杭州灣年最高潮位時空變化及其抬升原因分析

潘存鴻，鄭 君，吳修廣，陳 剛

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020； 2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020)

近幾十年來，因全球氣候變化、海平面上升和近海高強(qiáng)度人類活動，近海特別是河口海灣年最高潮位出現(xiàn)持續(xù)抬高的趨勢[1-3]。年最高潮位的上升不但直接導(dǎo)致涉海工程設(shè)計高潮位抬高[4]，不利于海洋防災(zāi)，同時還間接引起海岸侵蝕、涌潮和鹽水入侵等其他海洋災(zāi)害[5]。

許多學(xué)者研究了我國沿海地區(qū)最高潮位的變化。盛季達(dá)等[6]研究了長江口可能的最高潮位；Xu等[7]采用GEV分布預(yù)測了吳淞站年最高潮位；聶宇華等[8]預(yù)估了21世紀(jì)末珠江口深圳最高潮位重現(xiàn)期值；蔡永慶等[9]預(yù)測了氣候變化對港口極端高水位重現(xiàn)期的影響，潘存鴻等[10]分析了錢塘江支流曹娥江河口高水位成因及其影響因素；尤愛菊等[11]探討了錢塘江河口年最高潮位的隨機(jī)特性，以及其抬高趨勢[2]。年最高潮位大多數(shù)由臺風(fēng)暴潮引起，因此，有關(guān)學(xué)者研究了氣候、海平面變化等對臺風(fēng)暴潮的影響[1，12-15]。

杭州灣是我國潮汐最強(qiáng)的河口灣，澉浦最大潮差9.15 m(出現(xiàn)在2018年)，年最高潮位主要受天文大潮和臺風(fēng)暴潮雙重作用。由于杭州灣平面呈喇叭形，對潮汐和增水具有聚集作用，年最高潮位遠(yuǎn)高于開敞式海岸；同時，杭州灣兩岸人口眾多，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，已建秦山核電群、杭州灣大橋、東海大橋、嘉興港、嘉興電廠等重大工程，對防潮減災(zāi)提出了更高的要求。本文在文獻(xiàn)[16]基礎(chǔ)上，基于長系列實(shí)測潮位資料，分析杭州灣年最高潮位時空變化規(guī)律及其成因，探討錢塘江河口大規(guī)模治江縮窄、臺風(fēng)變化和海平面上升對年最高潮位的影響。

1 杭州灣概況

杭州灣水域面積約5 500 km2(圖1)，在平面上從下游到上游急劇縮窄，灣口南匯嘴—鎮(zhèn)海斷面寬98 km，上溯98 km至灣頂澉浦?jǐn)嗝?，寬度縮窄到16.5 km，縮窄率達(dá)0.83[17]。

圖1 錢塘江河口杭州灣形勢Fig.1 Qiantang Estuary and Hangzhou Bay

杭州灣存在兩個重要的地貎單元，即杭州灣北岸深槽和南岸庵東灘地，其他水域?yàn)晨谥琳值匦蜗鄬ζ教梗钜话阍?0 m以下。從乍浦向上，發(fā)育錢塘江水下沙坎，地形逐漸抬高，至灣頂澉浦水深小于4 m。

杭州灣潮汐類型，除南岸甬江口附近為不正規(guī)半日潮型外，其余均為正規(guī)半日潮型。兩岸設(shè)有澉浦、乍浦、金山嘴、蘆潮港和鎮(zhèn)海等5個長期潮位站，表1為1988—2017年潮汐特征統(tǒng)計資料[16]。為便于比較，表1還列出了口外岱山站的潮汐特征。由表1可知，東海潮波進(jìn)入杭州灣后，主要受杭州灣平面縮窄和地形抬升的影響，從口門蘆潮港—鎮(zhèn)海—灣頂澉浦高潮位抬高，低潮位下降，潮差增大，漲潮歷時縮短。其中，灣口南岸鎮(zhèn)海站高潮位最低，低潮位最高，潮差最小，漲潮歷時最長。

