连续深度基准面构建及通航水深服务模式研究
发布时间：2021-09-27 20:19
通航水深是船舶在某时段沿着一定航线通过特定区域的最浅水深,对船舶的安全航行具有重要意义。海图测绘时将水深归算至深度基准面,由验潮资料求得,而潮汐值是通过临近区域发布的潮汐表来进行推算,由此获得的通航水深精度不高,且不同港区之间采用深度基准不统一,所以无法为船舶提供精确、连续的通航水深。本文提出了一种基于高精度GNSS的通航水深测量方法,直接测量海底高程,通过精密数值模型模拟海面高程,由此获得通航水深,并提出了实时通航水深的应用模式。为了建立与陆地地形相衔接的海底地形模型,以CGCS2000参考椭球面为垂直参考基准面,深度基准面采用POM（Princeton Ocean Model）模式进行潮波数值模拟的方法构建。实验结果显示:数值模型精度较高,构建的深度基准面误差在5 cm以内。本文提出的方法改变了传统的通航水深测量及服务模式,提供高效率、高精度通航水深、海图水深数据,可为船舶用户提供实时动态水深服务。
【文章来源】：海洋通报. 2020,39(04)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
各基准面之间的关系
模式计算域选取范围为37°N—41°N,117.5°E—122.8°E，水深数据来自TOPO2卫星数据，近岸地区使用中国航海保证部出版的海图和实测水深进行调整，各网格点的潮汐调和常数数据来自俄勒冈州立大学发布的海潮模型（http://volkov.oce.orst.edu/tides/YS.html），模式水平分辨率为1.2′×1.2′，模式网格格点数为200×265×13，由13个分潮组成：M2、K2、S2、O1、Q1、P1、N2、K1、M4、MS4、M6、Sa和Ssa。其中，Sa和Ssa分潮由T/P沿轨结果和沿岸验潮站结果利用Kriging法分别内插正弦分量和余弦分量得到，其他分潮由数值计算得到。由POM模式分别运行Q1、O1、P1、K1、N2、M2、S2、K2等8个分潮，开边界与T/P点的输入都对应单分潮的水位。浅水分潮也同时运行，此时开边界与T/P点的输入为MS4、M2、S2、M4与M6。垂直方向上分为13个sigma层，较好地拟合了海底地形和海岸线，可以较好地反映真实的地形。海底地形和海岸线形状对近岸潮汐的变化特征具有非常重要的影响，为直观表征模拟区域的地形特征，模拟区域的地形和水深分布（图2）。模式的内模式时间步长取60 s，外模式时间步长取2 s，模式运行480 h，最后48 h每小时输出一次水位场，通过最小二乘调和分析法得到计算域内各网格点上的潮汐调和常数。M2、K1、O1和S2分潮同潮图如图6所示，迟角采用东8区。
为了评估潮汐数值模拟的精度，选用14个长期验潮站作为验证点（图3），分别收集至少12个月的实测验潮数据，对验证点进行调和分析。潮汐的调和常数具有稳定性，由潮汐场模型内插出验证点处的调和常数，将内插得到的调和常数与由实测数据得到的调和常数相比较来验证模拟精度。表1为其中4个验证点处8个主要分潮的调和常数的对比，其中ΔH (cm）表示振幅差，Δg（°）表示迟角差。为直观表征验潮点各分潮的振幅和迟角误差，来检验POM模拟精度，从图4和图5中可以看出，4个验潮点中除个别几个分潮振幅和迟角误差偏大之外，误差都在允许的范围内。产生误差的可能原因是为了提高计算效率，降低了地形的分辨率，模型分辨率不够，在有些岸线弯曲程度复杂的地方处理不够精细，还有可能就是水深资料不够准确，造成局部误差过大。但总体来讲，调和常数的计算值与实测调和常数值相差较小，模拟精度基本符合要求。通过对验证点的振幅差和迟角差分析，实现渤海M2、S2、K1、O14个主要分潮的伴随同化数值模拟。所得4个主要分潮的调和常数精度为：振幅绝均差分别为1.4 cm、1.25 cm、1.37 cm、1.6 cm；迟角绝均差分别为：4.6°、7.3°、2.57°、4.27°，由于模拟区域受M2和K1分潮影响最强，较前人（高秀敏，2010；朱学明，2009）相比，本文研究的精度均有所提高。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种适用于CGCS2000坐标框架的多源数据融合方法[J]. 柳根,程鹏飞,成英燕,张小红. 测绘科学. 2019(03)
