珠江口海平面特征分析

路劍飛，陳子燊，劉曾美

(1. 中山大學(xué)水資源與環(huán)境系，廣東 廣州510275；2. 華南理工大學(xué)水利水電工程系，廣東 廣州 510640)

珠江口海平面特征分析

路劍飛1，陳子燊1，劉曾美2

(1. 中山大學(xué)水資源與環(huán)境系，廣東 廣州510275；2. 華南理工大學(xué)水利水電工程系，廣東 廣州 510640)

根據(jù)珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)及口門位置的四個驗(yàn)潮站38年的月均水位資料，利用小波方法分析水位的周期性變動成分，同時結(jié)合重標(biāo)極差法與Mann-Kendall法對水位變動的持續(xù)性及趨勢性進(jìn)行研究，通過對比網(wǎng)河區(qū)與口門位置水位變動的異同，揭示珠江口海平面的變化特征。研究表明，1957－1994年間，珠江口海平面存在2～8 a的顯著周期性變動，以及10 a和20 a左右的周期性變動。珠江口的海平面變化具有明顯的持續(xù)性，且越靠近口門，這種持續(xù)性越明顯。珠江口的海平面變化總體為上升趨勢，上升速度介于1.6～4.0 mm/a。

珠江口；小波分析；重標(biāo)極差；Mann-Kendall

珠江三角洲內(nèi)為放射狀汊道河系，河道縱橫交錯，相互貫通，水文情勢異常復(fù)雜，是世界上最復(fù)雜的三角洲之一。該地區(qū)瀕臨南海，屬熱帶氣候，受西南季風(fēng)、信風(fēng)和臺風(fēng)的影響，雨量豐沛。其網(wǎng)河區(qū)受洪水下泄和潮水頂托的影響，是典型的洪潮混合區(qū)，區(qū)內(nèi)洪、澇、咸、旱、風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害頻繁[1]。珠江三角洲河口的海平面變化，不僅與陸地徑流變化有關(guān)，而且與區(qū)域性和全球性的氣候變化、地表沉降或地殼抬升、海平面上升等多種因素有關(guān)，是多因素非線性耦合的結(jié)果。

《2007年中國海平面公報》指出：近30 a來，中國沿海海平面上升顯著；預(yù)計未來10 a，中國沿海海平面將繼續(xù)保持上升趨勢。海平面上升將導(dǎo)致沿海堤防、碼頭、工業(yè)設(shè)施等的災(zāi)害防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)降低、災(zāi)害風(fēng)險增大、海岸侵蝕和風(fēng)暴潮災(zāi)害加劇、海水入侵、沿海低地受淹等情況發(fā)生，對沿海地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成重大破壞。由于珠江三角洲地勢低平，故海平面上升造成的影響將更為顯著。李平日等[2]曾指出：若海平面上升0.7 m，珠江三角洲地區(qū)近1 500 km2的低地將受淹，區(qū)內(nèi)廣州、佛山、珠海、中山等多個城市將受到嚴(yán)重威脅。有鑒于此，準(zhǔn)確把握珠江三角洲河口的海平面變化特征對區(qū)域內(nèi)的國民生活和生產(chǎn)具有十分重要的意義。多位學(xué)者曾對珠江三角洲河口的水文情勢特征作過研究[3-8]。他們主要采用最小二乘回歸直線法、切比謝夫多項(xiàng)式擬合法、圖解法、EOF分析法等，分析海平面變化與地殼運(yùn)動間的關(guān)系。本文利用小波分析法的多分辨率特點(diǎn)，研究影響珠江三角洲河口海平面變化的各種周期性因素，同時結(jié)合重標(biāo)極差法和Mann-Kendall方法，對海平面變化的持續(xù)性及突變問題進(jìn)行了研究。

1 資料來源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 資料來源

采用的數(shù)據(jù)資料來源為珠江三角洲口門位置的兩個驗(yàn)潮站（橫門站、萬頃沙站）與網(wǎng)河區(qū)內(nèi)的兩個驗(yàn)潮站（黃埔站、浮標(biāo)廠站）的月均水位實(shí)測資料。其中，橫門站、浮標(biāo)廠站和黃埔站水位資料的時間長度均為41 a（1957－1997年），萬頃沙站為42 a（1953－1994年）。為便于對比分析，凸顯河口區(qū)的整體變化趨勢，本文選擇這4個站的38 a（1957－1994年）的月均水位資料進(jìn)行研究。對于研究時段內(nèi)個別缺測和漏測的數(shù)據(jù)先進(jìn)行三次樣條插值補(bǔ)齊。圖1給出了4個站的位置圖。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

