李振云，熊 偉，劉 杰

(1.海南核電有限公司，昌江 572700；2.天津水運工程勘察設(shè)計院有限公司 天津市水運工程測繪技術(shù)重點實驗室，天津 300456)

東山灣位于臺灣海峽南口西岸的閩南東山、云霄、漳浦三縣之間，海域總面積247.89 km2，其中水域面積155.5 km2，是閩南最大的海灣。該灣三面為山丘環(huán)抱，呈不規(guī)則的梨形伸入陸地，南北長20 km，東西寬約15 km，灣頂有漳江入海。灣口朝南，口門狹窄，寬僅5 km，其間還有塔嶼等大小島嶼屏障，是個半封閉型的海灣。灣北有梁山擋住北風，東以古雷半島為屏障[1]。

2020年，在漳州東山灣及灣外附近海域設(shè)置H1、H2、H3、H4、H5共5個觀測站，各站示意圖見圖1。按春夏秋冬四季開展潮位觀測工作，每站每季觀測一個月，觀測基準采用1985國家高程基準。本文則基于這次的觀測數(shù)據(jù)，對東山灣附近海域的潮汐性質(zhì)、潮位特征值、理論最低潮面、平均海平面、余水位等進行分析計算。國內(nèi)很多專家學者在潮汐調(diào)和分析及其應(yīng)用領(lǐng)域做了大量研究，例如方國洪等學者對潮汐運動原理及分析做了大量研究并取得相應(yīng)成果[2-6]，王冀等學者對基準面計算、余水位分離、特征值統(tǒng)計方法等做了大量研究[7-11]，本文基于這些研究成果，對東山灣附近水域潮汐特征進行分析，分析原理與過程不再贅述。

圖1 潮位站布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the layout of the tide stations

1 潮汐調(diào)和分析模型

天文潮位是水位運動變化的主體， 由若干分潮綜合而成，假設(shè)分潮個數(shù)為m，則表達式為

(1)

式中：MSL為平均海平面高度；H為分潮的振幅；σ為分潮角速率；v為分潮的天文初相角；g為分潮的遲角。對于某一分潮，σ和v可以通過天體運動推算得到，H和g為分潮調(diào)和常數(shù)，是該分潮在某點振動變化的參數(shù)。根據(jù)2020年4月8日～2020年5月8日(春季)、2020年6月11日～2020年7月11日(夏季)、2020年10月1日～2020年11月1日(秋季)、2020年12月25日～2021年1月25(冬季)期間的潮位觀測數(shù)據(jù)(1985國家高程基準)，采用最小二乘法進行潮汐調(diào)和分析，得出11個主要分潮的調(diào)和常數(shù)。

2 潮汐性質(zhì)

潮汐性質(zhì)可分為正規(guī)半日潮和不正規(guī)半日潮、正規(guī)全日潮和不正規(guī)全日潮，潮汐性質(zhì)以主要全日分潮(K1和O1)振幅之和與主要半日分潮的(M2)振幅的比值F(示性系數(shù))來判別。

潮汐示性系數(shù)按下式計算

(2)

當F≤0.5時為正規(guī)半日潮；

當0.5

當2.0

當4.0

采用式(2)分季節(jié)計算各站潮汐示性系數(shù)如表1所示，計算結(jié)果表明：H1站和H2站為不正規(guī)半日潮， H3站和H4站兼具正規(guī)半日潮和不正規(guī)半日潮的特性，H5站為正規(guī)半日潮。

表1 各潮位站每季度潮汐示性系數(shù)Tab.1 The ratio of the stations for each season(K1+O1) to M2

3 潮位特征值

根據(jù)5個潮位站的四季潮位數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知：觀測期間，H1站最高潮位為2.39 m(秋季)，最低潮位為-1.32 m(冬季)，最大潮差為2.98 m(冬季)，最小潮差為0.56 m(春季)，每季度平均漲潮歷時基本一致，每季度平均落潮歷時基本一致，漲潮歷時大于落潮歷時；H2站最高潮位為2.82 m(秋季)，最低潮位為-1.75 m(冬季)，最大潮差為3.82 m(冬季)，最小潮差為0.92 m(春季)，每季度平均漲潮歷時基本一致，每季度平均落潮歷時基本一致，漲潮歷時大于落潮歷時；H3站最高潮位為2.97 m(秋季)，最低潮位為-1.86 m(冬季)，最大潮差為4.10 m(秋季)，最小潮差為1.05 m(春季)，每季度平均漲潮歷時基本一致，每季度平均落潮歷時基本一致，漲潮歷時大于落潮歷時；H4站最高潮位為3.12 m(秋季)，最低潮位為-1.95 m(冬季)，最大潮差為4.32 m(秋季)，最小潮差為1.14 m(春季)，每季度平均漲潮歷時基本一致，每季度平均落潮歷時基本一致，漲潮歷時大于落潮歷時；H5站最高潮位為3.17 m(秋季)，最低潮位為-2.15 m(冬季)，最大潮差為4.48 m(冬季)，最小潮差為1.25 m(秋季)，每季度平均漲潮歷時基本一致，每季度平均落潮歷時基本一致，漲潮歷時大于落潮歷時。

