溫坤發(fā) 何志敏

摘 要：本文以壓力式驗(yàn)潮儀TGR-2050在珠江口的應(yīng)用為研究背景，探討了TGR-2050型驗(yàn)潮儀潮汐測(cè)量的原理和誤差來(lái)源，論文首先系統(tǒng)闡述了其潮汐測(cè)量原理，在此基礎(chǔ)上，從大氣擾動(dòng)、潮流、海水密度和驗(yàn)潮儀壓力感應(yīng)零點(diǎn)漂移等幾個(gè)方面分析了誤差來(lái)源，并給出了消除誤差的具體措施，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：壓力式 驗(yàn)潮儀 海洋測(cè)繪 潮汐

中圖分類(lèi)號(hào)：P204 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）06（b）-0033-02

珠江口位于廣東沿海中部，有8個(gè)入海口門(mén)，其潮汐變化十分復(fù)雜，是我國(guó)華南地區(qū)港口最密集區(qū)域，因此，航道航行安全對(duì)潮汐測(cè)量精度提出了更高的要求。潮汐測(cè)量的手段很多，主要包括傳統(tǒng)水尺法、浮子式驗(yàn)潮儀、引壓鐘式驗(yàn)潮儀、聲學(xué)式驗(yàn)潮儀、壓力式驗(yàn)潮儀等潮位測(cè)量設(shè)備。對(duì)于短期潮汐測(cè)量，一般采用傳統(tǒng)水尺法和便攜壓力式驗(yàn)潮儀。但傳統(tǒng)水尺法，效率低、人力投入大、容易產(chǎn)生人為誤差；而壓力式驗(yàn)潮儀如常用的加拿大RBR公司的便攜式TGR-2050型驗(yàn)潮儀，雖然設(shè)置簡(jiǎn)單、方便、快捷，但在珠江口潮汐測(cè)量時(shí)，潮位精度受到大氣壓擾動(dòng)、潮流、海水密度、壓力感應(yīng)器零點(diǎn)漂移等因素的影響，不能滿足技術(shù)要求。對(duì)便攜式TGR-2050型驗(yàn)潮儀測(cè)量精度鮮有人研究。因此，研究其誤差來(lái)源是十分必要的。

1 TGR-2050型驗(yàn)潮儀潮汐測(cè)量原理

TGR-2050型自容式驗(yàn)潮儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)2050驗(yàn)潮儀），用于觀測(cè)和記錄潮水的變化以及海水表層溫度的變換。能有效摒除波浪的干擾，測(cè)量精度較高。

2050驗(yàn)潮儀測(cè)深原理是基于壓力傳感器測(cè)量一定時(shí)段的平均壓力，計(jì)算出驗(yàn)潮儀零點(diǎn)所處位置的水深。該儀器提供了兩種不同的模式計(jì)算水深，兩種方式均需要壓力傳感器測(cè)定的壓力。計(jì)算水深的壓力（P）數(shù)值為壓力傳感器測(cè)得的壓力（Pm）減去大氣壓在壓力傳感器上產(chǎn)生的壓力（Patm），如公式（1）所示：

P=Pm-Patm （1）

基于壓力P，有以下兩種方式計(jì)算瞬時(shí)海面至驗(yàn)潮儀零點(diǎn)的深度。第一種方式簡(jiǎn)化推求：為近似的方法，根據(jù)測(cè)區(qū)表面的海水密度，如公式（2）所示：

D=P/（0.980665×ρ） （2）

式中，D為所測(cè)深度，單位為m；P為公式（1）中計(jì)算的壓力，單位為dbar；ρ為海水的密度。

2 潮汐測(cè)量誤差來(lái)源分析

珠江口的潮汐屬于不正規(guī)半日潮，潮差比較大，而潮流屬于往復(fù)流，其潮流較急?；?050驗(yàn)潮儀的測(cè)量原理與珠江口的潮汐性質(zhì)，不難發(fā)現(xiàn)其誤差主要是大氣壓擾動(dòng)、潮流、海水密度、儀器本身的壓力感應(yīng)零點(diǎn)漂移等因素的影響引起的。

