论文专区海底地形测量成果的质量检核评估(四):自容式压力验潮仪验潮零点漂移处理实践

文献[1]指出，海底地形测量成果的质量一般依据内、外符合精度评估方式进行，其中对交叉点不符值的统计分析发挥着重要作用，从细化规范操作要求、避免结果的不确定性以及充分挖掘交叉点不符值所隐含的误差源出发，应基于三角网构建海底地形曲面并计算全部水深交叉点不符值。定位、船体运动姿态、吃水、深度（由波束发射角及去、回程时间确定）、声速剖面及水位改正值等是海底地形测量成果的主要组成部分^[2]。文献[3]探讨了作业单位面临的在深远海海域何时、何地布放何种声速仪器获取声速剖面性价比更高这一技术难题的解决方案。文献[4]针对压力验潮仪使用中出现的潮汐观测数据缺失、波浪扰动影响等问题以及海水密度精密改正、基准面传递确定等需求，开展了相关理论方法研究并开发了较实用的潮汐数据处理模块。在压力验潮仪具体使用过程中，还常会遇到由于仪器出现的硬件故障和外界动态海洋环境因素如浪、潮、流等综合导致的验潮零点漂移，其隐蔽性强、探测难度大^[5-6]。也是国际海道测量组织（International Hydrographic Organization）在涉及水位控制布设验潮站时比较关注的一个技术问题^[7]。

针对使用自容式压力验潮仪布设临时验潮站出现的验潮零点漂移现象，刘雷等^[8]、柯灏等^[6,9]、黄辰虎等^[10-11]基于不同的日平均海面计算方法，开展了一定的技术研究。为进一步提高自容式压力验潮仪验潮零点漂移处理的可操作性和实用性，本文将基于临近长期站和临时站的实测潮汐数据来计算二站同步时段内逐时日平均海面之差值，以此修正临时验潮站验潮零点可能出现的逐时漂移，并通过实例数据处理检验相关模型的适用性。

⒈ 日平均海面的计算模型

文献[12]、[13]指出，Godin法较中数法（即每24h的滑动平均海面）能在更大程度上滤除潮汐观测数据中包含的日分潮及更短周期分潮的影响，为此日平均海面M₀的计算模型选定如下^[12]：

式中ξ（t）表示逐时的潮汐观测值，M₀表示在一定观测时段如72h内对应其中间时刻的逐时日平均海面值。这里需注意的是，Godin法每次计算日平均海面时使用72个潮汐数据，而中数法则每次仅使用24个潮汐数据，由于Godin法对观测时刻开始和结束附近数据的取舍较中数法要多，因此在具体计算逐时日平均海面时应结合使用中数法。

⒉ 压力验潮仪验潮零点漂移的处理模型

假定ξ_A（t）、ξ_B（t）分别代表从各自验潮零点起算的长期验潮站和使用自容式压力验潮仪布设的临时验潮站的逐时潮汐观测值。若ξ_B（t）的验潮零点存在着漂移现象，则修正该验潮零点漂移后的潮汐观测值ξ_B^ˊ（t）可近似表示如下^[11]：

ξ_B^ˊ(t）≈ξ_B（t）＋((M_A0（t）－M_B0（t））       ⑷

式中M_A0（t）、M_B0（t）分别表示上述两个验潮站的逐时日平均海面值。日平均海面即为一定观测时段内余水位（增减水）的平均值^[13]，此外还残存着多年、年、月、半月等周期的天文分潮的影响，因此验潮站间这种天文分潮影响的不对称性，将会对ξ_B（t）的精确修订造成一定的影响。

在具体使用中首先应保证长期站的ξ_A（t）不存在验潮零点方面的漂移，从而计算并判断M_A0（t）－M_B0（t）项的量级及变化规律。若M_A0（t）－M_B0（t）项的量值仅在厘米级，顾及到日平均海面中隐含了多项不确定因素，这些不确定因素可能造成两站日平均海面互差值在cm级，这时可认为ξ_B（t）不存在零点漂移现象，否则应予以修正。

⒈ 实验数据

以福建平潭附近的平潭长期站、王爷山和牛山岛临时验潮站在2017-04-30～07-02同步时段的潮汐数据为例作分析。平潭距王爷山直线距离约9.8 km、距牛山岛直线距离约9.5 km，这三个验潮站所位海域的潮汐性质极相近，均属正规半日潮港，其中王爷山和牛山岛站采用了加拿大产RGB-2050型自容式压力验潮仪布设，3个验潮站的概略位置见图1。

图1  平潭、王爷山和牛山岛验潮站概略位置图

根据文献[4]方法，首先对各自容式压力验潮仪采集的原始气压值作气压方面的订正；其次根据波浪噪声的量级视情作滤波方面的处理；然后检查并插补可能缺测的数据。完成上述工作后，即可对验潮零点是否发生漂移进行判断并修正。

为便于量化比较，首先将平潭站同时段的潮汐数据归算至该站的长期平均海面。由于王爷山和牛山岛站的验潮零点可在任意的深度位置作假定，因此可将王爷山和牛山岛站的潮汐观测数据整体核减某一个常数，以方便的与平潭站的潮汐数据在深度方向作相似性直观比较。