根據(jù)各站四季觀測數(shù)據(jù)，計算每季的月平均海平面， H1站、H2站、H3站、H4站及H5站的各季月平均海平面如表2所示，各站月平均海平面隨季節(jié)變化過程如圖2所示。平均海平面的變化，主要受天文、氣象等因素的影響。由表2和圖2可知，各站月平均海平面基本一致，各站的月平均海平面均為秋季最高。雖然觀測數(shù)據(jù)不是整年連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，無法分析逐月平均海平面的變化規(guī)律，但四季月平均海平面變化趨勢與自然資源部海洋預(yù)警監(jiān)測司發(fā)布的2019年中國海平面公報中提及的福建沿海月平均海平面變化規(guī)律基本一致[12]。

表2 各站每季度月平均海平面Tab.2 Monthly MSL of the stations for each season m

圖2 各站月平均海平面變化趨勢圖Fig.2 Trend of the monthly MSL of each station

5 理論最低潮面

采用潮汐調(diào)和分析得到的主要分潮調(diào)和常數(shù)，根據(jù)《水運工程測量規(guī)范》(JTS131-2012)[13]附錄F進行理論最低潮面的計算，按四季分別計算各站理論最低潮面值如表3所示。

表3 各站理論最低潮面值Tab.3 TLT of each station cm

表3數(shù)據(jù)表明：該海域理論最低潮面值呈現(xiàn)從西南沿岸向東北逐漸變大的特性，這與各站最大潮差變化規(guī)律基本一致，其中H1站最小，H5站最大，兩站各季計算結(jié)果平均相差約70 cm；各季節(jié)計算結(jié)果相對穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大的跳動，側(cè)面說明了調(diào)和常數(shù)的穩(wěn)定性，其中尤以H1站最為穩(wěn)定，各季計算結(jié)果基本一致。

對H1～H5站的余水位進行統(tǒng)計分析[14-15]，可知該海域的5個潮位觀測站余水位在時間上呈現(xiàn)短周期波動，波動幅度及波動周期在不同時期具有不同的特征，在空間上表現(xiàn)為各站余水位變化具有高度相關(guān)性，余水位變化越劇烈，相關(guān)性越強，這種“波動幅度大時相關(guān)強，波動幅度小時相關(guān)弱”特點有效避免了后續(xù)潮位推算中的誤差累積，有利于實際應(yīng)用。在時間上表現(xiàn)為春夏季以減水為主，秋季以增水為主，除了受徑流影響外，可能與月平均海平面變化有關(guān)，造成了這樣的統(tǒng)計值差異表現(xiàn)，各站余水位極值如表4所示。余水位變化表現(xiàn)出的另一個特點是在劇烈增水或減水后會有一個幅度稍小的反彈，這個特點在余水位變化過程線中也得到了較好體現(xiàn)，各站余水位變化過程線如圖3～圖6所示。從各站余水位的變化過程線可以看出。從該海域余水位特性和變化規(guī)律得出推論：在今后的該海域工程建設(shè)中，建設(shè)少量的潮位觀測站，采用潮汐預(yù)報和余水位訂正的方式可有效掌握該海域潮位。

表4 各站余水位統(tǒng)計值Tab.4 Statistics of residual water level of each station cm

圖3 春季余水位變化過程Fig.3 Hydrograph of residual water level in spring圖4 夏季余水位變化過程Fig.4 Hydrograph of residual water level in summer

7 結(jié)論

(1)漳州東山灣附近海域兼具正規(guī)半日潮和不正規(guī)半日潮特性，H1站最高潮位為2.39 m，最低潮位為-1.32 m，最大潮差為2.98 m，最小潮差為0.56 m；H2站最高潮位為2.82 m，最低潮位為-1.75 m，最大潮差為3.82 m，最小潮差為0.92 m；H3站最高潮位為2.97 m，最低潮位為-1.86 m，最大潮差為4.10 m，最小潮差為1.05 m；H4站最高潮位為3.12 m，最低潮位為-1.95 m，最大潮差為4.32 m，最小潮差為1.14 m；H5站最高潮位為3.17 m，最低潮位為-2.15 m，最大潮差為4.48 m，最小潮差為1.25 m。各測站每季度平均漲潮歷時基本一致，平均落潮歷時基本一致，漲潮歷時大于落潮歷時。

(2)各觀測站每季度的月平均海平面變化趨勢基本一致，各站的月平均海平面均為秋季最高。各站理論最低潮面值呈現(xiàn)從西南沿岸向東北逐漸變大的特性，與各站最大潮差變化規(guī)律基本一致，各測站每季度計算結(jié)果相對穩(wěn)定，計算結(jié)果未出現(xiàn)大的波動，側(cè)面說明了調(diào)和常數(shù)的穩(wěn)定性，其中尤以H1站最為穩(wěn)定，各季計算結(jié)果基本一致。

(3)漳州東山灣附近海域余水位在時間上呈現(xiàn)短周期波動，波動幅度及波動周期在不同時期具有不同的特征，在空間上表現(xiàn)為各站余水位變化具有高度相關(guān)性，余水位變化越劇烈，相關(guān)性越強。在時間上表現(xiàn)為春夏季以減水為主，秋季以增水為主。從該海域余水位特性和變化規(guī)律得出推論：在今后的該海域工程建設(shè)中，建設(shè)少量的潮位觀測站，采用潮汐預(yù)報和余水位訂正的方式可有效掌握該海域潮位。