海平面变化对长江口潮型影响的研究.doc

海平面变化对长江口潮型影响的研究*上海市科委科研计划项目（10dz1210602）。作者简介：毛兴华（1973- ），男，硕士，高级工程师。主要从事水文分析、GIS技术应用、建设项目水资源论证、水土保持监测等工作。E-mail：毛兴华，顾圣华，莫丹锋，李琪（上海市水文总站 上海 200232）摘 要：海平面变化的研究一直是多年来海洋科学研究的一个热点，但是海平面对近岸特别是河口地区潮汐过程影响的研究，目前开展的还不是很多。本文在长江口代表潮位站近年实测资料的基础上，研究了海平面变化对长江口潮型的影响。结果表明，随着海平面的上升，代表站年平均高（低）潮位会相应抬升，二者相关关系非常密切，而潮差、潮历时和海平面的相关关系不明显。在潮型极值方面，各项极值与海平面之间无明显的相关关系。关键词：海平面变化；潮型；影响Analyzing the Sea-level Changes onTide Form of the Yangtze River EstuaryMAO Xinghua, GU Shenghua, MO Dangfeng, LI Qi(Shanghai Hydrology Administration, Shanghai, China, 200232)Abstract: The Study of sea-level change has been a hot spot for many years in marine science, but the study of the effect of sea level change on tidal process in coastal area, especially in estuarine area, is not enough. Based on the Yangtze River Estuarys basic stations measured tide data in recent decades, the article analyzed the effect of sea-level change on tide form in the Yangtze River Estuary. It shows that with sea-level rising, the annual-average high and low tide level will rise accordingly with a high level dependence relation, but the correlativity between the tidal range, the duration and sea level is not obvious. In respect of tidal extreme value, this correlativity is not obvious.Key Words: Sea-level Changes; Tide Form; Effect1. 概述1.1 研究背景海平面变化与人类生活和社会经济发展休戚相关，世界约有一半人口生活在距海岸线50公里以内的沿岸地区，由于海平面的变化会引起如风暴潮加剧、海岸侵蚀和盐水入侵等诸多灾害，这一问题已经引起全球沿海国家越来越密切的关注。上海作为我国的经济、金融中心，同时也属于受海平面变化影响的脆弱区。分析海平面变化对长江口潮型的影响，对于上海市的防汛安全、公共供水、交通航运和可持续发展等具有十分重要的意义。有关这方面的研究，目前开展得比较多，如王伟等1从理论的角度，探讨了海平面上升与海岸潮差响应的关系，王艳红等2利用高潮位资料，分析了淤泥质海岸的相对海面变化，宋永港等2利用数值模拟的方法，探讨了长江口北支潮位与潮差的时空变化特征与机理。与此相关的研究则主要集中在海平面变化对沿海地区灾害评估方面4-5。1.2 潮型基本概念及影响因素潮型就是指潮波的类型和形态。长江口的潮波属于浅海非正规半日潮，涨落潮时间不等。每月有两次大潮汛和两次小潮汛，分别出现在农历初三、十八前后和农历初十、二十五前后。潮流流向基本上为往复流，在入海口由往复流转为旋转流。潮型可以用波幅和周期来描述，前者通常用平均高（低）潮位、最高（低）高（低）潮位，平均涨（落）潮潮差，最大涨（落）潮潮差等描述，后者通常用平均涨（落）潮历时、最大（小）涨（落）潮历时来表示。