（环境工程专业论文）雷达潮位仪研制及风暴潮警戒水位预报系统.pdf

英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ca c c e l c r a t i n go f9 1 0 b a ii n d u s t 凼l 注a t 0 na n du r b a n 函t i o np r o c e s s ，h u 眦n 嘲n o v e 的m - m l a n dt 0c 0 嬲t l e a d i n gt ot h c 豫p i dd e v e l o p m e n to fc t ye c o m ya n d c o n s t m c t b n h o w e v c r i ta l s og i v e sr i 辩t 0t h cc 0 淞t a lb a ya 他ad c c r e a s e d 柚dt h cg u l f f i j m t 0 nw e a k e n e d t h cd i s a s t e 体c a u s e db ys t o ms u r g e sh a p p c n 骶q u e n t l y a n dt h e 1 0 s sb e c o m es e v e 佗i n c 陀嬲i n g i y s t o ms u 唱ei st h e 舱t u m id i s 嬲t e rt h a ta m u s e s1 0 c a l w a t e rs t a g eu ps t r o n g i ya t ) 0 v en o m 协lt i d el e v e l s ，w h i c hp o s e sas e r - 0 u st h r e a tt 0 h u m a ns u r 、，i v a ia n dd e v e i o p m e n t t h e r e f o r e ，i no r d e rt 0i m p r o v et h ea b i l 时o f d i s 嬲t e r p 佗v e n t i o na n dm i t i g a t i o na n dt h ct e c i l n o l o g yo fs t o 咖s u 唱ed e 佬n ，t h ec o 帅t r i e s a l o n gt h eo c e a nh a v ep a dm u c ha t t e n t b nt od e v e b pm w t i d eg a u g e sa n d 向r e c a s t s y s t e m a tt h e 鼢m et i m e ，d e v e l o p i n gm w t i d eg a u g e sa n d 内r e c a s ts y s t e ma r ea l s 0t h c 亿c u so fm 甜i 眦i e n c ca n dt h ch o t s p o to f 代s e a r c h b a do nt h cp r i n c i p i eo fr e m o t e 璐h gt e c h l o g y r 利l 盯t i c i eg a u g ei sl a u n c h e da n df o r c c a s ts y s t e mo fg t o 叽s u r g c s w a m i n gl c v c li s 他辩a r c h e d mt h i sp a p e r m a i nw o r i ( s 邪向i i o w s ： f i r s t i y ，t h es y s t e mo fm d 盯t d eg a u g em e a s u r e m e n ti si a u n c h e dp 0 眦e r i n g i y i n a d d i t i o n t h cd e s i g ns t a n d a r do f 鹏wt i d cg a u g e s 加dt h eo v e m l ld e s i g n h e m e 眦 p r o p 0 d m e a n w h i l e ，t h ch a r d 眦眦o fs y s t e mi s 嬲s e m b i e da n dd e b u g g e d ，a n dt h e f t w a 陀o fa n a i y s i sa n dc a i c u l a t b na b o u tt d a id a t ai sc o m p i l e db yv i s u a lb a s i c ， t h et d a id a t ac 锄b eo b s e r v e di n 他a it i m ea n d 鼢v c dc o m p l e t e i y s e c o n d i y w i t ht h eh e i po ft h cn o a tg a u g e ，豫d 甜t i d eg a u g ei s c a l b r a t e da t b a y r u j 