绍纳岛潮汐谐波分析：预测海洋潮汐、水位和海岸变化

简介

潮汐是影响沿海环境的最重要的自然过程之一。 它们通过地球、月球和太阳的引力相互作用导致海平面反复变化。 在多米尼加共和国索纳岛等岛屿周围，了解潮汐行为有助于海洋研究、海岸工程、导航研究和环境监测。

然而，观测海水的涨落只是潮汐研究的开始。 科学家还需要数学方法来识别对观测到的水位模式有贡献的不同周期分量。

最成熟的技术之一是潮汐谐波分析。 它将记录的水位时间序列分成一组数学成分，称为潮汐成分。 每个成分都有特征频率、振幅和相位。

估计这些成分后，可以将它们组合起来重建和预测潮汐的天文部分。

本文解释了潮汐谐波分析的工作原理、研究人员如何将其应用于索纳岛周围的潜在研究以及为什么准确的水位观测很重要。 它没有声称该岛目前存在专用潮汐计或经过验证的谐波常数。

1. 什么是潮汐谐波分析？

潮汐谐波分析是一种数学方法，用于将观测到的海平面变化分解为一组周期分量。

海潮通常不由一个简单的波浪表示。 它是多种天文影响的综合结果，每种影响都有自己的频率和相位关系。

例如，涉及月球和太阳的引力相互作用会产生不同的重复出现的潮汐分量。 这些成分结合起来形成了在特定沿海位置观察到的水位模式。

谐波分析根据测量的水位记录估计这些成分的振幅和相位。

所得值称为谐波常数。

NOAA 将谐波常数描述为用于表示各个潮汐成分并计算它们对预测潮汐的综合贡献的数学信息。

该方法广泛应用于海洋学、水文学。 和海岸工程。

2. 什么是潮汐成分？

潮汐成分是整个潮汐的一个数学组成部分。

每个成分代表具有特定频率和相位的周期性振荡。

主要特征是：

• 振幅：成分对潮汐变化贡献的大小。
• 相位：成分相对于定义的天文参考的时间。
• 频率：成分完成其变化的速度。 周期。
• 角速度其相位角随时间变化的速率。

多种成分的综合作用产生了在沿海站测量的复杂潮汐曲线。

主要潮汐成分

一些重要成分包括：

M2 – 主要月球半日成分

M2与主要潮汐成分相关联 月球半日潮。 其周期约为12.42小时。

S2 – 主要太阳半日潮汐

S2代表主要太阳半日潮汐。 其周期约为 12 小时。

N2 – 较大的月球椭圆半日成分

N2 是另一种与月球相关的半日成分，受月球轨道的椭圆性质影响。

K1 – 月日日成分

K1 是与月球和太阳结合相关的重要日成分。 影响。 其周期约为 23.93 小时。

O1 – 主要月球昼夜成分

O1 是主要月球昼夜成分，周期约为 25.82 小时。

这些成分的相对重要性因地点而异。 它们的幅度和相位必须根据适当​​的当地观测来估计，而不是根据另一条海岸线进行假设。

3。 谐波分析背后的数学原理

整体潮汐信号可以表示为各个谐波分量的总和。

简化的方程为：

h(t) = H₀ + Σ Aᵢ cos(ωᵢt − φᵢ)

其中：

• h(t) = 时间 t 的预测水位
• H₀ = 参考平均水位
• Aᵢ = 成分 i 的振幅
• ωᵢ = 成分 i 的角频率
• t = 时间
• φᵢ = 成分 i 的相位角
• Σ = 所选潮汐的总和 成分

