征文展示▏许军等：航海中的动态水位保障

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一、引言

海图图载水深为水深点处深度基准面至海底的垂直距离，是测深时刻瞬时水深剥离动态潮汐部分后的稳态部分。理论上，瞬时水深甚少浅于图载水深，航海用户在使用海图时，从安全角度可以不考虑潮汐。但另一方面，图载静态水深降低了航道等重要通航水域的通航能力，特别是潮差普遍较大的中国沿岸浅水区。

在图载静态水深上叠加动态潮汐部分是提高近岸浅水区域水深资源利用率的基本手段，传统上主要有两种途径：⑴利用航海图上《潮信表》，推算潮时和潮高，但其计算过程相对复杂，且精度较低；⑵查询公开发行的《潮汐表》，精度较高。《潮信表》和《潮汐表》都只覆盖重要港口，站点分布稀疏，将空间上连续的潮汐信息简化为离散站点的潮位值，可参考性大大降低。

随着电子海图、导助航设备以及通信系统的发展，动态水位保障相应需从人工查表、以点代面的方式转为电子化、智能化以及潮位场与水位场的方式，如作为e-航海概念下的重要一环。本文将简述动态水位计算的基本原理及相关的技术方法，并介绍渤海海域的动态水位保障能力。

二、原理与技术方法

⒈ 基本原理

动态水位计算是水深测量中水位改正数计算的逆过程，理论上可采用各种水位改正方法，如狭长航道可采用时差法、最小二乘曲线拟合法实现水位的内插。从大范围的适用性角度，基于潮汐模型与余水位监控法是更通用的方法。该方法将海域上(x,y)点处在t时刻的水位变化h(x,y,t)分解为三部分：

             h(x,y,t)＝L(x,y)＋T(x,y,t)＋R(x,y,t)

式中：L(x,y)为深度基准面L值；T(x,y,t)为从当地平均海面起算的天文潮位，由潮汐模型预报；R(x,y,t)为余水位（也称为异常水位或增减水），由验潮站传递。

该水位改正方法在2013年成山头船舶定线制测量、2014年粤东水域船舶定线制测量、2015年渤海海峡及附近水域的检查测量与航路测量中的应用表明，在潮汐变化复杂海域可由沿岸稀少站点实现大范围的水位控制。同理，该方法用于计算动态水位是可行的，精度主要取决于潮汐模型的分辨率、覆盖程度与天文潮位预报精度，以及余水位的空间一致性。采用该方法可计算海域的同时刻水位，即水位场，结合水深图（电子海图），进而可实现瞬时水深场的再现。

⒉ 潮汐模型

天文潮位是水位变化的主体，故潮汐模型是动态水位计算的基础，对精度起决定性作用。模型的分辨率应与海域潮汐变化复杂程度相匹配，网格点应覆盖关注的海域；模型应至少包含8个主要分潮（全日分潮Q₁、O₁、P₁、K₁，半日分潮N₂、M₂、S₂、K₂），对于黄海与渤海，还应包含振幅达到20cm～30cm的年周期分潮S_a。

沿岸近海区域的潮汐模型构建一般采用数值模拟方式，利用POM、MOM、FVCOM等海洋数值模式，以及各种同化技术实现卫星测高与验潮站点数据或潮汐参数对模型的“拉动”作用，改善模型的质量。

潮汐模型在关注海域的精度应充分评估，特别是重要的港口、航道以及潮汐变化复杂的沿岸浅水区。精度指标应采用多分潮的综合预报误差RSS，即统计潮汐模型预报潮位与验潮站点调和常数预报潮位间差异的中误差。

⒊ 余水位订正

余水位主要是气象因素等引起的短时水位异常。由于相同或相近的诱因及海洋水体运动惯性，余水位在空间上呈现较强的相关性。据此特征，由验潮站点传递确定海域各点处余水位，叠加至潮汐模型预报的潮位场上，构建瞬时水位场。

