CN114595946B - 一种海域理论最低潮面计算方法、装置、设备及介质 - Google Patents

一种海域理论最低潮面计算方法、装置、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海域理论最低潮面计算方法、系统、设备及介质，其中方法包括：获取预设时间段内的潮位观测数据；通过潮汐调和分析法对所述潮位观测数据进行调和分析，得到十三个分潮的调和常数；所述十三个分潮包括天文分潮、浅水分潮和长周期分潮；分别计算所述天文分潮与所述浅水分潮的高频分潮潮高最低潮面，以及所述长周期分潮的低频分潮潮高最低潮面；根据所述高频分潮潮高最低潮面与所述低频分潮潮高最低潮面的和，确定理论最低潮面。上述方法通过分别计算短周期分潮和长周期分潮的最低潮绝对值，综合得到二者对理论最低潮面的贡献，能够有效提高理论最低潮面计算结果的准确度。

Description

一种海域理论最低潮面计算方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明涉及海洋测绘技术领域，特别是涉及一种海域理论最低潮面计算方法、装置、设备及介质。
背景技术
理论最低潮面是我国法定的海图深度基准面，通常通过建设验潮站并进行一年以上连续潮位观测后，通过调和分析方法得到13个分潮的调和常数，再利用弗拉基米尔法计算理论最低潮面。
然而，现有的理论最低潮面计算方法往往直接将长周期分潮的贡献直接折入短周期潮汐变化中，使得长周期分潮对最低潮的贡献改正存在较大的随机性和不确定性，导致理论最低潮面的计算结果准确度有限。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种海域理论最低潮面计算方法，通过分别计算短周期分潮和长周期分潮的最低潮绝对值，综合得到二者对理论最低潮面的贡献，从而提高理论最低潮面计算结果的准确度。
第一方面，本发明提供一种海域理论最低潮面计算方法，包括：
获取预设时间段内的潮位观测数据；
通过潮汐调和分析法对所述潮位观测数据进行调和分析，得到十三个分潮的调和常数；所述十三个分潮包括天文分潮、浅水分潮和长周期分潮；
分别计算所述天文分潮与所述浅水分潮的高频分潮潮高最低潮面，以及所述长周期分潮的低频分潮潮高最低潮面；
根据所述高频分潮潮高最低潮面与所述低频分潮潮高最低潮面的和，确定理论最低潮面。
可选的，所述计算所述长周期分潮的低频分潮潮高最低潮面，具体为：
基于所述长周期分潮的调和常数以及所述长周期分潮中的Sa分潮相角的预设步长，计算所述Sa分潮周期内所述长周期分潮的最低潮面绝对值，得到低频分潮潮高最低潮面。
可选的，所述计算所述Sa分潮周期内所述长周期分潮的最低潮面绝对值的过程中，所述长周期分潮中的SSa分潮相角通过下式得到：
其中，表示所述Sa分潮相角，gSa表示所述Sa分潮的迟角，/>表示所述SSa分潮的迟角。
可选的，所述计算所述天文分潮与所述浅水分潮的高频分潮潮高最低潮面，具体为：
基于所述天文分潮与所述浅水分潮的调和常数，以及所述天文分潮中的K1分潮相角的预设步长，计算所述K1分潮周期内所述天文分潮与所述浅水分潮组合的最低潮面的绝对值，得到高频分潮潮高最低潮面。
第二方面，本发明还提供一种海域理论最低潮面计算系统，包括：
数据获取单元，用于获取预设时间段内的潮位观测数据；
第一计算单元，用于通过潮汐调和分析法对所述潮位观测数据进行调和分析，得到十三个分潮的调和常数；所述十三个分潮包括天文分潮、浅水分潮和长周期分潮；
第二计算单元，用于分别计算所述天文分潮与所述浅水分潮的高频分潮潮高最低潮面，以及所述长周期分潮的低频分潮潮高最低潮面；
第三计算单元，用于根据所述高频分潮潮高最低潮面与所述低频分潮潮高最低潮面的和，确定理论最低潮面。
可选的，所述第二计算单元具体用于：
基于所述长周期分潮的调和常数以及所述长周期分潮中的Sa分潮相角的预设步长，计算所述Sa分潮周期内所述长周期分潮的最低潮面绝对值，得到低频分潮潮高最低潮面。