豫n i n l i a o d o n gb a y i t h ch a r d w a 他o f 豫d 盯t d eg a u g em a t c h e st h c s e i 仁d e v c l o p e ds o f t 、帕r ct o t a i i y t h a tt i d a id a t ac 粕b cc o l i e c t e da n dt r a n s f e r2 4h o u r s a d a y a n dt h ed a t ai sp c r f e c t l yp r e c i s e t h r o u g he x p e r i m e n t s ，t h em e a ns q 阻r ee r r o ro f d a t am e a s u r e db y 豫d a rt d cg a u g ei s2 0 4c m a n dt h es t a n d a r dd e v i a t i o no fi n s t r u m c n t i s0 3 31 t h e r e f 0 他，t h c 他s u i ts u r v e y e db ym d a rt i d eg a u g ei ss a t i s f a c t o 阱 t h 砌i y t h e 他a 陀t h r e ep a n si n 向r e c 淞ts y s t e mo fs t 0 帅s u r g e sw a m i n gl e v c l i n c l u d i n gf o r e c a s ts y s t e mo fs t o r ms u r g e sa n s t a u ，f o r c c a s ts y s t e mo fl o c a i t h e o r e t i c a i 英文摘要 h i g h c s tt i d el e v e l sa n dw a t e r i e v e lo f l o c a lc o 弱t a l c t i o n 删u s t 眦n t n es y s t e mi s b u i i tb yv i s 憾lb a s cw n c o m p u t a t b 眦lp r m c i p l e sa n da l g o r i t h l nc o m p i i e d f o u r t h l y a p p i y m g 向r e c a s ts y s t c mo fs t o n n 鲫曙e sw a m i n gl e v c l ，t h ev a i u eo f 蛐s t a u 舳dw a m i n gi e v e la 佗f b r e c a s t e du n d c rd i 仃e 佗n tw e a t h e fc o n d i t i o 馏r e a r c h s h o w st h a tw i t hn u m e r i c a lc o m p u t a t i o nm e t l l 0 也硒佗c a s ts y s t e mo fs t o r m 鲫唱e s w a m m gl c v c la c h i e v c st h cf b 佗c a s to f 锄s t 跏a n dw a m m gl c v e lf o re ) 【t 佗眦w 嘲h e r c o n d t 0 a tb a y r u j u a ni nl i a o d o n gb a y t os u mu p ，w 帅m gm e t h o d so fs t 0 咖s u 唱e st h a tc o m b m i n gm d a rt d eg 硼g ea n d 佑c a s ts 姆e mo fs t o m 锄唱e s 啪m i n gl e v e it o g c t t l c rc 粕b cp r 0 v - d e d 内rc o a s t a l c i t - c s m e a n w h i i e ，t h c ya 如p r 0 v 试et h ct e c h n o l o g 渤i a n ds c i e n t i mb a s i sf b rt h c g o v c m m e n t t 0o 唱a n 啦a n dc o n d u c td i s a s t e rp 代v e n t 0 n 粕dm i t 谵a t i o nc 0 眦c t l y k e yw b r d s ： 住d a rt i d eg a u g e ；s t o ms u 曙e s ；w a m i n gw a t e rl e v e l ；f o 他凹s t s y s t e m ：l i a o d o n gb a y 雷达潮位仪研制及风暴潮警戒水位预报系统 第1 章概述 1 1 前言 在人类所面l 临的众多自然灾害中，通常人们把海洋自然环境发生异常或激烈 变化，导致在海上或海岸发生的造成人们生命、财产损失的事件称之为海洋灾害 【1 1 。