在时域上，因天气因素的连续性以及海洋水体运动惯性，余水位在短时间内具有较强的自相关性。相关文献统计表明，中国沿岸海域间隔1小时以内的余水位自相关系数都能达到0.9以上，而间隔6小时以内能达到0.6以上。余水位在时域上的自相关性，在水位的内插中已得到应用：将水位的内插分为天文潮位的预报与余水位的内插。如短时缺测数据或异常数据的插补，水位改正中的水位加密等都可采用该方法。利用余水位的自相关性可以提高水位内插的精度。但若据此进行外推，即余水位的预报，首先，外推精度必将低于内插精度。其次，从余水位的组成因素角度，余水位的预报在一定程度上是指天气因素的预报。天气因素的短时非周期性的、复杂的变化决定了余水位预报精度远低于内插精度。因此，相对于余水位量值而言，余水位的预报难以在较长时间上满足瞬时水位场预报的要求。对于乘潮通航与大型船舶进出港口时间设计等应用，建议采用精密潮汐模型预报构建潮位场的方式，在正常天气条件下，潮位场与水深成果的精度基本相当，能够满足应用需求。

⒋ 深度基准面模型

深度基准面模型是指连续网格化的深度基准面L值分布，各网格点处L值可由精密潮汐模型按理论最低潮面定义算法计算。此时各网格点处L值在深度基准面历元与最低潮意义（算法实现）上都保持一致。但规范规定深度基准面一经确定且在正规水深测量中已被采用者，一般不得变动。因此，各长期验潮站的现行L值，在历元与算法实现上可能存在差异：采用的分潮数（可能8分潮或13分潮等）与资料时长（短于1个月至数十年）并不一致，甚至是由邻近站传递确定。对于测量布设的中短期验潮站，L值由邻近长期站传递确定，也存在同样的问题。所以，为了将海图图载水深转换为瞬时水深，深度基准面模型应与海图相匹配，即模型应与各海图所用站点处L值保持一致。相应的工作是收集测量所用站点处的L值，以某种算法对按理论最低潮面定义算法构建的模型实施订正。

对于狭长航道或较小海域，结合潮汐复杂程度以及站点的空间分布与密集程度，可采用空间内插的方法构建深度基准面模型。

三、渤海实例

渤海存在多个重要的港口，水深普遍较浅，对于增强动态水位保障、提高水深利用率具有较强的应用需求，如在渤海海峡-曹妃甸航线与渤海海峡-仙人岛上都存在水深较浅航段，大型船舶乘潮通过上述航段，可实现安全和效益的双赢；超大型船舶在靠港时，受风流的影响较大，要求在转流前的高平潮靠泊，需要据动态水位信息，科学调度和设计大型船舶进出港口时间。北海航海保障中心天津海事测绘中心负责渤海海域的航海图水深数据测量及海图编绘任务，并在重要港口建设了多个长期验潮站。本文基于该中心管辖的长期站，结合现有的模型成果与相关技术的研究成果，简要介绍渤海海域动态水位的保障能力。

⒈ 潮位场

潮位场是由精密潮汐模型预报区域各点处同时刻的的瞬时潮位，分辨率与精度取决于精密潮汐模型。目前天津海事测绘中心已基于POM模式与blending同化法，采用逐步同化T/P系列卫星测高沿迹分析结果、130个中期验潮站与106个长期验潮站成果的方式，构建了中国近海及邻近海域（3°N～41°N，105°E～127°E）1´×1´的13个主要分潮的精密潮汐模型。未同化长期站成果而构建的中间模型，与长期站相比，在中国沿海与渤海的总体综合预报误差RSS分别为9.7cm与8.3cm。同化长期站成果而构建的最终模型，精度将进一步提高。因此，由该潮汐模型预报渤海海域潮位场的精度优于8.3cm。

⒉ 实时水位场

天津海事测绘中心管辖的及后期规划的渤海沿岸长期验潮站都具有数据实时传输功能，传递监控渤海海域余水位，结合潮汐模型预报的潮位场，可实现整个渤海海域瞬时水位场的再现。以沿岸各长期站为余水位监控站，其它邻近同步站为检核站，由精密潮汐模型内插各站的调和常数，进而计算余水位。监控站以基于潮汐模型与余水位监控法计算检核站处的瞬时水位，与实测水位间的差异，即代表由监控站确定检核站处瞬时水位的误差。中误差统计结果列于图1，图中▲为天津海事测绘中心管辖的长期站。

