史天元 1* 薛憲文 2 張智安1
論文收件日期：109.08.23 論文修改日期：109.11.12 論文接受日期：109.11.15
摘 要
封閉型潮位計將感測器、紀錄器、電源，封裝於一體，安置於水下量測潮位，
為蒐集潮位資料時所常用。本研究分析三具安置於東沙潮位站之壓力式潮位計，以 了解資料特性。三具潮位計垂直安置於同一具 6 吋管中之同一支架上，各個潮位計 感測零點與潮位站參考點之支距於施作時以捲尺量得。由於三具潮位計為因工作推 展，先後採購獲得，前一次壓力常數校正時間有別，分別為 2012、2016、2019 年。
經分析平均潮位，推算潮位計間之支距後，發現前次校正在 2012 及 2016 年者，分 別產生約 0.07 m 及 0.02 m 之飄移。由潮位時序之相關係數比對，前次校正已久者，
波形亦有變異。本研究具體呈現，壓力式潮位計定期檢校之必要性。本研究由海水 壓力化算水深時，同時比對簡易公式與 UNESCO(1983)公式之差異，在本次蒐集之 數據中，最大達 0.0066 m。
關鍵詞：支距、檢校、統計分析、壓力化算水深。
1 教授，國立交通大學土木工程學系。
2 教授，國立中山大學海洋環境及工程學系。
*通訊作者，TEL：(03)5712121#54940，E-mail：[email protected]。
On the Comparison of Three Self-contained Pressure Tide Gauges in Dongsha
Tian-Yuan Shih1*, Shiahn-Wern Shyue2, Tee-Ann Teo 1
Abstract
The self-contained type tide gauge has the sensor, logger, power supply and other required units sealed into one container. This type of gauge has been widely deployed into the sea for tide information gathering. This study analyzes the data collected by three gauges deployed at the Dongsha tide station. These three gauges were placed vertically on the same staff in a six-inch pipe. The sensor zero of each gauge is taped at the installation and also at the de-installation. Because the gauges were purchased in different years along with the project’s progress, the most recent calibration of the instrument pressure constants are not the same. They were calibrated in 2012, 2016, and 2019 respectively. From the average of observed tide with each gauge, it is found that there are 0.07 m and 0.02 m drifts with the gauges calibrated in 2012 and 2016. Observed from the correlation coefficients, the form of the tide collected with these two units is also moderately deformed. This study provides evidence on supporting the need for gauge calibration. In the depth conversion from seawater pressure, this study also found that the deviation between the simplified conversion equation and UNESCO (1983) equation reaches 0.0066m in the data processed.
Keywords: Offset, Calibration, Statistical analysis, Pressure to depth conversion.
1 Professor, Department of Civil Engineering, National Chiao Tung University.
2 Professor, Department of Marine Environment and Engineering, National Sun Yat-sen University.
* Corresponding Author, TEL: +886-3-5712121 #54940, E-mail: [email protected].
