5-海洋垂直基准面的测量.

2020/1/121现代海洋测绘技术—海洋大地控制网主讲人：赵玉新电话：[phone]Email:[e-mail]2020/1/122本节提纲潮汐概念潮汐是怎么产生的？海洋垂直基准统一框架潮汐分析方法？垂直基准的概念、算法2020/1/123潮汐概念:潮汐概念受月球和太阳吸引力的作用，海水产生一种规律性的升降运动，称之为海洋潮汐。2020/1/124潮汐概念潮汐的涨落:海面上升到最高時为满潮（亦称高潮），降到最低为乾潮（亦称低潮）。乾、满潮间的水位差叫潮差，满、乾潮間的海岸称为潮间带，是生态环境相当丰富的地方，海面上升的期间为涨潮，反之则为落潮。2020/1/125潮汐是怎么产生的？引潮力（势）:引潮力是地球上任何一点所受的天体引力减去该天体对地球中心的引力。地球上任意单位的质点，在面向月球的一边，它们距离月球比地心距离月球要近，该质点受月球的引力大于地心受月球的引力；在背向月球的一侧，质点距离月球比地心距离月球远，该质点受月球的引力比地心受月球的引力要小。总体来说，地球上单位质量的质点所受月球的引力，大小不同、方向也不同，但都指向月球中心。根据引潮力的定义，地球面对月球一边的各个质点所受月球的引力减去月球对地心的引力，得到一个趋向月球的力场；而在背向月球的一侧，各质点受月球的引力减去月球对地心的引力后，得到一个背向月球的力场，这两个力场合称为月球的引力场。月球引潮力是太阳引潮力的2.17倍。2020/1/126月球的引潮力可以用[地球-月球]系统来讨论。地球和欲求共同绕着整个系统的质量中心运转，这两个星球的质量相差太多，所以系统的质量中心在二球中心连线上的地球内部。此[地球-月球]系统绕质心运转时，离质心较远的A点海水较易甩出去而形成满潮；而正对月球的B点海水因为距月球较近易被月球吸引而形成另一个满潮，其他地点则因受到上述因素影响较小，形成乾潮。这就是为什么一天会有两次满朝、乾潮的理由。潮汐是怎么产生的？潮汐周期，为何一天两次潮？2020/1/127面向及背对月亮都是满潮潮汐是怎么产生的？高潮与低潮2020/1/128面向及背对月亮都是满潮潮汐是怎么产生的？高潮与低潮2020/1/129台湾西岸沿海的潮差分布潮汐是怎么产生的？潮差两个相邻的高潮和低潮的水位高度差，称为潮差。潮差的大小因地因时而异，我国最大的潮差在杭州湾，有8m左右(著名的钱塘潮)；世界上最大潮差在北美芬地湾(BayofFundy)，约有18m之多。在潮差大的地方，河流与外海的海水交换较快，海水一般都比较干净，反之，则较差。2020/1/1210初一、二(新月)及十五、十六日(满月)前后，潮差是最大期。潮汐是怎么产生的？大潮2020/1/1211阴历初七、八(上弦月)及二十二、二十三日(下弦月)前后，潮差是最小期。潮汐是怎么产生的？小潮2020/1/1212测量方式:潮汐观测水尺验潮、井式自记验潮仪验潮、超声波潮汐计验潮、压力式验潮仪验潮等。2020/1/1213潮汐分析方法潮汐调和分析:潮汐分析亦称潮汐调和分析，把任一海港的潮位变化看做是许多分潮余弦振动之和，根据最小二乘或波谱分析原理由实测数据计算出各分潮平均振幅和迟角的过程，即潮汐调和分析过程。调和分析的目的是为了潮汐预报！实际海洋潮汐是天体引潮力作用下的一种波动，由于陆地存在、海底地形起伏变化、海底摩擦及地球自转等影响，潮汐变化十分复杂，某一潮位站的潮汐观测仅是对复杂潮波系统在这一点振动的采样，无法准确的反映该地区潮波运动的准确规律。2020/1/121400()cos(())()mtiiiiiihSfHqtGvugt潮汐分析方法潮汐调和分析:根据物理学有关原理可知，任何一种周期性运动，都可以由许多简谐振动组成。潮汐变化是一种非常近似的周期性运动，因而也可以分解为许多固定频率的分潮波，进而求得分潮波的振幅和相位。