该方程意味着总预测潮汐是通过添加多个周期分量的贡献而获得的。

专业预测系统使用额外的天文校正，包括节点因子和平衡参数。 NOAA 提供了一个更完整的谐波预测方程，其中包括这些术语。

为什么相位很重要

两个潮汐成分可能具有相似的频率但不同的相位。

当他们的峰值出现在相似的时间时，他们的贡献可能会相互加强。 当一个分量上升而另一个分量下降时，它们的贡献可能会部分抵消。

这种相互作用有助于解释为什么观察到的潮汐曲线比单个正弦波更复杂。

4。 如何确定潮汐谐波常数？

该过程从可靠的水位观测时间序列开始。

典型的工作流程包括以下步骤。

第 1 步：收集水位观测结果

验潮仪定期记录水面高度。

测量结果可以通过压力传感器、声学测量仪、雷达测量仪或其他合适的设备获得 仪器。

应根据研究人员打算估计的成分选择记录周期和采样间隔。

步骤 2：对数据进行质量控制

必须检查原始观察结果：

• 缺失值。
• 仪器 故障。
• 异常尖峰。
• 定时错误。
• 传感器漂移。
• 参考水平变化。
• 大气和天气相关影响。

可靠的谐波分析取决于准确的时间序列。

第 3 步：选择潮汐成分

研究团队确定了可以合理计算的成分。

可分离成分的数量取决于数据的长度和质量。

步骤 4：应用谐波估计

数学过程估计所选成分的幅度和相位。

最小二乘谐波分析是一种广泛使用的方法。

步骤 5：检查残差

在估计谐波成分后，预测的 将天文潮汐与观测记录进行比较。

差异称为残差。

残差可能包含气象影响、测量误差、非潮汐水位变化和所选成分未能充分代表的潮汐信号。

第 6 步：评估分析

研究人员检查估计常数、残差统计数据、重建潮汐置信区间和重建潮汐置信曲线。

如果 必要时，他们可能会修改成分选择或调查数据质量问题。

5. 为什么观测记录的长度很重要？

观测周期对谐波分析的质量有重大影响。

一些潮汐成分的频率间隔很近。 简短的记录可能无法包含足够的信息来可靠地区分它们。

NOAA 解释说，其指南中至少使用了 30 天的观测来观察大部分月球和太阳周期，而直接观察该特定指南中考虑的所有 37 个组成部分则需要大约一年的时间。

这并不意味着每个位置或分析都需要整整一年。 适当的记录长度取决于所估计的成分、所需的精度和分析方法。

较长的记录可以提供有关较慢天文周期的更多信息，并提高区分附近频率的能力。

但是，如果仪表具有不稳定的参考水平、显着的差距或未校正的仪器问题，较长的记录并不一定会更好。

对于拟议的索纳岛调查，应在确定科学目标和所需的条件后选择观测周期 成分。

6. 最小二乘谐波分析

最小二乘估计是确定谐波常数的常用方法。

其基本思想是找到使计算的潮汐曲线尽可能接近实测水位记录的幅度和相位。

对于简化模型，谐波方程可以展开为正弦和余弦项：

h(t) = H₀ + Σ [aᵢ cos(ωᵢt) + bᵢ sin(ωᵢt)]

未知系数是根据观测数据估计的。

一旦系数已知，振幅可以计算为：

Aᵢ = √(aᵢ² + bᵢ²)

可以使用适当的角度从相应的系数获得相位 惯例。

最小二乘法可最小化观测水位与拟合谐波模型之间的平方差之和。

此方法非常有用，因为它可以一起估计多个成分，并且在正确制定时可以容纳在不同时间间隔收集的观测结果。

NOAA 的潮汐分析技术出版物描述了使用最小二乘法从水位记录中推导潮汐成分。

7. 通过谐波分量了解大潮和小潮

主要潮汐成分的相互作用有助于解释大潮和小潮之间反复出现的变化。

大潮

当与月球和太阳相关的引力影响结合起来产生更大的潮差时，就会出现大潮。

它们与新月和满月阶段相关。

小潮 潮汐

当潮汐贡献结合起来产生较小的潮差时，就会出现小潮。

它们通常与月相的第一季度和第三季度有关。

谐波解释

M2 和 S2 成分对于解释熟悉的春季-小潮周期尤其重要。

它们的相互作用会在大约两周内对潮差产生调制。

但是，实际的沿海潮汐模式还取决于当地地理、测深、摩擦、共振和其他成分。

因此，不应简单地通过复制不同加勒比地区的值来估计索纳岛的潮差 站。

8. 谐波预测和观测水位之间有什么区别？

谐波预测使用既定的谐波常数和天文计算来估计潮汐的天文成分。

实际水位记录可能包含其他影响。

这些影响包括：

• 风的设置和 下降。
• 大气压力变化。
• 风暴潮。
• 与波浪相关的水位变化。
• 季节性平均海平面变化。
• 相关的河流或地下水输入。
• 长期海平面趋势。
• 当地港口和沿海影响。