[2]e-航海架构的高精度动态水深服务实现[J]. 张安民,杜佳芸,王蕊,张永兵. 测绘科学. 2018(07)
[3]基于潮波运动三维数值模拟的海洋连续深度基准面建立方法研究[J]. 柯灝,吴敬文,李斐,王泽民,张胜凯,赵建虎. 地球物理学报. 2018(06)
[4]海洋垂直基准研究进展与展望[J]. 周兴华,付延光,许军. 测绘学报. 2017(10)
[5]利用水位修正模型精化潮位数值模拟[J]. 管明雷,黄辰虎,李清泉,汪驰升,丁凯. 测绘通报. 2017(06)
[6]渤海主要浅水分潮的模型研究[J]. 康鸿轩,刘浩. 海洋通报. 2016(02)
[7]海洋垂直基准及转换的技术途径分析[J]. 暴景阳,翟国君,许军. 武汉大学学报(信息科学版). 2016(01)
[8]海域无缝垂直基准面表征和维持体系论证[J]. 暴景阳,许军,崔杨. 海洋测绘. 2013(02)
[9]POM海洋模式的并行算法[J]. 李冬,刘璟,韩桂军,张学峰,王喜冬. 海洋通报. 2010(03)
[10]基于POM模式与blending同化法建立中国近海潮汐模型[J]. 许军,暴景阳,刘雁春,唐岩. 海洋测绘. 2008(06)
博士论文
[1]e-航海中的动态信息服务若干关键技术研究[D]. 张安民.武汉大学 2013
[2]海洋无缝垂直基准构建理论和方法研究[D]. 柯灏.武汉大学 2012
[3]海岸带等水位线信息提取与垂直基准转换技术研究[D]. 申家双.解放军信息工程大学 2011
[4]海洋无缝垂直基准面建立方法研究[D]. 孙翠羽.山东科技大学 2011
硕士论文
[1]高精度动态水深模型与服务研究[D]. 杜佳芸.天津大学 2018
[2]渤、黄、东海潮汐潮流数值模拟研究[D]. 罗丹.上海海洋大学 2015
[3]渤海三维温盐流的数值模拟研究[D]. 郑鹏.中国海洋大学 2013
[4]渤海潮波伴随同化研究[D]. 高秀敏.国家海洋局第一海洋研究所 2010
[5]中国近海潮汐潮流的数值模拟与研究[D]. 朱学明.中国海洋大学 2009
本文编号：3410554
【文章来源】：海洋通报. 2020,39(04)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
各基准面之间的关系
模式计算域选取范围为37°N—41°N,117.5°E—122.8°E，水深数据来自TOPO2卫星数据，近岸地区使用中国航海保证部出版的海图和实测水深进行调整，各网格点的潮汐调和常数数据来自俄勒冈州立大学发布的海潮模型（http://volkov.oce.orst.edu/tides/YS.html），模式水平分辨率为1.2′×1.2′，模式网格格点数为200×265×13，由13个分潮组成：M2、K2、S2、O1、Q1、P1、N2、K1、M4、MS4、M6、Sa和Ssa。其中，Sa和Ssa分潮由T/P沿轨结果和沿岸验潮站结果利用Kriging法分别内插正弦分量和余弦分量得到，其他分潮由数值计算得到。由POM模式分别运行Q1、O1、P1、K1、N2、M2、S2、K2等8个分潮，开边界与T/P点的输入都对应单分潮的水位。浅水分潮也同时运行，此时开边界与T/P点的输入为MS4、M2、S2、M4与M6。垂直方向上分为13个sigma层，较好地拟合了海底地形和海岸线，可以较好地反映真实的地形。海底地形和海岸线形状对近岸潮汐的变化特征具有非常重要的影响，为直观表征模拟区域的地形特征，模拟区域的地形和水深分布（图2）。模式的内模式时间步长取60 s，外模式时间步长取2 s，模式运行480 h，最后48 h每小时输出一次水位场，通过最小二乘调和分析法得到计算域内各网格点上的潮汐调和常数。M2、K1、O1和S2分潮同潮图如图6所示，迟角采用东8区。