可选的，所述计算所述Sa分潮周期内所述长周期分潮的最低潮面绝对值的过程中，所述长周期分潮中的SSa分潮相角通过下式得到：
其中，表示所述Sa分潮相角，gSa表示所述Sa分潮的迟角，/>表示所述SSa分潮的迟角。
可选的，所述第二计算单元具体还用于：
基于所述天文分潮与所述浅水分潮的调和常数，以及所述天文分潮中的K1分潮相角的预设步长，计算所述K1分潮周期内所述天文分潮与所述浅水分潮组合的最低潮面的绝对值，得到高频分潮潮高最低潮面。
第三方面，本发明提供一种数据处理设备，包括处理器，所述处理器和存储器耦合，所述存储器存储有程序，所述程序由所述处理器执行，使得所述数据处理设备执行第一方面所述的海域理论最低潮面计算方法。
第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上述第一方面所述的海域理论最低潮面计算方法。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供的海域理论最低潮面计算方法基于两步极小值叠加法，分别计算天文分潮与浅水分潮的高频分潮潮高最低潮面，以及长周期分潮的低频分潮潮高最低潮面，再对二者进行求和，以将短于日周期的海面变化折叠于长周期的长期海面变化，从而消除了潮位观测数据计算得到的长周期分潮调和常数的误差，有效提高理论最低潮面计算精度，确保得到准确度更高的理论最低潮面。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的海域理论最低潮面计算方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的海域理论最低潮面计算系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
理论最低潮面在中国被规定作为海域的深度基准面，现有的方法通常采用弗拉基米尔法计算理论最低潮面。然而，现有方法在利用海面的年周期变化和半年周期变化修正一天内的潮高短期变化过程中，由于在短期变化的极小值状态时，长周期变化可能处于最大值附近，这使得长周期变化的影响在不同地点存在随机性，从而影响了理论最低潮面确定的准确性。
对此，本发明一个实施例提供了一种海域理论最低潮面计算方法，能够有效提高理论最低潮面值的计算准确度。
请参照图1，第一方面，本发明实施例所提供的海域理论最低潮面计算方法具体包括下述步骤。
S1：获取预设时间段内的潮位观测数据。
需要说明的是，对理论最低潮面的计算需采集至少一年以上的潮位观测数据，故预设时间段应大于等于一年。
S2：通过潮汐调和分析法对所述潮位观测数据进行调和分析，得到十三个分潮的调和常数；所述十三个分潮包括天文分潮、浅水分潮和长周期分潮。
具体地，十三个分潮包括八个天文分潮、三个浅水分潮M4、MS4、M6和两个长周期分潮Sa、SSa。
可以理解的是，所述调和常数又称为分潮调和常数，具体为各分潮的平均振幅和迟角。
S3：分别计算所述天文分潮与所述浅水分潮的高频分潮潮高最低潮面，以及所述长周期分潮的低频分潮潮高最低潮面。
在本实施例中，可根据长周期分潮的调和常数，计算在一年周期分潮Sa的一个周期内，一年周期分潮Sa与半年周期分潮SSa的最低潮面的绝对值，得到低频分潮潮高最低潮面。
同时，基于天文分潮与浅水分潮的调和常数以及预设步长，计算K1分潮周期内的天文分潮与浅水分潮组合的最低潮面的绝对值，得到高频分潮潮高最低潮面。
S4：根据所述高频分潮潮高最低潮面与所述低频分潮潮高最低潮面的和，确定理论最低潮面。
需要说明的是，每一个分潮实质上为余弦形式简谐振动，通常以英文字母或英文字母组合为分潮名，各主要分潮名在海洋潮汐学中均已统一约定，对应引潮力位调和展开式的具体一项，其下标表示振动频次或振动周期。
在主要分潮中，下标为1的各分潮Q1、O1、P1、K1，其相角变化一个周期用时接近1天，归于全日分潮族。
下标为2的各分潮N2、M2、S2、K2，其相角变化一个周期接近半天，或分潮一天内约完成两个周期振动，归于半日分潮族。
