中國(guó)東海岸港口潮位高頻擾動(dòng)現(xiàn)象分析

馮 曦，馮 輝，徐 嘯，楊逸凡

(1.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098；3.奧克蘭大學(xué) 土木與環(huán)境工程系，奧克蘭 1023)

在地形、氣象、波浪等條件的共同作用下，實(shí)測(cè)潮位往往和預(yù)測(cè)潮位(純天文潮位)之間有偏差。通常把實(shí)測(cè)潮位與預(yù)測(cè)潮位之間的差值稱為潮位剩余值。例如，風(fēng)暴增水就是一種極具危害性的潮位剩余值。一般意義上風(fēng)暴增水是指在向岸風(fēng)的長(zhǎng)時(shí)間作用下，外海水體向岸移動(dòng)又受到海岸阻擋，引起局部水位相比正常條件下的天文潮位有增高的現(xiàn)象。潮位高頻擾動(dòng)雖經(jīng)常伴隨著風(fēng)暴潮壅水的特征，但不同于風(fēng)暴潮事件，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為潮位的高頻擾動(dòng)與氣旋本身沒有直接聯(lián)系。風(fēng)暴潮范圍一般較大，常常是數(shù)十公里乃至數(shù)百公里，而周期往往大于24 h；而潮位的高頻擾動(dòng)往往只產(chǎn)生局地水位震蕩現(xiàn)象，從而導(dǎo)致人們“經(jīng)驗(yàn)性預(yù)判”的失效[1-9]，給港口海岸高水位預(yù)警預(yù)報(bào)帶來(lái)不確定性。

彭暢等、劉刻福[1-2]認(rèn)為這種異常擾動(dòng)是地形突然束窄造成的潮位突然上漲和潮流激增。修日晨[3]將潮位剩余值視為諧振潮波，用地形共振來(lái)解釋潮位的突然上漲。例如，港灣共振就是一種由大氣擾動(dòng)引發(fā)的異常高潮位現(xiàn)象，在港內(nèi)波高會(huì)異常增大，這種現(xiàn)象在我國(guó)南黃海經(jīng)常發(fā)生[4-5]。袁捷等[6]和XIE等[7]認(rèn)為潮位高頻擾動(dòng)現(xiàn)象是天文潮、洋流和氣象因素共同作用所造成的潮位突變現(xiàn)象。此外，在世界其他地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了天文潮-氣象增水的交互作用。Feng等[8]發(fā)現(xiàn)在南大西洋灣的近岸地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)的潮位擾動(dòng)主要源自南大西洋灣氣象增水和地形共振。Olabarrieta等[9]在分析墨西哥灣的實(shí)測(cè)潮位時(shí)，發(fā)現(xiàn)海平面出現(xiàn)一種類似畸形波的波面特征。該水位擾動(dòng)周期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力波，但同時(shí)普遍小于6 h。Olabarrieta等發(fā)現(xiàn)這種潮位高頻擾動(dòng)過(guò)程是由低氣壓觸發(fā)的突發(fā)高水位現(xiàn)象。類似的事件在世界各地都有報(bào)道，比如美國(guó)東海岸特別是河口海岸地形復(fù)雜的切薩皮克灣、地中海等，嚴(yán)重的還會(huì)誘發(fā)港灣共振。Monserrat等[10]認(rèn)為這種異常高水位現(xiàn)象源于一種外海的正壓波傳播到近岸地區(qū)，與地形產(chǎn)生共振效應(yīng)而導(dǎo)致的振幅放大，水位抬升。其中，1979年日本Nagasaki海灣由氣象海嘯引發(fā)的港灣共振現(xiàn)象據(jù)分析是由黃海上空的突發(fā)低氣壓以31 m/s的速度向東行進(jìn)過(guò)程中，觸發(fā)了Proudman共振所引起的。