海洋灾害主要有风暴潮、海啸、巨浪、严重海冰以及赤潮等。引发海洋灾害 的主要因素是大气，如台风、寒潮等。灾害性天气可导致风暴潮、巨浪和海冰灾 害。此外地质因素和海洋因素也是导致海洋灾害的原因，像海底地震、海底火山 爆发等引发的海啸，由于海水循环失调或海水污染而引起的厄尔尼诺及赤潮现象 等。 风暴潮是台风引起的绝大多数特大海洋灾害的主要因素，当台风由海面刮入 近海岸时，海水会在风和大气压相互作用下发生集聚，从而冲毁堤坝、侵蚀陆地， 给沿岸居民和单位人身财产造成极大威胁。这种灾害带来的损失大大超过了其他 气象灾害。2 0 世纪7 0 年代，孟加拉湾发生的特大风暴潮灾害导致3 0 多万人丧生， 超过了唐山大地震和日本关东大地震死亡人数之和。2 0 0 3 年“l o 1 l ”特大风暴潮 给渤海湾、莱州湾沿岸城市造成直接经济损失1 3 亿元，仅山东潍坊就受灾2 0 万 人。2 0 0 4 年印尼海啸引起的特大增水，造成至少2 2 万人死亡。2 0 1 1 年3 月1 1 日，日本福岛核电站由于周边海域发生海啸，导致了严重的核泄露事故。2 0 1 1 年 7 月3 0 日第9 号热带风暴“梅花 在西北太平洋生成，随后刮入黄海，沿途地区 部分地段掩埋，护堤摧毁，最终进入朝鲜半岛，造成严重损失。因此，风暴潮常 被誉为“来自海洋的杀人魔王”1 2 】。 我国领海面积有3 0 0 万平方公里，岸线长1 8 0 0 0 公里，东部沿海地区人口密 集，经济发展迅速。滨海旅游、近海增养殖等海上事业蓬勃发展，海洋为沿海地 区经济的发展注入了活力、创造了条件，我国沿海也出现了多个沿海经济产业圈。 我国是遭受海洋灾害影响最严重的国家之一，海洋灾害造成的经济损失仅次 于内陆洪涝和风沙等灾害。据中国海洋灾害公报1 9 8 9 年 2 0 0 6 年的统计，2 5 年 以来海洋灾害造成的经济损失大约增长了3 0 倍，远远高于沿海经济的增长速度。 第l 章概述 仅“十五”期间，我国共发生风暴潮、海浪和赤潮等各类海洋灾害7 0 0 余次， 因灾死亡人数( 含失踪) 1 1 6 4 人，直接经济损失达6 3 3 亿元之多，己占到全部自 然灾害损失的l o ，2 0 l o 年我国共发生2 8 次风暴潮，损失7 0 余亿元。其中九成 以上是风暴潮灾害造成的，并且每次重大海洋灾害发生时沿海地区转移的人口都 在几十万甚至上百万。因此，风暴潮灾害受到了越来越多学者的重视【3 叫。在沿海 地区，利用验潮站积累的潮位资料，运用数值方法开展风暴潮警戒水位预报是海 洋防灾减灾的的重要手段。 表1 12 0 1 0 年各类海洋灾害损失统计m 1 t a b 1 1s t a t i s t i c so f m r i md i s 弱t e r 如i n g2 01 0 海洋灾害监测及预( 警) 报在我国开展较早。在1 9 0 0 年前后，我国就已经开 展了潮位测量工作。新中国成立以前，全国验潮站仅有1 4 个，建国以后我国国防、 水产、航运、海洋资源开发利用1 等事业不断发展。这些海上活动极大地促进了 验潮工作的开展，目前全国沿海地区潮位观测站达1 0 0 多个，提供的潮位数据作 为风暴潮预报的基础资料，为推动我国风暴潮预报工作起到了重要作用。 2 雷达潮位仪研制及风暴潮警戒水位预报系统 1 2 海洋风暴潮概述 1 2 1 风暴潮简介 风暴潮灾害是指，由风暴潮引起的沿岸地区大规模增水，导致沿岸地区人员 伤亡、财产损失的自然灾害。通常也被称为“气象海啸”或者“风暴海啸 。在我 国历史资料中多把风暴潮称作“海啸一、“海侵 ，风暴潮灾害称作“潮灾 。 1 ) 风暴潮的概念 风暴潮指由强烈大气扰动，如热带气旋( 台风、飓风) 、温带气旋等引起的海 面异常升高现象【1 2 1 。它的活动周期小至数小时、大至数天。风暴潮引起的风海流 增水叠加在正常潮位上，通过冲毁堤坝、侵蚀陆地对沿岸正常的生活、生产造成 极大的危害。 ： 风暴潮的空间范围一般为几十公里至上千公里，时间尺度或周期约为数小时 至1 0 0 小时，介于地震海啸和天文潮波之间。由于风暴潮的影响区域是随大气扰 动因子的移动而移动，因此有时一次风暴潮过程往往可影响1 0 0 0 2 0 0 0 公里的海 岸区域，影响时间可多达数天之久。 2 ) 风暴潮的分类 根据引起风暴潮产生的不同大气扰动特性，将风暴潮分为温带风暴潮和台风 风暴潮。 温带风暴潮是由强冷空气、寒潮、温带气旋等温带天气系统引起的风暴潮。 目前，世界各国叫法统一，均称之为温带风暴潮。 台风风暴潮是由强热带风暴、台风、热带风暴等热带气旋引起的风暴潮。在 印度洋海区称作热带气旋风暴潮，在北美沿岸称为飓风风暴潮。 3 ) 风暴潮特征 ( 1 ) 温带风暴潮 温带风暴潮是由中纬度西风带系统引起的，它的影响范围主要是长江以北的 渤海、黄海海域，并以渤海湾、莱州湾地区尤为严重。我国温带风暴潮的增水记 录位居世界第一，1 9 6 9 年4 月2 3 日在莱州湾羊角沟站，风暴增水3 5 2 米，当时 记录到的过程最大风速为3 4 9 米秒，3 米以上的增水持续7 个小时，l 米以上的 第l 章概述 增水持续3 7 个小时( 2 3 日1 3 时也5 日0 l 时) 。温带风暴潮的增水值虽然小于台 风风暴潮，但l 米以上的增水时间很长，容易与天文高潮叠加，酿成灾害。