表1 杭州灣潮汐特征

2 年最高潮位時空變化規(guī)律及成因

2.1 杭州灣年最高潮位時空變化規(guī)律

由于杭州灣年最高潮位受臺風(fēng)影響隨機(jī)性較大，為此對各站年最高潮位進(jìn)行5年滑動平均，見圖2(圖中“5年滑動時間代號”1、2、3、…、63分別代表“1952—1956年”“1953—1957年”“1954—1958年”、…、“2014—2018年”)。表2 為20世紀(jì)和21世紀(jì)各年代各站年最高潮位平均值(表中上升速率為20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)10年代的上升速率)。由圖2和表2可知，無論是杭州灣還是口外岱山站，年最高潮位年際存在一定的波動，即使以年代作為平均仍然存在波動，但上升的總趨勢明顯。杭州灣澉浦、乍浦、金山嘴和鎮(zhèn)海站資料系列最長，21世紀(jì)10年代比20世紀(jì)60年代年最高潮位平均值分別抬升0.85 m、0.82 m、0.62 m和0.55 m，灣口蘆潮港和鎮(zhèn)海、口外岱山站年最高潮位抬升明顯小于灣中和灣頂，21世紀(jì)10年代比20世紀(jì)80年代年最高潮位平均值分別抬升0.28 m、0.40 m和0.22 m，而同期澉浦、乍浦和金山嘴站分別抬升0.53 m、0.45 m和0.42 m。各站年最高潮位波動規(guī)律基本一致，且歷史最高潮位均發(fā)生在1997年，由9711臺風(fēng)造成。

圖2 年最高潮位5年滑動平均變化Fig.2 5-year moving average variation of annual maximum high tide levels

表2 年最高潮位年代變化

對各站年最高潮位5年滑動平均線進(jìn)行線性擬合，灣頂澉浦、灣中乍浦和金山嘴站擬合的相關(guān)系數(shù)均在0.84以上，灣口蘆潮港和鎮(zhèn)海、口外岱山站擬合的相關(guān)系數(shù)也在0.62以上。

以資料系列較長的乍浦站為代表分析其年最高潮位各月出現(xiàn)次數(shù)，其中出現(xiàn)在8月的次數(shù)最多，占39.4%，其次是7月、9月和6月，5月、10月和11月出現(xiàn)次數(shù)較少，而12月至次年4月出現(xiàn)次數(shù)為0，這與文獻(xiàn)[18]的結(jié)果一致。

口外岱山站年最高潮位最低，至杭州灣口鎮(zhèn)海站略有抬高，且灣口北岸蘆潮港站高于南岸鎮(zhèn)海站，向杭州灣上游年最高潮位持續(xù)提升，至澉浦站達(dá)到最高。以21世紀(jì)10年代為例，澉浦站年最高潮位平均值為5.57 m，比灣口北岸蘆潮港站高2.17 m，比灣口南岸鎮(zhèn)海站高2.74 m。

2.2 杭州灣年最高潮位成因

杭州灣大多數(shù)年份都受到臺風(fēng)的影響。根據(jù)1950—2018年實(shí)測資料統(tǒng)計，以杭州灣出現(xiàn)大于0.5 m的風(fēng)暴增水為標(biāo)準(zhǔn)，影響杭州灣的臺風(fēng)共有124次，平均每年1.8次，其中在浙江登陸的有29次，浙江沿海北上、外海轉(zhuǎn)向和浙江以北登陸的有70次，浙江以南登陸的有25次。

年最高潮位由天文潮高潮位和增水疊加組成。臺風(fēng)過境時，常產(chǎn)生風(fēng)暴增水，與天文潮發(fā)生非線性疊加產(chǎn)生非常高潮位。表3為各潮位站前6位年最高潮位發(fā)生日期及相應(yīng)的臺風(fēng)情況，由表3可知：(a) 6個潮位站的前6位年最高潮位均發(fā)生在臺風(fēng)期間，說明風(fēng)暴增水是造成非常年最高潮位不可或缺的因素。(b)澉浦、乍浦、金山嘴和蘆潮港站潮汐強(qiáng)，天文大潮時比小潮高潮位高得多，前6位年最高潮位均發(fā)生在天文大潮期間，說明在強(qiáng)潮區(qū)天文潮大小對年最高潮位的貢獻(xiàn)很大；而弱潮區(qū)，天文潮大小潮高潮位絕對值差異較小，風(fēng)暴增水對造成年最高潮位的貢獻(xiàn)增大，如鎮(zhèn)海站排名第4的年最高潮位發(fā)生在2012年農(nóng)歷六月廿一的中潮期。典型的例子是1956年的5612超強(qiáng)臺風(fēng)，發(fā)生在農(nóng)歷六月廿六的小潮期，風(fēng)暴增水為有記錄以來最大，在強(qiáng)潮區(qū)乍浦站高潮位增水達(dá)3 m以上，但其造成的年最高潮位僅排名第16，而弱潮區(qū)鎮(zhèn)海站的年最高潮位排名為第6。