鑒于海平面1 a左右的周期性變化顯著，掩蓋了更大尺度的周期變化特征，故先對資料序列進(jìn)行低通濾波[9]。利用db5小波對4個站的水位資料進(jìn)行4層小波分解，提取第4層的近似系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，得到的時間序列有效地消除了16個月以下的海平面周期性變動。

2 研究方法

2.1 小波方法

小波分析具有多分辨率的特點(diǎn)，在時域和頻域上都有表征信號局部信息的能力，因此適合于處理非平穩(wěn)信號，在天氣學(xué)、遙感、海洋科學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[9-11]專門對小波的使用方法進(jìn)行過詳細(xì)的介紹，本文主要側(cè)重于小波方法的應(yīng)用和結(jié)果的分析。選用Morlet小波對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換[11]，得到4個站的小波功率圖，見圖2。

圖2中的等值線表示不同大小的小波譜密度值。粗等值線圍成的部分為通過紅噪音譜檢驗(yàn)，置信水平達(dá)到95%的區(qū)域。圖中V型曲線包圍之外的部分，稱為影響錐[11]。影響錐內(nèi)的部分，由于端點(diǎn)效應(yīng)，可信度較差。

圖1 珠江三角洲位置圖Fig. 1 Location of Pearl River Delta

由圖2中可知，在1960－1965年，4個站的水位均存在顯著的2～4 a（黃埔站為2～4.7 a）的周期性變化，置信水平達(dá)到95%；1980－1985年，除浮標(biāo)廠站外，其他3個站的水位變動均存在2～8 a的周期性變動（橫門站和黃埔站為4～8 a，萬頃沙站為2～4年），但顯著水平均未超過5%；1990－1994年，4個站的水位均存在2～8 a的周期性變化，但由于位于影響錐內(nèi)，故可信度不高，不予考慮；總體上，4個站8 a以上尺度等值線分布較稀疏。

圖2 4個站的小波功率譜Fig. 2 Wavelet power spectrum of four tidal stations

曾昭璇[3]、任美鍔[12]等曾指出：1963年為特旱年；陳特固等[13]也指出1963年為強(qiáng)厄爾尼諾年，其原因主要是受到大氣環(huán)流異常，即厄爾尼諾的影響，而不是構(gòu)造運(yùn)動或交點(diǎn)潮的影響。崔偉中[14]利用高要、石角、博羅3個水文站1957－2000年的實(shí)測徑流資料繪制的徑流曲線也清晰的表明，1963年珠江流域出現(xiàn)歷史上的徑流低值。

圖3和圖4分別給出了4個站相應(yīng)的2～8 a周期域內(nèi)的小波功率譜及全域小波功率譜[9]，更為直觀地印證了圖2中的2～8 a的周期性影響成分。圖4中的功率譜線在平均紅噪音譜線之上的部分表示通過紅噪音檢驗(yàn)，具有一定的顯著性水平；而在95% 的置信曲線以上的部分為通過紅噪音檢驗(yàn)且置信水平達(dá)到95%的部分，表1和表2分別給出了圖3和圖4的分析結(jié)果。

圖3 4個站2～8 a周期域內(nèi)的小波功率譜Fig 3 2-8 a average wavelet power spectrum of four stations

圖4 4個站全域的小波功率譜Fig 4 Whole wavelet power spectrum of four stations

由表1可知，在單獨(dú)考慮水位的2～8 a的周期性變動情況下，口門位置的兩個站（橫門站、萬頃沙站）之間的情況基本相同，其中橫門站的水位在1971－1976年也受到微弱的影響；網(wǎng)河區(qū)的兩個站（黃埔站、浮標(biāo)廠站）之間的情況也基本相同。但是對比1964年與1994年的2～8 a周期因子的影響強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)：位于口門位置的驗(yàn)潮站兩者相差不大，而網(wǎng)河區(qū)的則前者明顯大于后者；分別比較網(wǎng)河區(qū)和口門區(qū)的測站受影響情況，還可發(fā)現(xiàn)，即使位于三角洲相同區(qū)域（網(wǎng)河區(qū)或口門位置），越伸入內(nèi)陸，相同影響年水位的受影響程度越大。

表1 4個站2～8 a周期性波動的影響年份及相應(yīng)強(qiáng)度Tab. 1 Influenced years and corresponding intensities