辽宁 沿岸由于处在高纬度地区，主要以温带风暴潮灾害为主。 ( 2 ) 台风风暴潮 台风风暴潮的增水曲线可分为3 个阶段，初振( 先兆波) 、主振和余振。在初 振阶段，远离台风中心的验潮站开始记录到来自台风扰动区域的长周期波( 先兆 波) 增水，通常只有2 0 5 0 厘米，台风强度越强、尺度越大、移速越慢，则岸边 出现的增水越大，这个阶段持续时间的长短同样取决于台风强度、尺度和移速。 初振过后便是主振阶段，其过程如下：当随着台风移动的强制孤立波抵达大 陆架后，由于水深骤减而风暴潮波增幅，加之海底地形和岸型的反射影响，造成 岸边风暴潮急剧升高，并在台风登陆前后几小时内达到最大值，即主振阶段。观 测和数值计算结果均表明：登陆开阔海岸的台风尺度大、移速慢时，岸边的风暴 最大增水发生在登陆前，反之，在登陆后。通常风暴潮的主振时间不足6 小时， 但也有较长的( 超过2 天) ，一般而言，移速慢、尺度大的台风主振持续时间长。 风暴潮余振阶段，潮位逐渐恢复正常状态，这个阶段包含了由于地形及其它 效应在内的各类震荡。有时余振的持续时间可达2 3 天。 4 ) 温带风暴潮的分型 在春、秋季节，我国渤海和黄海北部冷暖空气频繁交汇，而冬季又受冷空气 和寒潮大风频繁袭击。我国3 个温带风暴潮频发区和严重区依次为莱州湾、渤海 湾和海州湾沿岸。据统计我国的温带风暴潮分三种类型： ( 1 ) 冷锋配合低压( 北高南低型) 这类风暴潮多发生于春秋季；渤海湾、莱州湾沿岸发生的风暴潮，大多属于 这一类。其地面气压场的一般特点是，渤海中南部和黄海北部处于北方冷高压的 南缘，南方低压或气旋的北缘1 1 3 l 。辽东湾到莱州湾一致吹刮东北大风，黄海北部 和渤海海峡受偏东风控制。在这样的风场作用下，大量海水涌向莱州湾和渤海湾， 最容易导致强烈的风暴潮。位于莱州湾西岸小清河口的羊角沟站，1 9 6 9 年4 月2 3 日，曾记录到有验潮记录以来的最大温带风暴潮值( 3 5 2 米) 。 4 雷达潮位仪研制及风暴潮警戒水位预报系统 ( 2 ) 冷锋类( 横向高压型) 当西伯利亚或蒙古等地的冷高压东移南下，而我国南方又无明显的低压活动 与之配合时，气象图上只有一条横向冷锋掠过渤海，造成渤海偏东大风，致使渤 海湾沿岸和黄河三角洲发生风暴潮。此类的风暴增水幅度一般在l 到2 米之间， 比前一类型的低。冷锋类风暴潮多发生于冬季、初春和深秋。有时当横向冷锋继 续南移掠过海州湾时，也能造成该湾偏东大风，使海州湾沿岸产生此类风暴潮。 ( 3 ) 强孤立气旋( 温带气旋型) 这里指无明显冷高压与之配合的、暖湿气流活跃的温带气旋。这种类型的风 暴潮往往在春、秋季和初夏期间发生。夏季7 9 月正是渤海天文潮最高季节，一 旦遇到这种强孤立气旋引发的风暴潮叠加到天文高潮时，则出现超警戒水位的灾 害性高潮位。 1 2 2 风暴潮预报方法 警戒水位是指沿海发生风暴潮时，受影响沿岸潮位达到某一高度值，人们须 警戒并防备潮灾发生的指标性潮位值，它的高低与当地防潮工程紧密相关。警戒 潮位的设定是做好风暴潮灾害监测、预报、警报的基础工作，也是各级政府科学、 正确、高效地组织和指挥防潮减灾的重要依据。 某次风暴潮灾害等级的大小是由本次风暴潮过程影响海域内各验潮站出现的 潮位值超过当地“警戒水位”的高度而确定的。 风暴潮预报方法很多，总体方法包括经验统计预报法【i 和动力数值预报 方法【| 5 l 。 经验统计预报法是根据以往积累的数据，将气象要素和当地风暴潮实际特点 利用数理统计的原理建立起来的经验函数关系式。该方法简单实用，目前仍有不 少国家利用该方法进行预报。但此方法必须要有长时间的资料积累。而动力 数值预报法是利用气象预报提供的准确的风暴信息或海面上风与气压的预报场， 把海水运动方程用数值计算进行求解的方法。随着科技的发展，计算机的应用， 在对特定海域进行风暴潮预报领域，动力数值预报法被越来越多国家所采用。 第l 章概述 1 3 国外风暴潮预报数值方法研究概况 风暴潮数值计算始于5 0 年代。目前，国际上风暴潮预报比较成熟的模式有英 国s e am o d e l 模式、美国s l o s h 模式和荷兰d s c m 模式等。 1 ) 英国s e a m o d e l 模式 英国的自动化温带风暴潮预报模式“海模式”( s e am o d e l ) ，1 9 7 8 年用于预 报业务。气压场和风应力场1 1 7 】采用1 0 层大气模式提供的预报结果，计算域覆盖 不列颠诸岛附近的大陆架，计算域外边界水深1 8 3 m ，每天( 冬半年，9 月至翌年 4 月) 运算两次，与逐次递推的3 6 小时气压和风的预报相对应，每1 2 h 可以获得 3 0 h 预报时效的风暴潮预报。海模式是b i d s t o n 海洋研究所在h e a p s ( 1 9 6 9 ) 二维线 性模型的基础上发展起来的，潮汐和风暴潮一起计算，考虑了两者间的相互作用， 减去单独计算的潮汐获得风暴潮预报值，将预报值加到对应位置的准确潮汐预报 上，得到总体水位预报值。1 9 8 2 年，与之相联接的大气模式由l o 层发展到1 5 层； 而用于计算纯天文潮的水边界值由2 个分潮( 膨，& ) ，增加到6 个分潮( d 卜局、 2 、膨、& 、局) 。