天津近海潮汐特征分析

李希彬，張秋豐，姚志剛，葉風娟，李玉杰

（1.國家海洋局天津海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，天津300451；2.天津市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心，天津300451；3.中國海洋大學海洋環(huán)境學院，山東青島 266100）

天津近海潮汐特征分析

李希彬1,2，張秋豐1,2，姚志剛3，葉風娟1,2，李玉杰1,2

（1.國家海洋局天津海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，天津300451；2.天津市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心，天津300451；3.中國海洋大學海洋環(huán)境學院，山東青島 266100）

對塘沽海洋環(huán)境監(jiān)測站從1950～2008年，59年的潮汐資料進行調(diào)和分析，分析了其分潮調(diào)和常數(shù)的變化曲線，并利用FFT譜分析方法對其調(diào)和常數(shù)的變化周期和原因進行了分析；之后應(yīng)用FFT譜分析方法對去除天文潮后的余水位進行分解，分析了近50多年來年平均余水位的多層次周期分布，進而利用最小二乘法進行線性分析，分析了天津近海平均海平面的變化趨勢。結(jié)果表明，天津沿岸潮汐M2分潮振幅變化存在20年、4～6年、2～3年的周期，且明顯受到改革開放后工程建設(shè)的影響；余水位變化包含著20年、5～6年、2～3年、1年等不同周期的時間尺度變化，天津近海海平面呈逐漸上升趨勢，上升幅度約為3.4 mm/a，主要受海平面上升和地面沉降兩部分因素影響。

天津；潮汐；調(diào)和分析；譜分析；海平面

1 資料介紹

潮汐是海洋活動中最為顯著的動力現(xiàn)象，與人們的生產(chǎn)、生活及軍事活動都有著密切的關(guān)系，也是影響海上交通運輸、海洋工程施工、海港安全作業(yè)以及航道設(shè)計維護的重要因素，它很早就引起了人類的重視。隨著對海洋的開發(fā)和利用不斷深化，人類對海洋的依賴性也越來越大，潮汐的觀測、分析和利用，一直是人類關(guān)注的重點領(lǐng)域，更是科學考察研究的熱門課題。

塘沽作為京、津的海上門戶，位于渤海灣畔，隸屬于中國四大直轄市之一的天津市，從1949年3月15日開始，天津市港務(wù)局在六米碼頭建井驗潮，并從1950年1月1日起正式驗潮，1986年7月1日～1994年8月4日，由塘沽海洋站在天津新港20段與21段碼頭交匯處建臨時驗潮站，1994年8月5日至今，塘沽海洋站在天津港東突堤工作船碼頭（38°59'N,117°47'E），建永久性驗潮站。從1950年1月1日起開始記錄驗潮數(shù)據(jù)，距今已有59年的驗潮歷史，有多年的系統(tǒng)、連續(xù)、高精度的潮位資料，中間驗潮井雖有搬遷，但搬遷位置始終位于天津港內(nèi)，且相距不遠，潮汐性質(zhì)變化不大，本文認為這59年的潮汐數(shù)據(jù)基本可以代表天津近海59年的潮汐變化過程，對科研和工程開發(fā)均具有較高的利用價值。

目前已經(jīng)有許多關(guān)于近海潮汐特征分析和研究的方法，歐素英等[1]曾經(jīng)用小波變換的方法研究了廣東近海的海平面周期變化，進而研究了廣東沿海的海平面變化趨勢；楊清書等[2]用低通數(shù)字濾波的方法研究了海平面的變化趨勢；王曉東等[3]用單站潮汐預(yù)報的譜分析方法對廈門和東山的潮汐資料進行分析；范文靜等[4]對塘沽海洋站水位變化及其極值與海面風的相關(guān)關(guān)系進行了研究；但關(guān)于天津近海的潮汐資料周期性變化的分析和海平面趨勢變化方面的成果較少，本文的目的即通過對天津近海59年左右的潮位觀測數(shù)據(jù)的分析研究，以期能夠?qū)μ旖蚪５某奔捌渥兓卣饔懈M一步的認識，同時對海平面的長期變化趨勢進行研究，來揭示近59年來渤海海域的海平面變化趨勢。

2 潮位資料分析

首先，本文對塘沽海洋站1950～2008年，共59年的潮汐資料進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果顯示：塘沽海洋環(huán)境監(jiān)測站觀測的潮汐類型數(shù)大約為0.6，屬于不規(guī)則半日潮海區(qū)，其年最高高潮位為581 cm，出現(xiàn)在1992年9月1日，最低潮位-108 cm，出現(xiàn)在1957年12月18日出現(xiàn)，年平均高潮位為374 cm，年平均低潮位為134 cm，年平均潮差為240 cm，年最大潮差為437 cm，出現(xiàn)在1980年10月。

