過去40年天津沿海海平面變化研究

張 琪, 陳燕珍, 牛福新, 李希彬, 王魯寧, 靳玉丹

(國家海洋局天津海洋環(huán)境監(jiān)測中心站,天津 300457)

引 言

隨著氣候變暖的影響,全球海平面變化呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢。2019年中國海平面公報[1]顯示:1980—2019年中國沿海海平面上升速率為3.4 mm/a,高于同時段全球平均水平;過去10年天津沿海平均海平面處于近40年來高位。2019年,中國沿海海平面較常年高72 mm,為1980年以來第三高。海平面上升增加了沿海地區(qū)的淹沒風(fēng)險,同時加劇了沿海地區(qū)洪澇災(zāi)害[2]、海岸侵蝕[3-4]、海水入侵[5]等災(zāi)害。

天津濱海新區(qū)位于天津市東部臨海地帶,規(guī)劃面積2 270 km2。海平面上升對天津沿岸的主要影響之一是風(fēng)暴潮災(zāi)害,海平面上升后,抬升了風(fēng)暴潮增水的基礎(chǔ)水位,風(fēng)暴潮高潮位相應(yīng)提高,水深增大,波浪作用增強,河流排水受阻,在一定天氣因素的作用下,將加大風(fēng)暴潮的致災(zāi)程度。近幾年因風(fēng)暴潮和天文潮高潮位疊加導(dǎo)致海平面上升的事件主要有:201909號臺風(fēng)“利奇馬”登陸后,一路北上,受臺風(fēng)外圍系統(tǒng)影響,天津沿海出現(xiàn)了60～160 cm的增水,疊加天文潮高潮位,塘沽海洋環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測到了超過風(fēng)暴潮黃色警戒潮位22 cm的高潮位;2018年8月15日下午起,天津沿海受201814號臺風(fēng)“摩羯”變性后的溫帶氣旋和冷空氣共同影響,出現(xiàn)了60～120 cm的增水,塘沽海洋環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測到了超過風(fēng)暴潮藍色警戒潮位21 cm的高潮位。

關(guān)于沿海城市海平面的變化情況,前人做了很多工作[6-9]。在全球海平面上升的大背景下,研究天津海域附近海平面變化特征對于人民生產(chǎn)生活安全、海洋防災(zāi)減災(zāi)都有十分重要的意義。本文通過分析天津沿海潮汐多年來的變化特征,結(jié)合衛(wèi)星高度計資料研究分析了天津沿海海平面的變化,以期為相關(guān)部門防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源

本研究資料主要來源于國家海洋局塘沽海洋環(huán)境監(jiān)測站1980—2019年的逐時潮位資料,高度計資料采用法國空間局(AVISO)提供的多衛(wèi)星融合數(shù)據(jù),采用其月平均的全球海面高度異常數(shù)據(jù)(MSLA),衛(wèi)星高度計資料時間范圍是1993—2019年。

在求線性趨勢時,本文使用的是最小二乘法,最小二乘法的原理如下:

在原始數(shù)據(jù)給定以后,a、b的選取決定了誤差項的大小,因此把誤差的大小作為衡量a、b好壞的標志,在確定參數(shù)時,最常用的方式就是最小二乘原理,即誤差的平方和最小。解出a、b即可知道直線方程,然后判斷序列整體的上升或下降趨勢。

2 潮汐特征分析

本文對塘沽海洋環(huán)境監(jiān)測站1980—2019年共40年的逐時潮汐資料進行統(tǒng)計分析,統(tǒng)計結(jié)果顯示:塘沽海洋環(huán)境監(jiān)測站觀測到的逐時資料的年最高高潮位為554 cm,最低潮位為-89 cm,多年平均潮差均值為230.0 cm,多年最大潮差均值為342.4 cm,具體分析如下。

2.1 平均潮位特征分析

通過對塘沽海洋環(huán)境監(jiān)測站1980—2019年平均潮位的年際變化分析可以看到(圖1),天津沿海海域近40年的平均潮位整體呈上升趨勢,變化率為0.27 cm/a,年平均潮位最大值為289.6 cm,最小值為249.0 cm,多年平均潮位均值為264.6 cm。由平均潮位逐月變化可以看到(圖2),1—8月的平均潮位逐漸上升,8月達到最大,9—12月的平均潮位逐漸下降,整體來講就是夏季平均潮位最高,冬季平均潮位最低。主要是由于夏季天津沿海以東南風(fēng)為主,海水向岸堆積,冬季主要以西北風(fēng)為主,海水離岸擴散。

