溫州沿岸平均海平面變化特征分析

韓小燕，潘曉東，馬林芳，林順利

（溫州海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江溫州 325027）

溫州沿岸平均海平面變化特征分析

韓小燕，潘曉東，馬林芳，林順利

（溫州海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江溫州 325027）

根據(jù)溫州沿岸龍灣、瑞安、鰲江3個水文站的潮位長序列（1971～2008年）觀測資料，進行統(tǒng)計分析，得出溫州沿岸海平面年際及年內(nèi)變化特征，并且得出了溫州淺灘工程靈霓大堤合攏前后，各驗潮站海平面的變化特征。分析結(jié)果表明：海平面年際變化3站呈現(xiàn)上升趨勢，尤以鰲江站上升速率最大，且3站不同時期均有各自變化規(guī)律；三站9月份的海平面變化對年變化的貢獻率最大；通過功率譜分析，3站平均海平面年變化都存在2～3年及4年左右的振蕩周期。

溫州；平均海平面；分布特征；貢獻率；功率譜

1 引言

目前，人類活動對氣候、海洋的影響正不斷擴大，溫室效應(yīng)、海平面上升已經(jīng)成為全球性重大環(huán)境問題。海平面上升給人類的生存環(huán)境產(chǎn)生很大的影響，特別是對沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、城市安全及人民生活環(huán)境帶來巨大的威脅：導致風暴潮災(zāi)害加劇，增加了城市排澇難度；導致鹽水入侵加劇，破壞水環(huán)境，農(nóng)田鹽漬化加速；致使城市防汛工程功能降低等[1]。許多專家對全球海平面的變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)在過去的100年，全球海平面每年大約以1.5 mm的速度上升[2]；在1993～2003年間全球平均海平面的上升速率為2.89 mm/a[3]；近50年來中國平均海平面上升速率為2.5 mm/a[4]；各海區(qū)中東海海平面上升速率平均為3.1 mm/a[5]。以目前狀況發(fā)展下去，到2050年全球海平面將上升5～32 cm[4]，中國沿海海平面將上升13～50 cm[6]。在全球海平面上升的大背景下，研究溫州沿岸（特別是河口區(qū)）附近海域海平面變化對溫州沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、城市安全及人民生活十分重要。龍灣、瑞安、鰲江三站為溫州地區(qū)城市防潮警戒水位核定的代表站，因此，我們搜集了這3個驗潮站（見圖1）的多年潮位觀測資料，研究溫州沿岸海平面變化的規(guī)律特征。

本文中的海平面為相對海平面。

2 資料來源及預處理

所用的潮位基礎(chǔ)資料來自溫州水文站，資料序列長度龍灣、鰲江兩站為38年（1971～2008年），瑞安站位37年（1972～2008年），平均海平面資料選用月、年平均值和極值。據(jù)了解，水文站潮位資料用的基面有測站基面及凍結(jié)基面，經(jīng)過換算統(tǒng)一到85國家高程，見表1。

在收集潮位資料的過程中，發(fā)現(xiàn)有部分數(shù)據(jù)由于儀器設(shè)備故障而缺失，造成潮位數(shù)據(jù)時間上的不連續(xù)性，為此需要對缺測數(shù)據(jù)進行補足訂正。對缺測記錄不超過一天的數(shù)據(jù)，采用二次拋物線擬合方法補齊資料序列，具體計算公式為：

對缺測記錄超過一天的數(shù)據(jù)，可以用自報值補齊資料序列。具體方法為先用前后15 d或29 d的觀測值代替缺測數(shù)據(jù)，然后進行潮位調(diào)和分析；然后用第一組調(diào)和常數(shù)自報出缺測時刻的潮位值，用來代替原先賦予的數(shù)值；進行第二次調(diào)和分析，以此類推，直至調(diào)和常數(shù)不變或變化很小為止。此外也可以根據(jù)潮汐性質(zhì)相似原理，參照相近驗潮站同時間實測潮位曲線規(guī)律補齊資料序列。

表1 各站潮位序列統(tǒng)計表

表2 海平面年際變化趨勢表

圖1 驗潮站分布圖

圖2 3站年平均海平面變化曲線

3 平均海平面的分布特點

3.1 年際變化線性模擬

文章對溫州沿岸3個驗潮站年平均海平面變化進行逐年分析（見圖2），可以看出龍灣、瑞安、鰲江三站呈線性遞增趨勢，龍灣、鰲江兩站上升速率相近，分別為3.6 mm/a、3.7 mm/a，瑞安站上升速率為2.0 mm/a，具體線性變化趨勢項見表2。