因此，观测到的水位并不总是 与天文预测完全一致。

谐波潮汐表不应被解释为恶劣天气或异常环境条件下实际水位的保证。

研究人员经常分析观测水位与预测水位之间的残差，以研究这些非天文影响。

9. 绍纳岛周围的潜在应用

正确设计的潮汐谐波分析项目可以为绍纳岛周围的研究提供有用的信息。

海岸工程

潮汐预测可以支持初步的海岸工程研究，包括水位变化的评估和海岸测量的规划。

水文测量

当将测量深度减少到一致的垂直方向时，潮汐水位信息非常重要 参考。

这对于准备可靠的测深信息至关重要。

导航研究

潮汐预测有助于研究沿海引道和航道的水位变化。

实际导航决策应使用合适的官方水文信息和当前当地条件。

环境监测

研究人员可以将长期水位观测与天文预测进行比较， 调查沿海水位的残余变化和可能的变化。

沿海洪水研究

潮汐信息可以与风暴潮、波浪和地形数据相结合，以调查沿海水位极端值。

仅谐波预测不足以进行完整的洪水风险评估。

10. 规划索纳岛潮汐谐波研究

实际的研究项目需要结构化的方法。

第一阶段：选择合适的观测地点

研究人员将确定可以安全、一致地收集水位观测数据的沿海位置。

该地点应有稳定的仪器支撑，并与垂直参考系统有适当的连接。

第二阶段：安装或确定合适的潮汐 仪表

将根据所需的精度、采样间隔、环境条件和维护资源选择合适的水位仪器。

第3阶段：建立垂直基准

水位观测必须与记录的参考高程联系起来。

如果没有稳定的垂直参考，不同时期或站点的测量结果可能无法直接比较。

第4阶段：收集连续时间 系列

应以一致的间隔收集测量结果，并记录准确的时间戳。

所需的观测持续时间应根据目标成分和科学目标确定。

第 5 阶段：处理观测结果

应检查、纠正数据并为谐波分析做好准备。

应保留仪器元数据和参考电平信息。

第 6 阶段：估计谐波 常数

研究人员可以应用合适的最小二乘法或经过验证的潮汐分析软件。

第 7 阶段：预测潮汐

估计的谐波常数可用于重建选定预测周期的天文潮汐曲线。

第 8 阶段：验证预测

预测水位应与独立水位进行比较 有用的评估措施包括平均误差、平均绝对误差和均方根误差。

第 9 阶段：发布研究结果

科学报告可以包括成分振幅、相位、观测持续时间、数据质量、预测准确性和局限性。

未经验证的本地测量，不应发布绍纳岛谐波常数的数值。

11. 用于潮汐谐波分析的软件

多种软件工具可以帮助研究人员进行潮汐分析。

UTide

UTide 是为 MATLAB 开发的广泛使用的潮汐分析和预测框架。 它支持对海平面和当前时间序列的分析，包括不规则采样和数据间隙的记录。

它还提供诊断信息和置信度估计。

可通过相关的 UTide 项目进行 Python 改编。

NOAA 潮汐分析工具

NOAA 技术出版物描述了谐波分析程序，并提供了成分估计和预测的指导。

这些资源对于理解潮汐预测的数学基础非常有用。

自定义数值编程

研究人员还可以使用科学编程环境实现最小二乘谐波估计。

但是，自定义代码在用于潮汐预测之前，应针对已知的潮汐记录和经过验证的软件进行测试。 工程或科学结论。

12. 潮汐谐波分析的局限性

虽然谐波分析是一种成熟的方法，但它具有重要的局限性。

观测持续时间有限

短记录可能无法包含足够的信息来分离紧密间隔的成分。

缺失测量

较大的数据差距会降低估计谐波常数的可靠性。

沿海地区的变化 条件

沉积物、海岸开发和当地水深测量的变化会随着时间的推移影响潮汐行为。

非潮汐水位影响

风、大气压力和风暴可能导致纯天文谐波预测无法代表的水位变化。

基准误差

不一致的垂直参考可能会在观测值和观测值之间的比较中引入误差。 预测。

次要成分的不确定性

当记录较短或有噪音时，小成分可能难以可靠估计。

因此，研究人员应在潮汐预测的同时报告观测周期、成分选择、数据质量和不确定性。

常见问题

1。 什么是潮汐谐波分析？

它是一种将观测到的水位变化分解为具有特定幅度和相位的周期性潮汐成分的数学方法。

2． 什么是潮汐成分？

潮汐成分是整个潮汐的各个周期性成分。 示例包括 M2、S2、K1、O1 和 N2。

3。 什么是M2潮汐成分？

M2是主要的月球半日潮成分，周期约为12.42小时。

4. 谐波分析需要多少数据？

所需的持续时间取决于所估计的成分。 NOAA 指南讨论了至少 30 天的时间来观测大多数月球和太阳周期，以及大约一年的时间来直接观测其参考分析中的所有 37 个成分。

5. 什么是最小二乘调和分析？

这是一种通过最小化观测和计算的水位记录之间的平方差来估计潮汐成分的幅度和相位的方法。

6． 谐波分析可以预测绍纳岛周围的潮汐吗？

如果有可靠的当地观测数据或经过适当验证的谐波常数，就可以。 本文不提供或声称经过验证的当地潮汐常数。

7. 谐波潮预测总是等于实际海平面吗？

不。 天气、气压、风暴潮、海浪等因素可能导致实际水位与天文预测存在差异。

8. 潮汐谐波分析可以使用哪些软件？

根据研究需要，可以使用UTide、NOAA相关分析资源和经过验证的科学编程工具。

结论

潮汐谐波分析是理解和预测沿海水位变化的重要数学技术。 通过将观测到的潮汐记录分解为各个组成部分，研究人员可以识别主要的周期性成分并重建天文潮汐。

对于索纳岛，未来的潮汐研究计划可以使用正确参考的验潮仪、足够长的观测记录和经过验证的谐波分析软件来估计当地潮汐特征。

这些结果可以支持海岸工程、水文测量、环境监测和进一步的海洋研究。

任何预测的可靠性最终取决于观测的质量， 所选成分、数学方法和参考数据的稳定性。 因此，在发布绍纳岛的具体潮汐预测之前，准确的当地测量至关重要。