柯科腾
上海勘测设计研究院有限公司 上海 200000
摘要：本文基于FVCOM数值模型搭建了覆盖整个粤西海域的潮汐潮流水动力模型，然后针对部分观测的水位进行了验证，在验证良好的基础上，采用T_Tide潮汐调和分析软件对所有网格点的水位数据进行调和分析，并采用相关规范的方法对整个粤西海域的理论最高和最低潮面的空间分布进行了分析。结果表明模型计算的理论最低和最高潮面分布与实际情况较符合，整个近岸到远海理论最低潮面呈现出由低变高的趋势，理论最高潮面呈现出由高变低的趋势，整个粤西沿岸，吴川电白海域的潮差较大。
关键词：FVCOM；粤西；理论最高潮面；理论最低潮面
0 引言
潮汐的变化起伏，主要是由于不同天体引潮力作用而形成，经过调和分析后，潮汐的变化可理解为不同分潮的叠加作用形成。我国沿海海域潮汐特征变化较大，基本涵盖了包裹正规半日潮、不正规半日潮、不正规全日潮、正规全日潮等所有类型潮汐，粤西海域主要以不正规半日潮和不正规全日潮为主。目前粤西海域规划与已建的港口、航道、滨海电厂、海上风电等海洋工程较多，设计水位、理论最高潮面、理论最低潮面等均是工程设计的重要参数，其中设计水位与工程设计标准直接关联，理论最高潮面与风暴增水等研究息息相关，理论最低潮面在水深测量和航道影响评估中应用较多。
罗宗业[1]等梳理总结了华南沿海地区各种深度基准面的历史沿革及其变化规律，并进行了初步的推算。柯灏[2]等基于FVCOM数值模型针对长江口南支的理论深度基准面分布进行了研究分析；林唐宇[3]等基于ECOM数值模型对整个长江口的理论最高和最低潮面的变化分布进行了研究并应用；江海建[4]等针对整个广东省的统一深度基准进行了设计研究。
本文主要基于FVCOM数值模型就粤西海域的理论最高和最低潮面的分布计算做了初步的研究，首先搭建了覆盖整个粤西海域的潮汐潮流水动力模型，然后针对部分观测的水位进行了验证，在验证良好的基础上，对模型范围内所有测点采用T_Tide潮汐调和分析软件，对所有网格点的水位数据进行调和分析，并根据整个调和分析的结果对整个粤西海域的理论最高和最低潮面的空间分布进行了分析。
1 粤西海域数模的搭建与验证
1.1 FVCOM模型的简介
FVCOM（Finite-Volume Coastal Ocean Model）是由美国马萨诸塞州大学的陈长胜教授所带领的研究小组开发的近海海洋数值模型。FVCOM集合了水动力、泥沙输运、地貌演变和水质、生态及海冰模块，是一种综合性的海洋模式。模式采用无结构网格，可以更好地拟合复杂的地形及岸线。同时模式基于有限体积法来求解海洋三维原始方程，有限体积法兼备有限元方法的几何灵活性和有限差分法的简单差分结构及计算效益[5]。FVCOM在水平上适用非叠置的无结构三角网格来对计算区域进行离散，在垂向上有多种坐标系可供用户选择，可以采用坐标系或者通过垂向坐标系来拟合不规则的底部地形。
1.2 粤西海域模型的设置
本次研究计算范围见图1。计算域剖分采用无结构三角形网格，既可以较好的拟合陆地、方案边界条件，又可以对近岸及关注海域局部加密，从而保证计算精度。计算区域岸线最西端位于湛江市附近，岸线最东端位于海陵岛以东，东南侧开边界离岸约150km，此外，整个模型网格由4402个三角形顶点和7572个三角形元素构成。水深数据采用海图数据以及局部实测地形资料。
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模型采用内外模分离的方法，最小时间步长0.1s，最大时间步长10s，能够满足模型的稳定运行的CFL条件。模型的曼宁系数按照分区给定，按照离岸的远近给出不同的数值。模式采用冷启动方式，流速和水位的初始场设为零。
外海开边界通过给出13个主要天文分潮（M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1、M4、MS4、MF、MM和MN4）的调和常数计算的水位进行驱动，水位计算公式如（1）：
（1）
为潮位，为余水位（此处设为零），为交点因子，为振幅，为角频率，是交点订正角，则表示初相角，是迟角[6]。调和常数，即和的数值来源于中国海大区域的模型计算的结果，经过实测数据的率定检验，比较可靠[7]。
1.3 模型的验证
模型采用实测潮位T1、T2站点夏季全潮水文观测期间潮位数据对模型进行率定验证，站点分布见图3。T1、T2站点夏季全潮水文观测时间为2018年7月~8月。
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图5分别给出了T1、T2站点潮位的验证曲线，图中红线表示模型计算值，黑点表示实测值。通过比较分析，模型均能较好地验证两个站点的潮汐特性，各测站的计算潮位在连续变化过程中均与实测值吻合较好，最高、最低潮位值偏差在±0.1m以内，与原型达到很好的相似性，可用于对当地潮汐的时空变化规律的模拟中，所预测结果具有良好的可信度。
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2 理论最高和最低潮面的计算与分析
2.1 水位数据的调和分析