表2中，4個站的水位變動除了存在2～8 a的周期性變化外，還存在10 a左右和20 a左右（橫門站除外）尺度的周期性變動。研究表明[15-17]，太陽黑子11.1 a的活動周期以及太陽黑子群磁場極性分布存在的22 a周期性的變化，對地球上的多種氣象要素（氣壓、氣溫、雨量等）和水文要素（水溫、徑流量）等具有十分顯著的影響。同時，由于珠江三角洲河口區(qū)為感潮河段，而潮汐分潮中8.85 a和18.61 a的長周期分潮[18]也是珠江三角洲水位分別出現(xiàn)10 a周期和20 a周期波動的不可忽視的因素。陳菊英[19]指出：20世紀(jì)ENSO事件對18～19 a天文物理準(zhǔn)周期存在韻律響應(yīng)關(guān)系。18～19 a周期是太陽－月球－地球三體運(yùn)動產(chǎn)生朔望月與回歸年的調(diào)諧周。此外，從表2中還可以得出，口門區(qū)的測站8 a左右周期（6.7～8 a）的水位變化的顯著性要小于網(wǎng)河區(qū)的相近周期的水位變動。

表2 引起水位顯著性變化的尺度因子統(tǒng)計Tab. 2 Statistics of Scale Factor arousing remarkable change of water level

臧恒范和王紹武[20]認(rèn)為，1954－1989年共存在8個厄爾尼諾事件和6個拉尼娜事件；王世平[21]利用美國CAC（美國氣候分析中心）所提供的1950年以來的赤道中東太平洋的四個海溫指標(biāo)區(qū)的指標(biāo)（月海溫距平值），計算得出1950－1989年共存在11個厄爾尼諾過程和9個反厄爾尼諾過程，其中厄爾尼諾年有12 a，反厄爾尼諾年有16 a。表3給出了文獻(xiàn)[20,21]對1954－1989年間厄爾尼諾－拉尼娜過程的各自的判定結(jié)果。

對比表3可知，在消除小于16個月尺度的水位周期性變動的情況下，可以看到珠江三角洲河口的水位變化周期與2～8 a的厄爾尼諾-拉尼娜周期一致，此外還與11 a和22 a的太陽黑子周期、8.85 a和18.61 a的潮汐周期相近。

表3 1954－1989年間的厄爾尼諾－拉尼娜過程Tab. 3 El Nino-La Nina process between the year 1954 and 1989

羅章仁[22]、王兆印等[23]指出：珠江三角洲1970－1990年的圍墾灘涂與聯(lián)圍活動，導(dǎo)致主干水道隨著三角洲濱線向海推進(jìn)而伸長并緩慢淤高，網(wǎng)河系統(tǒng)逐漸向海推移，受潮汐影響加大；口門位置淺灘發(fā)育，納潮量減小，潮汐作用弱化。20世紀(jì)80年代以后，在網(wǎng)河及口外的大規(guī)模采沙行為則導(dǎo)致河床劇烈下切，水面下降?？梢哉f，人類活動進(jìn)一步增加了珠江三角洲水位變化的復(fù)雜性。

2.2 重標(biāo)極差分析方法

重標(biāo)極差分析法，又稱為R/S分析法，是由水文學(xué)家H.E.赫斯特于1951年提出的一種統(tǒng)計分析方法，能對時間序列的未來總體發(fā)展趨勢做出科學(xué)預(yù)測[24-26]。

式中：H為赫斯特指數(shù)，是度量序列相關(guān)性和趨勢強(qiáng)度的指標(biāo)，即用來判斷時間序列的長期趨勢性；為對應(yīng)不同子序列的平均重標(biāo)度極差值，其中，n為子序列長度；C為任意常數(shù)。按照H的取值范圍分為三種不同情況：當(dāng)H=0.5時，該時間序列遵循布朗運(yùn)動，即對于任意時刻t，過去和未來的數(shù)據(jù)相關(guān)性為零，是獨(dú)立的隨機(jī)過程；當(dāng)0.5＜H≤1時，認(rèn)為序列具有持續(xù)性，即時間序列是一個持久性的或趨勢增強(qiáng)的序列，H越接近于1，相關(guān)性越強(qiáng)；當(dāng)0≤H＜0.5時，序列具有反持續(xù)性，存在“均值復(fù)歸”現(xiàn)象，即時間序列在前一個時期存在一個向上的趨勢，則它在后一個時期就很可能有一個下降的趨勢，反之亦然。頻繁的出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，使得反持續(xù)性序列比隨機(jī)序列具有更為強(qiáng)烈的波動性，反持續(xù)性強(qiáng)度隨著H接近于0而逐步加強(qiáng)。