在南黃海海域，潮流系統(tǒng)主要由東海前進(jìn)波和黃海旋轉(zhuǎn)波構(gòu)成，在輻射沙洲頂端形成類駐波，潮波振幅大[11-12]。潮波在向岸前行過(guò)程中，或受到氣象因素的擾動(dòng)，發(fā)生波波交互作用?；蚴苌臣沟匦蔚募s束，或在潮流水道里壅積，當(dāng)海水堆積速度過(guò)快，超出某一限度時(shí)，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)局部急流和水位急漲。在該地區(qū)，遼闊的沙洲使得這里漁業(yè)和灘涂養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)；同時(shí)，天然的深槽水道為該地區(qū)港口物流業(yè)提供了有利的發(fā)展條件。然而，這里的潮位預(yù)測(cè)經(jīng)常面臨挑戰(zhàn)。俗稱“怪潮”的潮位異常增高現(xiàn)象經(jīng)常來(lái)去迅猛，且危險(xiǎn)性很強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自20世紀(jì)50年代以來(lái)已在江蘇沿海地區(qū)造成了多起海難事故[2]?！肮殖薄钡某掷m(xù)時(shí)間幾分鐘到幾小時(shí)不等，屬于潮位高頻擾動(dòng)過(guò)程。潮位高頻擾動(dòng)是否為南黃海獨(dú)特的潮汐現(xiàn)象，潮位高頻擾動(dòng)現(xiàn)象與氣象因子的關(guān)聯(lián)性，目前仍然未知。因此，研究潮位高頻擾動(dòng)現(xiàn)象有著緊迫的現(xiàn)實(shí)需求和重要的應(yīng)用價(jià)值。本研究嘗試從歷史資料出發(fā)，首先研究潮位高頻擾動(dòng)現(xiàn)象在中國(guó)東部海岸幾大港口的分布特征，其次探索潮位高頻擾動(dòng)現(xiàn)象與氣象因子之間的關(guān)聯(lián)性。既為“潮位高頻擾動(dòng)”的研究積累經(jīng)驗(yàn)，也為港口海岸高水位及其災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)警探索新的途徑。

1 數(shù)據(jù)資料

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文的數(shù)據(jù)主要分為潮位數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。潮位數(shù)據(jù)采用Permanent Service for Mean Sea Level(PSMSL)提供的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)。其中，PSMSL數(shù)據(jù)庫(kù)提供呂四、石臼所、坎門、連云港、廈門5個(gè)測(cè)站多年觀測(cè)的實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍為1975年1月～1997年12月，時(shí)間間隔為1 h(測(cè)站位置見圖1)。氣象數(shù)據(jù)主要采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供的ERA-Interim數(shù)據(jù)庫(kù)，包括海平面以上10 m風(fēng)場(chǎng)和平均海平面氣壓。風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)數(shù)據(jù)為自1979年開始不斷更新的全球大氣再分析數(shù)據(jù)，空間上采用最高精度0.125°×0.125°，時(shí)間精度為6 h。為了彌補(bǔ)ERA-Interim時(shí)間精度的不足，對(duì)于1992～1997年的數(shù)據(jù)分析，本文采用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心(NCEP)提供的氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)再分析(CFSRv1)數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)空間精度為0.2°×0.2°，時(shí)間精度為1 h。

1.2 事件定義

本文利用T-tide工具，從實(shí)測(cè)潮位資料中分離出天文潮的低頻信號(hào)，從而得到潮汐剩余值作為分析潮位高頻擾動(dòng)現(xiàn)象的基礎(chǔ)。根據(jù)Olabarrieta等[9]在墨西哥灣分析潮位高頻擾動(dòng)的過(guò)程，本文將潮位高頻擾動(dòng)周期的上限設(shè)為6 h(接近淺水分潮周期)，采用PL64濾波器[13]，從潮汐剩余值中過(guò)濾得到周期小于6 h的高頻信號(hào)。潮位剩余值所造成的海水異常升高的幅度和時(shí)間維度上的提前程度，決定了其致災(zāi)性。因此，觀測(cè)潮位在波形上具有漲潮快、潮時(shí)提前、潮位偏高的特點(diǎn)[2-8]。因此，本文分別從高頻擾動(dòng)的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、觀測(cè)潮位增水的高度、潮時(shí)提前的程度四方面進(jìn)行臨界值的設(shè)定，以量化一次典型的潮位高頻擾動(dòng)事件。

1-a 高頻水位擾動(dòng)過(guò)程及波高1-b 潮汐剩余值和風(fēng)暴增水值

1-c 實(shí)測(cè)水位與預(yù)測(cè)水位的對(duì)比1-d 實(shí)測(cè)天文潮與預(yù)測(cè)天文潮之間的相位差圖1 潮位高頻擾動(dòng)的水位特征Fig.1 The characteristics in the water level time series of high-frequent tidal level oscillation event

