長江口潮差中長期變化對河口生態(tài)環(huán)境的影響

張賽賽,楊世倫,李 鵬,陳沈良,李占海,石學法

(1.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室,上海200062;2.中交上海航道勘察設計研究院有限公司,上海200062;3.華東師范大學 崇明生態(tài)研究院,上海200062;4.國家海洋局 東海預報中心,上海200136;5.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061)

河口是陸海相互作用強烈的地帶,在自然生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟中扮演著重要角色。而這些都與河口水動力密切相關。潮汐是河口海岸水動力的重要組成部分,而潮差是潮汐的重要表征。潮汐變化的重要特征是周期性。因潮汐的周期性受控于天文因素,不同時間尺度潮汐周期的研究已趨于成熟[1]。受地形等因素的影響,河口海岸地區(qū)的潮汐與大洋潮汐差異顯著[2]。世界上很多重要的河口地區(qū)都有長期的潮位監(jiān)測資料,根據(jù)該資料序列可得出多年平均潮差,也可分析潮差的周期性變化。潮差沿世界海岸線的變化極其顯著,從接近0(無潮點)到超過15 m[3]。河口海岸潮差變化研究的意義不僅在于揭示其周期性,還在于了解不同周期潮差變化的幅度以及它對生態(tài)環(huán)境的可能影響。關于后者,已有的研究中針對近岸月周期的大、小潮變化對河口鹽水入侵和動力泥沙過程影響的最多[4-5],針對潮差季節(jié)變化及其影響的相對較少[6-7],而就潮差多年變化及其影響的研究更少[8]。

長江口是一個中-強潮河口,不同時間尺度的潮差變化對生態(tài)環(huán)境可能都具有重要影響。過去人們在長江口大、小潮潮差變化及其對河口流速、鹽度、懸沙濃度和粒徑、灘面沖淤等的影響方面開展了大量工作[9-11]。盡管前人對長江口潮差的季節(jié)性變化已有涉及[12-13],但該變化對生態(tài)環(huán)境影響的很多方面尚有待發(fā)掘研究。例如,人們發(fā)現(xiàn)長江口懸沙濃度的季節(jié)性變化明顯,但在機制解釋方面通常只考慮風浪和徑流季節(jié)變化的影響[14-15],而對潮差季節(jié)變化的可能影響則很少討論。又例如,長江三角洲海岸濕地的潮上帶部分(平均高潮位以上區(qū)域)在冬季通常干涸,灘面出現(xiàn)泥裂,幾無泥沙沉積,生物貧乏;而在夏秋季節(jié)則常被水浸泡,泥沙沉積沉降豐富,生物繁茂。過去把這種季節(jié)變化主要歸因于氣候條件:比如夏、秋雨水多,有臺風增水影響,而冬季則相反[16-17]。此外,前人在長江口年-年代際潮差變化對生態(tài)環(huán)境的影響方面幾乎未曾涉及。例如,不少研究發(fā)現(xiàn)三峽工程運行以來長江水下三角洲出現(xiàn)了大范圍淤-蝕轉(zhuǎn)型,并把這種轉(zhuǎn)型歸因于建壩等引起的河流入海泥沙通量下降[18-19]。誠然,長江入海泥沙通量下降是水下三角洲淤-蝕轉(zhuǎn)型的根本原因,但同時也有必要弄清楚海洋動力條件(潮汐、波浪、沿岸流)變化是否在三角洲淤-蝕轉(zhuǎn)型中扮演了某種角色。前人利用譜分析方法研究長江口潮汐的周期變化[13,20]和長周期潮汐特征的研究,這種方法雖然可以得到頻域上的周期,但無法得到時域上準確的變化時間[21]。

圖1 佘山潮位站位置及附近地形Fig.1 The location of Sheshan tide-gauge station and nearby terrain