史天元、薛憲文、張智安：東沙共站封閉型壓力式潮位計觀測值比對 Electronic SBE39TP 4915、Sea Bird Electronic SBE39plus 8615、與 RBR duet3 81086 三台。本年(2020)初，將三具潮位計一同安置於同一 6 吋管中之支架上，垂直間隔
本研究使用簡易公式與 UNESCO(1983)公式(RBR, 2019b；史與薛，2020)，化 算水深。雖然嚴謹之海水壓力，應由海水壓力扣除當時實際大氣壓，化算水深過程 中使用 UNESCO(1983)公式時亦應考量比容異常(Specific volume anomaly)，本研究 均未曾涵括這兩點於分析中。比容異常對測站而言為該站之加常數，故不影響支距
三具潮位計，如圖 2 左所示，由上而下依序為，SBE39TP、SBE39plusTP、RBR duet3，感測器零點至參考點之支距，於安置時量測，取出時再度量測。本研究數據 蒐集期間為 2020/1/12 09:09 開始，取出時間為 2020/6/6 08:24。但是由於 SBE39TP 之電源為舊式，持續運作能力時間較短，2020/3/26 08:12 時即已因電壓過低停止紀
錄。潮位取樣時間間隔為每 60 秒一筆，故本研究分析之數據分為兩組，第一組有 三具潮位計，計 106504 筆；第二組有兩具，計 210196 筆。
圖1 東沙潮位站靜水井(民國 109 年 6 月 6 日)
圖2 封閉型潮位計安裝(民國 109 年 1 月 12 日)
三具潮位計之規格與前次壓力常數檢校日期如表 1，其中 SBE39plusTP、RBR duet3 為相對新型之儀器，記憶體與所使用之電池能力均較 SBE39TP 大幅提升，配 合使用之電子元件耗電力降低，使得電源之耐久性大增。下載之傳輸能力亦因使用 新一代 USB 規格之通訊協定，而較以 RS232 傳輸的 SBE39TP 速度顯著快速，但是 SBE39plusTP 量測解析度與精度規格與 SBE39TP 相同。
表 1 中 FS 代表全域(Full Scale，全尺度)，本研究所使用之潮位計，因為在岸際 淺水型潮位站中操作，且追求相對較高精度，採用之全域為 20 m 之機型。因此，
0.1% FS 為 0.02 m。
史天元、薛憲文、張智安：東沙共站封閉型壓力式潮位計觀測值比對 前次檢校 05-sep-2012 03-nov-2016 18-may-2018 時間的紀錄與潮位量測關係重要，三具潮位計均於 2020/1/12 施作時與電腦時 間校時。電腦則於潮位計校時前一小時內，以 SNTP 校時通訊協定，使用台灣標準 時間伺服器 time.stdtime.gov.tw 網站，以 4G 網路連線校時。使用之校時程式為國家 時 間 與 頻 率 標 準 實 驗 室 (https://www.stdtime.gov.tw/chinese/home.aspx) 發 展 之 NTPClock 中文版 V2.1。
由於在烈日下單人操作，為避免讀數、記錄錯誤，兩次支距量測，均以攝影方 式記錄，之後於相片上讀取，2020/1/12 攝影時因 RBR 81086 之壓力膜為垂直向，
膜前有塑膠罩保護，為期固定，塑膠罩兩邊貼以防水膠布，以固定於機體。攝影時 水深相關之海水壓。由海水壓力化算水深的方法，包含有簡易公式與 UNESCO (1983) 公式(RBR, 2019b)。本研究兩者均採用，比對後，以本研究數據為例，水深約 3 m 時，簡易公式與 UNESCO(1983)公式使用鹽度(S) 35‰、溫度(t) 0°、不考慮比容異常
時，差值達 0.0066 m，為最大。在以平均潮位值比對感測零點間支距時，差值小於 0.012 m。因為 UNESCO(1983)公式較為嚴密，故以 UNESCO(1983)公式化算成果為 後續探討。
以第一組資料，計算潮位平均值獲得之支距如表 3 所列，如前所述，簡易公式 與 UNESCO(1983)公式所得支距相近，差值在 1 公分內。三個支距中，與 SBE 4915 有關的兩個支距，差值為同號(方向)。
表 3 潮位平均求取之支距(106504 筆；單位：m)
比較儀器 捲尺 UNESCO 簡易 較差(UNESCO) 較差(簡易) 4915-8615 0.316 0.2746 0.2741 -0.0414 -0.0419 8615-81086 0.307 0.3300 0.3294 +0.0230 +0.0224 4915-81086 0.623 0.6047 0.6035 -0.0183 -0.0195
相關係數，顯示兩組潮位數據間，波型的相似程度。本研究使用 Gretl 程式 (Cottrell, 2019)計算，得到第一組以 UNESCO(1983)化算之水深資料相關係數。由表 4 可見，SBE 8165 與 RBR 81806 間之相關係數較高，達 0.9822。由簡易公式化算得 之潮位資料，相關係數矩陣亦相同。
表 4 潮位相關係數(106504 筆)
SBE 4915 SBE 8165 RBR 81086 SBE 4915 1.0000 0.9733 0.9740 SBE 8165 1.0000 0.9822
RBR 81086 1.0000
第二組數據，有兩具潮位計(SBE 8165 及 RBR 81086)，潮位相關係數為 0.9821。