本文從高頻信號(hào)上計(jì)算高頻擾動(dòng)的波高(圖1-a)，記為H，單位為m。H越大，代表水位波動(dòng)越大。為定義一次事件的起始和終止，本文以累計(jì)頻率0.5%大波波高H0.5%作為閾值，先篩選出大于閾值的片段(H>H0.5%)，再利用多年高頻擾動(dòng)潮汐剩余值的標(biāo)準(zhǔn)差σH，從片段的兩端(H=H0.5%)出發(fā)，找到至H連續(xù)大于等于兩倍σH的時(shí)段(實(shí)線段)作為一次潮位高頻擾動(dòng)事件的過(guò)程。一次潮位高頻擾動(dòng)總歷時(shí)記為t，單位為min。t越小，代表潮位高頻擾動(dòng)的發(fā)生和消退越突然。

由于潮位高頻擾動(dòng)發(fā)生時(shí)往往伴隨著潮位增高的特點(diǎn)，本文選用臨界周期為25 h，從潮汐剩余值中過(guò)濾得到低頻增減水信號(hào)，又稱風(fēng)暴增減水(圖1-b)，記為Δz，單位為m。潮位增高時(shí)，Δz大于0(圖1-c)。為滿足潮時(shí)提前的特點(diǎn)，本文從實(shí)測(cè)潮位中減去低頻增減水信號(hào)，將所得的時(shí)間過(guò)程線與預(yù)測(cè)的天文潮位對(duì)比，記二者相位差為Δphase，單位為min。當(dāng)Δphase>0時(shí)，潮位提前(圖1-d)。本文采用Δphase>10 min，Δz≥0.2 m篩選出可能成災(zāi)的潮位高頻擾動(dòng)現(xiàn)象，并定義兩次獨(dú)立事件的時(shí)間間隔大于48 h。

2 潮位高頻擾動(dòng)時(shí)空分布

2.1 潮位高頻擾動(dòng)發(fā)生數(shù)量時(shí)空分布

根據(jù)1975～1997年的實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)，3月、8月、9月是潮位高頻擾動(dòng)高發(fā)的月份，其中3月份潮位高頻擾動(dòng)累計(jì)64次，為各月最多(圖2-a)；5～7月是低發(fā)的月份，6月份僅發(fā)生18次潮位高頻擾動(dòng)事件，為各月最少。從潮位高頻擾動(dòng)總量的年際分布(圖2-b)可以看出：最少的年份是1981年共7次，最多的年份是1987年高達(dá)46次。1981～1987年的8 a間，潮位高頻擾動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生次數(shù)持續(xù)增長(zhǎng)，并在1987年達(dá)到峰值。

連云港的潮位高頻擾動(dòng)事件最多，達(dá)到160次；其次是石臼所，110次；呂四、坎門、廈門的潮位高頻擾動(dòng)事件數(shù)量分別是69次、61次、57次。各測(cè)站潮位高頻擾動(dòng)事件月際分布(圖3-a)具有不同特點(diǎn)。石臼所潮位高頻擾動(dòng)事件呈雙峰分布，冬夏多，春秋少。連云港潮位高頻擾動(dòng)月際分布差異最小。除廈門外，3月或9月是各測(cè)站潮位高頻擾動(dòng)發(fā)生最頻繁的月份。除連云港，5月或6月是潮位高頻擾動(dòng)的低發(fā)期。

3-a 月際分布3-b 年際分布圖3 各測(cè)站潮位高頻擾動(dòng)事件Fig.3 Monthly distribution and yearly distribution of high-frequency tidal oscillations at each station

各測(cè)站潮位高頻擾動(dòng)事件年際分布差異較大(圖3-b)。石臼所潮位高頻擾動(dòng)事件年際差異最小。連云港年際分布差異最大，超過(guò)半數(shù)的事件集中于1984～1988年5 a間，占到了連云港事件總數(shù)的56.7%，1987年事件數(shù)量更高達(dá)27次。在1987年與連云港靠近的兩個(gè)測(cè)站，即呂四、石臼所事件數(shù)量未有異常，而與連云港距離較遠(yuǎn)的兩個(gè)測(cè)站，即廈門、坎門與其他年份相比事件數(shù)偏高。呂四站1994年出現(xiàn)12次潮位高頻擾動(dòng)事件，比事件數(shù)量第二多的年份1976年多出一倍。1981年各測(cè)站發(fā)生的潮位高頻擾動(dòng)事件普遍很少，均在1～2次。

