论文专区▏深度基准面的最低潮意义不一致性问题分析

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许军¹  王冬²  于彩霞¹

1.海军大连舰艇学院海洋测绘系；2.天津海事测绘中心

【摘要】因资料时长、算法实现等差异，长期验潮站的深度基准面L值存在最低潮意义不一致问题。通过对北方海区长期站的算法实现考证，表明最低潮意义不一致是普遍现象。从三个层次提出了解决方案：⑴对于一般测量作业单位，以不同传递方法的结果判断最低潮意义一致性，以保持L值空间连续分布为原则取值；⑵对于基础海洋测绘管理部门，应构建全海域的深度基准面模型，作为基础数据集提供查询与内插的公众服务；⑶对于国家层面的多部门统筹，应统一深度基准面的历元与算法实现，建立基准维持与调整的长效机制。

【关键词】深度基准面；长期验潮站；海域垂直基准；理论最低潮面；深度基准面模型

一、引言

对于测量期间布设的中短期验潮站，平均海面与深度基准面应由长期验潮站传递确定^[1-3]。因此，长期验潮站起着维持海域垂直基准框架的作用。由海洋潮汐理论^[4]以及美国等的实践^[5]，长期站的平均海面与深度基准面等潮汐基准面应统一采用某一连续19年的实测水位数据计算，以保证算法与历元的一致。但国内的现状远没达到该理想状态，在算法与历元都存在不一致^[6-11]：①我国自1956年起，将深度基准面统一于理论最低潮面（旧称理论深度基准面、海图深度基准面），采用弗拉基米尔斯基算法。但算法实现上，曾长期采用分段求解再叠加的方式，即分解为8个天文分潮可能的最低潮位、长周期改正以及浅水改正，其中长周期改正还可由平均海面季节改正数代替，而浅水改正只在三个浅水分潮的振幅和大于20cm时才被顾及^[6-7]。甚至相当数量的长期站是采用传递技术确定^[7]。②采用的实测水位资料时长从短于1个月至19年以上^[7]。

对于不同长期站，若深度基准面的算法实现与历元都一致，则称深度基准面的最低潮意义一致。若任一不一致，则称最低潮意义不一致。对于短期站，其深度基准面以传递技术确定，可认为与基准站具有最低潮意义一致性。随着涉海单位不断建设长期站，分布密度已基本能保证多站传递确定中短期站的深度基准面。因长期站建设年代及管理单位的不同，各站的最低潮意义可能不一致，进而导致不同长期站传递结果间存在明显矛盾。本文将以天津海事测绘中心管辖的北方海区为例，说明长期站的深度基准面最低潮意义不一致的现象，并提出解决方案。

二、长期站L值考证

文献[7]利用相关资料分析了沿岸部分长期站确定深度基准面所用资料的时长，本文将考证所用的算法实现。以天津海事测绘中管辖海域为例，收集长期站的1年以上实测水位数据，实施长期调和分析^[4]。在近几十年过程中，算法的具体实现经过多次修改，在分潮选择上可归结为两种情况^[12]：一是8分潮，二是13分潮。因此，由潮汐分析结果分别以8分潮与13分潮计算理论最低潮面值L₈与L₁₃，再计算现采用值相对L₈与L₁₃的差异，分别记为Δ₈与Δ₁₃，列于表1。由Δ₈与Δ₁₃的量值，大致判断各站现采用值的方法实现，表中以下划线标识。

 表1 长期站深度基准面算法考证

验潮站	Δ8	Δ13	验潮站	Δ8	Δ13
葫芦岛	0.1	-23.9	东港	-10.8	-36.2
盘锦新港	-0.7	-16.8	北隍城	0.8	-19.2
营口	-7.0	-25.2	黄骅	32.9	10.0
鲅鱼圈	2.7	-21.4	东营	16.7	-5.6
芷锚湾	14.3	-12.4	潍坊	25.0	-6.4
秦皇岛	13.3	-10.6	莱州	45.6	30.6
长兴岛	23.5	1.1	龙口	20.6	-3.6
京唐港	29.5	3.9	蓬莱	6.4	-16.7
塘沽	23.7	-7.0	烟台西港	3.4	-16.9
南疆码头	23.4	-11.1	芝罘岛	5.2	-14.8
临港	27.5	0.2	威海	3.4	-15.0
南港	17.0	-14.3	成山头	-1.2	-21.9
大沽灯塔	5.8	-23.1	石岛	-7.4	-30.9
曹妃甸	16.4	-9.1	文登	23.6	-2.6
棉花岛	-16.3	-43.0	乳山口	0.9	-13.9
老虎滩	-5.5	-30.6	南黄岛	23.2	5.1
旅顺	-4.2	-23.6	千里岩	-15.4	-33.0
小长山	5.6	-20.3	石臼所	-9.5	-32.1

表1中的分潮数判断是单纯基于所收集数据的试算，没有顾及数据时长引起的误差，但大部分站仍能明显判断出所用的分潮数，如葫芦岛、盘锦新港、鲅鱼圈、北隍城、烟台西港、芝罘岛与成山头等站，与L₈十分接近，相对L₁₃的差异与年周期分潮S_a的振幅相当，故可基本判定是基于8分潮的算法实现。各站的深度基准面确定算法与资料情况的准确判定，需进一步考证历史文档资料，比如：

⑴天津港包含北疆港区、南疆港区、东疆港区、临港经济区、南港港区等区域，为了保持天津港地区深度基准的一致性，深度基准面L值都统一采用241cm，由表1知，各港区间实际存在差异。

⑵文献[7]指出石臼所站深度基准面是采用1968～1979年共12年取平均所得。由表1知，现采用值相比L₈与L₁₃都偏小，这应该与所在海域M₂分潮振幅逐渐增大^[9,13]有关。若以1975～1979年数据计算L8为264.3cm，而以2010～2012年数据计算为279.5cm，增大了约15cm。