同时为了考虑形成于陆架区边缘的风暴潮，该模式扩大了计算 区域。英国风暴潮警报局( s t o r ms u 喀ew a m i n gs e n r c c ) 采用经验和数值相结合 的方法来发布温带风暴潮预警报。 2 ) 美国s l o s h 模式吣1 9 1 在美国，j e l e s n i a 吣k i ( 1 9 6 6 ，1 9 6 7 ) 进行了考虑和不考虑底摩擦的风暴潮数值 计算【2 们，并于1 9 7 2 年建立了著名的s p l a s h 模式，这个模式曾在美国的实时风 暴潮预报中发挥过重要作用。该模式的诺模图至今仍在东南亚一些国家的风暴潮 预报中广泛应用。2 0 世纪8 0 年代，美国历时十年进行了s l o s h ( s 眠l a k e ，& o v e r l a n ds u 曜e s 胁mh u r r - c a n e s ) 模式的研究。该模式能预报海上、陆上以及湖 上的台风风暴潮，在风暴潮防灾减灾中发挥了很好的作用。 s l o s h 模式是美国的j e l e s n i a 吣i c p 等人发展起来的。该模式使用了正交曲 线坐标系( 极坐标椭圆坐标双曲线坐标) ，被设计成能够计算二维区域风暴潮的 模式，包括在海洋陆架区、海湾和陆地淹没区等。s l o s h 模式最初的目的是能够 实时预报飓风引起的风暴潮，由于该模式在近岸有很高的分辨率，所以该模式不 6 雷达潮位仪研制及风暴潮警戒水位预报系统 仅能够计算陆架上的风暴潮，而且还能够计算陆地淹没区和河道区的风暴潮。能 够处理海水漫过自然的和人工的障碍物，包括海堤、沙丘、废渣堆等。该模式也 能处理次网格河流和障碍物缺口的流动。在美国s l o s h 模式的运行验证表明， 在不考虑天文潮的情况下，模式的计算结果与观测站的观测结果相比，误差在 2 0 之间。现在s l o s h 模式在风暴潮实时预报和美国海岸委员会人员疏散计 划中扮演了非常重要的角色。 1 9 9 3 年，美国s l o s h 模式的研发者之一( j y cc h e ne ta 1 ) 又建立了一个温 带风暴潮预报模式，该模式仍采用可变尺度的极坐标网格。美国东海岸计算区域 覆盖2 0 个s l o s h 计算域，近岸的网格分辨率约3 k m 开阔大洋l o k m ( 陆架边 缘，水深5 0 0 m ) 。温带风暴潮预报模式所需的气压场、风场靠美国天气局的a 、烈 模式提供( i 。l 。) ，这是具有1 2 6 个谱分量的谱模式。a 、悄模式通常一天计算 两次( 0 0 0 0u t c 和1 2 0 0 u t c ) ，也有6 小时一次的预报结果。采用越悄模式的 6 h 预报结果，美国先后建立了四个温带风暴潮计算区域，网站上发布的产品有： 模式计算的各预报站点的增减水值( 1 5 分钟间隔) 、天文潮预报值、总水位值( 天 文潮与增减水值之和) 以及6 分钟间隔的实测潮位资料与模式计算结果的比较( 数 据与图) 。 从2 0 世纪9 0 年代开始，美国n o a a 与当地政府联合进行了风暴潮风险评估， 制作大比例尺风暴潮淹没图，供灾害管理部门、保险公司和当地居民等使用。1 9 9 5 年美洲国家联合开展的加勒比海减灾项目，建立了热带风暴灾害分析系统 t a o s ( t h em b i t e ro f s t o m s ) 制作了风暴潮灾害图和脆弱风险图。这些图将用于 人员撤退等减灾措施，为区域环境功能区划提供数据，达到科学减灾的目的。近 几年，美国的佛罗里达州和北卡罗来纳州分别建立了风暴潮近岸海浪耦合数 值预报模式，并已经开始业务化应用。欧盟从2 0 世纪8 0 年代末期开始了风暴潮 和海浪耦合数值预报模式的研宄，经过十多年的努力，已经取得了实质性进展。 3 ) 荷兰d s c m 模式1 1 5 l 荷兰的d s c m 模式建立于2 0 世纪8 0 年代中期，9 0 年代早期k a l m a n 滤波方 法被加入到模式中。这个模式的气压场、风场来自于h i r l a m 气象模式产生的分 第l 章概述 辨率为2 2 k m 的预报结果。d s c m 模式在荷兰皇家气象局运行，为方便发布警报， 荷兰沿海被分成几个部分，每一部分都有其自己的警戒潮位值。这样划分的原因 是荷兰沿海潮汐振幅和最高潮位时间变化很大。利用d s c m 模式，警报至少在风 暴潮来临前6 小时发出。d c s m 模式计算域的覆盖从西欧大陆架到2 0 0 米深的区 域，采用的球坐标网格的分辨率大约为8 8 k m 。根据2 0 0 3 年的标准，d c s m 模 式是一个可以在标准个人电脑上用一分钟预报未来两天水位情况的模式。 4 ) 孟加拉国 孟加拉湾地区是遭受风暴潮袭击比较严重的地区。该地区风暴潮预报研究工 作从上世纪7 0 年代开始，并迅速发展。1 9 7 9 年，英国科学家j o h 璐和孟加拉国 科学家a l i 将汇入孟加拉湾的恒河、布拉马普特拉河等主要河流一并计入盂加拉 湾数值模型。1 9 8 0 年d a s 利用自己建立的孟加拉湾北部数值模型，进行了当地风 暴潮预报的研究。印度科学家g h o s h 在1 9 7 7 1 9 8 3 年间，通过对孟加拉湾当地风 暴潮的数值模拟实验，推断出当地可能遭受的最大风暴潮，并创立了诺模图，用 于在实际预报中解决风暴潮和潮汐相互耦合的问题。 