2.2 潮位高頻擾動(dòng)特性空間分布

不同地區(qū)潮位高頻擾動(dòng)期間的潮位升高量Δz有著明顯的差異(圖4-a)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)：在廈門、坎門、石臼所三個(gè)測(cè)站Δz均不超過(guò)1.3 m，而在連云港Δz最大值達(dá)到1.69 m，在呂四站Δz最大值達(dá)到1.75 m。在各測(cè)站，Δz<1.1 m的概率均大于94%，而呂四站Δz<1.1 m的概率僅有79.7%，在呂四站1.1 m<Δz<1.3 m的情況占到了12.5%，1.5 m≤Δz<1.8 m的情況占到了7.8%。可見呂四站Δz整體上明顯大于其他測(cè)站。

不同測(cè)站的潮時(shí)相位差Δphase的頻率分布(圖4-b)具有如下特征：廈門、坎門Δphase<15 min的情況大于50%，在石臼所Δphase<15 min的情況也占到48.9%，Δphase<25 min的情況在廈門、坎門、石臼所分別占到了4.0%、4.26%、11.7%，在連云港和呂四則達(dá)到了23.0%和19.7%。在連云港和呂四，Δphase>40 min比率分別達(dá)到2.0%和 4.9%，而在其他3個(gè)測(cè)站Δphase>40 min的情況不存在?？芍?，連云港和呂四的Δphase從整體上明顯大于其他3個(gè)測(cè)站。

潮位高頻擾動(dòng)的持續(xù)時(shí)間t在各測(cè)站的頻率分布(圖4-c)顯示：t<3 d的情況在各測(cè)站均占主導(dǎo)，占比從83.6%到95.6%不等。除廈門外，其他測(cè)站t均集中于0.5～1 d。圖4-d反映了各測(cè)站的潮位高頻擾動(dòng)強(qiáng)度ε的頻率分布。廈門地區(qū)的潮位高頻擾動(dòng)能量最大，江蘇海岸次之，山東石臼所潮位高頻擾動(dòng)強(qiáng)度最小，單次最大強(qiáng)度εmax僅為116.0 J/m2，是5個(gè)測(cè)站中最小的。ε≤25 J/m2的情況占到所有事件的88.2%。

在世界其他地區(qū)，由氣象海嘯引發(fā)的大氣擾動(dòng)所產(chǎn)生的波能平均約100 J/m2。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在廈門、呂四、連云港ε≥100 J/m2的比率分別達(dá)到57.9%、21.7%、18.8%，而在坎門和石臼所僅有3.3%和0.9%。在呂四ε≥100 J/m2的占比雖小于廈門、連云港，但單次潮位高頻擾動(dòng)強(qiáng)度最大可達(dá)326.9 J/m2，高于連云港(εmax=287.2 J/m2)、廈門(εmax=275.5 J/m2)、坎門(εmax=232.1 J/m2)。各測(cè)站波能超出160 J/m2的超強(qiáng)潮位高頻擾動(dòng)事件統(tǒng)計(jì)如下：廈門5次，占比8.8%；連云港5次，占比3.1%；呂四4次，占比6.0%；坎門1次，占比1.7%；石臼所0次。

4-a 潮位升高量4-b 潮時(shí)相位差

4-c 高頻擾動(dòng)的持續(xù)時(shí)間4-d 高頻擾動(dòng)強(qiáng)度圖4 各測(cè)站潮位高頻擾動(dòng)的特征參數(shù)分布Fig.4 Spatial distribution of the characteristics of high-frequency tidal oscillations