下标为4和6的三项主要振动M4、MS4、M6分别表示一天内变化4个周期和6个周期的分潮，其主要由浅水摩擦效应引起，分别归于1/4日和1/6日分潮族，并根据其诱因称为浅水分潮。
下标为a和Sa的两个分潮Sa、SSa对应周期分别为一年和半年，归类为长周期分潮。
需要说明的是，作为简谐振动，每一分潮的潮高变化过程可表示为：
式中，h(t)表示随时间变化的潮高，表示随时间以对应角速率σ线性变化的相角，其中/>为分潮周期；V(t)表示天体引潮作用相应分量的相角，V0则为V(t)选定参考时刻的分潮相位，即分潮初相位。H、g分别为分潮振动的幅度和迟角，合称为分潮调和常数。
可以理解的是，利用多个分潮求任一时刻潮高或求特征潮高的过程，实际上是各分潮变化过程的线性叠加。
在每一分潮族中，各分潮的相角变化周期接近，分潮周期决定于角速率或频率，各分潮周期是确定的，可根据太阳和月球轨道运动的有关天文变量进行计算。需要说明的是，对应特定时刻，也可由一组天文变量计算分潮相角。
在本实施例中，全日潮族和半日潮族中分别选定的4个分潮，不同分潮之间的角速率差大于月球公转角速率或地球绕日公转角速率，每一分潮在同族内均存在分群现象，但根据一年的观测数据可以分析计算出对应的分潮调和常数。
可以理解的是，在一年内两个长周期分潮分别变化一个周期和半个周期，其调和常数同样可由一年的观测数据计算得到。
需要说明的是，根据分潮角速率排列，在每一主要分潮附近还存在有量值不可忽略的振动项：小分潮。在海洋潮汐研究和分析中，将分潮角速率差异小于地球绕日公转运动角速率的所有分潮称为分潮亚群。
受限于信号分解Rayleigh准则的限制，用一年或更短时段的潮汐观测数据并不能有效分辨同一亚群的分潮，故通常将同一亚群分潮的贡献合并于其中的主要分潮，合并过程中所产生的振幅修正项被称为交点(订正)因子，记为f，f的主要周期为18.613年，即月球轨道面进动周期或月球升交点周期。
因此，本实施例考虑亚群内分潮合并后，可通过下式得到分潮亚群分潮潮高：
可以理解的是，多分潮潮高的组合实际为所在分潮亚群潮高的组合。
可以理解的是，全日分潮和半日分潮之间存在引潮力相角的相互联系，即对于任一时刻t，存在：
考虑海洋对相应频率的响应延迟(即迟角)，对应分潮的实际相角之间满足下述关系：
即：
为了简洁表达，可将有关迟角和常数项组合为常数符号。
四个半日分潮的相角表达式均与分潮K1的相角有关，可实现M2与O1、S2与P1以及N2与Q1三对分潮的配对，以及K2与K1的单独配对。即：将6个分潮组合潮高配对为3个变振幅和变相角的振动项，并用变量R表示这类组合振动的振幅。
对应的，对于前三个配对分潮，其组合潮高具有相同的形式：
进一步地，可将上式变换为如下形式的变振幅、变迟角振动：
其中：依赖于K1分潮的时变振幅和时变相角分别表示为：
在本实施例中，每一对合成潮高的振幅和迟角均为K1分潮相角的函数，为了简化计算，可将三对分潮的组合潮高分别标号为1、2和3，并略去自变量标识，则对根号内关系进行整合后得到：
因此，在考虑全日分潮和半日分潮共8个分潮情况下，组合潮高随时间的变化可表示为:
进一步地，可对合成潮高的3个分潮取最小值形式，即令：
则面向求潮高最小值的变化过程可简化为：
上式右端的各部分均退化为K1分潮相角的函数，因此，可在该分潮一个周期内(23.93小时，约1天)，通过预设的角度步长计算低潮潮高，以求得最小值。
由于得到的最小值结果为负值，需取绝对值作为8个分潮的深度基准值。
进一步地，本实施例还考虑了以更快角速率变化的浅水分潮的潮高贡献。由于浅水分潮主要由半日分潮波与海底的摩擦效应产生，这些主要分潮即为浅水分潮的源分潮，根据浅水分潮的来源，浅水分潮的理论相角和实际相角间分别存在下述关联：
设定源分潮的相角分别为极小值形式的量值ε1+180°和ε2+180°，则三个浅水分潮的相角可通过源分潮间接与K1分潮的相角变化建立联系：
因此，本实施例考虑全日分潮、半日分潮和浅水分潮共11个分潮贡献的求解高频分潮潮高最低潮面的计算方式具体为：