模型计算了2018年全年的整个海域的水位变化过程，采用最小二乘法对潮汐数据进行调和分析。最小二乘法的核心思想是，寻求一组解，使得拟合值与实际值之差的平方和达到最小。本文采用Matlab软件中的由Pawlowicz等[8]提供的T_Tide插件包对数值实验中输出点潮位序列经行数据处理。T_Tide 软件利用最小二乘法，拟合并计算出本文计算理论最高、最低潮面所需的11个分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、M6和MS4)的振幅和相位。目前T_Tide插件包被普遍运用于潮汐分析，经验证，该软件对长时间序列的潮位分潮有很高的准确性。
2.2 理论最高和最低潮面的计算
理论最低和最高潮位的计算采用《海道测量规范》（GB12317-1998）[9]中提供的方法，具体计算规则如下，各个分潮的潮位变化采用三角函数，以M2分潮为例如下，其中是振幅，是分潮的角频率，是迟角，为交点因子，为订正角，令，定义R为分潮振幅，R和均可通过调和分析计算得到：
（2）
规范中规定的主要分潮（包括浅水分潮）的水位变化叠加，便形成了总的水位变化，公式如下：
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2.3 理论最高和最低潮面的分析
根据模型计算结果，采用调和分析和规范公式推算，整个粤西海域的理论最低潮面分布见图5，理论最高潮面分布见图6。海图理论深度基准面即为理论最低潮面，通过查找相关海图，位于阳江区域的闸坡和东平附近理论最低潮面均为平均海平面下1.7m，对比模型成果，发现东平和闸坡海陵岛区域均为1.7m左右，与实际情况相符合。根据T1、T2站实测和模型资料准调和分析计算得到的理论最高和最低潮面结果见表1，从表中可以看出，模型模拟的精度较高，误差在3%能反应本海域的理论最高和最低潮面的分布。
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整个粤西海域理论最低潮面分布从沿岸到远海基本呈现出由低变高的趋势，海陵岛以西海域理论最低潮面总体比海陵岛以东海域偏低。海陵岛近海和吴川电白近海理论最低潮面比较低，基本都达到-1.8m；上下川岛南部远海区域存在一个理论最低潮面较低值区域，约为-1.5m，在此区域外围呈逐渐变大的趋势。
理论最高潮面分布从沿岸到远海基本呈现出由高到低的变化趋势，阳西上洋镇以西海域理论最高潮面总体比海陵岛以东海域高。吴川电白外海理论最高潮面较高，结合理论最低潮面的分布可知，该区域潮差相对较大。
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3 结语
本文基于FVCOM数值模型搭建了覆盖整个粤西海域的潮汐潮流水动力模型，然后针对部分观测的水位进行了验证，在验证良好的基础上，采用T_Tide潮汐调和分析软件对所有网格点的水位数据进行调和分析，并采用相关规范的方法对整个粤西海域的理论最高和最低潮面的空间分布进行了分析。结果表明模型计算的理论最低和最高潮面分布与实际情况较符合，整个近岸到远海理论最低潮面呈现出由低变高的趋势，理论最高潮面呈现出由高变低的趋势，整个粤西沿岸，吴川电白海域的潮差较大。
参考文献：
[1]罗宗业.华南沿海地区的深度基准面[J].海洋技术,1994(04):32-38.
[2]柯灝,吴敬文,李斐,王泽民,张胜凯,赵建虎.基于潮波运动三维数值模拟的海洋连续深度基准面建立方法研究[J].地球物理学报,2018,61(06):2220-2226.
[3]林唐宇,朱建荣.长江河口理论最高和最低潮面计算和应用[J].海洋工程,2013,31(02):82-87.
[4]江海建,董斌斌,施紫鹏.广东省统一深度基准项目的设计研究[J].地理空间信息,2019,17(07):48-52+10.
[5]Chen C, Beardsley R C, Cowles G, et al. An unstructured grid, finite-volume community ocean model FVCOM user manual, SMAST[R]. UMASSD Technical Report-13-0701, University of Massachusetts-Dartmouth, 2013.
[6]陈宗镛.潮汐学[M].北京:科学出版社,1980.
[7]葛建忠.Multi-Scale FVCOM Model System for the East China Sea and Changjiang Estuary and Its Applications[D].上海:华东师范大学河口海岸科学研究院，2010.
[8]Pawlowicz R，Beardsley B，Lentz S．Classical tidal harmonic analysis including error estimates in MATLAB using T_TIDE［J］．Computers and Geosciences，2002，28: 929-937．
[9]GB12317-1998，海道测量规范［S］．北京:中国标准出版社，1998．