本文利用具有時頻同時分辨能力的小波分析法,對位于長江口口門區(qū)域的代表性潮位站(圖1)近50 a的潮位資料進行分析。旨在獲得潮差變化的季節(jié)和年-年代周期的變幅大小以及變化的起止時間,并舉例探討這些潮差的周期性變化對河口生態(tài)環(huán)境的可能影響。

1 數(shù)據(jù)資料與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

圖2 2004年佘山站預報與實測潮差對比Fig.2 Comparison of forecast and measured tidal rangein 2004

鑒于連續(xù)的長時間序列的實測潮位資料獲取困難,本文采用1972—2018年上海海事局等單位編制的《長江口潮汐表》[22]中佘山潮位站的66 337個高、低潮位數(shù)據(jù)。潮汐表是權威專業(yè)機構利用以往長期潮位觀測數(shù)據(jù)并進行調(diào)和分析來實現(xiàn)對未來一段時間內(nèi)的潮位進行預報,具有相當高的預報精度[23]。為了驗證上述潮位數(shù)據(jù)所反映的潮差的預報精度,本文利用2004年全年佘山站實測的1 416個高、低潮位數(shù)據(jù)計算得出的潮差,與預報潮差進行對比,發(fā)現(xiàn)二者高度吻合:相關系數(shù)達到0.99(圖2),預報和實測年平均潮差分別為227和224 cm(相差僅1%)。由于潮汐的周期性變化主要受天文因素控制,而天文因素的變化規(guī)律已被反映在預報潮位中,因而可利用預報潮位代替實測潮位進行長江口長周期潮差變化特征的分析,以獲得不同周期潮差的變幅大小和起止時間。通過高低潮位平均得到的半潮面與平均海平面之間具有良好的線性相關關系,在缺乏逐時潮位資料時,可以使用半潮面間接分析海平面的變化[24]。對佘山潮位站的高、低潮預報數(shù)據(jù)進行逐年平均,可知1972—2018年佘山半潮面呈上升趨勢,年均變化幅度約為4.1 mm/a。

1.2 小波分析

小波分析[25]由Morlet在1980年提出,近年來在水文等領域得到了許多的應用。作為對傳統(tǒng)傅里葉分析的進一步發(fā)展,小波分析具有多分辨率分析的特點,并且可以對信號的時域和頻域同時進行特征分析。通過將時間信號進行展開為小波函數(shù)族的線性疊加,能得到信號的周期性變化特征,對于周期性變化顯著的水文數(shù)據(jù),是十分有力的分析工具。本文選用的小波基是在水文分析中廣泛應用的Morlet小波[26],通過繪制小波系數(shù)實部的等值線圖,可知不同時間尺度的周期變換及其在不同時間上的分布;小波能量譜的變化反映了不同時間尺度變化周期所對應的能量密度,能量譜的值越大,其所對應的時間尺度變化越強;小波系數(shù)的方差圖可以用來分析不同時間尺度作用的強弱。

2 結 果

圖3 佘山站多年月平均潮差季節(jié)性變化Fig.3 Seasonal changes in the monthly average tidal range at the Sheshan Station for many years

2.1 潮差過程線反映的周期變化

2.1.1 月均潮差顯示的半年周期變化

對月均潮差數(shù)據(jù)進行多年平均計算可知,月均潮差存在著明顯的季節(jié)性變化(圖3)。年內(nèi)極大月均潮差出現(xiàn)在3月(258.9 cm)和9月(256.3 cm),極小月均潮差出現(xiàn)在6月(242.5 cm)和12月(243.5 cm),平均變幅14.6 cm,平均變化率5.8%。日均潮差的季節(jié)差異較之月均潮差的季節(jié)差異更大:例如2015-03,2015-06,2015-09 和2015-12 的最大日均潮差分別為428.8,330.3,428.8 和344.3 cm,相對季節(jié)變化率為23.9%。此外,2015-03和2015-09的大小潮差異明顯其他2個月,2015-03和2015-09大潮期間的日內(nèi)兩高潮不等現(xiàn)象明顯小于小潮期間的日內(nèi)兩高潮不等現(xiàn)象,其他2個月則相反。2015-03和2015-06的對比潮差對比見圖4。