一般，潮波的波幅受天体引力大小的变化而改变，存在着明显的日、月和季节性变化，而潮波的周期受天体运行周期的控制，变化很小。影响潮型的主要因素包括：（1）海平面变化：海平面变化能最直接地导致潮位的整体性改变；（2）陆地径流：陆地径流往往呈现出季节性特征，因此在丰水季节河口地区的潮位会有一定的升高，同时延长落潮历时，枯水季节则相反；（3）气象因素：持续的大风导致的“风海流”在迎风的近岸水域会产生一定幅度的增水，台风导致的风暴潮会引起潮位暴涨暴落，潮型明显改变；（4）地形因素：主要是陆地边界对潮波的约束作用和浅水地形对潮波形态的改变，这在杭州湾表现最为突出，在天文大潮时期形成了壮观的景观。1.3 研究方法本文在查阅大量资料，基本了解东海海区和上海海域海平面变化基本情况的基础上6，选取长江口代表性潮位站吴淞、堡镇、高桥近年的潮位资料（潮位站见图1），分析长江口水域近年来海平面变化情况，并以吴淞站为代表，通过回归分析方法，研究该站潮型与长江口海平面变化之间的相关关系。图1.1 分析用代表潮位站分布图2. 海平面变化对潮型影响的分析2.1 平均海平面的计算平均海平面原则上应该用验潮站的整点潮位来计算，通过整点潮位的平均值，得到该验潮站周边海域平均海平面高度，根据计算所用资料系列的长短，平均海平面又为月平均海平均、年平均海平面等7。长江口缺乏历年的海平面高度资料，而本文仅有2001年以后吴淞、高桥、堡镇三个站的整点潮位资料，对于之前整点潮位的获得，目前尚存在困难。不过，笔者发现，高低潮位的平均值（即半潮面）与整点潮位的平均值之间，具有非常显著的相关关系。以吴淞站2010年实测资料为例，其年平均半潮面为2.232m，年平均潮位为2.190m，二者相差约4.2cm，日平均潮位与日平均半潮面具有相当好的线性相关关系，其相关系数达到了0.989（图2.1）。此外，吴淞、高桥、堡镇三站在20012010年期间的月平均半潮面与月平均海平面之间的线性相关关系也很好（表2.1，图2.2）。因此，可以通过半潮面来反推出该站平均海平面。图2.1 吴淞站2010年日平均潮点潮位与日平均半潮面相关关系表2.1 长江口代表站月半潮面与月平均海平面相关关系测站名称月平均半潮面（m，X）月平均潮位（m，Y）相关关系相关系数（R2）吴淞2.2342.189Y= 0.9951X-0.02780.9972外高桥2.1692.134Y = 1.001X-0.03680.9968堡镇2.2022.124Y= 0.9904X-0.0130.9981三站平均2.1842.149Y = 0.9961x-0.02650.9980图2.2 吴淞、外高桥、堡镇三站平均的月平均海平面与半潮面相关关系通过月平均半潮面与月平均海平面之间的关系，推算出三站历年各月的月平均海平面，再进而计算出历年年平均海平面，是相对比较可靠的海平面计算成果。2.2 海平面变化对潮位的影响2.2.1 高潮位 从历年吴淞站年平均高潮位和海平面同步过程可以明显看出，该站年平均高潮位与海平面的变化基本一致，即海平面升高时，吴淞的年平均高潮位也升高，海平面下降时，其年平均高潮位也同时降低。以年平均海平面的年际变化为自变量，以吴淞站年平均高潮位的年际变化为因变量，寻求二者之间的相关关系，其结果如图2.3所示。可以看出，吴淞站年平均高潮位和海平面之间存在着较为密切的线性相关关系，其相关系数为0.905。在26年的资料中，仅有4年的点在线性相关回归值3cm的上下包络线范围之外，其余均在包络线范围之内。这说明海平面的变化对吴淞站年平均高潮位有非常明显的影响。图2.3 吴淞站年平均高潮位与海平面变化相关关系图2.2.2 低潮位 从历年吴淞站年平均低潮位和海平面同步过程可以看出，与年平均高潮位的变化过程相似，吴淞站年平均低潮位与长江口水域海平面基本上呈现出同升同降的趋势。在海平面升高时，吴淞的年平均低潮位也同时升高，海平面下降时，吴淞的年平均低潮位也相应降低。从年平均低潮位和年平均海平面年际变化的相关关系（图2.4）来看，二者存在着很密切的线性相关关系，其相关系数达到了0.964，比年平均高潮位的相关系数还要高。26年资料的几乎所有实测点都在线性相关回归值3cm的上下包络线范围内，说明海平面的变化对吴淞站年平均低潮位有非常明显的影响。图2.4 吴淞站年平均低潮位与海平面变化相关关系图2.2.3 潮差 从吴淞站年平均潮差和海平面同步变化过程可以看出，随着长江口海平面的逐年变化，该站年平均潮差并没有出现与之相应的趋势性变化，从二者的相关关系（图2.5）来看，相关关系最好的是三次多项式关系，但相关系数R也仅为0.604。