表3 各潮位站前6位年最高潮位發(fā)生日期及相應(yīng)的臺風(fēng)

以資料系列較長的乍浦站為代表分析杭州灣年最高潮位成因。根據(jù)實(shí)測乍浦站年最高潮位數(shù)據(jù)和相應(yīng)的天文潮高潮位，結(jié)合歷史臺風(fēng)資料，得到1953—2018年年最高潮位中有39年受臺風(fēng)暴潮影響，占59%，其余41%由天文大潮或其他原因造成。統(tǒng)計還發(fā)現(xiàn)，年最高潮位出現(xiàn)在大潮期間的有63年，占95%；出現(xiàn)在中潮期間的為2年；出現(xiàn)在小潮期間的僅有1年，即發(fā)生在5612超強(qiáng)臺風(fēng)期間。上述結(jié)果表明，天文大潮是引起杭州灣年最高潮位最重要的原因，其次為風(fēng)暴增水。

3 年最高潮位影響因素及抬升原因

根據(jù)以上分析，20世紀(jì) 60年代以來杭州灣年最高潮位明顯抬升，引起年最高潮位抬升的因素較多，如涉水工程建設(shè)等人類活動、海平面以及臺風(fēng)等因素。結(jié)合相關(guān)的研究成果[2，16-17]，探討錢塘江河口治江縮窄、風(fēng)暴潮增水和海平面抬升等因素對杭州灣年最高潮位的影響。

3.1 治江縮窄

錢塘江河口從20世紀(jì)60年代以來進(jìn)行了大規(guī)模的治江縮窄[17]工程建設(shè)，至2017年底，在錢塘江河口杭州灣的浙江水域共圍涂約1 350 km2，治江縮窄進(jìn)展見圖1。江道縮窄后，江道容積減小，進(jìn)而進(jìn)潮量減小，引起河床淤積，造成潮汐變化；同時引起潮波反射加劇，進(jìn)而影響潮汐特征[16]。

為分析杭州灣年平均高潮位抬升對年最高潮位的影響，并考慮年最高潮位的隨機(jī)性，圖3給出了年最高潮位5年滑動平均值與年平均高潮位5年滑動平均值的相關(guān)圖。由圖3可知，除杭州灣口外岱山站的相關(guān)系數(shù)略差外(相關(guān)系數(shù)0.66)，其余各站的相關(guān)系數(shù)均在0.84以上，說明年平均高潮位抬升對年最高潮位抬升的作用很大?；陂L系列實(shí)測潮汐資料分析，潘存鴻等[16]得出了錢塘江河口治江縮窄是造成杭州灣年平均高潮位抬升的主要原因，間接說明了錢塘江河口治江縮窄對杭州灣年最高潮位有抬升作用。

圖3 年最高潮位與年平均高潮位5年滑動平均值關(guān)系Fig.3 Relationship chart between 5-year moving average of annual maximum high tide level and annual average high tide level

杭州灣年最高潮位5年滑動平均值與圍涂面積的相關(guān)性見圖4。從圖4可知，靠近杭州灣灣頂?shù)匿髌趾驼终灸曜罡叱蔽?年滑動平均值與圍涂面積的相關(guān)性最好(相關(guān)系數(shù)在0.82以上)，灣中金山嘴站相關(guān)性尚好(相關(guān)系數(shù)為0.76)，而灣口蘆潮港和鎮(zhèn)海站相關(guān)性較差(相關(guān)系數(shù)分別為0.45和0.61)，說明錢塘江河口治江縮窄對杭州灣年最高潮位抬升的影響從上游到下游逐漸減小，且南岸大于北岸，到杭州灣口影響已較小。這與錢塘江河口杭州灣縮窄主要位于金山上游及南岸、蘆潮港還受到上海南匯嘴附近圍涂影響等因素有關(guān)。根據(jù)圖4中各站相關(guān)公式，得到錢塘江河口治江縮窄導(dǎo)致澉浦、乍浦和金山嘴站年最高潮位平均抬升值，分別為0.84、0.79和0.75 m，這與謝亞力等[19]的二維風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果基本一致。