圖4 潮差日不等現(xiàn)象的大小潮差異與季節(jié)差異Fig.4 The differences of tidal range diurnal inequality in spring and neap tides and among seasons

2.1.2 年均潮差顯示的約19 a周期變化

年均潮差的極大值分別出現(xiàn)在1977 年(258 cm)、1996年(258 cm)和2015年(259 cm),極小值分別出現(xiàn)在1986年(242 cm)和2005年(243 cm)(圖5),平均周期19 a,平均變幅16 cm,平均變化率6.4%。

圖5 近50 a長江口門區(qū)年均潮差的變化Fig.5 Changes of annual average tidal range in the Changjiang estuary area in recent 50 years

2.2 小波分析得出的潮差周期性變化

利用1972—2018年共564個月均潮差的時間序列進行小波分析,小波系數(shù)的能量譜圖(圖6a)顯示在222個月即18.5 a左右存在著一個能量最強,周期最為顯著并且橫貫整個序列的主周期變化。在能量譜圖的下方也曾存在著一個6個月左右,能量較強的周期變化,這2個周期尺度均通過置信度95% 的紅噪聲檢驗。代表潮差序列在不同周期上變化的小波系數(shù)實部時頻分布見圖6b,18.5 a變化周期的極大值出現(xiàn)于1977年,1996年和2015年,極小值出現(xiàn)于1986年和2005年,這與圖5中年均潮差序列變化相同。圖6c中通過置信度95%紅噪聲檢驗的小波方差周期的較大值分別出現(xiàn)在222個月與6個月左右,對應著18.5 a與0.5 a左右的變化周期。

圖6 佘山站月平均潮差的小波系數(shù)實部和能量譜的時頻分布以及小波方差Fig.6 The time-frequency distribution of the real part of the monthly mean tidal wave and the square of the energy spectrum of the Lushan station and the wavelet variance

表1 不同時間尺度的潮差變化幅度Table 1 Ranges of tidal range changes at different time scales

由表1可知大小潮周期內(nèi)潮差的變化幅度最為顯著,平均幅度達到224.3 cm,變率達到169.0%。半日周期和年周期內(nèi)變化雖不如大小潮周期顯著,但仍達到44.6和18.8 cm,變率分別為19.6%和7.9%。年代際尺度變化的18.5 a周期內(nèi),變化幅度為15.7 cm,變率為6.5%。

3 討 論

3.1 18.5和0.5 a周期潮差變化的原因

根據(jù)年均潮差過程線推斷的19 a周期與月均潮差資料的小波分析得出的18.5 a周期是同一種周期。前一種直觀的方法所基于的潮差的分辨率為年,得出的結果只能近似到整數(shù)年。小波分析得出的18.5 a周期更接近真實情況。這表明小波分析的優(yōu)越性。潮差的大小主要與引潮力有關,引潮力越大潮差越大,而引潮力的變化主要受天體運行軌道變化的影響[27]。每年中月均潮差的極大值出現(xiàn)在3月和9月,極小值出現(xiàn)在6月和12月,這與引潮力變化和氣候的季節(jié)變化有關。二者都受到太陽赤緯角變化的影響,3月和9月太陽赤緯角最小,半日潮現(xiàn)象顯著,在半日潮海區(qū)表現(xiàn)為潮差增大,而在6月和12月正好相反。在半日潮海區(qū)月球赤緯角越小引潮力越大,因而產(chǎn)生的潮差越大。潮差18.5 a的變化周期與月球赤緯角變化相接近,主要是由于月球軌道變化對地球潮差的影響[28]。

