度計(jì)不同周期的地面軌跡在理論上是精確重復(fù)的，而在實(shí)際數(shù)據(jù)資料中會(huì)有細(xì)微的偏移。為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，選取了高度計(jì)測(cè)距過(guò)程中數(shù)據(jù)比較完備，地面軌跡比較均勻的測(cè)量周期為基準(zhǔn)軌道，將其他周期數(shù)據(jù)統(tǒng)一訂正到基準(zhǔn)軌道上，變軌后軌道被漂移55″，位于先前地面軌跡的間隙中部，見(jiàn)圖2。每個(gè)基準(zhǔn)軌道上的觀測(cè)點(diǎn)生成一個(gè)水位時(shí)間序列，變軌前T/P-J資料長(zhǎng)度為18.6年，變軌后Jason-1長(zhǎng)度為3年，表1給出了我們采用的衛(wèi)星資料的周期及時(shí)間分布情況。

表1 采用的衛(wèi)星高度計(jì)資料

T/P-J衛(wèi)星高度計(jì)對(duì)海面某處的采樣間隔為9.9156天，其相對(duì)應(yīng)的折疊頻率（ fc=1/2Δt）為0.050426 d-1，遠(yuǎn)低于主要分潮（半日潮和全日潮）的潮汐頻率，因而產(chǎn)生潮汐高頻混淆。李培良[16]詳細(xì)討論過(guò)高度計(jì)資料的混淆問(wèn)題。

表2 主要分潮基本分辨時(shí)間(y)[16]

表2[16]列出了12個(gè)分潮在T/P-J衛(wèi)星采樣間隔下的可分辨周期，從表中可以看出，將K2與P1、K1與Ssa分開(kāi)需要9.18年的資料，M2與S2分開(kāi)需要2.97年的資料，將N2與O1、M2與Q1分開(kāi)需要1.63年的資料，將S2與Q1分開(kāi)需要1.05年的資料，其他主要分潮之間的可分辨時(shí)間都小于1年。采用18.6年的T/P-J高度計(jì)資料可以分開(kāi)12個(gè)主要分潮，采用3年的變軌后Jason-1資料也可以分辨開(kāi)4個(gè)主要分潮（M2,S2,K1和O1），其他發(fā)生混淆的分潮振幅比較小，對(duì)4個(gè)主要分潮影響也比較小。

在T/P-J系列衛(wèi)星高度計(jì)實(shí)際運(yùn)行中，時(shí)間間隔不是嚴(yán)格的9.9156天，衛(wèi)星交替時(shí)的時(shí)間間隔也會(huì)發(fā)生變化，為精確計(jì)算，采用每個(gè)觀測(cè)序列的時(shí)間間隔平均值進(jìn)行計(jì)算。在1°—26°N，99°—123°E的整個(gè)南海海域范圍內(nèi)，共搜集到7926個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的水位時(shí)間序列。對(duì)變軌前T/P-J及變軌后Jason-1的每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的水位時(shí)間序列采用最小二乘法[17-18]，計(jì)算各點(diǎn)的調(diào)和常數(shù)。T/P-J衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)采用世界時(shí)系統(tǒng)，為了方便與前人研究成果進(jìn)行對(duì)比，將其時(shí)間加上8個(gè)小時(shí)，計(jì)算相對(duì)于北京時(shí)間（東8時(shí)）的遲角。

3 結(jié)果驗(yàn)證與討論

3.1 與驗(yàn)潮站資料比較

選取Fang等[19]給出的58個(gè)驗(yàn)潮站（原文中共63個(gè)驗(yàn)潮站，其中5個(gè)站位因觀測(cè)時(shí)間比較短，代表性相對(duì)較差而被舍棄）4個(gè)主要分潮（M2,S2,K1和O1）的調(diào)和常數(shù)對(duì)高度計(jì)資料的分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，各站位位置見(jiàn)圖2。經(jīng)對(duì)驗(yàn)證結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析可知，4個(gè)主要分潮振幅最大平均絕對(duì)誤差為4.4 cm，除S2分潮外，遲角最大平均絕對(duì)誤差為7.8°。各分潮振幅和遲角的平均絕對(duì)誤差及其與前人研究成果的對(duì)比見(jiàn)表3，誤差小于Fang等[19]，李培良等[8]所得結(jié)果，尤其小于李培良等[8]的結(jié)果，表明采用更長(zhǎng)時(shí)間序列的衛(wèi)星高度計(jì)資料，尤其加入變軌資料，分析所得的調(diào)和常數(shù)結(jié)果得到了明顯改善。