3 討論

3.1 跨區(qū)域成災(zāi)的潮位高頻擾動(dòng)事件

上述統(tǒng)計(jì)的大部分潮位高頻擾動(dòng)事件為局地事件，持續(xù)時(shí)間也較短。但也有少部分潮位高頻擾動(dòng)事件持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且跨區(qū)域成災(zāi)。本文將不同測(cè)站在48 h內(nèi)先后發(fā)生的潮位高頻擾動(dòng)事件定義為跨測(cè)站持續(xù)成災(zāi)的潮位高頻擾動(dòng)事件，并探討其發(fā)生時(shí)所伴隨的氣象因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1979～1997年間的跨測(cè)站潮位高頻擾動(dòng)事件共計(jì)48次。表1統(tǒng)計(jì)了跨測(cè)站成災(zāi)的潮位高頻擾動(dòng)事件發(fā)生的性質(zhì)。在石臼所—連云港一帶海域，從靠近江蘇海岸的內(nèi)陸向東或東北方向移動(dòng)發(fā)展的溫帶氣旋占主導(dǎo)(圖5)。而自連云港以南，熱帶氣旋在跨海域成災(zāi)事件中的占比逐漸占優(yōu)(圖6)。在一次事件中，有數(shù)條溫帶氣旋先后發(fā)生的情形，而相反同一條臺(tái)風(fēng)路徑則會(huì)引發(fā)多次跨域事件。因此氣旋的數(shù)目與跨域潮位高頻擾動(dòng)事件并不重合。例如，在13次熱帶氣旋事件中，僅有9條熱帶氣旋在潮位高頻擾動(dòng)發(fā)生期間經(jīng)過(guò)黃海海域，分別是1985年Mamie臺(tái)風(fēng)、1987年Alex臺(tái)風(fēng)、1990年的Abe臺(tái)風(fēng)以及1990年的Yancy臺(tái)風(fēng)。其余事件多數(shù)伴隨副熱帶高壓東移或南移，極個(gè)別伴隨著東部海域的反氣旋而生。在無(wú)氣旋伴隨的組次中并未發(fā)現(xiàn)明顯的極端天氣現(xiàn)象。

表1 跨區(qū)域連續(xù)發(fā)生潮位高頻擾動(dòng)事件Tab.1 Statistics of cross-area events of high-frequency tidal oscillations

圖5 伴隨跨域潮位高頻擾動(dòng)發(fā)生的溫帶氣旋路徑Fig.5 Tracks of extra-tropical cyclones accompanied with the high-frequency tidal oscillations across-stations

3.2 氣旋對(duì)潮位高頻擾動(dòng)特性參數(shù)的影響

筆者將跨區(qū)域成災(zāi)的48次潮位高頻擾動(dòng)事件按照是否受到氣旋影響分成兩類，并比較兩類事件的潮位高頻擾動(dòng)特征參數(shù)△z、△phase、ε和t的分布特征。圖7中，虛線代表有氣旋伴隨，實(shí)線代表無(wú)氣旋伴隨。潮位高頻擾動(dòng)的持續(xù)時(shí)間概率密度顯示(圖7-a)，在不受氣旋影響時(shí)，潮位高頻擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間跨度在0.5～4 d；受到氣旋影響時(shí)，潮位高頻擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間跨度在0～6.5 d。兩者比較，峰值均在1 d左右，沒有變化；但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的潮位高頻擾動(dòng)事件在氣旋伴隨下增多。

潮時(shí)相位差△phase概率密度顯示(圖7-b)，不論是否受到氣旋的影響，△phase的峰值都在15 min附近，且都集中分布于10～20 min。但不受氣旋影響時(shí)，△phase最大值不超過(guò)40 min，而受到氣旋影響時(shí)，△phase在40～50 min區(qū)間內(nèi)仍有較高的占比。潮位高頻擾動(dòng)致災(zāi)的主要緣由是漲潮提前，可以推測(cè)，在氣旋誘發(fā)下，個(gè)別潮位高頻擾動(dòng)事件致災(zāi)程度較高。

圖6 伴隨跨域潮位高頻擾動(dòng)發(fā)生的熱帶氣旋路徑Fig.6 Tracks of tropical cyclones accompanied with the high-frequency tidal oscillations across-stations

7-a 持續(xù)時(shí)間概率分布7-b 潮時(shí)相差概率分布7-c 增水概率分布7-d 波能概率分布圖7 潮位高頻擾動(dòng)特征參數(shù)在有無(wú)氣旋影響下的概率密度分類統(tǒng)計(jì)Fig.7 Probability density distribution of characteristics of high-frequency tidal oscillations associated with and without tropical cyclones

對(duì)比兩種境況下的增水概率密度曲線(圖7-c)，發(fā)現(xiàn)在受到氣旋影響時(shí)，潮位高頻擾動(dòng)伴隨的增水△z整體偏高。受到氣旋影響時(shí)，增水△z集中于0.3～1.1 m區(qū)間，峰值可達(dá)0.6 m。當(dāng)不受氣旋影響時(shí)，△z主要集中于0.2～0.6 m之間，峰值僅為0.38 m。但兩者相比，有氣旋時(shí)，△z峰值提高，跨度變窄。潮位高頻擾動(dòng)的潮能ε概率分布(圖7-d)顯示：受氣旋影響時(shí)，ε的峰值為65 J/m2，極值為174 J/m2；不受到氣旋的影響，峰值在45 J/m2，極值可超出250 J/m2。