3.2 長江口生態(tài)環(huán)境受18.5和0.5 a周期潮差變化潛在影響的分析

潮差的季節(jié)變化和多年周期變化對河口海岸生態(tài)環(huán)境具有重要意義。例如,1978—1979年的冬春季節(jié)長江口出現(xiàn)了歷史上最嚴重的鹽水入侵事件,致使中國第三大島,世界最大河口沖積島之一的崇明島被鹽水包圍數(shù)月。前人的研究在探究其原因時往往只提及長江入海徑流量低這一個原因[29-30],而對潮差變化的可能影響未曾探討。誠然,長江流域旱情造成的入海徑流量特低是這次嚴重鹽水入侵事件的主要原因,但潮差的變化也是不容忽視的因素。1978—1979年正值18.5 a潮差周期變化的高值階段(圖5),而2—4月(特別是3月)正值0.5 a潮差周期變化的高值階段(圖3),“雙高”疊加可能使上述嚴重鹽水入侵事件期間的潮差較多年平均值增大6%～7%。上述嚴重鹽水入侵時段的長江最低月均流量(大通站)為7 220 m3/s,較多年平均的最低月均流量低28%[31]。實際上,1987年曾出現(xiàn)類似的低月均流量(7 610 m3/s),1963年甚至出現(xiàn)過更低的月均流量(6 730 m3/s),但都不曾發(fā)生上述那樣的嚴重鹽水入侵事件。究其原因,可能與潮差不是處于18.5 a周期的高值階段有關。根據(jù)潮差的18.5 a周期推斷,1987年正好位于18.5 a周期潮差變化的低值階段(圖5),而1963年則位于18.5 a周期潮差變化的中等值高值階段。

三峽工程對長江口生態(tài)環(huán)境的影響受到高度關注。Li等[11]通過對比1999—2000年(三峽工程前)和2008—2009年(三峽工程后)兩個時段多個測站每日采樣分析資料(取時段平均值),發(fā)現(xiàn)后一階段的懸沙濃度較之前一階段平均下降約25%,并認為該下降是三峽工程等引起的河流入海懸沙通量和入海水體懸沙濃度下降的結果,忽略了潮差變化的可能影響。其實,根據(jù)18.5 a周期的潮差變化過程,1999—2000 年和2008—2009年分別位于潮差高值和低值階段,前一階段平均潮差較后一階段大4.1%(圖5)。根據(jù)潮流速度與潮差成正比以及懸沙濃度與流速的高次方成正比[32]的基本原理粗略估算,后一階段的潮差減小可使懸沙濃度下降5%～8%,即上述后一階段懸沙濃度的下降中潮差減小的貢獻可能占20%～30%。

鑒于近幾十年長江入海泥沙通量的急劇下降,水下三角洲沖淤響應的研究成為一個熱點。根據(jù)地形資料的測量時間和研究需要,很多研究劃分了不同時段進行沖淤對比[16,18-19,33-34],但幾乎都沒有談及潮差變化對沖淤的可能影響。其實,是否存在這種影響是可以論述的。例如,根據(jù)18.5 a的變化周期,1958,1977—1978和1997年三個時間都位于潮差的高值階段(圖5)。因此,1958—1977和1978—1997兩個時段的沖淤對比中已經(jīng)基本上濾除了潮差變化的影響,后一時段水下三角洲凈淤積速率下降與潮差變化的關系不大。類似地,1981,1997和2012 年的佘山站平均潮差分別為255,256 和253 cm(圖5),差別不大。因此,從1981—1997年時段到1997—2012時段的長江北支口外的淤-蝕轉(zhuǎn)變也幾乎與潮差變化無關[34]。然而,2004年以來水下三角洲的大范圍凈侵蝕(相對于之前的凈淤積)及侵蝕增強趨勢[18,35]可能與潮差的逐漸增大(圖5)有一定關聯(lián),盡管三峽工程等導致的入海泥沙通量急劇下降是首要原因。而對這一點在以往的研究中被忽略了。