而V統(tǒng)計量，最初是赫斯特用來檢驗(yàn)R/S值的穩(wěn)定性的，彼得斯則用它來測量“長期記憶的長度”[25]：

如果時間序列是由一個獨(dú)立的隨機(jī)過程產(chǎn)生的，則V～ln(n)（n為時間長度變量）變化的曲線應(yīng)是一條水平線；如果時間序列具有狀態(tài)持續(xù)特征(0.5＜H≤1)，則該曲線為一條向上傾斜的直線；如果時間序列具有反持續(xù)特征 (0≤H＜0.5)，則曲線是一條向下傾斜的直線。

圖5給出了4個站（橫門、萬頃沙、黃埔、浮標(biāo)廠）的Hurst指數(shù)和V統(tǒng)計量的估計圖。從圖5中可以看出，4個站的Hurst值均大于0.5，其中橫門站和萬頃沙站的Hurst指數(shù)均超過0.75，橫門站更是接近0.9，表明4個站的水位變動具有明顯的持續(xù)性，即原來的水位變動如果呈上升趨勢，則接下來很有可能還是上升趨勢；由浮標(biāo)廠站至橫門站，Hurst指數(shù)變動的總體趨勢為由小變大，表明越靠近口門，水位變動趨勢增強(qiáng)的可能性就越大。各站相應(yīng)的V統(tǒng)計量變化情況也印證了這個結(jié)論。

圖5 Hurst指數(shù)與V統(tǒng)計量估計圖Fig. 5 Estimation diagram of Hurst index and the V statistical quantity

2.3 Mann-Kendall法

最初由Mann和Kendall提出的Mann-Kendall(M-K)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗(yàn)方法，亦稱無分布檢驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，亦不受少數(shù)異常值的干擾，不僅計算簡便，而且可以明確突變開始的時間，并指出突變區(qū)域[27]。詳細(xì)的計算步驟參見文獻(xiàn)[27-29]。

圖6給出了4個站的M-K法的檢驗(yàn)圖，圖中的上下兩條水平虛線表示99%的置信限。若UFk或UBk的值大于0，表示序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。當(dāng)它們超過置信限時，表明上升或下降趨勢顯著。超過置信限的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域。如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對應(yīng)的時刻便是突變開始的時間。

圖6 4個站的M-K檢驗(yàn)圖Fig. 6 M-K Inspection diagram of four stations

觀察圖6中的UFk（實(shí)線）曲線走勢可以發(fā)現(xiàn)，橫門站1959年之前的水位變化為下降趨勢，1959年之后為顯著上升趨勢，但在1963年下半年至1965年上升趨勢減緩，這期間恰好發(fā)生了厄爾尼諾事件（具體的影響機(jī)制尚待進(jìn)一步分析）。UFk（實(shí)線）和UBk（虛線）曲線在上下限之間未有交點(diǎn)，表明在1957－1994年間，橫門站水位變動未發(fā)生突變；萬頃沙站在1959年之前水位變動為下降趨勢，1960年之后為顯著上升階段，但在1963－1966年間上升趨勢放緩，并在1963年下半年至1965年間由上升趨勢轉(zhuǎn)為下降趨勢。萬頃沙站在整個研究時間域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)突變點(diǎn)；黃埔站1988年之前大部分為水位下降階段，只是在1959－1961年、1974－1976年水位有緩慢上升趨勢，但并未超過99%的置信限。黃埔站水位在1961－1963年發(fā)生突變，與厄爾尼諾的影響相呼應(yīng)；浮標(biāo)廠站1974年之后水位為上升趨勢，并在1980－1985年和1994年之后為水位的顯著上升區(qū)段，1960－1963年水位的趨勢在上升和下降之間振蕩。浮標(biāo)廠站在1957－1994年間內(nèi)未發(fā)生突變?？傮w上，口門位置的海平面上升趨勢始于20世紀(jì)60年代，而網(wǎng)河區(qū)的水位上升趨勢則始于20世紀(jì)七、八十年代，與人類對珠江三角洲的大規(guī)模開發(fā)的時間相對應(yīng)，可認(rèn)為網(wǎng)河區(qū)的水位上升與人類活動有密切的聯(lián)系。

表4給出了4個站利用Sen氏非參數(shù)估計法[30]計算出的1957－1994年的海平面平均上升速度值。由表4可以看出，珠江三角洲河口的海平面上升速度介于1.6～4.0 mm/a，且越接近口門位置，速度值越大。

