上海沿海潮汐特征響應(yīng)海平面上升關(guān)系研究

陳美榕，呂忻，肖文軍

(國家海洋局東海預(yù)報中心，上海200081)

1 引言

海平面的變化使海洋的水深和地形發(fā)生改變，從而影響潮汐特性[1]。特別在河口、海灣，由于海平面、水域及岸線變化的影響，潮波傳播發(fā)生改變，造成近海無潮點(diǎn)位置的振動或漂移，引起特征潮位、潮差和漲落潮時間等的變化[2-3]。

在對海平面上升趨勢方面的諸多研究中，從海平面高度的實(shí)際觀測資料(驗(yàn)潮資料)統(tǒng)計分析近幾十年來相對海平面的實(shí)際升降趨勢是一項(xiàng)關(guān)鍵的最基礎(chǔ)性的研究[4]。本文選取國家海洋局在上海沿海設(shè)置的長期驗(yàn)潮站的潮位觀測資料（吳淞基面）進(jìn)行統(tǒng)計分析，研究上海沿海潮汐特征與海平面上升的響應(yīng)關(guān)系。

2 海平面變化基本特征

選取呂泗（1959-2011年）、灘滸島（1977—2011年）、大戢山（1977—2011年）、嵊山（1996—2011年）、蘆潮港（2002—2011年）、佘山（2002—2011年）6 個驗(yàn)潮站為研究代表站，具體站位見圖1，其資料長度大部分在15年以上，且資料較為完整、連續(xù)，能夠較好的代表上海沿海的潮位特征。

（1）總體變化趨勢

各站月平均潮位變化曲線見圖2。受海平面上升等影響，各站平均潮位表現(xiàn)出上升的趨勢性變化。

采用功率譜分析和最小二乘法對觀測序列較長的站位的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并預(yù)報，結(jié)果見圖3?？梢钥闯?，近幾十年上海附近海平面變化速率大約在1—3 cm/a 之間，未來海平面還將繼續(xù)緩慢上升。

上海位于太平洋西岸，東瀕東海，南臨杭州灣，地勢低平，現(xiàn)代地殼沉降運(yùn)動速率大且因人類開采地下水等造成地面下沉較為嚴(yán)重，是海平面加速上升影響的敏感地區(qū)。海平面上升所引起的海洋動力條件變化，可能會帶來風(fēng)暴潮、洪澇災(zāi)害加劇、海岸侵蝕、海水入侵等災(zāi)害效應(yīng)[3]。因此，在防洪排澇工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的長遠(yuǎn)規(guī)劃中必須考慮海平面可能上升的趨勢。

（2）季節(jié)性變化

通過上述6 個驗(yàn)潮站的資料分析，月平均潮位最大值出現(xiàn)在陰歷的7、8月份，而最低值出現(xiàn)在陰歷12、1月份。離長江入?？谳^近，受徑流的影響較大的大戢山和佘山站，年較差分別有37.3 cm 和36.4 cm，見圖4。由此可見，上海沿海平均海面有明顯的季節(jié)變化，每年有30—40 cm的變化幅度。

因三面環(huán)水，潮位的高低直接影響到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)甚至造成災(zāi)害。在一般的潮位情況下影響不大，但異常氣候事件若發(fā)生于季節(jié)性高海平面期間，尤其是季節(jié)性高海平面、天文大潮和異常天氣過程三者疊加，易加重海洋災(zāi)害，對上海地區(qū)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

圖1 長江口附近6個驗(yàn)潮站地理位置

3 海平面上升與潮汐特征變化

3.1 潮汐調(diào)和常數(shù)變化

調(diào)和常數(shù)作為潮汐的重要特征參量，是進(jìn)行潮汐潮流推算的依據(jù)。調(diào)和常數(shù)一般是由海區(qū)的深度、底形、沿岸外形等自然條件決定的，如果海區(qū)自然條件相對穩(wěn)定，對不同時期的實(shí)測資料進(jìn)行調(diào)和分析得到的調(diào)和常數(shù)基本相同。由于海區(qū)自然條件的變化，分潮調(diào)和常數(shù)也會隨之發(fā)生變化，尤其是河口地區(qū)[5]。

以每兩年逐時潮位資料為基礎(chǔ)，通過最小二乘法擬合，對上海近海大戢山站和灘滸島站的M2、S2、K2、O1、P1、Q1、N2、K1這8個主要分潮調(diào)和常數(shù)進(jìn)行分析。從調(diào)和分析結(jié)果來看，該海域?yàn)檎?guī)半日潮海區(qū)，M2分潮流占主導(dǎo)地位，其次為S2分潮。

圖2 各站月平均潮位變化曲線

圖3 各站觀測數(shù)據(jù)及擬合結(jié)果

圖4 上海附近海域6個驗(yàn)潮站海平面月變化

圖6 大戢山和灘滸島站主要分潮遲角變化

圖7 各站月平均潮位（——1月和——9月）的年變化

圖8 各站月均高潮位（——1月和——9月）的年變化

圖9 各站月均低潮位（——1月和——9月）的年變化

根據(jù)多年實(shí)際觀測水位資料的逐年分析結(jié)果，不僅海平面逐年上升，分潮調(diào)和常數(shù)也有明顯的逐年變化。以大戢山和灘滸島為例，從90年代開始，大戢山和灘滸島M2、S2分潮振幅有較為明顯的上升趨勢，其中大戢山站M2分潮振幅從1977—1979年的129 cm 上升到2010—2011年的135 cm，灘滸島站上升更加明顯，從1977—1979年的143 cm 上升到2010—2011年的163 cm，上升幅度達(dá)20 cm。遲角的變幅波動較大，但總體呈下降的趨勢，見圖5—6。于宜法等(2003)的研究認(rèn)為全球海平面上升引起的陸架淺水區(qū)域海底和側(cè)向摩擦作用的變化，導(dǎo)致潮波傳播發(fā)生變化，從而引起振幅變化、潮波無潮點(diǎn)移動等效應(yīng)。海平面上升后分潮的振幅將隨之而變大，分潮遲角減小。實(shí)測資料分析結(jié)果與前人的研究結(jié)論一致。

