基于18.6年卫星高度计资料对南海潮汐的分析与研究

王延强，仉天宇，朱学明

（国家海洋环境预报中心，国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，北京 100081）

1 引言

卫星高度计可以实现对海表面高度、海表面地形等动力参数的测量，同时可以获取潮汐等动力信息。TOPEX/Poseidon(以下简称T/P)，Jason-1，Jason-2三颗卫星（以下简称T/P-J）采用几乎相同的轨道高度、轨道倾角、重复周期等基本参数，从T/P卫星发射至今有20余年，长时间序列的卫星高度计观测资料积累已超过18.6年，T/P-J高度计运行时间见图1，且开始出现变轨后的高度计资料，增加了海面高度观测的空间覆盖范围，对于潮汐特征的提取与分析具有积极意义。

1994年以来出现了大量基于卫星高度计资料的大洋潮汐模型[1-5]，但其在中国近海的均方根偏差均高于大洋[6]。国内也有大量学者利用卫星高度计资料研究中国海的潮汐特征[7-12]。南海潮汐的经验分析主要基于沿岸验潮站资料[13-14]或卫星高度计资料。如Yanagi等[15]、李培良等[8]、赵云霞等[9]分别利用3年、6年、10年的T/P资料，汪一航[9]利用16年变轨前的T/P-J资料，仲昌维[12]采用19年变轨前后的T/P-J资料分别计算了南海的潮汐调和常数。但采用变轨前T/P或T/P-J资料，其相邻轨道间距比较大，在北部湾口等地区缺乏观测资料，结果不是很理想[8]。加入变轨后T/P-J资料结果会有改善，但由于资料序列较短，在部分沿岸地区结果仍不够理想。

本文综合利用卫星高度计数据及沿岸验潮站数据，首先对T/P-J共18.6年卫星高度计资料（含变轨后资料）进行最小二乘调和分析，分析南海Sa,Ssa,Mm,Mf,Q1,O1,P1,K1,N2,M2,S2,K2共12个分潮的调和常数，与南海沿岸及岛屿的58个验潮站数据进行比较，4个主要分潮（M2,S2,K1和O1）的振幅和迟角误差基本小于5 cm和10°；结合沿岸264个验潮站数据，绘制南海4个主要分潮（M2,S2,K1和O1）的等振幅线和同潮时线。

2 数据处理

首先，对卫星高度计的测高数据进行了除潮汐之外的其他各项订正，主要有大气湿对流层订正、大气干对流层订正、大气电离层订正、电磁偏差订正、气压引起的海面起伏订正、固体潮汐订正、负荷潮订正、极潮订正、有效波高订正等。

图1 T/P及Jason卫星运行情况示意图

图2 南海海域卫星高度计基准轨道、验潮站及水深分布

卫星高度计不同周期的地面轨迹在理论上是精确重复的，而在实际数据资料中会有细微的偏移。为了对数据进行准确定位，选取了高度计测距过程中数据比较完备，地面轨迹比较均匀的测量周期为基准轨道，将其他周期数据统一订正到基准轨道上，变轨后轨道被漂移55″，位于先前地面轨迹的间隙中部，见图2。每个基准轨道上的观测点生成一个水位时间序列，变轨前T/P-J资料长度为18.6年，变轨后Jason-1长度为3年，表1给出了我们采用的卫星资料的周期及时间分布情况。

表1 采用的卫星高度计资料

T/P-J卫星高度计对海面某处的采样间隔为9.9156天，其相对应的折叠频率（ fc=1/2Δt）为0.050426 d-1，远低于主要分潮（半日潮和全日潮）的潮汐频率，因而产生潮汐高频混淆。李培良[16]详细讨论过高度计资料的混淆问题。

表2 主要分潮基本分辨时间(y)[16]

表2[16]列出了12个分潮在T/P-J卫星采样间隔下的可分辨周期，从表中可以看出，将K2与P1、K1与Ssa分开需要9.18年的资料，M2与S2分开需要2.97年的资料，将N2与O1、M2与Q1分开需要1.63年的资料，将S2与Q1分开需要1.05年的资料，其他主要分潮之间的可分辨时间都小于1年。采用18.6年的T/P-J高度计资料可以分开12个主要分潮，采用3年的变轨后Jason-1资料也可以分辨开4个主要分潮（M2,S2,K1和O1），其他发生混淆的分潮振幅比较小，对4个主要分潮影响也比较小。

在T/P-J系列卫星高度计实际运行中，时间间隔不是严格的9.9156天，卫星交替时的时间间隔也会发生变化，为精确计算，采用每个观测序列的时间间隔平均值进行计算。在1°—26°N，99°—123°E的整个南海海域范围内，共搜集到7926个观测点的水位时间序列。对变轨前T/P-J及变轨后Jason-1的每个观测点的水位时间序列采用最小二乘法[17-18]，计算各点的调和常数。T/P-J卫星高度计数据采用世界时系统，为了方便与前人研究成果进行对比，将其时间加上8个小时，计算相对于北京时间（东8时）的迟角。

3 结果验证与讨论

3.1 与验潮站资料比较

选取Fang等[19]给出的58个验潮站（原文中共63个验潮站，其中5个站位因观测时间比较短，代表性相对较差而被舍弃）4个主要分潮（M2,S2,K1和O1）的调和常数对高度计资料的分析结果进行验证，各站位位置见图2。经对验证结果的统计分析可知，4个主要分潮振幅最大平均绝对误差为4.4 cm，除S2分潮外，迟角最大平均绝对误差为7.8°。各分潮振幅和迟角的平均绝对误差及其与前人研究成果的对比见表3，误差小于Fang等[19]，李培良等[8]所得结果，尤其小于李培良等[8]的结果，表明采用更长时间序列的卫星高度计资料，尤其加入变轨资料，分析所得的调和常数结果得到了明显改善。