5 ) 日本【1 6 】 日本地处西太平洋，常年受海啸、台风风暴潮等海洋灾害影响，因此历来非 常重视对风暴潮的数值研究。矶崎一郎、宇野木早苗等日本科学家通过大量实验， 运用台风预报和其他模块计算相结合的方法，通过比对对风暴潮进行预报。并在 现阶段，创立了1 a t s k o n i s h i 预报模式。 1 4 我国风暴潮预报数值方法研究概况 我国的风暴潮数值计算于2 0 世纪5 0 年代开始，经过6 0 年代和7 0 年代的摸 索、发展后，在8 0 年代我国己对东海、南海、黄渤海等各个海域进行了大量的风 暴潮数值模拟实验风暴潮数值模拟研究【2 发展迅速。这些成果为研究风暴潮在 开阔海域、半封闭海域的形成、发展提供了宝贵的资料，也为风暴潮的预报创造 了基础。 8 雷达潮位仪研制及风暴潮警戒水位预报系统 上世纪9 0 年代，我国从美国引进了s l o s h ( s e a ，l a k e ，& o v c r i a n ds u r g e s 舶m h u r r i c a s ) 模式，并在杭州湾、雷州半岛、长江口的风暴潮数值计算中得到应用， 发挥了重要的作用。 最近几年，我国在风暴潮漫滩数值模式研究【2 2 】和风暴潮近岸浪耦合数值 模式研宄【2 3 】方面取得了长足的进步并且很好地推广到实际工作当中。在“十 一五 期间，我国先后建立了风暴潮漫滩数值预报模式、台风风暴潮集合数值 预报模式2 4 1 、风暴潮四维同化数值模式瞵1 等三种高分辨率数值预报模式。中科院 海洋研究所尹宝树等在风暴潮近岸浪耦合数值模式研究方面进行了大量的工 作。中国海洋大学孙文心等在风暴潮漫滩计算方面，应用半隐半显方法，对风暴 潮漫滩进行研究和预报。 在台风风暴潮预报模式【2 6 l 领域，国内采用建立模型气压场和风场的方式作为 台风风暴潮预报模式的强迫力场。进行预报时只需每6 小时将台风中心气压、位 置、半径、风速等相关参数输入即可求出需要的气压场和风场。美国的s l o s h ( s e a ，l a i ( e ，& o v c r i a n ds u r g e s 舶mh u l l r i c a n c s ) 模式气压场和风场运算也同样运用 模型场。 目前，我国台风风暴潮预警的基础模型是“十五 期间建立的高分辨率台 风风暴潮数值预报模型；2 0 0 3 年，我国温带风暴潮数值预报系统研究【2 7 】也取得了 一定的成果，可提供4 8 小时和7 2 小时的重点海域风暴潮的预报。 伴随着国内经济的快速发展，风暴潮等海洋灾害对国家经济建设、人民正常 生活的影响也逐步加剧。时至今日，为了使风暴潮预报更准确，我国就风暴潮预 报技术正与西方先进国家进行交流与合作，以减小差距。2 0 1 2 年6 月国务院将颁 布海洋观测预报管理条例【2 引，这是我国历史上首部关于海洋观测预报活动管 理的法律规范，对促进我国经济建设、社会发展和国防安全具有重要意义。因此， 我们要积极落实各海区预报管理体系，落实现代社会决策、执行、监督技术支撑 体系等“十二五 规划要求的重要工作。同时，为了使风暴潮预报更准确，作 为风暴潮预报基础性资料的潮位测量更显得尤为重要。 9 第1 章概述 1 5 国内外潮位测量技术方法 海水受到月球和太阳引潮力的作用产生规律性的上升下降运动，这种海面的 升降现象叫做海洋潮汐1 2 9 】。而潮位就是反映某一时刻海面相对固定基面的实时水 位高度。在人类开发利用海洋的过程中，潮位信息扮演着十分重要的角色，因此 在进行海洋调查时，将潮位观测作为重要的观测对象。潮位观测通常又称验潮。 利用验潮可以了解当地潮汐性质，并根据测量得到的潮位资料，计算当地各分潮 的调和常数【3 们，用于海洋工程、涉海单位等相关部门使用，同时用于风暴潮等海 洋灾害的预报【3 1 1 。此外，除了太阳、月球等天体引潮力对潮位变化起主要作用外， 地表径流、大气气压、风等有关气象要素也能引起海面的增减水现象，造成潮位 的变化。 潮位测量的方法有很多，从最开始的用水尺测量到如今的使用遥感技术观测， 从1 8 3 1 年第一台自动潮位仪发明到日本气象厅研制的l f t i v 型浮子式长期自记 验潮仪，再到我国国家海洋局海洋技术研究所研制的s c a 6 1 型声学水位计。随 着人类对潮位观测的逐步重视，潮位观测得到了快速的发展。各种潮位测量技术 不断涌现。国内外主要潮位测量方法如下： l 、水尺验潮 水尺验潮是一种类似于用水准尺测量水位的一种验潮方式。水尺一般固定在 码头壁、岩壁、海滩上。水尺上面标有一定的刻度，一般最小刻度为厘米，长度 大约3 5 m ，利用人工方法读取水位。水尺验潮具有工作简单、机动性较强、易 操作、技术含量低、造价低等特点，常用于临时验潮情况地使用。该方法的观测 精度受涌浪、观测误差等多种因素的影响，一般约为l o 1 5 c m 。同时由于水尺长 时间在海水中浸泡，刻度极易脱落；且附着在水尺上的海洋生物不易清除。目前， 国内外已经很少使用水尺验潮的方法。 2 、井式自记验潮仪验潮1 3 2 】 井式自记验潮仪主要结构由验潮浮筒、记录装置组成。