为了评估潮汐数值模拟的精度，选用14个长期验潮站作为验证点（图3），分别收集至少12个月的实测验潮数据，对验证点进行调和分析。潮汐的调和常数具有稳定性，由潮汐场模型内插出验证点处的调和常数，将内插得到的调和常数与由实测数据得到的调和常数相比较来验证模拟精度。表1为其中4个验证点处8个主要分潮的调和常数的对比，其中ΔH (cm）表示振幅差，Δg（°）表示迟角差。为直观表征验潮点各分潮的振幅和迟角误差，来检验POM模拟精度，从图4和图5中可以看出，4个验潮点中除个别几个分潮振幅和迟角误差偏大之外，误差都在允许的范围内。产生误差的可能原因是为了提高计算效率，降低了地形的分辨率，模型分辨率不够，在有些岸线弯曲程度复杂的地方处理不够精细，还有可能就是水深资料不够准确，造成局部误差过大。但总体来讲，调和常数的计算值与实测调和常数值相差较小，模拟精度基本符合要求。通过对验证点的振幅差和迟角差分析，实现渤海M2、S2、K1、O14个主要分潮的伴随同化数值模拟。所得4个主要分潮的调和常数精度为：振幅绝均差分别为1.4 cm、1.25 cm、1.37 cm、1.6 cm；迟角绝均差分别为：4.6°、7.3°、2.57°、4.27°，由于模拟区域受M2和K1分潮影响最强，较前人（高秀敏，2010；朱学明，2009）相比，本文研究的精度均有所提高。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种适用于CGCS2000坐标框架的多源数据融合方法[J]. 柳根,程鹏飞,成英燕,张小红. 测绘科学. 2019(03)
[2]e-航海架构的高精度动态水深服务实现[J]. 张安民,杜佳芸,王蕊,张永兵. 测绘科学. 2018(07)
[3]基于潮波运动三维数值模拟的海洋连续深度基准面建立方法研究[J]. 柯灝,吴敬文,李斐,王泽民,张胜凯,赵建虎. 地球物理学报. 2018(06)
[4]海洋垂直基准研究进展与展望[J]. 周兴华,付延光,许军. 测绘学报. 2017(10)
[5]利用水位修正模型精化潮位数值模拟[J]. 管明雷,黄辰虎,李清泉,汪驰升,丁凯. 测绘通报. 2017(06)
[6]渤海主要浅水分潮的模型研究[J]. 康鸿轩,刘浩. 海洋通报. 2016(02)
[7]海洋垂直基准及转换的技术途径分析[J]. 暴景阳,翟国君,许军. 武汉大学学报(信息科学版). 2016(01)
[8]海域无缝垂直基准面表征和维持体系论证[J]. 暴景阳,许军,崔杨. 海洋测绘. 2013(02)
[9]POM海洋模式的并行算法[J]. 李冬,刘璟,韩桂军,张学峰,王喜冬. 海洋通报. 2010(03)
[10]基于POM模式与blending同化法建立中国近海潮汐模型[J]. 许军,暴景阳,刘雁春,唐岩. 海洋测绘. 2008(06)
博士论文
[1]e-航海中的动态信息服务若干关键技术研究[D]. 张安民.武汉大学 2013
[2]海洋无缝垂直基准构建理论和方法研究[D]. 柯灏.武汉大学 2012
[3]海岸带等水位线信息提取与垂直基准转换技术研究[D]. 申家双.解放军信息工程大学 2011
[4]海洋无缝垂直基准面建立方法研究[D]. 孙翠羽.山东科技大学 2011
硕士论文
[1]高精度动态水深模型与服务研究[D]. 杜佳芸.天津大学 2018
[2]渤、黄、东海潮汐潮流数值模拟研究[D]. 罗丹.上海海洋大学 2015
[3]渤海三维温盐流的数值模拟研究[D]. 郑鹏.中国海洋大学 2013
[4]渤海潮波伴随同化研究[D]. 高秀敏.国家海洋局第一海洋研究所 2010
[5]中国近海潮汐潮流的数值模拟与研究[D]. 朱学明.中国海洋大学 2009
本文编号：3410554
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