Matlab.NET混合编程在潮汐调和分析与预报中的应用

利用.NET中C#强大的界面开发能力和经典的Matlab潮汐调和分析程序包T_TIDE,采用Matlab.NET混合编程技术,创建潮汐调和常数计算THCCalculate.dll和潮汐预报Tide Forecast.dll,在主程序中调用对应的函数,实现了操作简单且具有良好用户界面的潮汐调和分析与潮位预报系统,具有潮位数据读取、调和分析和预报、数据绘制等功能。结果表明:使用混合编程技术能充分发挥C#与Matlab各自的特点,较好地提高程序开发和运行效率,具有较广泛的应用范围。

潮汐调和分析预报与基准面程序混编实现

海洋垂直基准的建立依赖于海洋潮汐资料的处理与分析,海洋潮汐分析与垂直基准研究是海洋测绘的重要内容。实现具有良好交互界面的应用程序将给潮汐分析与基准面计算带来极大便捷,本文基于混编技术,设计开发了既有良好的程序界面,又有快速计算特点的应用软件,其主要功能包括:潮位数据的调和分析与潮位预报,基于NAO.99b、DTU10、CSR4.0、NAO.99Jb四种海潮模型的潮位预报;理论深度基准面的单点与批量计算,开发了上述四种海潮模型的理论深度基准面的计算;为方便交互操作,设计GMap.NET地图底图开发,总体达到了设计目标。

用MATLAB的T_TIDE程序进行包含误差估计的经典潮汐调和分析

任何对用于海洋的压力表和测流计进行分析的一个标准步骤就是区分信号里的潮汐和非潮汐成份。潮汐信号可以或者被去除,或者描述它的有用特征作进一步分析。尽管潮汐信号可以采用标准的高通或者带通滤波技术去除,但是它们的相对确定性和大的振幅,使一些特殊技术的效果更加显著。在经典调和分析里,当特定频率和天文参数相关时,潮汐信号被模拟为有限项正弦曲线之和。用MATLAB写了一套程序用于:(a)对大约1年或者更短的时段进行经典调和分析,(b)采用节点校正说明(某些)未分解的成份,(c)计算所分析成份的置信区间。

利用潮汐调和分析完善潮汐基础资料

在航务水文观测中,潮汐观测是重要的一个组成部分。但在实际潮汐观测过程中,经常会遇到特定工程海域潮位资料丢失或不完整的情况,这就需要通过科学严谨的技术手段对研究海域的潮汐资料进行修复与完善,本文对调和分析的方法进行讨论,利用调和分析对研究海域进行潮汐资料的科学补充,使其满足科学研究和工程设计的参考与使用,为潮汐观测基础资料的完善与补充增添了新的方法与思路。

基于数值模拟的强潮海湾潮汐预报模型精度分析:以三门湾为例

全球潮汐预报模型在深水大洋具有较高的精度,但在近岸强潮海区由于地形岸线、模型分辨率等原因精度不一,难以直接应用。三门湾海域多年平均潮差4 m,最大潮差可达7 m,是典型的强潮海湾,为了评估TPXO9.0、TPXO9.0-atlas(TOPEX/POSEIDON TIDES)、NAO.99b(National Astronomical Observatory of Japan)与GTM(Global Tide Model)4种预报模型在三门湾海域的预报精度,本文分别通过上述4个潮汐预报模型提取水动力数学模型开边界进行对比,并利用提取的开边界潮位对二维水动力模型进行驱动。通过计算分析潮位站实测数据与数值模拟结果的误差,研究4种预报模型模拟的三门湾潮汐变化得出,NAO.99b模型在三门湾海域整体预报精度最佳,分潮振幅、迟角和实测数据误差最小,TPXO9.0-atlas分潮振幅模拟较好,但迟角误差较大。对湾内四大分潮进行潮汐调和分析发现,三门湾海域以半日潮为主,M2、S2和K1分潮振幅由湾顶向湾口递减,O1分潮相反。

以相邻点海面高度差为观测量的沿迹调和分析新方法

采用TOPEX/POSEIDON卫星轨迹上相邻点的海面高差作为观测量,在交叉点分析结果的控制下构成同一弧段上观测量在两相邻交叉点间的综合观测方程,以轨迹上纬差0.1°的正常点的潮汐参数构成总体待估参数系列,实施最小二乘综合解算。分析结果表明,这种差分模式可以基本消除非潮汐因素的影响,提高潮汐参数估计的精度和可靠性,可比一般沿迹逐点分析给出更为平滑的沿迹参数分布,更符合海洋潮汐运动的物理背景。