表3 各分潮振幅和遲角的平均絕對(duì)誤差

3.2 潮汐分布特征

除Fang等給出的58個(gè)站位資料外，另從英版潮汐表中搜集到206個(gè)沿岸驗(yàn)潮站（其位置見(jiàn)圖2）的潮汐調(diào)和常數(shù)，共計(jì)264個(gè)驗(yàn)潮站資料。將其與高度計(jì)資料調(diào)和分析的振幅和遲角一并插值到0.1°×0.1°的規(guī)則網(wǎng)格上，繪制出南海4個(gè)主要分潮（M2,S2,K1和O1）的等振幅線和同潮時(shí)線分布（見(jiàn)圖3）。

研究海域內(nèi)共得到兩個(gè)M2分潮的旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)，都分布在泰國(guó)灣內(nèi)。一個(gè)在灣口，呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，Ye等[20]、沈育疆等[21]、丁文蘭[22]、方國(guó)洪等[19,23-24]、李培良等[8]、Zu 等[25]文獻(xiàn)都曾給出過(guò)此無(wú)潮點(diǎn)，但Ye等[20]、沈育疆等[21]和李培良等[8]給出的要更靠近灣口外部；另一個(gè)在灣頂，呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，此無(wú)潮點(diǎn)在Ye等[20]、俞慕耕[13]、沈育疆等[21]、方國(guó)洪等[19,23-24]文獻(xiàn)都給出過(guò)，Ye等[20]、方國(guó)洪等[24]分析此無(wú)潮點(diǎn)退化到陸地上。南海M2半日潮波由呂宋海峽傳入，在南海內(nèi)區(qū)、北部灣等海域的M2半日潮波都呈現(xiàn)出前進(jìn)波形態(tài)，且海盆潮波傳播速度要明顯快于陸架區(qū)。

M2分潮的振幅在臺(tái)灣海峽北部最大，超過(guò)200 cm，達(dá)圖灣次之，超過(guò)150 cm，在湄公河口，馬來(lái)半島超過(guò)50 cm。而在廣闊的南海海盆，振幅較小，都在20 cm左右。

S2分潮的分布形態(tài)與M2分潮有很大的相似性，在泰國(guó)灣口形成一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的無(wú)潮點(diǎn)，在泰國(guó)灣頂形成退化無(wú)潮點(diǎn)，S2分潮的分布圖在俞慕耕[13]、沈育疆等[21]、Fang等[19]、李培良等[8]、Zu等[25]等文獻(xiàn)也給出過(guò)，但無(wú)潮點(diǎn)位置都有些差異。S2分潮在南海東北部接近岸邊的地方形成一個(gè)無(wú)潮點(diǎn)，此無(wú)潮點(diǎn)位置與俞慕耕[13]，F(xiàn)ang等[19]基本一致。

S2分潮的振幅要比M2分潮振幅小很多，大部分地區(qū)為10 cm，最大振幅出現(xiàn)在臺(tái)灣海峽北部，達(dá)到60 cm，其次出現(xiàn)在湄公河口及達(dá)圖灣。