圖1 天津沿岸海域1980—2019年平均潮位變化趨勢

圖2 天津沿岸海域平均潮位逐月變化

2.2 最高潮位特征分析

通過對塘沽海洋環(huán)境監(jiān)測站1980—2019年最高潮位的年際變化分析可以看到(圖3),天津沿海海域近40年的最高潮位年際變化整體振蕩較為明顯,年最高潮位最大值為554 cm,出現(xiàn)在1997年,受臺風(fēng)影響,天津沿海出現(xiàn)超警戒潮位的高潮位過程,最小值為448 cm,最高潮位的最大和最小值之差可達到106 cm,多年最高潮位均值為489.3 cm,此外潮位還呈現(xiàn)略有上升的趨勢,線性擬合得到的潮位變化速率為0.54 cm/a。由最高潮位逐月變化可以看到(圖4),最高潮位的逐月變化趨勢與平均潮位的逐月變化趨勢相同,1—8月的最高潮位逐漸上升,8月達到最大,9—12月的最高潮位逐漸下降,整體來講就是夏季最高潮位最高,冬季最高潮位最低。

圖3 天津沿岸海域1980—2019年最高潮位變化趨勢

圖4 天津沿岸海域最高潮位逐月變化

2.3 最低潮位特征分析

通過對1980—2019年最低潮位的年際變化分析可以看到(圖5),天津沿海海域近40年的最低潮位年際變化整體呈現(xiàn)較為明顯的上升趨勢,線性擬合得到的潮位變化速率為1.35 cm/a。年最低潮位最大值為46 cm,最小值為-89 cm,最低潮位的低值主要是低的天文潮伴隨減水造成的,最低潮位的最大和最小值之差為135 cm,多年最低潮位均值為-28.8 cm。通過進一步的分析發(fā)現(xiàn)最低潮位的逐月變化情況與平均潮位及最高潮位的變化相同(圖略),1—8月的最低潮位逐漸上升,8月達到最大,9—12月的最低潮位逐漸下降,夏季最低潮位最高,冬季最低潮位最低。

圖5 天津沿岸海域1980—2019年最低潮位變化趨勢

2.4 平均潮差特征分析

在計算平均潮差和最高潮差時僅獲取到2013年之后的高低潮數(shù)據(jù),從平均潮差的年際變化趨勢可以看到(圖6),天津沿海海域近幾年的平均潮差年際變化整體呈現(xiàn)下降趨勢,線性擬合得到的平均潮差變化速率為-1.04 cm/a。年平均潮差最大值為233.5 cm,最小值為227.0 cm,年平均潮差均值為230.0 cm。平均潮差的逐月變化規(guī)律(圖7)也表現(xiàn)為1—8月逐漸上升,8月達到最大,9—12月逐漸下降。

圖6 天津沿岸海域平均潮差變化趨勢

圖7 天津沿岸海域平均潮差逐月變化

2.5 最大潮差特征分析

從最大潮差的年際變化趨勢可以看到(圖8),年平均最大潮差年際變化整體存在略微下降趨勢,線性趨勢變化不明顯,線性擬合得到的最大潮差變化速率為-0.56 cm/a。年平均最大潮差最大值為351 cm,最小值為334.4 cm, 年平均最大潮差均值為342.4 cm。年平均月最大潮差的逐月變化規(guī)律(圖9)主要表現(xiàn)為1—3月略有下降,4—8月突然上升,最高值出現(xiàn)在7月。鄒曙光等[10]對最大潮差月際變化的分析指出,威海沿岸1—12月平均最大潮差表現(xiàn)為“下降—上升—下降—上升”的變化趨勢,與天津沿岸的分布類似。最大潮差的變化取決于很多因素,包括天文因素、氣象因素等。從天文因素來看,潮差具有(朔、望)月、年和多年的變化周期,氣象因素對潮差的影響主要是增減水的作用,由于氣象條件變化多端,因此它導(dǎo)致的最大潮差變化是隨機性的。

