压力式验潮仪在海洋测绘中的应用研究

温坤发 何志敏

摘 要：本文以压力式验潮仪TGR-2050在珠江口的应用为研究背景，探讨了TGR-2050型验潮仪潮汐测量的原理和误差来源，论文首先系统阐述了其潮汐测量原理，在此基础上，从大气扰动、潮流、海水密度和验潮仪压力感應零点漂移等几个方面分析了误差来源，并给出了消除误差的具体措施，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：压力式 验潮仪 海洋测绘 潮汐

中图分类号：P204 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）06（b）-0033-02

珠江口位于广东沿海中部，有8个入海口门，其潮汐变化十分复杂，是我国华南地区港口最密集区域，因此，航道航行安全对潮汐测量精度提出了更高的要求。潮汐测量的手段很多，主要包括传统水尺法、浮子式验潮仪、引压钟式验潮仪、声学式验潮仪、压力式验潮仪等潮位测量设备。对于短期潮汐测量，一般采用传统水尺法和便携压力式验潮仪。但传统水尺法，效率低、人力投入大、容易产生人为误差；而压力式验潮仪如常用的加拿大RBR公司的便携式TGR-2050型验潮仪，虽然设置简单、方便、快捷，但在珠江口潮汐测量时，潮位精度受到大气压扰动、潮流、海水密度、压力感应器零点漂移等因素的影响，不能满足技术要求。对便携式TGR-2050型验潮仪测量精度鲜有人研究。因此，研究其误差来源是十分必要的。

1 TGR-2050型验潮仪潮汐测量原理

TGR-2050型自容式验潮仪（以下简称2050验潮仪），用于观测和记录潮水的变化以及海水表层温度的变换。能有效摒除波浪的干扰，测量精度较高。

2050验潮仪测深原理是基于压力传感器测量一定时段的平均压力，计算出验潮仪零点所处位置的水深。该仪器提供了两种不同的模式计算水深，两种方式均需要压力传感器测定的压力。计算水深的压力（P）数值为压力传感器测得的压力（Pm）减去大气压在压力传感器上产生的压力（Patm），如公式（1）所示：

P=Pm-Patm （1）

基于压力P，有以下两种方式计算瞬时海面至验潮仪零点的深度。第一种方式简化推求：为近似的方法，根据测区表面的海水密度，如公式（2）所示：

D=P/（0.980665×ρ） （2）

式中，D为所测深度，单位为m；P为公式（1）中计算的压力，单位为dbar；ρ为海水的密度。

2 潮汐测量误差来源分析

珠江口的潮汐属于不正规半日潮，潮差比较大，而潮流属于往复流，其潮流较急。基于2050验潮仪的测量原理与珠江口的潮汐性质，不难发现其误差主要是大气压扰动、潮流、海水密度、仪器本身的压力感应零点漂移等因素的影响引起的。

2.1 大气压扰动影响

大气压会随着所处位置的高度、温度、湿度、地理纬度等条件的变化而变化。比如对于同一地区，在一天之内的不同时间，地面的大气压值也会有所不同。而2050验潮仪在进行潮汐观测时，将大气压设置为定值，大气压扰动势必对验潮仪的观测精度产生较大的影响。基于以上分析，笔者选择5台2050验潮仪进行实验：1台放置在水池附近测量大气压，其他4台投放到淡水池中静态实验观测水位。采用第一种简化方式计算潮位，其密度设为1.0g/mm3，一个标准大气压对验潮仪压力感应区大气压力10.1325dbar，每隔10min采集一组数据，共采集147组。其中测量大气压力的仪器测得的大气压力，产生的水位变化达5cm，当处于台风低气压控制的情况下，其引起的水位变化达14cm。

2.2 潮流对潮汐测量误差的影响

在珠江口，由于潮差较大，潮流有较强的规律性，涨潮时，潮流方向是从下游至上游，而退潮时则是从上游至下游。由于潮流的存在，导致不同的安装方式，产生潮汐测量的误差，具体表现在以下两个方面。

2.2.1 仪器安装在锚链上导致的零点漂移误差

如果将验潮仪固定在锚链上，安装方式见图1，固定在锚链距水底3m处。在珠江口涨潮、落潮过程中，验潮仪零点距离水底距离d，随着与垂直方向偏移角度i的变大而变大。当偏移角i为5°时，验潮仪零点变化为1cm；当i为15°时，零点变化达10.2cm。因此，验潮仪不能固定于受潮流影响较大的锚链上。