2.1 調(diào)和分析

已有的研究表明，渤海灣是一個潮汐能量明顯占優(yōu)的海區(qū)，其潮汐信號以經(jīng)由渤海海峽傳入的協(xié)振潮為主，而由本海區(qū)引潮力所導致的強迫潮基本可以忽略不計。因此，對塘沽海洋站海平面長期變化的研究必須包括對該站位潮波信號的時間演變過程的研究。

通過對塘沽海洋站59年的時間序列潮汐數(shù)據(jù)進行逐年的調(diào)和分析[5～6]，可以得到一個其調(diào)和常數(shù)的時間序列，本文選取了該站位最主要的六個分潮來進行分析，分別是半日分潮M2和S2，全日分潮K1和O1以及淺水分潮M4和MS4，結(jié)果見圖1～12：

其中：

（1）半日分潮M2和S2分潮的振幅以及兩者的遲角之間均存在較相似的變化趨勢，其中，M2和S2分潮的振幅從1960～1970年之后至2000年，大體呈逐漸增大的趨勢，2000年之后，其振幅逐漸減小，中間有小的震蕩，M2分潮振幅最大值出現(xiàn)在1964年，為117 cm，最小值出現(xiàn)在2003年，為97 cm，S2振幅最大值出現(xiàn)在1969年，為35.2 cm，最小值出現(xiàn)在1999年，M2和S2分潮的遲角從50年代開始，大體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，至70～80年增至最大，其中，M2分潮遲角最大值出現(xiàn)在1981年，為93.2°，S2分潮遲角最大值出現(xiàn)在1978年，為168.9°。1980年之后，M2和S2分潮的遲角呈逐漸減小的趨勢，M2和S2分潮遲角最小值分別為81.7°和152.6°，均出現(xiàn)在2000年；

圖5 K1分潮振幅變化圖 圖6 K1分潮遲角變化圖

圖7 O1分潮振幅變化圖 圖8 O1分潮遲角變化圖

圖9 M4分潮振幅變化圖 圖10 M4分潮遲角變化圖

圖11 MS4分潮振幅變化圖 圖12 MS4分潮遲角變化圖

（2）全日分潮K1和O1分潮振幅和遲角，均呈現(xiàn)大約1年期的震蕩趨勢，其中，K1分潮振幅維持在35 cm左右，最大值36.9 cm，出現(xiàn)在1971年，O1分潮振幅維持在27 cm左右，最大值29.5 cm，同樣出現(xiàn)在1971年；K1和O1分潮遲角在1980年前均維持震蕩趨勢，K1分潮遲角維持在154°左右，O1分潮遲角維持在100°左右，其中，K1分潮遲角最大值出現(xiàn)在1960年，為156.8°，O1分潮遲角最大值出現(xiàn)在1977年，為102.3°，1980年后兩者均呈震蕩減小的趨勢，K1分潮最小值出現(xiàn)在2008年，為149.9°，O1分潮最小值出現(xiàn)在2003年，為94.5°；

（3）淺水分潮M4和MS4分潮的振幅以及兩者的遲角均相似變化趨勢，兩個淺水分潮的振幅從1950年開始，至1980年間，均呈現(xiàn)震蕩增加的趨勢，1980年后，呈現(xiàn)震蕩減小的趨勢，其中，M4分潮振幅最大值出現(xiàn)在1978年，為10.3 cm，最小值出現(xiàn)在2005年，為6.8 cm，MS4分潮振幅最大值出現(xiàn)在1968年，為5.95 cm，最小值出現(xiàn)在2005年，為3.9 cm，M4和MS4分潮的遲角從1950年開始，呈震蕩減小的趨勢，M4和MS4分潮遲角的最大值均出現(xiàn)在1961年，分別為82.6°和158.9°，最小值均出現(xiàn)在2008年，分別為51.5°和126.2°。

對潮汐能量的計算表明，M2分潮的勢能（以調(diào)和常數(shù)中振幅的平方表示勢能）占全部分潮能量總和的70%左右，并且其振幅隨時間的變化幅度也接近20 cm，遠大于其他分潮。因此，本文選取M2分潮作為代表，通過譜分析方法對其年振幅隨時間變化的變化特征進行進一步的分析，結(jié)果見圖13。