可以理解的是，浅水分潮相对其源分潮量值较小且周期短，因此对最低潮高的求解有合理的调节作用。
进一步地，对于长周期分潮的贡献，由于半日分潮和浅水分潮的周期为全日分潮K1的2倍至6倍，因此利用上述11个分潮计算高频分潮潮高最低潮面时，将短周期高频率振动的贡献折入长周期低频率的振动是合理的。
另一方面，将潮高根据时间变化归算为依据单一分潮的相角变化，不仅可避免时段的选择，且根据K1分潮的相角在一个周期内变化时，按设定的步长取得的最小值进行计算，还可有效保证计算效率。
然而，将两个长周期分潮的贡献折入周期约一天的潮汐变化则具有较大的不合理性。尽管两个长周期分潮的相角与S2分潮相角存在有形式上的关联，但考虑S2分潮已与P1分潮进行合成，并采用了其综合潮高极小值状态的相角进行取值，进一步考虑各有关分潮的实际迟角时，将使得长周期分潮对最低潮的贡献改正在不同的地点时产生较大的随机性和不确定性。
因此，本发明实施例将两个长周期分潮Sa、SSa的潮高进行单独组合，在Sa分潮变化的一个周期内计算长周期分潮的综合最低潮的绝对值，以得到低频分潮潮高最低潮面。
具体计算方式如下式：
进一步地，结合高频和低频的潮汐成分对理论最低潮面的贡献，本实施例将上述低频分潮潮高最低潮面与高频分潮潮高最低潮面进行求和计算，得到最终的理论最低潮面数：
L＝LHf+LLf
可以理解的是，周期为一日以内的短周期海面变化基本每日发生的，最多顾及了每月的大小潮变化，而周期为一年或半年的长周期变化本不受控于短周期振动。因此，本发明实施例考虑了海面的季节性周期变化规律，将日周期振动现象定位于季节性周期变化之中，从而消除因每一时段潮汐观测数据计算求得的长周期分潮调和常数误差，特别是其迟角误差与S2分潮迟角耦合过程中的随机影响，从而有效提高理论最低潮面值计算的精度。
本发明上述实施例提供的海域理论最低潮面计算方法基于两步极小值叠加法，分别计算了天文分潮与浅水分潮的高频分潮潮高最低潮面，以及长周期分潮的低频分潮潮高最低潮面，再对二者进行求和，以将短于日周期的海面变化折叠于长周期的长期海面变化，从而消除了潮位观测数据计算得到的长周期分潮调和常数的误差，有效提高理论最低潮面计算精度，确保得到准确度更高的理论最低潮面结果。
请参照图2，第二方面，本发明另一实施例提供一种海域理论最低潮面计算系统，包括数据获取单元101、第一计算单元102、第二计算单元103和第三计算单元104。
数据获取单元101用于获取预设时间段内的潮位观测数据。
第一计算单元102用于通过潮汐调和分析法对所述潮位观测数据进行调和分析，得到十三个分潮的调和常数；所述十三个分潮包括天文分潮、浅水分潮和长周期分潮。
第二计算单元103用于分别计算所述天文分潮与所述浅水分潮的高频分潮潮高最低潮面，以及所述长周期分潮的低频分潮潮高最低潮面。
第三计算单元104用于根据所述高频分潮潮高最低潮面与所述低频分潮潮高最低潮面的和，确定理论最低潮面。
上述系统内的各单元之间信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的海域理论最低潮面计算方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
第三方面，本发明提供一种数据处理设备，包括处理器，所述处理器和存储器耦合，所述存储器存储有程序，所述程序由所述处理器执行，使得所述数据处理设备执行第一方面所述的海域理论最低潮面计算方法。
第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上述第一方面所述的海域理论最低潮面计算方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可监听存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种海域理论最低潮面计算方法，其特征在于，包括：
获取预设时间段内的潮位观测数据；