2.2.2 仪器垂直安装在固定的桩柱上

选择3台验潮仪在珠江口实验。将2台验潮仪固定在水尺的底部，1台压力感应孔区水平固定在水尺底部，另1 台竖直固定在水尺的侧面，第3台仪器放置于空气中测大气压扰动。这3台仪器设计参数相同，大气压所产生的压力设的一个常数10.1325dbar，取样周期设为10min，启用平均间隔设为40s，采用第一种方式测定潮位，密度设为1.0110g/mm3，在大潮期间测定4天数据，同时人工于每天08∶00～18∶00每隔30min同步观测数据。

经过大气扰动改正，并提取与白天人工验潮同步观测的数据进行比较，结果表明水平安装的验潮仪观测数据曲线比垂直安装的验潮仪观测数据曲线更逼近人工观测潮汐曲线，其差值不超过2cm。因此，在珠江口利用该验潮仪测量潮位时，为了减少动压强及涡流等因素对潮位测量带来的误差影响，安装验潮仪时，应该将验潮仪固定于水下且压力感应面平行于水面。

2.3 海水密度的影响

笔者利用密度计，在大潮期间一天中，在珠江口测区测量了8组海水密度，其平均密度为1.0110g/mm3。在珠江口将2台验潮仪水平安装在水尺上，经过3天测量后，提取数据。其中一台采用第一种根据密度简化推求潮位方式，其密度设为1.0110g/mm3；而另外一台基于海水状态方程采用第二种根据纬度推求潮位的方式，输入纬度23.0。将验潮仪测量的数据提取并经大气压扰动改正后，与人工验潮潮汐数据相比较：密度设为1.0110g/mm3的潮位曲线更逼近人工验潮的潮位曲线，其精度可以满足测量要求。而基于海水状态方程采用第二种根据纬度推求潮位的方式测量的潮位与人工验潮数据相比较，潮位越高，误差越大，最大达8cm。实验证明，在珠江口等区域使用2050验潮仪测量潮位时，采用平均密度简化推求方式测量的潮位数据符合测量精度要求，明显优于基于纬度的海水状态方程推求潮位方式的结果。

2.4 验潮仪压力感应零点漂移产生的误差

2050验潮仪压力感应零点漂移会导致测量的压力误差，影响测量的潮位精度。零点漂移过大，则潮位测量的数据不能满足精度要求；但文献与仪器厂商并没有提供一个方便且行之有效的方法来检测仪器零点漂移的大小。为了解决这一问题，本文基于第一种简化的潮位测量方式，密度设置为1.0g/mm3，其他参数设置同上，然后将验潮仪水平固定于静态淡水池中，观测24h，经大气扰动改正后，查看其曲线是否基本处于同一直线。如果基本趋于一条直线，则说明仪器稳定。如果仪器稳定，则取潮位测量值的平均值与采用直接测量法量取的压力感应孔至水面的数值比较，来确定压力感应零点是否漂移。笔者对4台2050验潮仪进行了压力感应静态实验，其结果如表1所示，通过静态潮位数据平均值与人工直接测量的观测值相比较可以看出，编号为“R1”的仪器零点与真实值相差达 2.6cm。这显然不满足“观测误差不得大于2cm”的测量规范要求，建议返厂检校。

3 结语

针对TGR-2050型验潮仪在珠江口测量潮位时误差比较大的问题，通过分析了大气压扰动、潮流、海水密度、压力感应零点漂移等因素产生的误差，并通过大量的实验与研究，提出了大气压扰动改正方法、合理的仪器安装方式、推求潮位的简化方式即平均密度法、测定验潮仪压力感应零点漂移等方法，消除或削弱了以上因素对测量潮位数据精度的影响，满足了利用该验潮仪测量潮位精度的要求。

参考文献

[1] 董玉磊，曲萌.压力式验潮仪数据处理时应注意的几个问题探讨[J].海洋信息，2015（2）：6-8.

[2] 刘雷，缪锦根，李宝森.压力式验潮仪零点漂移检测及修正方法研究[J].海洋测绘，2010（4）：73-75.