图1 确定瞬时水位的中误差（单位：cm）

由图1可知，因瞬时水位的确定误差取决于余水位的空间一致性，故与站间距离有关。秦皇岛与东营间、大连与芝罘湾间的距离分别为212km与142km，因此，余水位间的差异也最大，瞬时水位中误差达到了12.7cm与12.8cm。另外，余水位的空间一致性与区域有关，东营-潍坊-龙口所处区域相对较弱，与该区域水深相对浅有关。

实际构建瞬时水位场时，海上点处余水位由周边多个长期站传递，精度应高于图1所示的指标。以图1中的定点3#、海上1#与垦东12-3为例，以两侧长期站按距离倒数加权平均法传递余水位，经统计，瞬时水位的中误差分别为3.6cm、4.3cm与6.4cm，优于图1中单站传递精度。因此，综合而言，由沿岸长期站构建瞬时水位场的精度保守估计可优于10cm。

⒊ 深度基准面模型

首先，由精密潮汐模型按理论最低潮面定义算法计算各网格点处的L值，构建深度基准面初步模型。

其次，收集天津海事测绘中心历史测图所用站点的L值（称为现采用值），由初步模型内插出各站的L值（称为模型值），计算两者的差异（现采用值-模型值），如图2所示，长期站以红框标注。

图2 深度基准面的现采用值与模型值的差异

由图2可看出，现采用值与模型值在局部海域呈现一定的系统性，如葫芦岛-盘锦-营口海域，现采用值偏小30cm左右，与年周期分潮Sa的振幅相当，这与周边长期站现采用值只采用8个主要分潮计算有关。

最后，由长期与中短期验潮站的L值对初步模型实施订正，使模型在验潮站处与现采用值保持一致的同时，使模型的基准系统归化于验潮站L值系统中，生成最终的深度基准面模型。

⒋ 总结

按动态水位保障的基本原理，渤海海域已构建了精密潮汐模型与深度基准面模型，能预报精度优于8.3cm的潮位场，天津海事测绘中心管辖的沿岸长期站能进一步实现精度优于10cm的瞬时水位再现。因此，基础模型与水位数据来源方面已具备动态水位保障能力。未来需进一步收集历史站点的水位数据和海图测量验潮站深度基准数据，精化潮汐模型与深度基准面模型，逐港逐航道地统计论证瞬时水位推算精度。

四、结束语

在基本原理上，动态水位的计算与水深测量水位改正数计算是一致的。普适的方法是基于潮汐模型与余水位监控法，在水深测量实践中已获得应用，能满足相关规范与标准的精度要求。因此，动态水位保障涉及的技术方法业已成熟。

动态水位按类型可分为两类：⑴潮位，即以精密潮汐模型与深度基准面模型实现高精度、大范围的潮位预报。优点是稳定、可靠，在正常天气下能满足动态水位保障的应用需求；可预报未来任意时长的潮位，适合乘潮通航时段等的规划设计。⑵水位，即进一步叠加上验潮站传递的余水位。理论上比潮位具有更高的精度，但预报的可靠性低，在实际应用层面上，还需考虑个别站点出现异常等情况的处理，相应的精度与可靠性也需充分论证。

动态水位保障不简单等于动态水位的计算，保障服务体现于计算的动态水位应结合电子海图实现瞬时水深场的再现与预报、乘潮通航与大型船舶进出港时间设计等。因此，动态水位保障应作为船舶航行或港航管理等系统的组成部分，将涉及航道与港口管理方、验潮站管理方、系统开发方、船舶等多个单位部门，以及数据传输与保密、安全与效益间的平衡等问题。目前具备了模型与技术方法等条件，但转化至实际应用仍有诸多工作。

【作者简介】本文作者/许军 刘雷，分别来自海军大连舰艇学院海洋测绘系和天津海事测绘中心。第一作者许军，1981年出生，男，博士，大连舰艇学院海洋测绘系，主要从事精密潮汐模型、水位改正、海域垂直基准等方面的理论与技术方法研究。

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