3.2 特征潮位變化

以每年月平均潮位最高的9月和最低的1月為例見圖7，在觀測年中，各站月平均潮位逐年上升，隨海平面的上升，平均高、低潮位亦呈上升趨勢（見圖8和圖9），高潮位上升幅度更大。

隨水位的抬高，極值水位、漲落潮歷時、潮差也發(fā)生相應(yīng)的變化。各特征潮位與月均潮位的相關(guān)系數(shù)見下表。月平均高低潮位與平均潮位呈正相關(guān)，其他特征值如極值高低潮位因受氣象因子的影響較大，與平均潮位無明顯相關(guān)性，見表1。

近?；蜓匕豆こ淘O(shè)計中，除關(guān)注正常氣候狀況和極端氣象條件下的潮位外，一般采用頻率分析的方法，以極高潮位重現(xiàn)期作為度量指標(biāo)，作為防洪安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)呂泗、大戢山、灘滸島站多年連續(xù)年最高潮位資料，通過不同時間長度的年極值潮位，采用P-III 曲線擬合進(jìn)行典型年遇高水位的計算，適線結(jié)果見表2。

各站不同年份統(tǒng)計結(jié)果其年極值均值和多年一遇值基本呈上升趨勢。特別是呂泗站，1992—2011年資料分析的得到的多年一遇高水位明顯大于其他時間段數(shù)據(jù)結(jié)果，其中100年一遇高水位從1967—1986年統(tǒng)計分析的635.7 cm上升到669.5 cm，上升幅度達(dá)34 cm。在考慮到海平面上升，所用的實(shí)測時間段更接近于海平面上升后現(xiàn)狀時，所推算的設(shè)計值增大，因此工程設(shè)計在計算極值水位時必須考慮海平面逐年升高的問題。

4 結(jié)論

利用上海鄰近海域長時間序列潮位觀測資料，進(jìn)行上海沿海海平面變化以及響應(yīng)海平面變化的潮汐特征研究，結(jié)果表明：

（1）上海沿海海平面具有明顯的季節(jié)變化特征，其中以9月份海平面最高，1—2月份海平面最低。上海沿海潮位站觀測的水位年較差值在40 cm左右；

表1 各站特征潮位與月均潮位的相關(guān)系數(shù)

表2 各站設(shè)計潮位計算結(jié)果

（2）基于本研究所采用的觀測資料統(tǒng)計分析表明，隨著海平面變化，上海沿海潮型特征也相應(yīng)改變。分潮調(diào)和常數(shù)隨海平面變化振幅增加，遲角減小，特征潮位基本與平均潮位呈正相關(guān)；

（3）分別利用不同時段連續(xù)多年年極值潮位資料進(jìn)行防澇典型年遇設(shè)計潮位的計算表明，近年的典型年遇高水位有升高的趨勢。

5 討論

從分析的結(jié)果可以看到，潮汐特征值的改變與海平面的上升確是存在一定的相關(guān)性，但同時受到沿岸地形、地貌以及水文氣象因素的影響。段華琛對長江口吳淞站的水位資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)豐枯水年，該站的水位變化幅度達(dá)10 cm[5]，上游流量的變化引起的海平面變化不容忽視。嚴(yán)以新等人通過對長江口兩個驗(yàn)潮站的主要分潮的調(diào)和常數(shù)、特征潮位以及潮位過程分析，發(fā)現(xiàn)長江整治工程修建改變河口地區(qū)的邊界條件，使長江口局部潮汐特征發(fā)生了變化[5]。因此，上游流量、流態(tài)的變化也是影響該海區(qū)潮汐特征的重要因素[6]。

本文僅從海平面變化的角度，通過歷史資料的統(tǒng)計分析，研究潮汐特征值對海平面上升的響應(yīng)。相較于海平面的上升，由于人為因素和氣象引起的潮汐特征改變幅度是難以預(yù)見的，未來有必要深入地研究該區(qū)域環(huán)境的變化對海洋動力過程的影響。

[1]陳奇禮,許時耕,李暢猷,等.閘坡港,湛江港海平面上升后潮汐特征的變化及其影響[J].南海研究與開發(fā),1999,3:1-6.

[2]張錦文,王驥.萊州灣海平面上升和潮差增大對工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的影響[J].海洋通報,1999,18(5):1-9.

[3]李加林,張殿發(fā),楊曉平,等.海平面上升的災(zāi)害效應(yīng)及其研究現(xiàn)狀[J].災(zāi)害學(xué),2005,20,(2):49-53.

[4]田素珍,馬繼瑞.海平面上升趨勢數(shù)據(jù)的診斷及中國沿海海平面的上升趨勢[J].海洋通報,1996,14(6):13-18.

[5]段華琛.用八年周期法對吳淞站月平均海平面進(jìn)行長江徑流訂正[J].海洋科技資料,1980,4:41-44.

[6]嚴(yán)以新,劉均衛(wèi),吳德安,等.長江口綜合整治工程前后潮汐特征分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,37(1):100-104.