其工作原理是通过在 水面上随井内水面起伏的浮筒带动上面的记录滚筒转动，使得记录针在装有记录 l o 雷达潮位仪研制及风暴潮警戒水位预报系统 纸的记录滚筒上画线，来记录水面的变化情况，达到自动记录潮位的目的。目前， 这种通过机械运动获得潮位的过程可以通过数字记录仪完成。 井式自记验潮仪需要建设满足测量要求的验潮井。验潮井的特点是坚固耐用， 滤波性能良好，其缺点是连通导管易阻塞，成本高，机动性差。 图i 1 浮子式验潮站 f i g 1 1t i d es t a t i 仰o f n o a t g a u g e 3 、超声波潮汐计验潮【3 3 l 超声波潮汐计主要由探头、声纳、计算机等部分组成。其主要特点是利用声 学测距原理进行非接触式潮位测量。基本工作原理是通过固定在水位计顶端的声 学换能器向下发射声信号，信号遇到声管的校准孔和水面分别产生回波，同时记 录发射、接收的时间差，进而求得水面高度。超声波潮汐计使用方便，工作量小， 滤波性能良好，适于测量。 第l 章概述 声学测量中，温度的影响是产生测量偏差的主要原因，温度变化l ，声速 可以被影响大约o 1 8 ，只有在观测潮位的同时，对声程中的温度进行采集，修 正声速，对潮位观测值进行温度补偿，才能在不均匀的声场进行准确的测量。 4 、压力式验潮仪验潮【3 3 l 压力式验潮仪按照结构可以分为机械式水压验潮仪和电子式水压验潮仪。机 械式水压验潮仪主要由水压钟、橡皮管、u 形水银管和自动记录装置组成。它是 利用海水表面由于水位变化而产生的压力差来测量水位高度的一种方法。它的特 点包括，不需建造验潮井，且滤波效果好，仪器坚固耐用。 电子式水压验潮仪包括水上机、水下机、数据链等。它测量潮位的方法与机 械式水压验潮仪类似，都是利用水位变化的压力差测量潮位变化。只不过在组件 上用压力传感器取代了u 形管及水压钟，同时采用数字技术把海面压力的变化表 征为潮位变化。它的特点是精度较高，且携带、安装都很方便。从观测数据到数 据处理可以实现计算机自动化，效率高，滤波性能良好，还可以进行近距离遥控。 5 、g p s 在航潮位测量 g p s 在航潮位测量方法是最近几年兴起的潮位测量方法f 3 4 j 。 由于波浪变化具有较强的地域性，近岸波浪和远岸波浪之间存在着很大差别， 所以必须在水位观测过程中去除波浪的影响，以得到比较稳定的潮位水面。同时 潮位的变化与时间、空间关联也较大。海洋测量【3 5 l 的海域面积广阔，在验潮站内 测得的潮位数据精度较高。但要获取距离验潮站较远地方的潮位数据，只能通过 外推法获得，精度将会变得较差。 随着g p s 载波相位差分测量技术的日益成熟，在动态情况下，它可获得厘米 级甚至毫米级的平面定位精度和厘米级的高程定位精度，这为动态环境下的潮位 测点奠定了理论基础。其工作原理为，将一台g p s 接收机置于基准站内，它可 以接受g p s 卫星信号，并利用g p r s 网络将差分信号1 3 6 l 发射给用户，这时观测站 内观测的潮位实时数据就能根据差分信号进行校正。 雷达潮位仪研制及风暴潮警戒水位预报系统 6 、红外波潮传感器和微波潮位传感器 一般来说，红外波潮传感器和微波潮位传感器被安装在海面上的固定平台。 安装时其发射装置头朝水面。这类传感器通过计算自身位置与水面的距离来提供 潮位和海浪的高度数据。 随着科技的不断进步，目前用于潮位观测的方法、仪器也越来越丰富。已有 多种全自动新型验潮仪器，在国内外开发、应用。人类潮位观测的手段正由传统 的人工观测、手动记录向高精度、高频率、方便携带、系统稳定的新型设备转换。 本文正在研制和标准化【3 7 j 的微波传感器雷达潮位仪就是为适应我国新时期 潮位观测工作新需要出现的，它保证了潮位数据采集的连续性和记录的精确性， 是一种新型创新产品。 1 6 本论文研究的目的和意义 当前，我国潮位测量技术发展滞后，仍然采用固定站位进行潮汐观测，绝大 多数验潮仪器都是纯机械的、采用长图记录方式的浮子验潮仪。浮子式验潮仪利 用观测基准面定数和实时读取的水尺上的水位，推出实时潮位。它需要在验潮工 作前，确定好验潮零点水位和观测基准面。现阶段潮汐观测存在一定的测量误差， 首先海洋的围填海工程减少了近岸与海湾的面积，滩涂露出水面，而部分地区观 测站的验潮井设立于近岸，基准面无法确定：其次长期使用的浮子验潮仪，由于 机械磨损、水尺生锈等原因将增加测量误差，造成潮位长期测量的不准确，影响 潮位资料的记录及相关预报。 目前，西班牙、荷兰等国外公司的雷达潮位仪己在国内销售，其技术先进， 使用方便，急于占领我国市场，但是局限于价格昂贵，不便推广。而本文雷达潮 位仪研究的目的就是为了改进我国目前潮位观测方法，提高验潮仪器测量精度和 采样频率，缩短我国同世界上拥有先进海洋仪器国家在验潮技术方面的差距，将 海洋测量尤其是潮位测量从原来的简单、费时耗力发展到自动化、数字化、无人 值守，以节省人力成本。待实现海洋潮位测量方法标准化后可以支撑、服务、促 进雷达潮位仪的推广工作。本文研制的雷达潮位仪标准化工作将在2 0 l3 年完成， 该仪器标准化后，将进行国家验收。 第1 章概述 本论文研究基于微波传导原理，所研制的雷达潮位仪具有高精度、高数据采 集频率、自动化、数字化等特点。