表3 各分潮振幅和迟角的平均绝对误差

3.2 潮汐分布特征

除Fang等给出的58个站位资料外，另从英版潮汐表中搜集到206个沿岸验潮站（其位置见图2）的潮汐调和常数，共计264个验潮站资料。将其与高度计资料调和分析的振幅和迟角一并插值到0.1°×0.1°的规则网格上，绘制出南海4个主要分潮（M2,S2,K1和O1）的等振幅线和同潮时线分布（见图3）。

研究海域内共得到两个M2分潮的旋转潮波系统，都分布在泰国湾内。一个在湾口，呈顺时针方向旋转，Ye等[20]、沈育疆等[21]、丁文兰[22]、方国洪等[19,23-24]、李培良等[8]、Zu 等[25]文献都曾给出过此无潮点，但Ye等[20]、沈育疆等[21]和李培良等[8]给出的要更靠近湾口外部；另一个在湾顶，呈逆时针方向旋转，此无潮点在Ye等[20]、俞慕耕[13]、沈育疆等[21]、方国洪等[19,23-24]文献都给出过，Ye等[20]、方国洪等[24]分析此无潮点退化到陆地上。南海M2半日潮波由吕宋海峡传入，在南海内区、北部湾等海域的M2半日潮波都呈现出前进波形态，且海盆潮波传播速度要明显快于陆架区。

M2分潮的振幅在台湾海峡北部最大，超过200 cm，达图湾次之，超过150 cm，在湄公河口，马来半岛超过50 cm。而在广阔的南海海盆，振幅较小，都在20 cm左右。

S2分潮的分布形态与M2分潮有很大的相似性，在泰国湾口形成一个顺时针旋转的无潮点，在泰国湾顶形成退化无潮点，S2分潮的分布图在俞慕耕[13]、沈育疆等[21]、Fang等[19]、李培良等[8]、Zu等[25]等文献也给出过，但无潮点位置都有些差异。S2分潮在南海东北部接近岸边的地方形成一个无潮点，此无潮点位置与俞慕耕[13]，Fang等[19]基本一致。

S2分潮的振幅要比M2分潮振幅小很多，大部分地区为10 cm，最大振幅出现在台湾海峡北部，达到60 cm，其次出现在湄公河口及达图湾。

K1分潮在北部湾口和泰国湾各形成一个旋转潮波系统，都呈逆时针方向旋转。北部湾口的无潮点退化到了陆地上，Ye等[20]、方国洪等[19,24]、Zu等[25]等都分析出此退化的无潮点，俞慕耕[13]、沈育疆等[21]、丁文兰[22]、Fang[23]在北部湾口分析出接近岸边的无潮点。由于变轨前T/P高度计在北部湾口附近观测数据较少，李培良等[8]，赵云霞等[9]采用T/P高度计资料没有分析出此无潮点，见图4。在泰国湾中部偏南的无潮点位置与Ye等[20]，俞慕耕[13]，沈育疆等[21]，丁文兰[22]，方国洪等[19,23-24]，李培良等[8]，Zu等[25]结果基本一致。K1分潮主要由吕宋海峡，其次由台湾海峡同时传入南海，在深水地区以前进波形式传播，到了泰国湾和北部湾形成旋转潮波。

图3 主要分潮的等振幅线（虚线,单位/cm）与同潮时线（实线,单位/°）分布图

图4 主要分潮的等振幅线（虚线,单位/cm）与同潮时线（实线,单位/°）分布图（引自李培良等[8]）

K1分潮振幅在南海大部分地区超过30 cm，最大出现在北部湾顶，超过90 cm，振幅由湾口向湾顶递增，泰国湾振幅由湾中部无潮点附近向湾口和湾顶递增，最大在湾顶达到70 cm，在湄公河口，振幅超过60 cm。

O1分潮分布与K1分潮大致相同，在泰国湾有一逆时针方向的无潮点，与俞慕耕[13]，沈育疆等[21]，Fang等[19]，李培良等[8]，Zu等[25]一致。在北部湾口也得到一个退化的无潮点，方国洪等[19]，Zu等[25]也曾给出过此无潮点。

O1分潮振幅分布与K1分潮在南海分布基本一致，最大振幅出现在北部湾顶，超过90 cm，但在湄公河口及泰国湾顶小于K1分潮，为40 cm左右。

4 总结

利用最小二乘调和分析法对南海T/P-J共18.6年长时间序列的卫星高度计资料（含变轨后资料）进行分析，得到南海12个分潮调和常数，并与58个验潮站资料比较。结果表明，4个主要分潮（M2,S2,K1和O1）振幅平均绝对误差最大不超过5 cm，除S2分潮外，迟角平均绝对误差不超过10°。同时，结合沿岸验潮站资料，绘制4个主要分潮（M2,S2,K1和O1）的等振幅线和同潮时线分布，较好的展现了南海潮汐分布特征。得到如下主要结论：

（1）采用更长时间序列的卫星高度计数据分析所得结果得到明显改善，也更趋合理；

（2）增加3年变轨后的资料有助于提高沿岸地区的潮汐分析结果；

（3）在泰国湾内得到两个半日分潮的旋转潮波系统，南海内区、北部湾等海域的半日潮波都呈现前进波形态，南海海盆半日分潮振幅在10—20 cm左右。

（4）在北部湾口和泰国湾各得到一个全日分潮的旋转潮波系统，南海内区的全日潮波呈现前进波形态，南海海盆内的全日分潮振幅在30—40 cm之间。

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