有人通過前后30 a(2012年與1982年)的長江水下三角洲大范圍取樣分析對比,發(fā)現(xiàn)近年長江水下三角洲底床沉積物出現(xiàn)粗化現(xiàn)象,并將其歸因于流域入海泥沙減少后水下三角洲出現(xiàn)的淤-蝕轉(zhuǎn)變、河流入海泥沙的粗化(因長江中下游侵蝕補充泥沙)以及一定程度的海洋波浪增強[36]。其實,潮差增強也可以導致底床沉積物中的細顆粒再懸浮,從而使表層沉積物粗化。因此,有必要對比前后30 a的潮差。盡管30與18.5 a的潮差變化周期看似無關,它們分別處于潮差的減小期和增大期,但1982年和2012年的潮差非常接近,分別為252和253 cm(圖5)。因此,潮差變化對上述底床沉積物粗化的影響可以忽略。

3.3 海平面上升、地面沉降以及地形變化對長江口潮汐的可能影響

近幾十年東海海平面呈顯著上升趨勢[37],長江口地區(qū)地面沉降顯著[38],長江口岸線形態(tài)和水下地形因圍墾和沖淤等發(fā)生了一些變化[18,34]。這些因素無疑會對潮波傳播、潮位和潮差產(chǎn)生一定影響。另一方面,潮汐的周期變化主要取決于天文因素,盡管海平面變化、地面沉降以及地形變化等可能在一定程度上擾亂潮汐的周期性,但其影響程度可能遠遠低于其對潮位和潮差的影響。本文18.5 a周期的計算結果與公認的18.6 a周期基本吻合,說明這些因素的影響雖然存在但不十分顯著。由于這些因素的影響極其復雜,目前難以對其做定量評估。

4 結 語

本文通過小波變換等分析方法,結合長江口地區(qū)代表性潮位站潮差序列數(shù)據(jù),得到長江口潮差在中長期時間尺度上的變化特征。將潮差周期變化與地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的重要事件相對照,探討了潮差周期變化對河口生態(tài)環(huán)境的潛在影響,并對潮差未來變化趨勢及可能導致的生態(tài)環(huán)境變化作出了預測,主要結論如下:

長江口潮差具有0.5和18.5 a的顯著周期。在海平面上升等因素的影響下,年內(nèi)月均潮差極大值出現(xiàn)在3月和9月,極小值出現(xiàn)在6月和12月,平均變幅19 cm,相當于多年平均潮差的7.5%。過去50 a的年均潮差極大值出現(xiàn)在1977,1996和2015年,極小值出現(xiàn)在1986和2005年,平均變幅16 cm,相當于多年平均潮差的6.3%。這些變化對長江口生態(tài)環(huán)境可能具有潛在的重要影響,1978年冬季至1979年春季連續(xù)幾個月的長江口嚴重鹽水入侵事件除了與長江枯季徑流量低外,可能與此時正值18.5 a潮差周期變化的高值階段也有一定關系(春季的鹽水入侵可能還有3 月潮差高值有關);長江口懸沙濃度從1999—2000 年到2008—2009年下降約25%,除了與長江入海懸沙通量下降有關外,可能也與后一時段潮差減小4.1%有一定關系;2004年以來長江水下三角洲侵蝕趨勢增強除了與三峽工程等導致的入海泥沙通量下降有關外,還可能與同期潮差的增大趨勢有一定關系。這說明,在18.5 a周期變化的潮差極大值出現(xiàn)的年份,枯季鹽水入侵會加強,水下三角洲侵蝕會加劇,懸沙濃度會增高。相反,在18.5 a周期變化的潮差極小值出現(xiàn)的年份,枯季鹽水入侵會減輕,水下三角洲侵蝕會減弱,懸沙濃度會降低。

本文雖未給出0.5和18.5 a潮差周期變化對環(huán)境因素影響的直接證據(jù),但上述問題仍值得在今后的研究中引起重視。根據(jù)上述2種周期性的潮差變化可以預見今后的可能影響。例如,2015—2024年間長江口潮差將呈減小趨勢,它將導致鹽水入侵和海底侵蝕相應減弱,懸沙濃度相應降低。