3.3 潮位高頻擾動(dòng)與氣象特性參數(shù)

在1975～1997年期間，有再生氣象數(shù)據(jù)的時(shí)段為1979～1997年的實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)。為了進(jìn)一步排查氣象因素與潮位高頻擾動(dòng)之間的關(guān)系，本文針對(duì)這部分時(shí)段，建立了各測(cè)站氣象要素(包括海平面氣壓異常值與海平面以上10 m風(fēng)速)與潮位高頻擾動(dòng)相關(guān)的物理變量之間的相關(guān)分析(如圖8所示)。在圖8的散點(diǎn)圖矩陣中，每個(gè)子圖的橫坐標(biāo)從左到右分別代表每次潮位高頻擾動(dòng)事件中風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差、平均風(fēng)速、東西向風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差、東西向風(fēng)速的平均值、南北向風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差、南北向風(fēng)速的平均值、高頻風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差、高頻風(fēng)速的平均值、高頻風(fēng)速的最大波高及其平均波高；每個(gè)子圖的縱坐標(biāo)自上而下分別代表潮汐剩余值的標(biāo)準(zhǔn)偏差、潮汐剩余值的平均值、剩余值高頻擾動(dòng)部分的標(biāo)準(zhǔn)偏差、剩余值高頻擾動(dòng)部分平均值、剩余值高頻擾動(dòng)部分的最大波高及其平均波高；測(cè)站由不同圖例區(qū)分。標(biāo)準(zhǔn)偏差則用來(lái)代表風(fēng)速或水位中擾動(dòng)信號(hào)的劇烈程度。

由圖可見，各地的風(fēng)場(chǎng)與水位的高頻擾動(dòng)信號(hào)之間相關(guān)程度不高。各地潮汐剩余值的高頻擾動(dòng)強(qiáng)度有著分明的層次：石臼所最低，坎門次之，其他3個(gè)測(cè)站則較強(qiáng)。以廈門為代表的風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差與潮汐剩余值高頻擾動(dòng)的振幅有一定的正比關(guān)系，而這一關(guān)系在石臼所和坎門并沒有得到很好的表達(dá)。但對(duì)于所有測(cè)站，潮汐剩余值的總標(biāo)準(zhǔn)偏差和風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差之間確實(shí)存在一定的正比關(guān)系(見矩陣中左上角第一個(gè)子圖)。這說(shuō)明，風(fēng)速的不穩(wěn)定性(如，氣旋、寒潮以及局地風(fēng)引起的瞬變風(fēng))是引起潮位高頻擾動(dòng)期間潮汐水位擾動(dòng)的主要原因之一。

注:向東風(fēng)向?yàn)檎?向西風(fēng)向?yàn)樨?fù);向北風(fēng)向?yàn)檎?向南風(fēng)向?yàn)樨?fù)。圖8 風(fēng)場(chǎng)與潮汐剩余值的矩陣散點(diǎn)圖Fig.8 Matrix of cross-plots of the wind speeds and tidal residuals

圖9重點(diǎn)探索了氣壓場(chǎng)與潮汐剩余值之間的關(guān)系。圖9的結(jié)論與圖8類似，潮汐剩余值的高頻擾動(dòng)與各地的氣壓場(chǎng)相關(guān)程度同樣不高。但對(duì)于所有測(cè)站，潮汐剩余值的總標(biāo)準(zhǔn)偏差和氣壓場(chǎng)異常值的標(biāo)準(zhǔn)偏差正相關(guān)(見矩陣中左上角第一個(gè)子圖)。這表明氣壓場(chǎng)的不穩(wěn)定性(如氣旋、副熱帶高壓過(guò)境時(shí)所伴隨的氣壓震蕩)也會(huì)誘發(fā)潮位高頻擾動(dòng)期間的水位擾動(dòng)。結(jié)合圖9可以發(fā)現(xiàn)雖然氣壓和風(fēng)場(chǎng)的變化引起了潮汐剩余值的波動(dòng)，但氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的變化所引起的潮汐剩余值的擾動(dòng)并不與潮位高頻擾動(dòng)的強(qiáng)度相關(guān)。潮汐剩余值平均水平也與各地氣壓異常值呈現(xiàn)出良好的負(fù)相關(guān)性?？梢酝茰y(cè)，與氣象場(chǎng)有直接物理聯(lián)系的潮汐剩余值擾動(dòng)主要是低頻的。例如，有氣旋伴隨時(shí)發(fā)生的風(fēng)暴增水現(xiàn)象，而氣象因子和潮位高頻擾動(dòng)本身沒有直接相關(guān)性。