本文以辽东湾鲅鱼圈海域雷达潮位仪连续测定 的潮位资料为基础，以该岸段为重点海域研究了风暴潮警戒水位数值预报系统， 并将该系统用于对辽东湾鲅鱼圈岸段海域进行警戒水位科学预报，实现了最大限 度地防御和减轻风暴潮造成的人员伤亡和经济损失，为政府相关部门进行防灾减 灾决策和工作提供科学依据，同时也拉近了与西方先进风暴潮预报系统的差距， 为促进海洋经济发展、防潮减灾工作有序进行提供技术保障。 雷达潮位仪也是为风暴潮警戒水位预报系统而进行的专题研究。由于新研制 的雷达潮位仪测量系统直接连接计算机，便于利用雷达潮位仪提供的数据进行调 和常数运算，且雷达潮位仪采样精度高。频率高，使运算结果更加精确，因此能 够提高该系统预报的准确性。 1 7 论文的主要工作 本论文选题来自辽宁省海洋与渔业厅海洋环保专题基金项目 卜i o 2 0 1 2 i n h y h b c 0 0 0 3 一辽宁重点海域风暴潮增水预报技术研究中的一部分。论文 以雷达遥感技术为理论基础，研究了雷达潮位仪测量系统，实现了非接触海面潮 位测量【3 8 3 9 1 的新方法。同时本文还利用潮位测量资料、气象资料，通过数值模拟 计算，研究了辽东湾鲅鱼圈海域风暴潮警戒水位预报系统，实现了将高采样频率、 高测量精度的雷达潮位仪测量系统同风暴潮警戒水位预报系统连接应用的构想。 具体工作如下： l 、以雷达遥感技术为理论基础，将雷达主机发射、接收的调频连续波，经过 d 模数转换、无线传输连入终端计算机，对海面潮位进行实时测量。并完成雷 达潮位仪的现场试验，验证了雷达潮位仪测量系统工作的稳定性、测量的准确性。 2 为进行海洋验潮新型仪器的研制，实现测量方法与国际接轨，雷达潮位仪 地研制，申请了2 0 1 3 年国家仪器标准化验收，并获得国家技术监督局认可。本论 文就是标准化前期工作的基础研究。 3 利用雷达潮位仪测量的潮位数据、鲅鱼圈当地风暴潮季节气象资料，根据 二维深度平均运动方程及连续方程、弗拉基米尔斯基方法等相关原理，研究了风 暴潮警戒水位预报系统并应用于辽东湾鲅鱼圈海域进行风暴潮警戒水位预报。 1 4 雷达潮位仪研制及风暴潮警戒水化预报系统 第2 章雷达潮位仪研制 2 1 潮位测量的基准面原理 茸母一 选发射1 盘接收f h 。= 1 2 t c( 2 1 ) 图2 1 雷达澜位仪测量原理不意图 f i g 2 1s c h c m a t i cd i a 舯mo f 翰d a rt i d eg a u g et om 翰s u 陀s e as u r f a c el i g h t 雷达潮位仪测量潮位技术前提要求根据实际水文气象要素，设定。个测站基 准面h b 。雷达潮位仪主机发射微波信号，经天线聚束照射到海面，海面将电磁波 反射回雷达，接收天线收集海面反射的回测4 0 l ，经接收机放大，混频，检波等一 系列处理，测量电磁波的往返延迟时间，运用h 。= 1 2 t c ，求出雷达潮位仪距离 海面的实时高度【4 。该高度结果为一种模拟信号，经过模数变换、无线传输等技 术传入终端计算机。这时海面潮位的实时数据即为t = h b h 。上文中提到的测站 基准面是指测最潮高的起算面。由于潮位是用海面和测站起算面的高程表示的， 所以在测量潮位时，就要确定该处潮位观测的起算面。目前应用广泛的起算面主 要有绝对基面、冻结基面、假定基面、海图深度基面4 引。 l 、绝对基面 将某海域一定时期内海水面的平均位置定义为绝对基面，它又称海平面或 平均海平面，由相应期间逐时潮位观测资料获得。其高度一般由当地验潮站零点 第2 章雷达潮位仪研制 起算。如我国将青岛大港验潮站1 9 年平均海面的滑动平均值，命名为“1 9 8 5 黄 海平均海面”，并以这一基准面为零点，确定了“1 9 8 5 黄海高程系一【4 3 1 。 2 、冻结基面 因为验潮站的基面发生了改变，导致之后验潮站的基面与原来不同，所以原 验潮站基面需进行冻结，不继续使用。为了保持水文资料的完整性，应该将冻结 的基面加以保存。 3 、假定基面 某些验潮站距离国家水准点较远，测站基准面无法用国家水准点推导得到时， 可以自行根据当地水文气象资料设定验潮基准面，这样的基准面称为假定基面。 4 、深度基准面 海图上标注的水深起算面，称为深度基准面。它的设定一般在最低低潮面附 近。许多国家对深度基准面的设定都不相同，例如，英国采用“最低天文潮面”， 美国、瑞典和荷兰等国采用“平均低潮面”，俄罗斯采用“理论深度基准面”， 日本等国采用“略低低潮面等。我国海图深度基准面采用的是“理论深度基准 面”，即通过该验潮站多年积累的潮位资料推算出理论上当地可能出现的最低水 位做为基准面。潮位变化各要素表征如图2 2 。 1 6 雷达潮位仪研制及风暴潮警戒水位预报系统 0 图2 2 潮位变化各要素表征图 f i g 2 2s c l l e m a t i co f d 鹤c r i b i n gt h cb 弱i cc l e m e n t so f t i d cc i l a n g e 2 2 雷达潮位仪测量方案设计 2 2 1 雷达潮位仪测量系统设计要求 测量仪器距离自由海面的高度是潮位仪进行测量的主要内容。雷达潮位仪的 设计可以满足极端条件下的潮位监测，潮位分辨率在l m m 以内。本设备作为非 接触式传感器，利用雷达向海面发射、接收调频连续波来获得雷达表面