基于高低潮的优化保形调和分析模型(OCTHM)及算法

通常利用Foreman的高低潮潮汐预报模型,对只有高低潮实测数据的海洋水文站位进行潮汐预报,但在某些组合分潮情况下,在高低潮间会产生抖动现象,这种现象增加了不应有的虚假高低潮,给高低潮时和潮位的预报以及天文潮的整体预报精度造成很大影响。基于定点天文潮曲线变化具有的特性(高、低潮位处一阶导数为零且具有凸、凹性),在只有高低潮数据情况下,给出了建立分段四次多项式插值的优化保形潮汐调和分析模型(OCTHM)的一般方法。利用此模型思想方法,根据江苏省连云港站、上海高桥站的实测高低潮数据,建立了相应站位的优化保形潮汐调和分析预报模型。对有关预报结果进行分析对比,表明OCTHM模型克服了Foreman预报模型的抖动现象,具有其所不具有的保形性,可以较为准确地预报出高低潮时和潮位。

一个东海潮汐数值模式及检验

为验证一个东海潮汐数值模式结果的精度并了解我国东海区域的潮汐特征。该文使用T_TIDE对东海大桥南和洋山站的潮汐资料进行调和分析,并针对所研究区域最主要的8个分潮:M_(2)、S_(2)、K_(1)、O_(1)、N_(2)、K_(2)、P_(1)、Q_(1)分别对比两站实测数据与模式结果的调和分析结果。结果表明:两站点的模式结果和观测海表高度的均方误差D与潮汐产生的海表高度变化V的比值为25.99%和25.29%,模式结果计算所绘制的M_(2)和K_(1)分潮的同潮图与前人研究结果在无潮点的位置、同潮时线、等振幅线的分布和趋势上相似。这说明了使用时间长度相同但年份不同的实测数据验证潮汐数值模式结果的可行性,并能够帮助了解我国东海区域的潮汐特征。

鸭绿江口的潮汐特征

对1985年和1996年鸭绿江口6个站位的水位数据进行调和分析,结果显示,鸭绿江口的潮汐以半日潮为主,M2分潮占优。此外,潮高日不等和涨落潮历时不等的现象较为显著,与实测水位结果一致;由口门向上游方向潮差逐渐减小,落潮历时增大,涨潮历时减小,且落潮历时长于涨潮历时。最下游枢岛验潮站的平均海平面为0.08m;最上游丹东站为1.14m(1985);从下游至上游平均海平面呈现增大趋势,主要原因是鸭绿江口为向上游迅速束窄的狭长形喇叭口,大面潮水涌入后水位被束窄抬升所致。利用调和常数计算的潮位与观测数据基本吻合,表明研究区观测期间水位主要受潮汐作用的控制。

河口三角洲径流和潮汐相互作用模型及应用

受径流影响和调制,径优型河口潮汐的非线性作用强,潮汐调和分析和预报误差大。文章在调和分析方法的基础上,结合河口三角洲内径潮相互作用机理,假定河道地形变化微弱,采用实测潮水位和上游径流量,建立径流和潮汐调和分析(river-tidal harmonic analysis,简称RTHA)模型,用于分析和研究珠江三角洲的径流和潮汐的相互作用过程。结果表明,对于珠江河口年尺度的潮水位数据,RTHA模型分析和预报的标准误差0.12~0.17 m,方差贡献(相关指数)为91%~98%,特别是在径流作用强的河口三角洲中上段,RTHA模型结果远高于传统的调和分析和预报结果,可以以较高精度分离径流和潮汐信号。利用该回归模型对珠江径流影响下非线性潮汐的变化进行研究,结果发现,珠江径流量的洪枯季变化引起河口全日分潮、半日分潮、三分之一分潮的振幅洪季小、枯季大,口门段四分之一分潮的振幅洪季大、枯季小;洪季全日分潮、半日分潮传播速度变小(位相增大),分潮振幅沿程衰减幅度显著增大,自枯季的10%~30%迅速增加到洪季的70%~80%。