圖9 氣壓異常值與潮汐剩余值的矩陣散點(diǎn)圖Fig.9 Matrix of cross-plots of the air pressure anomalies and tidal residuals

10-a 潮汐剩余值高頻信號(hào)與天氣因子高頻信號(hào)的相關(guān)性10-b 潮汐剩余值全頻率信號(hào)與天氣因子全頻率信號(hào)的相關(guān)性圖10 風(fēng)速、氣壓異常值與潮汐剩余值之間的相關(guān)關(guān)系Fig.10 Correlation between wind speed or air pressure anomalies and tidal residuals

圖10進(jìn)一步量化了潮位高頻擾動(dòng)期間潮汐剩余值與天氣因子之間的相關(guān)性。圖10-a繪制了潮汐剩余值高頻信號(hào)與天氣因子高頻信號(hào)的相關(guān)性。圖10-b繪制了潮汐剩余值全頻率信號(hào)與天氣因子全頻率信號(hào)的相關(guān)性。圖10中與氣壓的相關(guān)系數(shù)用方塊表示；與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)用圓點(diǎn)表示。潮汐剩余值高頻信號(hào)的強(qiáng)度自北向南依次遞增，但總體不超過(guò)0.1 m。潮汐剩余值高頻擾動(dòng)信號(hào)平均強(qiáng)度與風(fēng)速的高頻信號(hào)、氣壓異常值的高頻信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)大多集中在0.1～0.3，最大僅達(dá)0.51。相比而言，圖10-b中潮汐剩余值(含低頻信號(hào))與風(fēng)速、氣壓異常值的相關(guān)性要略大，主要集中在0.4～0.6，在坎門測(cè)站最大可達(dá)0.7。

4 結(jié)論

潮位高頻擾動(dòng)表現(xiàn)為觀測(cè)潮位出現(xiàn)周期小于分潮周期的水位震蕩現(xiàn)象，且潮位高頻擾動(dòng)在伴隨低頻增水時(shí)，危險(xiǎn)性增大，給港口海岸的潮位預(yù)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)工作帶來(lái)困難。本文根據(jù)前人量化潮位高頻擾動(dòng)的方法，結(jié)合觀測(cè)潮位的致災(zāi)性特征(潮位增加、潮時(shí)提前)，參數(shù)化并分析了中國(guó)東海岸潮位高頻擾動(dòng)現(xiàn)象的分布特征。通過(guò)分析中國(guó)東海岸石臼所、連云港、呂四、坎門及廈門5個(gè)測(cè)站的觀測(cè)潮位，發(fā)現(xiàn)中國(guó)東海岸潮位高頻擾動(dòng)是一種普遍存在的現(xiàn)象，而并非南黃海輻射沙洲地區(qū)所獨(dú)有，而之所以潮位高頻擾動(dòng)在南黃海聞名，可能與該地區(qū)(以呂四港為例)潮灘寬廣、灘涂量多有關(guān)。通過(guò)本文對(duì)氣象因子的排除，在后續(xù)研究中將致力于探索潮位高頻擾動(dòng)強(qiáng)度與上述測(cè)站所在不同地形條件之間的相關(guān)性，例如潮波與地形之前的共振作用[14-15]。本文研究得出的結(jié)論主要有：

(1)潮位高頻擾動(dòng)的高發(fā)期是3月和9月，低發(fā)期是5月和6月。

(2)潮位高頻擾動(dòng)的潮波特征，特別是強(qiáng)度，因地而異。

(3)大部分潮位高頻擾動(dòng)是局地事件，少部分潮位高頻擾動(dòng)跨區(qū)域發(fā)生；跨區(qū)域潮位高頻擾動(dòng)事件有一半以上伴隨著氣旋的過(guò)境。

(4)潮位高頻擾動(dòng)的強(qiáng)度(高頻擾動(dòng)信號(hào))與同頻率的氣象因子之間相關(guān)性不明顯，且有地域差異性；潮位高頻擾動(dòng)的強(qiáng)度可能與地形引起的水波非線性作用相關(guān)。