海洋潮汐与水位控制：垂直基准面的相对关系简介

除了陆域上常涉及的参考椭球面与(似)大地水准面外，海域基准面主要与潮汐相关，需由潮汐资料计算确定，如平均海面、深度基准面与平均大潮高潮面等，归类称为潮汐基准面。海洋测绘实践中常涉及的垂直基准面及相对关系如图4.1所示，一般是在验潮站处才能较准确地确定各基准面的相对关系。

图4.1　海域垂直基准面及关系

1.瞬时海面

水尺或验潮仪等验潮设备测量记录海面随时间的升降变化h(t)，是时间与从水位零点起算的水位高度序列。

2.平均海面与(似)大地水准面

平均海面可看作各种波动和振动的平衡面，一般由水位数据求取算术平均值，计算获得平均海面在水位零点上的高度MSL。在海洋潮汐学理论中，通常把18.61年视为一个潮汐周期，因此，由18.61年时长的水位数据计算获得的平均海面，可认为已滤除了各种波动和振动。实践中是采用19年时长，更利于滤除长周期分潮中振幅最大的年周期分潮。同时，若进一步规定了19年的具体范围，所有潮汐基准面都采用此时段的水位数据进行计算，则该时段称为潮汐基准面历元。如美国称之为“国家潮汐基准面历元(national tidal datum epoch，NTDE)”，并每隔25年更新一次历元，即更改19年的时段范围。

我国的国家高程基准定义与平均海面相关，是以青岛大港验潮站处的平均海面为高程起算零点:①1957年，采用1950—1956年的7年水位数据计算的平均海面作为高程基准面，命名为“黄海平均海水面”，建立了“1956年黄海高程系统”；②因7年时长太短且1950年与1951年的水位数据存在较大的系统误差，故重新采用1952—1979年的28年水位数据，以连续19年为一组计算平均海面，取共计10组平均海面的平均值作为高程基准面，命名为“1985国家高程基准”。为了牢固地表示出高程基准面的位置以及便于作为高程的起算点，在验潮站附近的观象山上建立了水准原点，经精密水准测量获得原点在高程基准面上的高程，以此原点及其高程作为联测全国高程的依据。在“1956年黄海高程系统”与“1985国家高程基准”中，水准原点的高程分别为72.289m与72.260m。

(似)大地水准面可视为经过青岛大港验潮站平均海面的等位面，该面上的高程为零。目前一般是指对应于“1985国家高程基准”的(似)大地水准面。在各种海洋动力作用下，平均海面不是一个等位面，与(似)大地水准面并不重合。平均海面在(似)大地水准面上的垂直差距，称为海面地形，如图4.1所示，记为ζ。海面地形实际就是平均海面的高程。相对于(似)大地水准面，我国沿海的平均海面呈现南高北低的分布规律，相应的海面地形在青岛验潮站处为零，向北为负值，向南为正值。图4.2为海面地形的等值线分布图，单位为厘米(邓凯亮，等，2009)。

由图4.2可看出，海面地形的量值在我国沿海呈现从北向南增大的趋势，最小值在渤海约－15cm，最大值在南海约70cm。在验潮站处，海面地形需通过潮汐资料计算平均海面、水准联测确定其高程的方式来确定。(www.xing528.com)

3.深度基准面

深度基准面为海图图载水深的起算面，如图4.1所示，通过测深设备或仪器获得的是瞬时海面至海底的垂直距离，是与测量时刻有关的瞬时水深D(t)。为了使同一点不同时刻的观测成果对应于统一意义的水深，通常选取深度基准面作为水深的起算面。在海道测量中，深度基准面是由相对于平均海面的垂直差距来确定其在垂直方向中的位置，该垂直差距的量值通常称为L值，以向下为正。为了保障航行安全，深度基准面选为某种甚少能达到的低潮面，相应的图载水深是相对保守的水深，任意时刻的瞬时水深都甚少能浅于图载水深。

4.平均大潮高潮面

平均大潮高潮面(mean high water springs，MHWS)是大潮期间高潮潮位的平均值，是我国的净空基准面，作为灯塔光心、明礁、海上桥梁与悬空线缆等水上助航和碍航信息高度的参考面(暴景阳，等，2013)。在我国，平均大潮高潮面与陆地的交线是海岸线的理论定义，是陆地与海洋的分界线。

图4.2　海面地形等值线分布

综合而言，与陆域垂直基准相比，海域垂直基准具有如下特点:

(1)平均海面、深度基准面与平均大潮高潮面是海域常用的垂直基准面，都是潮汐基准面，需由潮汐资料计算，垂直关系由验潮站来维持。

(2)深度基准面、(似)大地水准面与平均大潮高潮面在垂直方向上的位置是由相对于平均海面的垂直差距来度量的，因此，平均海面是更高一级的垂直基准。这与陆域对基准面的表达不同，大地测量中通常是指基准面在某坐标框架中的大地高，如平均海面或大地水准面在参考椭球面上的大地高。