2.1 大氣壓擾動(dòng)影響

大氣壓會(huì)隨著所處位置的高度、溫度、濕度、地理緯度等條件的變化而變化。比如對(duì)于同一地區(qū)，在一天之內(nèi)的不同時(shí)間，地面的大氣壓值也會(huì)有所不同。而2050驗(yàn)潮儀在進(jìn)行潮汐觀測(cè)時(shí)，將大氣壓設(shè)置為定值，大氣壓擾動(dòng)勢(shì)必對(duì)驗(yàn)潮儀的觀測(cè)精度產(chǎn)生較大的影響?；谝陨戏治?，筆者選擇5臺(tái)2050驗(yàn)潮儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：1臺(tái)放置在水池附近測(cè)量大氣壓，其他4臺(tái)投放到淡水池中靜態(tài)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)水位。采用第一種簡(jiǎn)化方式計(jì)算潮位，其密度設(shè)為1.0g/mm3，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓對(duì)驗(yàn)潮儀壓力感應(yīng)區(qū)大氣壓力10.1325dbar，每隔10min采集一組數(shù)據(jù)，共采集147組。其中測(cè)量大氣壓力的儀器測(cè)得的大氣壓力，產(chǎn)生的水位變化達(dá)5cm，當(dāng)處于臺(tái)風(fēng)低氣壓控制的情況下，其引起的水位變化達(dá)14cm。

2.2 潮流對(duì)潮汐測(cè)量誤差的影響

在珠江口，由于潮差較大，潮流有較強(qiáng)的規(guī)律性，漲潮時(shí)，潮流方向是從下游至上游，而退潮時(shí)則是從上游至下游。由于潮流的存在，導(dǎo)致不同的安裝方式，產(chǎn)生潮汐測(cè)量的誤差，具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

2.2.1 儀器安裝在錨鏈上導(dǎo)致的零點(diǎn)漂移誤差

如果將驗(yàn)潮儀固定在錨鏈上，安裝方式見(jiàn)圖1，固定在錨鏈距水底3m處。在珠江口漲潮、落潮過(guò)程中，驗(yàn)潮儀零點(diǎn)距離水底距離d，隨著與垂直方向偏移角度i的變大而變大。當(dāng)偏移角i為5°時(shí)，驗(yàn)潮儀零點(diǎn)變化為1cm；當(dāng)i為15°時(shí)，零點(diǎn)變化達(dá)10.2cm。因此，驗(yàn)潮儀不能固定于受潮流影響較大的錨鏈上。

2.2.2 儀器垂直安裝在固定的樁柱上

選擇3臺(tái)驗(yàn)潮儀在珠江口實(shí)驗(yàn)。將2臺(tái)驗(yàn)潮儀固定在水尺的底部，1臺(tái)壓力感應(yīng)孔區(qū)水平固定在水尺底部，另1 臺(tái)豎直固定在水尺的側(cè)面，第3臺(tái)儀器放置于空氣中測(cè)大氣壓擾動(dòng)。這3臺(tái)儀器設(shè)計(jì)參數(shù)相同，大氣壓所產(chǎn)生的壓力設(shè)的一個(gè)常數(shù)10.1325dbar，取樣周期設(shè)為10min，啟用平均間隔設(shè)為40s，采用第一種方式測(cè)定潮位，密度設(shè)為1.0110g/mm3，在大潮期間測(cè)定4天數(shù)據(jù)，同時(shí)人工于每天08∶00～18∶00每隔30min同步觀測(cè)數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)大氣擾動(dòng)改正，并提取與白天人工驗(yàn)潮同步觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明水平安裝的驗(yàn)潮儀觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線比垂直安裝的驗(yàn)潮儀觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線更逼近人工觀測(cè)潮汐曲線，其差值不超過(guò)2cm。因此，在珠江口利用該驗(yàn)潮儀測(cè)量潮位時(shí)，為了減少動(dòng)壓強(qiáng)及渦流等因素對(duì)潮位測(cè)量帶來(lái)的誤差影響，安裝驗(yàn)潮儀時(shí)，應(yīng)該將驗(yàn)潮儀固定于水下且壓力感應(yīng)面平行于水面。