表4 4個站1957－1994年海平面平均上升速率表Tab. 4 Sea level ascending diagram of 4 tidal stations between the year 1957 and 1994

陳特固等(1)陳特固, 許時耕. 近40年來珠江口海平面的變化趨勢. 南海研究與開發(fā), 1993 (2): 1-9.在研究中指出：1951－1963年間，珠江口海平面的變化呈波動下降趨勢；1963年以后總的變化趨勢為上升趨勢，其中，1963－1973年為顯著上升階段。在其隨后的研究(2)陳特固. 近數(shù)十年珠江口海平面變化的地區(qū)差異. 南海研究與開發(fā),1994 (3): 7-12.中又指出：近30 a來珠江徑流量每變化1 000億m3時，河口型驗(yàn)潮站的年平均海平面（或半潮面）相應(yīng)變化4～6 cm，顯著性水平達(dá)0.01。并指出1959年以來珠江徑流量負(fù)距平超過1 000億m3的年份有1960年、 1963年、1969年、 1974年和1984年等。這種轉(zhuǎn)折性在M-K法分析結(jié)果中亦有所反映。

3 結(jié) 論

由于采用的時間序列的起止時間和研究方法的不同，關(guān)于珠江三角洲河口海平面變化的結(jié)論有所不同。本文以珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)及口門位置的四個驗(yàn)潮站38 a的月均水位資料為基礎(chǔ)，利用小波分析、重標(biāo)極差分析法和Mann-Kendall法對珠江三角洲河口的海平面變化特征進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

a) 1957－1994年間，珠江口海平面變動的周期主要為2～8 a，與厄爾尼諾－拉尼娜變化周期相近，此外，還存在10 a左右和20 a左右的周期性變化。

b) 珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)與口門位置的海平面周期性變動趨勢總體上一致，但各具特點(diǎn)，就2～8 a周期性變化而言，口門位置的影響持續(xù)時間相應(yīng)的比網(wǎng)河區(qū)的短5～10 a。即使位于三角洲相同區(qū)域（網(wǎng)河區(qū)或口門位置），越伸入內(nèi)陸，相同影響年海平面的受影響程度越大。

c) 珠江三角洲口門位置（橫門站、萬頃沙站）及網(wǎng)河區(qū)（黃埔、浮標(biāo)廠）的海平面變動均具有顯著的持續(xù)性，且越靠近口門，這種持續(xù)性越明顯。

d) 口門位置的海平面自20世紀(jì)60年代起呈上升趨勢，而網(wǎng)河區(qū)的海平面上升趨勢則始于20世紀(jì)70年代中期?？陂T位置與網(wǎng)河區(qū)的水位均經(jīng)歷了先下降，后上升的過程。1957－1994年間珠江三角洲河口的海平面上升速度介于1.6～4.0 mm/a，且越接近口門，上升速度越快。

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Analysis of sea level characteristics in the estuary of Pearl River

LU Jian-fei1, CHEN Zi-shen1, LIU Zeng-mei2
(1. Department of Water Resources an Environment, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China;2. Department of Water Conservancy and Hydropower Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

On the basis of monthly average water level data of 38 years from four tidal stations located in the network of waterways or nearby the estuary of Pearl River, the wavelet method is utilized to analyze the cyclical-fluctuation components of the water level, combined with R/S and Mann-Kendall methods researching on the persistence and trend. The contrast between the network of waterways and the estuary shows the characteristics of the sea level in the estuary of Pearl River. It’s concluded that, during the years between 1957 and 1994, there was mainly a 2-8 a cyclical-fluctuation component existing in the sea level of the estuary of Pearl River, also including more or less 10a and 20a cyclical-fluctuations. Changes of the sea level showed a remarkable persistence. Furthermore, it would be more persistent when it was closer to the estuary mouth. Generally speaking, the trend of the water level in the estuary of Pearl River was ascending，and the speed ranged from 1.6 to 4.0 mm/a.

Pearl River Estuary; wavelet; R/S; Mann-Kendall

P731. 23；P731.34

A

1001-6932(2010)03-0241-06

2009-04-20 ；

2009-08-04

國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(50839005)；2009廣東水利科技創(chuàng)新與推廣項(xiàng)目

路劍飛（1984―），男，黑龍江大慶人，博士研究生，從事河口海岸水環(huán)境研究。電子郵箱：ppppwjljf1@163.com