圖13 M2分潮振幅變化譜

如圖所示，M2分潮的振幅主要存在20年、4～6年，2～3年左右的周期。因為數(shù)據(jù)長度只有59年，而譜分析一般要對原始fft的結(jié)果進行頻域平均以提高可信度，這導致20年周期的譜不僅包含了該周期附近信號的能量，還反映了其他周期大于20年的低頻信號的能量，因此在20年左右的周期附近其譜分析的結(jié)果出現(xiàn)了最大值，其中就包括由于升交點向西移動而導致的18.61年的長周期變化，以及海平面的其他低頻和長期變化。此外，信號中還包括明顯的4～6年以及2～3年周期的變化，這個周期與ENSO現(xiàn)象2～7年的變化周期相似，一定程度上反映了全球大氣強迫的周期變化對潮汐信號的影響[1～2]。另外，渤海灣的潮波信號也明顯的受黃河以及海河入海徑流量變化的影響，王海龍等[7]曾指出，黃河徑流量分別存在著2～3年和4～5年左右變化周期，徑流量的這種周期變化必然會導致天津近海潮波信號發(fā)生相應(yīng)變化；黃河、海河等沖淤帶來的岸線和地形的變化也會引起潮波信號的變異，另外天津近海近年來，大范圍的圍海造地也會引起潮波信號的變化，從而導致其潮汐分潮振幅和遲角的變化，運用最小二乘法擬合方法計算得出：1980年前，M2分潮的振幅呈逐漸增加的趨勢，速度約為0.068 cm/a，而1980年之后，M2分潮的振幅呈迅速減小的趨勢，減小的速度約為0.345 cm/a，同時，隨著圍海造地和港口建設(shè)的進行，大面積灘涂被填，港口航道疏浚開發(fā)，對淺水分潮影響也較大，1980年前，淺水分潮M4和MS4的振幅均呈增加的趨勢，增加的速度分別為0.075 cm/a和0.029 cm/a，而1980年之后，兩個淺水分潮的振幅均呈現(xiàn)減小的趨勢，減小的速度分別為0.058 cm/a和0.015 cm/a，以上變化其中固然部分反映了上文譜分析得出的周期性變化的影響，但也與改革開放之后，天津近海的人為建設(shè)有密切關(guān)系，圍海造地使天津近海的地理環(huán)境出現(xiàn)很大變化，造成天津近海的潮汐特征也出現(xiàn)了較大改變。

2.2 余水位分析

前文已經(jīng)指出，天津近海海平面的變化主要由外海傳入的潮波所導致。另外，其他外界強迫如局地的大氣強迫也會引起余水位的異常變化，其變化幅度有時甚至接近或者超過0.5 m，因此，有必要對這些余水位異常增減水及其時間變化進行分析研究。借助調(diào)和分析的結(jié)果，我們可以從原始觀測中剔除掉潮波所導致的海平面變化，得到其他非潮因素所導致的海平面變化的時間序列，即余水位，結(jié)果見圖14。

如圖所示，天津近海余水位最大值為26.7 cm，出現(xiàn)在2006年11月，最小值為-44.2 cm，出現(xiàn)在1967年5月。從圖中我們可以看到余水位的時間序列存在著明顯的變化，有大的周期性的起伏，也存在著小幅的震蕩，為了更好的分析天津近海余水位的周期性變化，我們對上述余水位時間序列進行能譜分析，結(jié)果見圖15。

與圖13類似，周期為20年左右的譜中反映了其他極低頻信號的能量以及海平面的長期變化，我們予以忽略。從圖15上看，天津近海余水位的變化周期主要包括5～6年、2～3年，1年等不同周期的時間尺度變化，其中5～6年左右周期信號比較強，次之為1年左右和2～3年的周期。余水位變化主要取決于外界大氣強迫，尤其是風場和氣壓場，而余水位中5～6年的周期正是在一定程度上反映了ENSO等外界大氣強迫的變化，大氣強迫的變化會導致風場和氣壓場發(fā)生相應(yīng)變化，從而對該海區(qū)的余水位的變化產(chǎn)生影響，此外，太陽黑子的周期性變化也可能是影響天津近海余水位變化的因素之一。余水位中還存在著明顯的1年左右的變化周期，該周期反映了季風躍遷的影響，夏季盛行的偏南季風導致中國近海北高南低，冬季正好相反。而2～3年的周期反映了與該海區(qū)附近河流徑流量變化的影響，如前文所指出的，黃河等存在著2～3年的變化周期，因而在余水位中可以看到徑流量周期變化對海平面的影響。另外，極地海冰和陸冰的長期變化以及氣候的長期變化也會導致海平面產(chǎn)生變化。