圖4 年最高潮位5年滑動平均值與圍涂面積關(guān)系Fig.4 Relationship between polder area and 5-year sliding average of annual maximum high tide level

3.2 臺風(fēng)暴潮增水

對某一固定位置，臺風(fēng)暴潮增水大小主要取決于兩個因素：一是天文潮潮位。在其他條件相同的情況下，由于天文潮與增水的非線性作用，一般是天文潮越高，增水越??；反之，天文潮越低，增水越大。因此，在臺風(fēng)條件相同的情況下，一般天文潮高潮位附近增水較小，天文潮低潮位附近增水較大。二是臺風(fēng)參數(shù)，包括臺風(fēng)路徑、登陸地點(diǎn)、臺風(fēng)強(qiáng)度、風(fēng)速半徑、移動速度等[20]。

以乍浦站為代表分析年最高潮位增水年際變化規(guī)律。根據(jù)浙江省水文中心實(shí)測年最高潮位和國家海洋中心《潮汐表》中相應(yīng)的天文潮高潮位，分離出1960—2018年年最高潮位的增水值，見圖5。由圖5可知，盡管擬合的增水趨勢線相關(guān)性較差，但仍存在增水隨時間增大的趨勢。表4為不同年代年最高潮位、相應(yīng)的天文潮高潮位和增水的年代平均值。從表4可以看出，增水年代平均值明顯隨年代增大而增大，21世紀(jì)10年代增水年代平均值比20世紀(jì)60年代增大0.49 m。出現(xiàn)年最高潮位的相應(yīng)天文潮高潮位年代平均值也隨年代增大而增大，說明20世紀(jì)60年代以來，因受錢塘江河口治江縮窄等人類活動以及海平面抬升的影響，天文潮高潮位也在不斷提升，這與文獻(xiàn)[16]的結(jié)果一致。

圖5 乍浦站年最高潮位增水Fig.5 Surge for annual maximum high tide levels at Zhapu

表4 乍浦站年代平均值變化

選取臺風(fēng)路徑和強(qiáng)度兩個最重要的臺風(fēng)參數(shù)分析臺風(fēng)參數(shù)對杭州灣年最高潮位增水的作用：(a)臺風(fēng)路徑。對杭州灣有影響的臺風(fēng)大致可分成3類：一是在浙江登陸(包括上海的杭州灣北岸)的臺風(fēng)，往往對杭州灣影響最大；二是浙江沿海北上(包括浙江以北登陸和外海轉(zhuǎn)向)，對杭州灣影響次之；三是浙江以南登陸的臺風(fēng)，對杭州灣影響相對較小。根據(jù)其對杭州灣的影響程度，分別賦值3、2和1分。(b)臺風(fēng)強(qiáng)度。將臺風(fēng)強(qiáng)度分為≥14級、12～13級和≤11級3級，同樣分別賦值3、2和1分。這樣，對杭州灣影響最大的臺風(fēng)最高分為6分。根據(jù)上述規(guī)則，統(tǒng)計乍浦站1960—2018年年最高潮位受臺風(fēng)影響的情況，結(jié)果見表5。由表5可知，20世紀(jì)60年代10個年最高潮位只有兩次受臺風(fēng)影響，并且在浙江登陸為0次，總分只有6分；20世紀(jì)70年代10個年最高潮位有4次受臺風(fēng)影響，并且有1次在浙江登陸，總分為14分，與20世紀(jì)60年代相比，增加了1倍多；20世紀(jì)80年代以來，受臺風(fēng)影響次數(shù)大幅增加，介于6～8次之間，并且每個年代均有臺風(fēng)在浙江登陸，總分為25～34分。另外，因21世紀(jì)10年代統(tǒng)計缺少2019年的數(shù)據(jù)，可能造成總分略偏低。表5中的總分與表4的增水有很好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.88。上述結(jié)果表明，20世紀(jì)80年代以來，造成杭州灣年最高潮位的臺風(fēng)次數(shù)及不利路徑增多，并且強(qiáng)度也增大。

另外，杭州灣治江縮窄除影響高潮位外，還影響杭州灣上游段增水的大小?？蓱?yīng)用格林定律來解釋杭州灣縮窄后增水增大的機(jī)理，格林公式[16]為

(1)