K1分潮在北部灣口和泰國(guó)灣各形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)，都呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。北部灣口的無(wú)潮點(diǎn)退化到了陸地上，Ye等[20]、方國(guó)洪等[19,24]、Zu等[25]等都分析出此退化的無(wú)潮點(diǎn)，俞慕耕[13]、沈育疆等[21]、丁文蘭[22]、Fang[23]在北部灣口分析出接近岸邊的無(wú)潮點(diǎn)。由于變軌前T/P高度計(jì)在北部灣口附近觀測(cè)數(shù)據(jù)較少，李培良等[8]，趙云霞等[9]采用T/P高度計(jì)資料沒(méi)有分析出此無(wú)潮點(diǎn)，見(jiàn)圖4。在泰國(guó)灣中部偏南的無(wú)潮點(diǎn)位置與Ye等[20]，俞慕耕[13]，沈育疆等[21]，丁文蘭[22]，方國(guó)洪等[19,23-24]，李培良等[8]，Zu等[25]結(jié)果基本一致。K1分潮主要由呂宋海峽，其次由臺(tái)灣海峽同時(shí)傳入南海，在深水地區(qū)以前進(jìn)波形式傳播，到了泰國(guó)灣和北部灣形成旋轉(zhuǎn)潮波。

圖3 主要分潮的等振幅線（虛線,單位/cm）與同潮時(shí)線（實(shí)線,單位/°）分布圖

圖4 主要分潮的等振幅線（虛線,單位/cm）與同潮時(shí)線（實(shí)線,單位/°）分布圖（引自李培良等[8]）

K1分潮振幅在南海大部分地區(qū)超過(guò)30 cm，最大出現(xiàn)在北部灣頂，超過(guò)90 cm，振幅由灣口向?yàn)稠斶f增，泰國(guó)灣振幅由灣中部無(wú)潮點(diǎn)附近向?yàn)晨诤蜑稠斶f增，最大在灣頂達(dá)到70 cm，在湄公河口，振幅超過(guò)60 cm。

O1分潮分布與K1分潮大致相同，在泰國(guó)灣有一逆時(shí)針?lè)较虻臒o(wú)潮點(diǎn)，與俞慕耕[13]，沈育疆等[21]，F(xiàn)ang等[19]，李培良等[8]，Zu等[25]一致。在北部灣口也得到一個(gè)退化的無(wú)潮點(diǎn)，方國(guó)洪等[19]，Zu等[25]也曾給出過(guò)此無(wú)潮點(diǎn)。

O1分潮振幅分布與K1分潮在南海分布基本一致，最大振幅出現(xiàn)在北部灣頂，超過(guò)90 cm，但在湄公河口及泰國(guó)灣頂小于K1分潮，為40 cm左右。

4 總結(jié)

利用最小二乘調(diào)和分析法對(duì)南海T/P-J共18.6年長(zhǎng)時(shí)間序列的衛(wèi)星高度計(jì)資料（含變軌后資料）進(jìn)行分析，得到南海12個(gè)分潮調(diào)和常數(shù)，并與58個(gè)驗(yàn)潮站資料比較。結(jié)果表明，4個(gè)主要分潮（M2,S2,K1和O1）振幅平均絕對(duì)誤差最大不超過(guò)5 cm，除S2分潮外，遲角平均絕對(duì)誤差不超過(guò)10°。同時(shí)，結(jié)合沿岸驗(yàn)潮站資料，繪制4個(gè)主要分潮（M2,S2,K1和O1）的等振幅線和同潮時(shí)線分布，較好的展現(xiàn)了南海潮汐分布特征。得到如下主要結(jié)論：

（1）采用更長(zhǎng)時(shí)間序列的衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)分析所得結(jié)果得到明顯改善，也更趨合理；

（2）增加3年變軌后的資料有助于提高沿岸地區(qū)的潮汐分析結(jié)果；

（3）在泰國(guó)灣內(nèi)得到兩個(gè)半日分潮的旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)，南海內(nèi)區(qū)、北部灣等海域的半日潮波都呈現(xiàn)前進(jìn)波形態(tài)，南海海盆半日分潮振幅在10—20 cm左右。

（4）在北部灣口和泰國(guó)灣各得到一個(gè)全日分潮的旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)，南海內(nèi)區(qū)的全日潮波呈現(xiàn)前進(jìn)波形態(tài)，南海海盆內(nèi)的全日分潮振幅在30—40 cm之間。

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