2.3 海平面變化分析

海平面的變化直接影響制約沿海地區(qū)人民生活和社會經(jīng)濟的發(fā)展，海平面的上升將進一步影響到這些地區(qū)的安全和經(jīng)濟發(fā)展。雖然海平面上升是一個相對緩慢的過程，但長期積累的結(jié)果足以對沿海經(jīng)濟發(fā)展、城市安危和人民生活環(huán)境帶來多方面的不利影響，這種影響比任何一種自然災(zāi)害都要廣泛和深入。因此對海平面變化趨勢的研究和預(yù)測，具有十分重要的意義[8]。

一般來說，年平均海平面時間序列會隨年際變化表現(xiàn)出某種趨勢性，即認為平均海平面 y與時間 t有如下關(guān)系：y(t)=a+bt。利用年均水位變化序列，通過最小二乘法擬合來確定天津近海的海平面變化率，結(jié)果見圖16。

從圖中可以看出，天津近海的平均海平面是在緩慢上升的，經(jīng)過計算得到天津近海平均海平面上升的速度約為3.4 mm/a，這種上升的變化，主要是由兩部分因素組成的。一方面是由于海平面的上升；另一方面說明天津港地區(qū)的地面在逐漸下沉，特別是在1986年驗潮站搬遷之后，位于吹填區(qū)域的新建碼頭，局部的下沉量大應(yīng)當是合理的。1986年以前的海平面變化情況是比較平穩(wěn)的，1986年以后則變化比較劇烈，正是說明了上述變化情況。分別對1950～1986年和1986～2008年的潮汐數(shù)據(jù)進行平均和擬合，發(fā)現(xiàn)：1950～1986年的平均海平面為225.422 cm，平均海平面上升的速度基本為1.4 mm/a，而1986～2008年的平均海平面則達到了236.923 cm，平均海平面上升的速度基本為4.7 mm/a，相比1950～1986年，平均海平面高出11.501 cm，平均海平面上升的速度高出3.3 mm/a，也說明了天津港地區(qū)處于逐漸沉降中，當然，以上結(jié)論是在只有天津港一個水準點的水準資料的情況下做出的，若要論證整個天津近海地區(qū)的下沉情況，還需要對周邊大面積地區(qū)的水準測量結(jié)果進行綜合比較才能得出結(jié)論。

圖14 余水位月均序列表

圖15 余水位變化譜

圖16 天津近海海平面變化趨勢

3 結(jié)論

綜合以上分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）通過對塘沽海洋站每年的潮汐數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析，得到關(guān)于分潮調(diào)和常數(shù)的時間序列，分析了各主要調(diào)和常數(shù)的變化趨勢，并對主要影響天津近海的M2分潮的振幅進行FFT譜分析，分析其能量變化周期及產(chǎn)生原因；

（2） 用譜分析的方法研究了天津近海余水位在時域-頻域中的周期分布，很好的揭示了天津余水位的周期變化特征，發(fā)現(xiàn)其變化周期主要包含20年、5～6年、1年等時間尺度，其中，以5～6年的時間變化為主，之后分析了產(chǎn)生這些變化周期的可能因素；

（4）針對近年來較為關(guān)注的海平面問題，本文采用最小二乘法擬合的方法，線性擬合了天津近海的海平面變化率，結(jié)果顯示天津近海海平面呈逐年升高的趨勢，上升的速度約為3.4 mm/a，并就天津港的平均海平面上升現(xiàn)象從海平面上升和地面沉降兩方面進行了分析。

[1]歐素英,陳子燊.小波變換在相對海平面變換研究中的應(yīng)用[J].地理科學,2004,24(3):358-364.

[2]楊清書,吳超羽.低通數(shù)字濾波在確定海平面變化趨勢中的應(yīng)用[J].海洋通報,1996,15(1):7-14.

[3]王曉東,蔣國榮,王英俊.單站潮汐的譜分析預(yù)報[J].海洋預(yù)報,2008,25(3):53-59.

[4]范文靜,張愛軍.塘沽海洋站水位變化及其極值與海面風的相關(guān)關(guān)系研究[J].海洋通報.2006,25(4):29-35.

[5]黃祖珂,黃磊.潮汐原理與計算[M].青島:中國海洋大學出版社,2005:12-88.

[6]王長海.潮汐調(diào)和分析的一種模式[J].海洋預(yù)報,l995,l2(4):7l-76.

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P731

A

1003-0239（2011）02-0041-08

2010-07-15

李希彬(1983-),男,碩士,主要從事海洋預(yù)報工作。 E-mail:lixb_tj@yahoo.com.cn