基于卫星高度计资料提取浙江近海的潮汐信息

利用Topex/Poseidon(T/P)、Jason-1和Jason-2卫星24a的原始轨道及6a的变轨轨道高度计资料,对浙江近海区域内进行潮汐调和分析,得到8个主要分潮(Q_1、O_1、P_1、K_1、N_2、M_2、S_2和K_2)的调和常数.比较卫星轨道交叉点处潮汐调和常数结果显示,8个分潮总体综合误差在原始轨道,变轨轨道及原始轨道与变轨轨道交叉点处的和方根RSS值分别为3.16、7.02、5.54cm;用卫星高度计资料及31个近岸验潮站得到的潮汐分布与21个验潮站资料结果进行比较,M_2、S_2、N_2、K_1和O_1主要分潮的多点向量均方根偏差分别为4.32、3.64、1.97、2.61、1.83 cm;本研究结果与前人数值模拟结果比较显示M2、S2分潮在对比点处的多点向量均方根偏差在11、8 cm左右,最后给出了浙江近岸及近海区域更为精确的5个主要分潮(M_2、S_2、N_2、K_1和O_1)的同潮图.

基于高低潮分析的天文潮推算

根据实测高、低潮资料,用三次样条插值法插补出逐时整点潮序列;然后用整点潮序列进行潮汐调和分析,以求得潮汐各分潮的调和常数;接着根据所得到的调和常数,进行天文潮推算。以江苏燕尾港高、低潮资料为例,计算结果表明该法具有精度高、速度快、简便实用等优点。

用统计分析方法优化潮高表示模型

本文用统计假设检验方法分析分潮对潮高贡献的显著性,以贡献显著的分潮组合构造优化潮高表示模型,分析了不同分潮个数模型的参数一致性,用以估计非潮汐因素引起的异常水位统计值。

越南沿海潮汐性质分布及极值天文潮位

采用最小二乘法，先对越南从北至南的33个沿海验潮站的长期观测资料（最少是5年，最多是53年）进行潮汐调和分析得到各站的调和常数，再根据分潮O1、K1、H1的振幅值计算V=（Ho1＋Hk1）／HM2，然后结合各站的P值和实际观测资料，指出：越南北部沿岸潮汐性质为正规全日潮．潮汐振幅在2．5～4．5m范围内；越南中部沿岸潮汐性质较复杂，该海岸具有3种潮汐类型，潮汐振幅较小大概O．5～2．5m范围内：越南南部沿岸潮汐性质为不正规半日潮，潮汐振幅是3．0～4．0m左右；越南西南部沿岸潮汐性质为不正规日潮．潮汐振幅大慨是1．O～2．0m范围内。

基于近30a多源卫星高度计数据的东中国海潮汐信息提取

我国HY-2B卫星已成功运行3 a多,本文首次将HY-2B测高数据用于计算潮汐。将HY-2B与相同时间段的Jason-3在东中国海分别进行潮汐信息提取,验证了其结果的一致性。建立了基于10颗国内外卫星高度计(TOPEX/Poseidon、Jason-1、Jason-2、Jason-3、ENVISAT、ERS-1、ERS-2、Sentinel-3A、Sentinel-3B、HY-2B)数据的时间序列,得到东中国海近30 a时间序列的较高空间分辨率网格化海面高度。利用该数据提取了东中国海12个分潮(O1、K1、Q1、P1、M2、S2、N2、K2、SA、SSa、Mm、Mf)的潮汐调和常数,并将4个主要分潮M2、S2、K1、O1的调和常数与验潮站进行对比,均方根误差分别为6.74 cm、3.98 cm、2.37 cm、1.81 cm,总体均方根误差为8.32 cm;同时,采用除HY-2B之外的剩余9颗国外卫星高度计数据和TPXO9潮汐模型结果分别与验潮站对比,结果显示,加入HY-2B后的10颗卫星高度计反演潮汐结果准确度最高,与不使用HY-2B卫星数据相比,全日潮有较大改善,K1和O1向量均方根误差分别降低19.93%和17.35%,4个主要分潮总体均方根误差降低3.5%。此外,通过与FVCOM模式结果对比分析,4个主要分潮的调和常数与模式结果的总体均方根误差为8.86 cm。另一方面,空间分辨率也有所提高,达到了0.1°×0.1°。最后,给出了4个主要分潮同潮图。在潮差较大的朝鲜半岛西侧,加入HY-2B后的同潮图可显示出2.1 m的M2等振幅线与0.75 m的S2等振幅线,与该海域实际观测结果一致,说明HY-2B在近海潮汐信息提取中有相当重要的作用。

