潮汐观测 | 珠海市海洋观测科普教育基地

潮汐是重要的海洋物理要素之一。在军事上,它是登陆与抗登陆作战、扫雷布雷、救生打捞、舰船航行与进出港口及其他一些军事活动至关重要的战场要素,掌握了这个集天时地利于一身的要素,即可在战场上获得主动。因此,在军事上潮汐测量除了用于在海测领域完成测深数据的潮汐改正以外,还担负着实时的战场保证之重任。潮汐在国民经济和建设中同样发挥着巨大的作用。水产、捕捞、养殖,航道疏浚、潮汐发电、海洋资源勘探与开发及海洋工程均离不了潮汐资料。随着新世纪到来,各沿海国家纷纷将海洋开发作为发展的战略重点。因此,潮汐测量也正在发挥着越来越大的作用。

潮汐测量即所谓验潮,就是测量某固定点的水位随时间的变化,实际上就是测量该点的水深变化。潮汐测量的手段很多,主要包括水尺验潮;浮子式验潮仪、引压钟式验潮仪、声学式验潮仪、压力式验潮仪等设备验潮。这些验潮手段目前国内均有使用,而GPS验潮及潮汐遥感测量等技术研究国内外正在开展。所有这些验潮技术各有自己的特点。

水尺验潮

水尺验潮是将特制的水尺安装于水中,在码头可直接安装在港池壁上,在野外一般要竖一木桩,再将水尺固定在桩上。此种方法最为原始,但简单而直观,便于水准联测,而且无需能源,一旦安装完毕,可长时间免维护,设备费用低。但需人工定时读数记录,人力投入较大,且数据无法直接进入自动化的流程。目前国内外已很少使用,但国内一些单位在较偏远、条件差地区的短期验潮仍还采用。

浮子式与引压钟式验潮仪

这两种验潮仪均属于有井验潮仪。浮子式验潮仪是利用一漂浮于海面的浮子,它随海面而上下浮动,其随动机构将浮子的上下运动转换为记录纸滚轴的旋转,记录笔则在记录纸上留下潮汐变化的曲线。引压钟式验潮仪是将引压钟放置于水底,将海水压力通过管路引到海面以上,由自动记录器进行记录。

为了消除波浪的影响,需在水中建立验潮井,即从海底竖一井至海面,其井底留有小孔与井外的海水相通,采用这种“小孔滤波”的方法将滤除海水的波动,这样井外的海水在涌浪的作用下起伏变化,而由于小孔的“阻挡”作用,使井内的海面几乎不受影响,它只随着潮汐而变。井上一般要建屋以保证设备的工作环境。

这两种验潮仪由于安装复杂,须打井建站,适用于岸边的长期定点验潮。其特点是精度较高,维护方便,但一次性投入费用较高,不机动灵活,对环境要求高(如供电、防风防雨等)。国内的长期验潮站大多采用这两种设备。

我们珠海验潮站安装就是上文中所提到的浮子式验潮仪哦!技术的发展和进步使我们潮位数据的获取和记录方式发生了翻天覆地的变化,早期的浮子式验潮仪的随动机构将浮子的上下运动转换为记录纸滚轴的旋转,记录笔则在记录纸上留下潮汐变化的曲线,而那时每天的高低潮的挑选要完全靠人工来挑选。而新一代的浮子式验潮仪,会将这种浮子的上下运动转换为数字信号,就可以直接传输回站部的电脑里,电脑系统按照高低潮的挑选原则自动挑出当天的潮位极值。

声学式验潮仪

声学式验潮仪属无井验潮仪,根据其声探头(换能器)安装在空气中或水中而分为两类。

探头安置在空气中的声学式验潮仪(如原国家海洋局海洋技术研究所生产的声学式验潮仪)是在海面以上固定位置安放一声学发射接收探头,探头定时垂直向下发射超声脉冲,声波通过空气到达海面并经海面反射返回到声学探头,通过检测声波发射与海面回波返回到声探头的历时来计算出探头至海面的距离,从而得到海面随时间的变化。潮汐数据可存放于存贮器内,待测量结束后提取出来。这种验潮仪的安装一般需在海底打桩,将验潮仪安装在桩的顶部,并保证高潮时不淹没。通过联测的方法找到大地基准面与验潮仪零点的关系。这种验潮仪特点在于:由于其安装位置可距海面较近,声波在空气中的行程短,因此精度较高;由于设备安装在水上,因此可通过岸电,即使在无岸电而采用电池时,更换电池也较方便。且这种设备成本较低。但是由于其需打桩的安装要求,使它需以海岸作为依托,不能离岸较远,因此测量水深一般较浅。

探头安置在水中的声学式验潮仪一是将一声学探头安放在海底,定时垂直向上发射声波,并接收海面的回波以测量安放点的水深,此种方法由于声探头需有电缆连接,因此不能离岸较远。二是采用类似于测深仪的原理,选一块平坦的海区,将声探头放置于海面固定载体上,一般为船或固定漂浮物,定时向海底发射声波,通过检测海底回波以检测载体所在位置的水深。这两种声学验潮方法的特点是,精度较低,首先仪器本身存在至少几厘米的固有误差,另外测量精度与声学探头的姿态有关,同时一般水声换能器有一定的盲区,因此根据换能器的不同,安放位置需要有一定的水深。而在此深度内,海水中的声速不是恒定的,它随海水温度及盐度的变化而改变,同时还受到海水中的悬浮物等因素的影响,水深越浅影响越大。因此声速误差将影响到测深精度。

声学式验潮仪在离岸较远的验潮点不便使用,在冬季岸边海水结冰后,声学式验潮仪一般无法工作。

压力式验潮仪

压力式验潮仪是一种较新型的验潮设备,目前已逐步成为常用的验潮设备,它是将验潮仪安置于水下固定位置,通过检测海水的压力变化而推算出海面的起伏变化。它的适用范围较前几种验潮仪要广,它不需要打井建站,无须海岸作依托,不但适用于沿岸,码头,而且对于远离岸边及较深的海域的验潮,它同样能胜任。同时这种验潮仪轻便灵活,适用于测试时间较短的应用场合。

压力式验潮仪的第一个特点是适应性强,能适应不同深度的海区。即使海面结冰也仍能验潮。第二个特点是精度高。其缺点是设备工作于自容方式时,设备没有电缆通到水上,因此其供电只能靠电池,由于其有水密要求,因此更换电池不方便,其次是这种验潮仪较声学式验潮仪成本高。

GPS验潮

GPS验潮是随着差分GPS(DGPS)技术的不断成熟和发展而逐步发展起来的新技术,它是目前GPS技术发展的主攻方向之一,目前尚处于试验阶段。

GPS验潮分为静态与动态验潮。静态验潮是将GPS验潮站的GPS接收天线安置在靠近岸边或海上固定处的浮筒或测量船上,与岸上GPS接收机实施动态载波相位差分测量,求得GPS验潮站瞬时海面高度的一种验潮方法。动态验潮是将GPS验潮站的GPS接收天线安置在船上,与岸上GPS接收机实施动态载波相位差分测量,求得测量船所处瞬时海面高度的一种验潮方法。