总之，沿岸长期站间的深度基准面在算法实现与历元上可能存在不一致，即最低潮意义不一致问题，若进一步顾及资料时长与时段的差异，则不一致现象是普遍存在的。

三、解决方案

从三个层次提出解决方案：①对于一般的测量作业单位，涉及长期站间最低潮意义不一致的判断及结果采用问题；②对于基础海洋测绘管理部门，涉及深度基准面L值分布信息提供的职能；③对于国家层面的多部门统筹，涉及海域垂直基准框架维持的任务，以及建立基准维持与调整的长效机制。

⒈一般测量作业单位

一般测量单位难以（不可能）获得长期站的长期实测水位数据以及基准面关系确定的完备信息，只能被动地获得L值与短期同步水位数据（或在长期站附近采集水位数据），以传递技术确定布设站的L值。此时，可采用多种传递方法评估的方式判断最低潮意义一致性：若同一长期站的不同传递方法的传递值基本一致，而不同长期站的传递值间存在明显差异，则可认定长期站间存在最低潮意义不一致。此时，传递值的选择需考虑布设站与长期站的相对空间分布关系，原则是保持L值的空间连续平滑分布。图1为某水深测量的验潮站分布，莱州与龙口为长期站，海上定点为布设的短期站。

图1 验潮站点分布

由约30天同步水位数据，分别按略最低低潮面比值法与潮差比法由龙口与莱州传递海上定点站的深度基准面L值，结果列于表2，单位为厘米。

表2 海上定点站的L值传递结果

基准站	比值法	潮差比法	平均值
龙口	66.8	68.7	67.8
莱州	90.7	94.8	92.8

由表2知，龙口或莱州的两种方法传递结果间的差异分别为1.9cm与3.9cm，可认为单站的两种方法的传递值基本一致。但两站传递结果间存在着25cm的偏差，考察表1可知，这与两长期站的深度基准面定义有关。由图1知，海上定点基本处于两长期站的中垂线上，其L值可取两长期站传递值的均值，以保持L值的空间连续平滑分布。

⒉基础海洋测绘管理部门

基础海洋测绘管理部门是指航海图测量与出版部门，具体为海军海洋测绘部门与国家海事局的测绘部门。该两部门基本实现了中国海域的航海图全覆盖，积累了十分丰富的验潮站资料与深度基准面信息，可通过公开站点的深度基准面信息的方式，以保证不同单位测图采用一致的深度基准面。更进一步，管理部门应构建全海域的深度基准面模型，作为基础数据集提供深度基准面查询与内插的公众服务。深度基准面模型的构建以精密潮汐模型为基础，综合长期站与历史测图的中短期站信息，保持模型与海图所用站点处L值一致。

对于前述实例，若测量作业单位只获得了龙口或莱州中一个站的信息与水位数据，不同作业单位确定的L值间将存在25cm的差异。而采用管理部门发布的深度基准面模型内插确定，则能保证L值的统一，也有利于水深成果的无缝拼接。

⒊长效机制

长期验潮站的深度基准面最低潮意义不一致问题，目前采用强制符合于长期站的解决方式，原因有两方面：一是受限于规范^[14]的规定“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。”；二是长期验潮站（水文站）的管理涉及海军、海洋局、海事局、航道与港务部门、水利部门等，对包含深度基准面在内的海域垂直基准关系，需求与重视程度不一致，同时也缺乏协调的机制。

科学、合理的解决方式是多部门统筹协调，从海域垂直基准框架维持的角度，建立基准维持与调整的长效机制。目的是统一19年的时间历元，以及确定调整历元的原则或间隔。如美国在1980年11月召开的“国家潮汐基准面会议（National Tidal Datum Convention of 1980）”上，统一了全海域深度基准面定义，并更新了潮汐基准面历元。美国规定约每25年调整一次历元^[15]。

建立长效机制的难点在于多部门统筹协调。在协调一致的前提下，才能解决深度基准面调整的法理问题与长期实测水位数据共享问题。历元调整与统一的具体工作内容包括：①实测水位数据的收集、整理与预处理；②确定19年的历元时段；③将包含完整历元时段的长期站视为基本站，经完整频谱的调和分析获得严密的调和项，进而按定义计算深度基准面L值；④其它长期站，按传递技术确定L值；⑤重新确定中短期站的L值；⑥构建该历元下的最低潮意义一致的深度基准面模型，以及历史水深成果的基准面转换模型。管理与维持的工作内容包括：①随技术发展与数据的积累，不断精化沿岸的深度基准面模型，如美国在2012年构建了费罗里达东海岸在内的某海域模型，在2013与2016年分别进行了修订与更新^[16-18]；②新建长期站的深度基准面确定。若能实现水位数据的充分共享，还应实现新建长期站的必要性论证与选址的合理性论证。

四、结束语

不同时期的长期验潮站在数据资料时长与算法实现上存在差异，受限于深度基准面不得变动的规定，深度基准面最低潮意义不一致现象已较普遍。多部门管理与数据不共享，使问题更加突出。多站传递时存在着矛盾，使站点的L值零碎化，水深成果的融合与无缝拼接也难以实现。美国的管理方式值得借鉴：单部门管理与数据共享、潮汐基准面（平均海面与深度基准面等）的历元统一与定期调整、构建海域垂直基准模型并提供公众服务、模型持续精化。

参考文献

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【作者简介】第一作者许军，1981年出生，男，讲师，博士，主要从事水位控制、潮汐模型与海域垂直基准的研究与应用；本文为基金项目，国家自然科学基金项目（41501500、41074002）；本文来自《海洋测绘》（2018年第3期），若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。

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