詳細之統計指標如表 5 與表 6。兩具潮位計之離散度指標標準偏差甚為接近，變異 係數(Coefficient of Variation)因兩時序間有支距差異，致使均值影響其值。
表 5 SBE 8615 潮位統計值(210196 筆，除 CV 外，單位為 m)
平均值 Mean (m) 1.7610 歪度 Skewness 0.3530 中數 Median (m) 1.7381 尖度 Ex. kurtosis -0.1550 最小值 Minimum 1.0227 5% Perc. 1.2913 最大值 Maximum 2.9927 95% Perc. 2.2786 標準偏差 0.2995 四分位距 IQ range 0.4147 變異係數 C.V. 0.1701 Missing obs. 0
史天元、薛憲文、張智安：東沙共站封閉型壓力式潮位計觀測值比對
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表 6 RBR 81086 潮位統計值(210196 筆，除 CV 外，單位為 m)
平均值 Mean 2.0917 歪度 Skewness 0.3493 中數 Median 2.0691 尖度 Ex. kurtosis -0.1632 最小值 Minimum 1.3460 5% Perc. 1.6221 最大值 Maximum 3.2760 95% Perc. 2.6084 標準偏差 0.2994 四分位距 IQ range 0.4148 變異係數 C.V. 0.1431 Missing obs. 0 潮位差值時序如圖 3 所示，雖有幾個區間中差值相對較大，但是難以看出系統 性，由圖 4 左之分布頻率直方圖觀察，接近正常分布，但是以圖 4 右之 Q-Q 圖(分 位圖)觀察，並非理想之正常分布，圖 4 右之橫軸為正常分布分位數，縱軸為潮位差 值之分位數。其統計指標如表 7。支距值以潮位差值之平均值-0.3307 m 觀之，與表 3 中之 0.3300 m 相比，差值為 0.0007 m，顯示第一組與第二組觀測之潮位支距幾乎 相同。此外，由表 7 之標準偏差，0.0566 m，顯現兩具潮位計觀測值差值之變異量 大於儀器精度規格(表 1)。
表 7 (SBE 8165-RBR 81086)潮位差統計值(210196 筆，除 CV 外，單位為 m) 平均值 Mean -0.3307 歪度 Skewness -0.0025
中數 Median -0.3304 尖度 Ex. kurtosis 2.9834 最小值 Minimum -0.7623 5% Perc. -0.4219 最大值 Maximum 0.0872 95% Perc. -0.2391 標準偏差 0.0566 四分位距 IQ range 0.0572 變異係數 C.V. 0.1712 Missing obs. 0
圖3 潮位深度差值時序(縱軸單位：m；橫軸單位：筆)
圖4 潮位深度差值(左，單位：m)分布直方圖(右) Q-Q 圖
整理第二組數據之支距如表 8，與表 3 中對應者-0.0195 m，相差 0.0042 m。第 二組數據觀測差值之標準誤差為 0.0566 m，以此觀之，此一差異應屬觀測不確定度 影響。顯示第一組數據之 106504 筆觀測值，已可充分描述支距。
表 8 SBE 8165-RBR 81086 支距(210196 筆；單位：m)
比較儀器 捲尺 潮位支距 差值
8615-81086 0.3070 0.3307 +0.0237
計算 SBE 8165、RBR 81086，以及兩者差值之相關係數矩陣如表 9，兩者之相 關係數 0.9821 與表 4 中之 0.9822 幾乎相同。表 4 中亦呈現差值與兩組潮位值之相 關係數，如果差值與潮位值相關，顯現潮位值大則差值亦大，在本探討中，差值與 兩組潮位值相關性均低。
表 9 SBE 8165-RBR 81086-差值相關矩陣(210196 筆)
SBE 8165 RBR 81086 差值 SBE 8165 1.0000 0.9821 0.0963 RBR 81086 1.0000 -0.0927
差值 1.0000
四、成果與討論
在三具壓力式潮位計中，前次校正在兩年內的為 RBR 81086，如果以 RBR 81086 為固定，SBE 8615 有 0.0230 m(表 3)往上變淺之飄移；SBE 4915 有-0.0183 m(表 3) 往下變深之飄移。這兩個飄移合計 0.0413 m，與由潮位觀測平均值中計算所得之 SBE 8615 與 SBE 4915 支距差值-0.0414 m 幾乎完全吻合。SBE 8615 前次校正距數據蒐 集時間約 4 年，SBE 4915 約 8 年，兩者發生不同方向的飄移的可能性似乎很高。而 且，時間愈久，飄移量愈大。
史天元、薛憲文、張智安：東沙共站封閉型壓力式潮位計觀測值比對 過久之故，與儀器廠牌型號無關。實際上，SBE 4915、8615 之飄移程度均小於其標 稱穩定度甚多，堪稱穩定。
致謝
本研究進行中過程中內政部地政司黃鉅富博士的支持與指正，實為本研究完成 的主因，敬此表達謝意。本研究獲得內政部經費資助，計畫名稱「109 年度三維國 土形變及空間智能分析技術發展工作案」，本文為該計畫工作之一部分，謹此敬謝。
參考文獻
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