2.3 海水密度的影響

筆者利用密度計(jì)，在大潮期間一天中，在珠江口測(cè)區(qū)測(cè)量了8組海水密度，其平均密度為1.0110g/mm3。在珠江口將2臺(tái)驗(yàn)潮儀水平安裝在水尺上，經(jīng)過(guò)3天測(cè)量后，提取數(shù)據(jù)。其中一臺(tái)采用第一種根據(jù)密度簡(jiǎn)化推求潮位方式，其密度設(shè)為1.0110g/mm3；而另外一臺(tái)基于海水狀態(tài)方程采用第二種根據(jù)緯度推求潮位的方式，輸入緯度23.0。將驗(yàn)潮儀測(cè)量的數(shù)據(jù)提取并經(jīng)大氣壓擾動(dòng)改正后，與人工驗(yàn)潮潮汐數(shù)據(jù)相比較：密度設(shè)為1.0110g/mm3的潮位曲線更逼近人工驗(yàn)潮的潮位曲線，其精度可以滿足測(cè)量要求。而基于海水狀態(tài)方程采用第二種根據(jù)緯度推求潮位的方式測(cè)量的潮位與人工驗(yàn)潮數(shù)據(jù)相比較，潮位越高，誤差越大，最大達(dá)8cm。實(shí)驗(yàn)證明，在珠江口等區(qū)域使用2050驗(yàn)潮儀測(cè)量潮位時(shí)，采用平均密度簡(jiǎn)化推求方式測(cè)量的潮位數(shù)據(jù)符合測(cè)量精度要求，明顯優(yōu)于基于緯度的海水狀態(tài)方程推求潮位方式的結(jié)果。

2.4 驗(yàn)潮儀壓力感應(yīng)零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的誤差

2050驗(yàn)潮儀壓力感應(yīng)零點(diǎn)漂移會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的壓力誤差，影響測(cè)量的潮位精度。零點(diǎn)漂移過(guò)大，則潮位測(cè)量的數(shù)據(jù)不能滿足精度要求；但文獻(xiàn)與儀器廠商并沒(méi)有提供一個(gè)方便且行之有效的方法來(lái)檢測(cè)儀器零點(diǎn)漂移的大小。為了解決這一問(wèn)題，本文基于第一種簡(jiǎn)化的潮位測(cè)量方式，密度設(shè)置為1.0g/mm3，其他參數(shù)設(shè)置同上，然后將驗(yàn)潮儀水平固定于靜態(tài)淡水池中，觀測(cè)24h，經(jīng)大氣擾動(dòng)改正后，查看其曲線是否基本處于同一直線。如果基本趨于一條直線，則說(shuō)明儀器穩(wěn)定。如果儀器穩(wěn)定，則取潮位測(cè)量值的平均值與采用直接測(cè)量法量取的壓力感應(yīng)孔至水面的數(shù)值比較，來(lái)確定壓力感應(yīng)零點(diǎn)是否漂移。筆者對(duì)4臺(tái)2050驗(yàn)潮儀進(jìn)行了壓力感應(yīng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如表1所示，通過(guò)靜態(tài)潮位數(shù)據(jù)平均值與人工直接測(cè)量的觀測(cè)值相比較可以看出，編號(hào)為“R1”的儀器零點(diǎn)與真實(shí)值相差達(dá) 2.6cm。這顯然不滿足“觀測(cè)誤差不得大于2cm”的測(cè)量規(guī)范要求，建議返廠檢校。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)TGR-2050型驗(yàn)潮儀在珠江口測(cè)量潮位時(shí)誤差比較大的問(wèn)題，通過(guò)分析了大氣壓擾動(dòng)、潮流、海水密度、壓力感應(yīng)零點(diǎn)漂移等因素產(chǎn)生的誤差，并通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)與研究，提出了大氣壓擾動(dòng)改正方法、合理的儀器安裝方式、推求潮位的簡(jiǎn)化方式即平均密度法、測(cè)定驗(yàn)潮儀壓力感應(yīng)零點(diǎn)漂移等方法，消除或削弱了以上因素對(duì)測(cè)量潮位數(shù)據(jù)精度的影響，滿足了利用該驗(yàn)潮儀測(cè)量潮位精度的要求。

參考文獻(xiàn)

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