式中：ΔZ——增水；h——水深；b——河寬； 0——參考位置，取杭州灣口門處；x——任意位置。

ΔZx=αΔZ0

(2)

由于格林公式?jīng)]有考慮摩擦阻力等的影響，因此，直接應(yīng)用格林公式計算增水結(jié)果偏大，并且越接近灣頂偏大越多。錢塘江河口杭州灣縮窄后，不但各斷面河寬減小，同時因河床淤積水深也減小，沿程河寬縮窄率和河床抬升率更大，因此，縮窄后α比縮窄前增大。根據(jù)格林公式，在杭州灣口增水相同且不考慮局部風(fēng)場的條件下，上游各斷面增水縮窄后比縮窄前增大，且越往上游增大越多，金山、乍浦和澉浦?jǐn)嗝婵s窄后α比縮窄前分別增大1.09、1.11和1.19倍[16]。該結(jié)果與文獻(xiàn)[19]的二維風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果在定性上一致。

3.3 海平面上升對杭州灣年最高潮位的影響

20世紀(jì)80年代以來，全球海平面呈波動上升趨勢[5，21]。根據(jù)《2018年浙江省海洋災(zāi)害公報》[22]，1980—2018年浙江沿海海平面平均上升速率為3.4 mm/a，高于同期全國沿海平均速率3.3 mm/a。浙江沿海海平面是根據(jù)浙江沿海10余個潮位站的海平面數(shù)據(jù)平均得到的，其既受大范圍太平洋海平面抬升的影響，又受鄰近海域特別是本海域氣象因素及涉海工程建設(shè)的影響。杭州灣海平面作為浙江沿海平均海平面的一部分，兩者呈較好的正相關(guān)關(guān)系，浙江沿海平均海平面的抬升必然引起杭州灣海平面以及高潮位的抬升[16]。陳美榕等[3]應(yīng)用上海沿海6個潮位站(其中蘆潮港和灘滸2個站位于杭州灣內(nèi))的長系列實(shí)測潮汐資料分析，認(rèn)為平均高潮位與平均海平面呈正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)杭州灣口及口外長系列實(shí)測潮位資料分析，年平均高潮位的抬升值大約是年平均海平面抬升值的2倍。據(jù)此估計，1980—2018年浙江沿海平均海平面上升12.9 cm，假設(shè)杭州灣口平均海平面上升值與此相同，則杭州灣年平均高潮位抬升25.8 cm，進(jìn)而造成年最高潮位的抬升。事實(shí)上，由于杭州灣喇叭形的平面形狀，杭州灣上游的抬升值要大于杭州灣口[16]。

4 結(jié) 論

a.杭州灣年最高潮位時空變化。杭州灣年最高潮位存在灣口低、向上游逐漸增大、至灣頂澉浦站達(dá)到最大的平面分布規(guī)律。20世紀(jì)60年代以來，杭州灣年最高潮位明顯抬升。從20世紀(jì)80年代以來，杭州灣年最高潮位上升速率為0.95～1.84 cm/a，且灣頂大于灣中，灣中大于灣口。年最高潮位出現(xiàn)在8月的次數(shù)最多，占39.4%，其次是7月、9月和6月。

b.杭州灣年最高潮位成因?；谡终?953—2018年年最高潮位統(tǒng)計分析，有39年受臺風(fēng)暴潮影響，占59%，其余41%由天文大潮或其他原因造成。年最高潮位出現(xiàn)在大潮期的有63年，占95%；出現(xiàn)在中、小潮期的僅有3年。說明天文大潮是引起杭州灣年最高潮位最重要的因素，其次為風(fēng)暴增水。潮汐越強(qiáng)，造成年最高潮位的天文大潮貢獻(xiàn)越大，反之，風(fēng)暴增水的貢獻(xiàn)越大。歷史排名前6位的杭州灣各站非常年最高潮位均受臺風(fēng)影響，說明風(fēng)暴增水是造成非常年最高潮位不可或缺的因素。

c.影響杭州灣年最高潮位的因素。年最高潮位由天文潮高潮位和增水構(gòu)成，治江縮窄一方面引起天文潮高潮位抬升，另一方面引起增水增大；20世紀(jì)80年代以來，臺風(fēng)強(qiáng)度增大和不利臺風(fēng)路徑增多也引起增水增大；平均海平面上升加劇了杭州灣年最高潮位的抬升。