海洋潮汐与水位控制：滤波的必要性和方法

水位观测是测量验潮站点处海面的整体升降，需滤除高频的波浪影响。长期验潮站一般建有验潮井，具有可靠、良好的滤波性能。短期验潮站采用水尺与验潮仪直接测量海面变化，滤波性能相对不足，水位观测值仍叠加了波浪变化影响，特别是在气象条件较恶劣的时候。因此在水位数据预处理时，需对水位数据进行平滑滤波。

以某海岛的验潮站为例简述滤波的必要性以及方法。岛上建有长期验潮站，在其附近设置短期验潮站，以自容式压力验潮仪同步验潮。图5.6为两站某天的水位同步变化曲线，水位的起算面都转换至长期平均海面，单位为厘米。

图5.6　水位同步变化曲线

由图5.6可看出，两站的水位变化一致，短期站的观测水位存在着抖动。图5.7为对应的余水位变化曲线，单位为厘米。

图5.7　余水位同步变化曲线(www.xing528.com)

由余水位同步变化曲线可更明显地观察到短期站水位中的高频抖动，是因滤波性能不足而残留的波浪影响。由此对比可知，短期站的水位数据应进行必要的滤波平滑。

水位数据的滤波可采用两种方法:一是直接对水位数据进行拟合平滑；二是对余水位进行拟合平滑，再重新叠加天文潮位组合成水位。拟合可采用二次多项式，对于每个观测时刻，取其前后一段时间为拟合区间，由拟合区间内的水位或余水位按最小二乘原理确定出二次多项式，进而由二次多项式计算出水位或余水位。

以需拟合水位的观测时刻为中心，选取一定大小的拟合区间，以拟合区间内的水位或余水位确定二次多项式，实现的原理与步骤详见附录B。拟合区间的选取与水位观测间隔有关，原则是既能可靠求解出多项式系数，又能只去除高频抖动而不过度平滑。如观测间隔为1小时，拟合区间为前后各2～3小时；如观测间隔为5分钟或10分钟，拟合区间为前后各30分钟。若日潮不等现象明显且观测间隔为1小时，建议采用平滑余水位的方法，以保证在涨潮或落潮时间很短的高低潮处不过度平滑。

对短期站水位，按上述原理对余水位实施滤波平滑，滤波前后的余水位变化曲线如图5.8所示，单位为厘米。

图5.8　滤波前后的余水位变化曲线

由图5.8可看出，余水位中的高频抖动已被可靠地消除，滤波前后的整体变化趋势保持一致。将滤波后的余水位叠加至天文潮位，组合成滤波后的水位。