这说明，长江口水域海平面的升高或者下降，并不会明显影响吴淞站潮差的改变。图2.5 吴淞站年平均潮差与海平面变化相关关系图2.3 对潮历时的影响从现有资料来看，吴淞站涨潮历时变化较小。其中，涨潮历时多年平均为4小时34分30秒，最大涨潮历时为1985年的4小时40分41秒，最小涨潮历时为1977年的4小时27分30秒，最大最小值相差仅13分11秒。与涨潮历时相似，该站的落潮历时变化也很小。落潮历时多年平均为7小时50分48秒，最大落潮历时为1977年的7小时57分38秒，最小落潮历时为1985年的7小时44分34秒，最大最小值相差13分4秒。这说明吴淞站涨落潮历时受海平面变化的影响甚微。从涨落潮历时与海平面的同步变化过程来看，涨落潮历时并没有出现随海平面的变化而呈现出趋势性的改变。其中，涨潮历时年际变化与海平面年际变化的相关系数为-0.178，说明随着海平面的上升，吴淞站涨潮历时会略有缩短的趋势，但这种影响十分有限。同样，吴淞站落潮历时年际变化与海平面年际变化的相关系数为0.224，说明随着海平面的上升，该站落潮历时会略有延长，但影响也很有限。前文已述，长江口的潮波属于浅海非正规半日潮，其潮历时主要决定于月亮绕地球公转的周期，而海平面的变化不可能影响到这种公转周期，因而也就不可能影响潮历时的变化。2.4 对潮型极值的影响潮型极值包括潮位极值和潮历时极值两方面，其中潮位极值包括年最高（低）高（低）潮位、年最大涨（落）潮潮差六项，潮历时极值包括年最大（小）涨（落）潮历时四项。由于极值的出现是很多因素共同作用下的一种偶然现象，从理论上说，与海平面的变化关系应该很小，从实际分析结果来看也确实如此。上述10项极值指标的年际变化与海平面年际变化的相关系数均不超过0.6，其中相关系数最大为年最低低潮位的0.562。这说明，海平面的变化对潮型极值的影响很小。表2.2 吴淞站潮型极值与海平面变化相关系数潮型极值相关系数（R）潮型极值相关系数（R）年最高高潮位0.334年最大落潮差0.255年最低高潮位0.382年最大涨潮历时-0.120年最高低潮位0.305年最小涨潮历时-0.143年最低低潮位0.562年最大落潮历时0.271年最大涨潮差0.370年最小落潮历时0.1923. 基于海平面变化的潮型响应预测综上所述，长江口吴淞站年平均高（低）潮位和海平面存在着较明显的正相关关系，年平均潮差对海平面有一定的响应，但相关关系不明显。另外，年平均涨潮历时与海平面之间有微弱的负相关关系，而年平均落潮历时与海平面之间有微弱的正相关关系。在极值方面，吴淞站各项潮型极值与海平面之间无明显的相关关系。鉴于上述特点，本文在预测基于海平面变化的潮型时，只考虑年平均高潮位和年平均低潮位对海平面变化的响应，而对于年平均潮差、年平均涨（落）潮历时，以及各项潮型极值，由于相关性较差而不予考虑。吴淞站年平均高潮位与海平面变化的相关关系可表示如下：Y0.0985*X+0.4254 R0.905 （1）式中，X：海平面变化值，单位mm；Y：年平均高潮位变化值，单位cm吴淞站年平均低潮位与海平面变化的相关关系可表示如下：Y0.1256*X-0.4221 R0.964 （2）式中，X：海平面变化值，单位mm；Y：年平均低潮位变化值，单位cm依据上述关系，在假定未来海平面年际变化值在-7070mm之间时，吴淞站年平均高潮位大概在-6.57.3cm之间变化，年平均低潮位大概在-9.28.4cm之间变化。4. 结语海平面受全球性气候变暖和局部地区地面沉降等因素的变化，其升降过程较为复杂，从现有资料来看，海平面有升有降，只能说存在趋势性的抬升，而不是持续地上升，另一方面，作为影响因素之一，海平面的变化对长江口潮型的影响非常复杂。实测资料分析表明，只有年平均高潮位和年平均低潮位与海平面存在着较好的相关关系，而潮差、潮历时以及各项极值等与海平面变化的相关性都较差。本文仅从海平面变化对长江口潮型的影响作了一个单因子分析。实际上，如果要较准确地预测长江口潮型的变化，应进行潮型与海平面、上游径流、降水、风速风向等的多因子分析，通过逐步回归找出最主要的影响因子，建立多因子相关关系。不过由于资料的限制，这一工作尚不能有效开展。参考文献1王伟,宋志尧,陆卫国等.海平面上升对海岸潮差响应的理论解析J.海洋工程,2008年8月,26(3):58632王艳红,张忍顺,谢志仁.平均高潮位记录分析淤泥质海岸的相对海面变化以江苏淤泥质海岸为例J. 海洋通报,2004年第5期