2020/1/121500()cos(())()mtiiiiiihSfHqtGvugt0cos()()mtiiiihSRqtt潮汐调和分析:0(cossin)()mtiiiiihSaqtbqtt011cossin(1())mmiiiiiiihSaqjbqjijn220arctan()iiiiiiiiiiiiibRRabHgGvuaf，，，潮汐分析方法2020/1/1216垂直基准:垂直基准的概念、算法陆地高程与海洋深度都需要固定的起算面，这里统称这些垂直坐标的参考面为垂直基准，垂直基准包括高程基准和水深基准。在测量实践中，陆地高程的起算面通常取为某一特定验潮站长期观测水位的平均值——长期平均海面，即定义该面的高程为零。海洋测量中常采用深度基准面。深度基准面是海洋测量中的深度起算面。不同的国家和地区及不同的用途采用不同的深度基准面。就实际测量而言，高程基准与深度基准并不统一！为什么？保守水深和平均水深2020/1/1217平均海平面:垂直基准的概念、算法平均海平面亦称海平面，指某一海域一定时期内海水面的平均位置。是大地测量中的高程起算面，由相应期间逐时潮位观测资料获得，高度一般由当地验潮站零点起算。假如水位观测是连续曲线y(t)，则时间内的平均海平面可表示为：01TTMSLydtT一般情况下验潮站的水位观测值取为时间间隔为一小时的观测序列，因此，实际计算时常用的方法是直接对一定时间周期（同时也近似地认为潮汐周期：如24h、一个月、一年和多年等）的观测值直接取算术平均：11nniiMSLhn无论陆地高程基准还是海洋水深基准都与平均海面有关，可以说平均海面是所有垂直基准中最重要的参考面，或可理解为一切垂直基准的基准。2020/1/1218平均海平面的稳定性:垂直基准的概念、算法1、由于所取的观测时间长度不可能刚好为各分潮的整周期，因此，平均海平面受剩余潮汐成分的影响，而且短期平均海平面还包含着长周期分潮的贡献。2、非潮汐因素（主要由气象原因引起）在不同的时间长度内表现为不同的性质，在足够长的时间内可视为噪声，而短时间内则表现为信号，即具有一定的规律性。这使得不同时间长度的平均海平面稳定性不伺。一年内各月平均海平面有比较可观的变化幅度！2020/1/1219平均海平面的稳定性:垂直基准的概念、算法如何找到一种比较稳定的海平面基准？11nmyyiiMSLMSLn22011ˆ()1nyimyiMSLMSLn多年平均海平面的方差为：220ˆˆmyn可见，随着年数n的增加，多年平均海平面具有较高的精度，可视为理想的无扰动海平面，并可作为其他时间尺度平均海平面变化的比较基准。2020/1/1220平均海平面的稳定性:垂直基准的概念、算法平均海平面的精度要求，可计算多年平均海平面计算所需年数在以往的研究中，通常以95%的置信概率定义多年平均海平面的精度，并将该精度意义下的误差量值取为lcm。此时需引入年平均海平面服从正态分布的假设：由此得到在95％概率意义下中国沿海几个验潮站达到1cm平均海平面所需观测年数.2211()ˆ(1)nyimyimynMSLMSLnn(1)0.95ymyPMSLMSLcm2020/1/1221平均海平面研究的意义:垂直基准的概念、算法平均海平面的长期趋势性变化，特别是海平面上升在近几十年来已引起大地测量学家和海洋学家甚至政治家的广泛关注，成为多学科交叉研究的课题之一。绝对海平面变化主要受全球性因素如温室效应引起的极地冰盖融化等因素引起的，它对稳定的平均海平面的确定有一定影响。2020/1/1222国家高程基准:垂直基准的概念、算法目前，世界各国或地区均以一个或几个验潮站的长期平均海平面定义高程基准。美国以波特兰验潮站、日本以东京灵岸岛验潮站、欧洲地区以阿姆斯特丹验潮站的多年平均海平面定义各自的高程基准面。1954年，总参测绘局定义青岛（1953～1954两年数据）和坎门两站的平均海平面高程为零，作为约束条件，建立了“1954年黄海平均海平面基准”，1956年，则选定青岛大港验潮站1950～1956年7年的平均海平面作为全国统一的高程基准面，该基准沿用了30年。