分析結(jié)果表明，溫州沿岸平均海平面上升速率為2.0～3.7 mm/a，平均為3.1 mm/a，與東海區(qū)海平面上升速率持平，略高于我國沿海海平面及全球海平面上升速率。

3.2 年際變化多項式模擬

溫州地區(qū)海平面年際變化雖然呈上升趨勢，但在不同時期各站的海平面變化規(guī)律各有特點，為此對年平均海平面進行多項式趨勢模擬，見圖3a～3c。

圖3 三站年均海平面多項式模擬

結(jié)果顯示，龍灣站從上世紀70年代中前期海平面呈現(xiàn)上升趨勢；70年代中期至80年代中期呈現(xiàn)下降趨勢；至2000年左右一直維持上升的趨勢，之后海平面開始下降，下降幅度較大。瑞安站上世紀70年代初期海平面呈現(xiàn)上升趨勢；70年代中期至80年代初期呈現(xiàn)下降趨勢；至90年代初期維持上升的趨勢，2000年前后海平面開始下降。鰲江站海平面變化與上述兩站位相存在差異，上世紀70年代初期呈現(xiàn)下降趨勢；至80年代前期呈現(xiàn)上升趨勢；80年后前至2000年維持上升的趨勢；之后海平面開始下降，2006年前后又開始呈現(xiàn)上升趨勢。

除此，龍灣、瑞安兩站海平面變化的多項式變化模擬還存在11～12年的周期變化。

3.3 月均海平面年際變化

為了解三站各月份海平面年際變化對年平均海平面的影響及貢獻率，分別對各站月海平面年際變化進行分析，發(fā)現(xiàn)9月份溫州沿岸的海平面普遍最高，貢獻率居全年之首；其次溫州北部5月份海平面次高，而中部及南部海平面次高的月份分別為1月及12月，為冬季月份。具體各月上升速率見表3。

溫州地區(qū)9月份經(jīng)常受臺風影響，南部的鰲江地形為一喇叭形，極易受外海影響，因此鰲江站9月海平面高于其它兩站；5月份進入梅雨期，降水量突增，北部的甌江為該地區(qū)主要河流，沿岸支流較多，使得甌江徑流量高于飛云江及鰲江，因此5月龍灣站海平面高于其它兩站；12月、1月沒有徑流及臺風的影響，海平面較高的原因極可能與全球的暖冬現(xiàn)象有關(guān)。

3.4 功率譜

為了更加客觀定量地檢測時間序列中的顯著周期，在此采用功率譜的方法進行分析，功率譜的計算方法采用落后自相關(guān)方法。功率譜密度的計算公式為：

表3各月海平面年際變化上升速率統(tǒng)計表

通過上述計算公式得出的譜密度值有隨機噪聲的影響，為消除噪聲影響，得到比較光滑和平穩(wěn)的譜密度值，采用Hanning方法進行平滑處理，最終得到平滑的功率譜估計值。

計算過程中，三站平均海平面序列的落后自相關(guān)系數(shù)r(1)均為較大正值，表明序列具有連續(xù)性，所以采用紅噪音標準譜對其進行顯著性檢驗。圖4給出了顯著性水平α=0.05的平均海平面功率譜圖，圖中橫坐標為周期（年），縱坐標為譜密度值。

結(jié)果表明，3個站在周期長度為2.7 a處均有振蕩，龍灣、瑞安兩站還存在12 a、8 a的振蕩周期，鰲江站振蕩周期較少，且振蕩周期較短，集中在2～4 a（見表4）。

龍灣站在周期長度為2.7年處的功率譜估計值為一峰值且超過標準譜，為顯著周期；在12 a、8 a、3 a及2.4 a處的功率譜估計值也超過標準譜，說明龍灣站平均海平面在上述周期處存在相應(yīng)的振蕩。

表4各站振蕩周期統(tǒng)計表

瑞安站功率譜圖與龍灣站相似，在周期長度為2.7 a處的功率譜估計值為一峰值且超過標準譜，為顯著周期；在12 a、8 a及2.4 a處的功率譜估計值也超過標準譜。

鰲江站在周期長度為4.8 a、2.7 a處的功率譜估計值為一峰值，同樣超過標準譜，為顯著周期；在2.4 a處功率譜估計值也超過標準譜，表明鰲江站在此周期內(nèi)存在振蕩。

三站平均海平面的周期變化與一些常用的理論天文周期相對應(yīng)，如2 a大氣振動周期[3]、24～36個月準兩年周期振蕩、2～7 a厄爾尼諾周期、11 a太陽黑子周期[3]，5 a平均雨生周期。