圖8 天津沿岸海域最大潮差變化趨勢

圖9 天津沿岸海域最大潮差逐月變化

3 功率譜分析

功率譜分析是以傅里葉變化為基礎(chǔ)的頻域分析方法,它是一種應(yīng)用極為廣泛的分析周期的方法,圖10是對天津沿海的潮汐資料進行的功率譜分析,其中橫軸為周期,縱軸為功率譜密度,實線為功率譜密度,虛線表示臨界功率譜密度,從圖10可以看到,功率譜線的峰值出現(xiàn)在10年左右。王慧等[11]的研究指出,中國沿海海平面具有準2—3年、準9年、準11年的周期變化,其中2—3年的周期振蕩在天津沿海的水文、氣象要素較為常見;準11年的周期可能是反映了中國沿海海平面的變化受太陽黑子的影響;準9年的周期是潮汐天文潮周期,反映了月球赤緯的變化,又叫交點潮,根據(jù)前人的研究,天津沿海的準10年周期應(yīng)該是上述的潮汐天文潮周期。

圖10 天津沿岸海域平均潮位功率譜圖

4 天津市沿海海平面上升的基本情況

2019年《中國海平面公報》顯示,2019年中國各省(自治區(qū)、直轄市)沿海海平面均高于常年,其中,天津沿海海平面升幅最大,較常年高90 mm。圖11是2010—2019年天津市和全國沿海海平面高于常年平均(1993—2011年海平面的平均值)海平面的值。從圖中可以看到2010—2012年天津沿海海平面持續(xù)升高,2012年以后海平面維持在一個較高的水平。同時2010年以后天津沿海海平面普遍處于全國平均海平面以上。

圖11 天津市和全國沿海海平面高于常年平均海平面的值

5 天津附近海域海平面的空間變化

為了與驗潮站的數(shù)據(jù)相比較,本文結(jié)合衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)進一步分析天津附近海域的空間變化特征。對整個渤海區(qū)域海平面高度異常數(shù)據(jù)進行EOF分析(圖12a),EOF第一模態(tài)空間分布方差貢獻為94.6%,第一模態(tài)基本可以反映整個渤海區(qū)域海平面時間和空間變化特征。從圖(12b)可以看到整個渤海在1993年至今都整體表現(xiàn)為海平面逐步上升的趨勢,其中渤海灣和遼東灣上升幅度較大,尤其是天津附近海域,海平面高度整體表現(xiàn)為持續(xù)上升且升幅較大,而在外海區(qū)域海平面高度變化程度較弱。

圖12 渤海區(qū)域海平面高度的EOF分解第一模態(tài)特征向量空間分布(a)和時間序列(b)

6 結(jié)論

本文通過對天津海域海平面變化的分析,得到如下結(jié)論:

(1) 天津沿海海域近40年的平均潮位、最高潮位、最低潮位整體呈上升趨勢,變化率分別為0.27、0.54和1.35 cm/a,最低潮位的變化率最大。

(2) 天津沿海海域近40年的平均潮差、最大潮差年際變化整體呈現(xiàn)下降趨勢,線性擬合得到的變化速率分別為-1.04 cm/a和-0.56 cm/a。

(3) 平均潮位、最高潮位、最低潮位、平均潮差的逐月變化趨勢相似,均表現(xiàn)為1—8月逐漸上升,8月達到最大,9—12月逐漸下降。

(4) 天津沿海的潮汐包含了準10年的周期變化。

(5) 對渤海區(qū)域海平面高度異常數(shù)據(jù)進行EOF分析,發(fā)現(xiàn)整個渤海海平面都成上升趨勢,尤其是天津附近海域,上升幅度較大。

通過衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)EOF分析結(jié)果,以及國家海洋災(zāi)害公報的結(jié)果可以看到,天津沿海海平面上升較為明顯,地面沉降是影響天津地區(qū)海平面上升的一個主要因素,地面沉降會加大相對海平面上升。張姣姣等[12]回顧了天津市地面沉降的歷史與現(xiàn)狀。天津市地面沉降現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于1923年到1985年,天津平原區(qū)地面沉降災(zāi)害已十分嚴重,中心城區(qū)地面沉降量達80～100 mm/a,塘沽城區(qū)地面沉降量達80～150 mm/a,嚴重危害了城市安全、軌道交通工程安全,并加劇了沿海地區(qū)風(fēng)暴潮災(zāi)害。影響天津沿海地區(qū)地面沉降的主要人為因素是地下水超采,主要自然因素是軟土層次固結(jié)[13],沿海地區(qū)應(yīng)加強地面沉降監(jiān)測,采取有效措施控制地面沉降,減緩相對海平面上升。