2020/1/1223国家高程基准:垂直基准的概念、算法原则上应采用长期平均海平面定义高程基准，至少要顾及交点潮引起的平均海平面年际周期变化。这就要求作为高程起算面的平均海平面观测时间应不短于19年，而这样的时间长度，根据上节的稳定性分析，在青岛附近即便包含着交点潮影响，以95％置信概率指标，也可达1cm精度。基于这样的考虑和已积累的足够长时间的观测数据，建立了“1985国家高程基准”。“1985国家高程基准”在具体建立时，采用了1952～1979年共28年的数据（1950年和1951年数据因水尺变动原因而不使用）。具体计算则是采用10组19年数据滑动平均，最后取10组滑动平均值的总平均。1985黄海高程系与1956高程系的差值仅为2.9cm，这表明青岛附近的年平均海平面是非常稳定的。2020/1/1224海图深度基准面:垂直基准的概念、算法长期平均海平面具有良好的稳定性，因此长期平均海平面本身即是理想的深度起算面。海图深度基准面基本可描述为：定义在当地稳定平均海平面之下，使得瞬时海平面可以但很少低于该面。在具体求定时，需考虑当地的潮差变化。深度基准面是相对于当地稳定（或长期）平均海平面定义的。=100%高于基准面的低潮次数海图深度基准面航海保证率低潮总次数我国航海图采用的深度基准面为理论最低潮面，其保证率为95％左右。2020/1/1225理论深度基准面的计算:垂直基准的概念、算法①平均大潮低潮面：采用的国家有意大利、德国、阿尔巴尼亚、希腊、加拿大（大西洋沿岸）、丹麦、比利时、挪威、印度尼西亚、阿根廷和巴拿马等。22MSLHH①平均大潮低潮面：②平均低潮面：采用的国家有美国（大西洋沿岸）、瑞典（北海地区）和荷兰等。M2分潮的振幅确定深度基准面在平均海平面下的位置。③平均低低潮面：采用的国家有美国（太平洋沿岸、阿拉斯加）、菲律宾等。211()cos45MKOHHH④略最低低潮面：2211MSKOHHHH印度洋沿岸和日本等国家采用⑤观测的最低潮面：2221.2()MSKHHH采用的国家主要有法国、葡萄牙和巴西等国。2020/1/1226理论深度基准面的计算:垂直基准的概念、算法我们国家采用什么方法计算？2020/1/1227基准传递与推估:垂直基准的概念、算法为什么要研究这个问题？只有在长期验潮站才能获得稳定的平均海平面，而长期验潮站不可能以足够高的密度布设，而通常在测量期间布设短期或临时验潮站，在这些验潮站上只能获得短期平均海平面，而水位控制所需的稳定海平面基准必须通过传递方法推估得到。2020/1/1228短期验潮站平均海平面的确定:垂直基准的概念、算法根据附近长期验潮站信息推求短期验潮站稳定（长期）平均海平面的方法有三种：水准联测法、同步改正法、线性关系最小二乘拟合法（回归分析法）。1.同步改正法基本原理是在同一短时间内，两验潮站短期平均海平面与长期平均海平面的差距（称为短期平均海平面距平）一致，其依据是两验潮站的气象对水位作用的平均效应及长周期分潮贡献相同，一定时间长度的平均海平面已基本消除了主要潮汐成分的作用，所以潮汐性质的不同对传递精度的影响不大。2020/1/1229短期验潮站平均海平面的确定:垂直基准的概念、算法1.同步改正法在长期验潮站处平均海平面的短期距平为：AASALMSLMSLMSL在短期验潮站可写出相同的距平公式：BBSBLMSLMSLMSLBAMSLMSL假设BLBSASALMSLMSLMSLMSL短期站长期平均海平面（相对于本验潮站水尺零点）高度为：2020/1/1230短期验潮站平均海平面的确定:垂直基准的概念、算法2.线性关系最小二乘拟合法同步改正法假定两验潮站的平均海平面短期距平相等，下面将该假设进一步放宽，认为两站的平均海平面短期距平具有比例关系：则有