3.5 年內(nèi)變化

圖5a是平均海平面的逐月變化曲線，3個站月變化規(guī)律較一致，表現(xiàn)為9月份海平面最高，6月份次高，6～9月之間存在一個波谷，發(fā)生在7月。龍灣、瑞安、鰲江2月海平面最低，1～4月海平面變化較小。

考慮到三個站均布設(shè)在河口區(qū)，徑流的多少直接影響著海平面的高低，因此必須了解每個區(qū)域的徑流大小。由于可獲取的徑流資料有限，此處僅收集到甌江代表站圩仁站2005年、2006年兩年的徑流資料，繪制兩年月平均徑流變化曲線圖（見圖6），分析徑流對平均海平面的影響，飛云江、鰲江徑流影響可以以此作為參考。

圖4 三站平均海平面功率譜圖

圖5 各站平均海平面累年月變化曲線

圖6圩仁站月均徑流變化曲線

導致海平面年內(nèi)變化的原因為6月、9月的徑流明顯高于其余月份，與溫州地區(qū)的梅雨、臺風期降水密切相關(guān)。溫州地區(qū)的梅雨期基本發(fā)生在5～6月（春季），期間產(chǎn)生的大量連續(xù)降水導致河口區(qū)徑流量猛增；9月（夏季）由于臺風影響帶來豐沛的降水導致徑流相對增大，但由于每次臺風影響時間較短，相對于梅雨期徑流量較少；冬季溫州地區(qū)進入枯水期，徑流最小。

平均海平面不僅受到徑流的影響，同時也受到天文潮位的影響，天文最大潮通常發(fā)生在農(nóng)歷中秋前后，即陽歷9月左右，圖5平均海平面累年月變化曲線9月高于6月，可以說明天文潮位的影響是該海域夏季海平面變化的主要原因，而梅雨期降水是春季海平面變化的主因。7月該區(qū)域出梅，降水帶北跳，溫州進入枯水期，此時臺風尚未對溫州產(chǎn)生影響，天文潮位也未達到天文大潮，導致平均海平面在這段時期產(chǎn)生下降。

4 沿岸大型海洋工程的影響

近年，由于溫州地區(qū)土地資源緊缺，人多地少的矛盾日益突出，而溫州沿岸灘涂資源眾多，圍涂造地工程此起彼伏，溫州淺灘工程便是其中一項大型利用灘涂資源造地的用?；顒?。經(jīng)過工程前期一系列模型的論證及專家的評審，淺灘工程于2003年下半年開始動工。該工程的建設(shè)將新增加13萬多畝土地，諸多島嶼連成一體，其中連通靈昆島及霓嶼島的靈霓北堤于2006年4月29日建成通車。溫州沿岸圍涂工程的建設(shè)或者局部或者大范圍地改變了外來海水進入河口區(qū)的通道。

平均海平面年際變化曲線（見圖3a～3c）可以看出，龍灣、瑞安兩站平均海平面在2004年左右開始下降，下降速率龍灣最大。對三個站2001～2002年與2004～2005年的潮汐數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析，結(jié)果顯示，淺水系數(shù)M4/M2龍灣站減小12%，瑞安、鰲江兩站略有增高，短期來看，與溫州沿岸尤其是甌江流域周邊地區(qū)圍涂造地等各種海洋工程建設(shè)不無關(guān)系。

5 小結(jié)

（1）溫州沿岸平均海平面年際變化呈上升趨勢，上升速率鰲江站最大；按月的年際變化來看，龍灣、瑞安、鰲江三站9月份海平面變化對年均變化貢獻率最大；

（2）平均海平面年內(nèi)變化，3個站9月份最高，6月份次高，受天文大潮及徑流影響明顯。此外，還受到各站所處地理環(huán)境、地質(zhì)沉降影響[3]。

（3）從年變化的功率譜分析結(jié)果看，三站均有一個相同的振蕩周期，為2.7 a。此外，龍灣站存在12 a、8 a、3 a及2.4 a的振蕩周期；瑞安站存在12 a、8 a、2.4 a的振蕩周期；鰲江站存在4.8 a、2.4 a的振蕩周期。龍灣、瑞安兩站的振蕩周期不僅與大氣振動周期、準兩年周期振蕩、厄爾尼諾周期密切相關(guān)，而且還與11 a太陽黑子周期活動對應(yīng)。

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A

1003-0239（2011）01-0066-06

2010-01-26

韓小燕（1977-），女，工程師，主要從事海洋預報工作。E-mail：xiaoyong0728@163.com