对王爷山潮汐数据在深度方向上作整体性的平移后，与平潭站的水位观测值进行对比，部分结果见图2。

图2 平潭和王爷山站同步观测时段内的潮汐数据

由图2可知，在2017-04-30～06-02时段，王爷山站水位曲线整体在平潭站之下，未发现有明显的抬升或下降趋势。

进一步对牛山岛潮汐数据在深度方向上作整体性的平移后，与平潭站的水位观测值进行对比，部分结果如图3所示。

图3  平潭和牛山岛站同步观测时段内的潮汐数据

由图3可知，在2017-04-30～06-01时段内，牛山岛站的水位曲线整体在平潭站之下，且呈逐渐抬升的趋势；而在2017-06-02～07-02时段内，牛山岛站的水位曲线则整体在平潭站之上，且接续了前阶段抬升的趋势，整体抬升量近1m。

综合图2、3，考虑到平潭站属长期验潮站，其验潮零点应是稳定可靠的，其数据质量经严格的控制也是可信的，因此可判断：王爷山站的验潮零点较稳定可靠，未发生明显的漂移；而牛山岛站的验潮零点则发生了非常显著的漂移，需进行研究处理。当然若平潭长期站的验潮零点出现漂移，可根据赵建虎等^[5]、柯灏等^[6,9]提出的方法予以判断并修正。

⒉ 压力验潮仪验潮零点漂移的处理

根据公式⑴，分别计算平潭及牛山岛站逐时的日平均海面值，并计算二者间的互差值，部分结果见图4。

图4 平潭和牛山岛站二者的日平均海面及其互差

由图4可知，在2017-04-30～06-01时段内，平潭和牛山岛站的日平均海面互差值为0～60cm，且基本呈连续的线性减小趋势；而在2017-06-02～07-02时段内，两站的日平均海面互差值为-40～0cm，仍呈连续的线性减小趋势。这可能是由于牛山岛站布设位置处的海底地基发生了持续性的沉降或该位置处海流速度过强导致验潮仪支架向深水方向发生了持续性的滑动。也可能是由验潮仪设备硬件出现故障引起。

根据公式⑷，利用图4中得到的平潭和牛山岛站二者的逐时日平均海面的互差值，对牛山岛站的原始观测值作验潮零点修正，并再次计算二者逐时的日平均海面及其互差，部分结果见图5。

图5 平潭和牛山岛站（修订验潮零点后）二者的日平均海面及其互差

对比图4、5可知，牛山岛站验潮零点经修订后，与平潭站逐时日平均海面的互差范围是-5～5cm，该量级在M_A0（t）－M_B0（t）项的厘米级范围。与图4中二者逐时日平均海面互差范围-40～60cm相比，可判断牛山岛的潮汐观测值精度得到了大幅度提高，也表明对其验潮零点漂移的处理是有效的。

⒊ 压力验潮仪验潮零点漂移的检验

上面是以内符合方式证明对牛山岛站验潮零点的漂移处理是有效的，本节将通过外符合方式即依据经水位改正后的水深测量主、检测深线交叉点不符值的统计信息作进一步验证。

福建平潭海域水深测量水位控制如图6所示，其中涉及到1个三站分区和4个二站分区。

图6  福建平潭海域水深测量水位控制示意图

根据文献[4]方法，分别将牛山岛站验潮零点漂移处理前、后的潮汐值，以及平潭和王爷山站的潮汐值归算至各自的理论最低潮面后，得到水位改正数，依照图6中的水位控制示意图进行水位改正，并作主、检测深线交叉点不符值统计，其中交叉点总计1036个，结果见表1、2。

表1 主、检交叉点不符值（牛山岛站验潮零点漂移处理前）

表2 主、检交叉点不符值（牛山岛站验潮零点漂移处理后）

由表1、2可知，对牛山岛站验潮零点漂移处理前，超限点数约占总点数的11.68%，测深中误差为0.29m；漂移处理后，超限点数约占总点数的4.05%，测深中误差约为0.22m。这从外符合方面进一步证明对牛山岛站验潮零点漂移的处理是有效的。

国标《海道测量规范》^[14]规定，主、检测深线交叉点不符值的超限比为15﹪，尽管表1相关结果满足规范要求，但是从对测量作业的全过程进行质量监控、进一步提高最终测深成果精度而言，对验潮站潮汐数据的零点漂移作检测并修正是一项必需的基础性工作。

本文针对使用自容式压力验潮仪在布设临时验潮站时常出现的验潮零点漂移技术难题，基于临近长期验潮站的潮汐观测数据来计算二站同步时段内逐时日平均海面之差值，以此修正临时验潮站观测数据中可能隐含的验潮零点漂移量，并以福建平潭长期站和王爷山、牛山岛临时站的验潮数据为例，进行了压力验潮仪验潮零点漂移处理实践，最后通过内、外符合方式证明了本文相关模型具可操作性和实用性。

余水位（增减水）是指由天气、气象等随机因素引起的海面扰动，一般具有较大的空间尺度，天文潮位与余水位相结合应用于水深测量水位控制的作业模式已得到行业认可和推广^[15-18]。余水位还与海岸线形状（迎、背风）、海底地形及其底摩擦系数密切相关，在使用余水位法时应预先判断余水位在作业海域时、空域的相似性强弱^[19-20]。否则，不恰当的使用余水位法反而会降低水位改正精度。二站的余水位是否相似一般可通过两个验潮站的水位值减去各自的天文潮来判断，对于两个观测时段均较短的临时站，能否利用二站逐时日平均海面间的关系预先对余水位法的空间适用性作考核是一项有实用价值的工作，本文后续将开展相关的试验验证。

参考文献

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