南极验潮站对全球地震海啸的响应

现有对南极潮汐的研究主要聚焦在海平面变化、高程转换和常规调和分析,针对南极验潮站的潮位异常分析还很少见.本文聚焦南极验潮站数据中的异常潮位记录,提取到达南极的全球地震海啸事件,并分析南极不同验潮站对全球地震海啸的响应能力.本文首先利用潮汐调和分析去除验潮数据中的趋势项,分析余水位中较大幅度的潮位异常信号,然后通过对比不同方法,选取2.5倍标准差作为阈值提取到达南极的全球地震海啸事件.得出潮位异常信息点后,本文对比了各个验潮站点对地震海啸事件响应的敏感性与地理位置的关系,发现东南极威尔克斯地和南极半岛及其附近岛屿的验潮站更能响应全球地震海啸事件,长城站等8个站点适合开展全球地震海啸事件的响应和记录研究.

赤道太平洋季节海面高变化及与ENSO指数的关系

为了探寻海面高的长期趋势变化、季节变化与厄尔尼诺南方涛动(ENSO)现象的关系,对赤道太平洋区域验潮站数据,利用设计的滑动窗口,开展调和分析,得到时变的平均海面项以及Sa、Ssa长周期分潮项,利用Doodson滤波及二次拟合滤波的融合方法,得到多年的月均海面年变化过程以及年较差,利用MK突变分析法判定海面高变化突变时间点。分析结果表明:海面高变化速率的突变与ENSO存在关联关系;气象分潮Sa和Ssa与ENSO具有一定的相关性;以上关联特征在不同地理环境下存在差别。本文发现的不同时间尺度的海面高变化与ENSO指数的关系一定程度上能够辅助判断ENSO的特征规律,有助于对ENSO开展进一步的研究和预测。

基于高、低潮的潮汐调和常数提取及潮汐预报

针对短、中期高、低潮数据情况下的潮汐调和分析问题,采用埃尔米特三次插值方法对高、低潮数据进行插值得到近似的逐时潮位,再使用最小二乘法求解调和常数,进而利用得到的调和常数进行潮汐预报;同时在此基础上利用MATLAB设计并开发了一个潮汐预报系统。本文分别对位于近海、河口、内河感潮河段等3种区域的验潮站的预报结果与潮位数据进行了对比分析,结果表明文中方法能够很好地对近海和内河感潮河段区域的潮汐进行预报,而对于水动力环境复杂的河口区域预报结果相对较差;对于进行调和常数计算的实测数据所对应较近时间段的预报结果优于较远时间段的预报结果;对比验证结果表明本文方法提取的调和常数和利用T_tide计算得到的结果基本一致。开发的潮汐预报系统可以方便地利用高、低潮潮位或更小时间间隔的潮位数据进行潮汐调和分析和预报。

感潮河段单站等时距水位非线性优化预报模型

目前感潮河段水位预报模型基于当前站水位、上游径流水位和下游海洋潮位数据进行预报,导致预见期受上游来流时间制约、上下游站数据缺失情况下无法进行预报、数据采集成本高等问题。文章假设感潮河段水位由径流因素和潮汐因素共同线性作用,基于单站等时距水位数据,建立了包含一个径流动力修正系数和若干个潮汐调和分潮系数的非线性优化预报模型,并结合曲线拟合最小二乘法、潮汐调和分析法、梯度下降法,给出一个寻优的迭代算法,对模型参数进行优化辨识。模型应用于长江感潮河段部分观测站,水位预报精度较好,具有可行性和实用价值。

上海市吴淞站天文潮的推算

吴淞站是黄浦江入长江口重要的水文站,吴淞站的潮位预报对于太湖流域防洪及水资源配置工作具有重要的意义,也是上海市城市防洪的重要基础工作之一。文中首先对吴淞潮位站进行固定分潮的调和分析,再根据潮汐资料推求各分潮的调和常数,从而得到天文潮的预报方程。验证结果表明,预报方程具有精度高、速度快、简便实用等优点,适合于上海市吴淞站天文潮的推算。