通过潮汐调和分析法对所述潮位观测数据进行调和分析，得到十三个分潮的调和常数；所述十三个分潮包括天文分潮、浅水分潮和长周期分潮；
分别计算所述天文分潮与所述浅水分潮的高频分潮潮高最低潮面，以及所述长周期分潮的低频分潮潮高最低潮面；
根据所述高频分潮潮高最低潮面与所述低频分潮潮高最低潮面的和，确定理论最低潮面；
所述计算所述长周期分潮的低频分潮潮高最低潮面，具体为：
基于所述长周期分潮的调和常数以及所述长周期分潮中的Sa分潮相角的预设步长，计算所述Sa分潮周期内所述长周期分潮的最低潮面绝对值，得到低频分潮潮高最低潮面；
所述计算所述天文分潮与所述浅水分潮的高频分潮潮高最低潮面，具体为：
基于所述天文分潮与所述浅水分潮的调和常数，以及所述天文分潮中的K1分潮相角的预设步长，计算所述K1分潮周期内所述天文分潮与所述浅水分潮组合的最低潮面的绝对值，得到高频分潮潮高最低潮面；
设定源分潮的相角分别为极小值形式的量值ε1+180°和ε2+180°，则三个浅水分潮的相角可通过源分潮间接与K1分潮的相角变化建立联系：
其中，M4、MS4、M6为浅水分潮；O1、P1、K1为全日分潮；M2、S2、K2为半日分潮；f为交点因子；H为分潮振动的幅度；g为分潮振动的迟角；
考虑全日分潮、半日分潮和浅水分潮共11个分潮贡献的求解高频分潮潮高最低潮面的计算方式具体为：
其中，
2.根据权利要求1所述的海域理论最低潮面计算方法，其特征在于，所述计算所述Sa分潮周期内所述长周期分潮的最低潮面绝对值的过程中，所述长周期分潮中的SSa分潮相角通过下式得到：
其中，表示所述Sa分潮相角，/>表示所述Sa分潮的迟角，/>表示所述SSa分潮的迟角。
3.一种海域理论最低潮面计算系统，其特征在于，包括：
数据获取单元，用于获取预设时间段内的潮位观测数据；
第一计算单元，用于通过潮汐调和分析法对所述潮位观测数据进行调和分析，得到十三个分潮的调和常数；所述十三个分潮包括天文分潮、浅水分潮和长周期分潮；
第二计算单元，用于分别计算所述天文分潮与所述浅水分潮的高频分潮潮高最低潮面，以及所述长周期分潮的低频分潮潮高最低潮面；
第三计算单元，用于根据所述高频分潮潮高最低潮面与所述低频分潮潮高最低潮面的和，确定理论最低潮面；
所述第二计算单元具体用于：
基于所述长周期分潮的调和常数以及所述长周期分潮中的Sa分潮相角的预设步长，计算所述Sa分潮周期内所述长周期分潮的最低潮面绝对值，得到低频分潮潮高最低潮面；
所述第二计算单元具体还用于：
基于所述天文分潮与所述浅水分潮的调和常数，以及所述天文分潮中的K1分潮相角的预设步长，计算所述K1分潮周期内所述天文分潮与所述浅水分潮组合的最低潮面的绝对值，得到高频分潮潮高最低潮面；
设定源分潮的相角分别为极小值形式的量值ε1+180°和ε2+180°，则三个浅水分潮的相角可通过源分潮间接与K1分潮的相角变化建立联系：
其中，M4、MS4、M6为浅水分潮；O1、P1、K1为全日分潮；M2、S2、K2为半日分潮；f为交点因子；H为分潮振动的幅度；g为分潮振动的迟角；
考虑全日分潮、半日分潮和浅水分潮共11个分潮贡献的求解高频分潮潮高最低潮面的计算方式具体为：
其中，
4.根据权利要求3所述的海域理论最低潮面计算系统，其特征在于，所述计算所述Sa分潮周期内所述长周期分潮的最低潮面绝对值的过程中，所述长周期分潮中的SSa分潮相角通过下式得到：
其中，表示所述Sa分潮相角，/>表示所述Sa分潮的迟角，/>表示所述SSa分潮的迟角。
5.一种数据处理设备，其特征在于，包括：
处理器，所述处理器和存储器耦合，所述存储器存储有程序，所述程序由所述处理器执行，使得所述数据处理设备执行如权利要求1～2中任一项所述的海域理论最低潮面计算方法。
6.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于执行上述权利要求1～2中任一项所述的海域理论最低潮面计算方法。
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