江蘇近岸海域水位變化特征分析

何佩東，鄔惠明，曹兵，高清清，徐常三

（國(guó)家海洋局南通海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇南通226000）

1 引言

隨著全球氣候變暖、極地冰蓋和陸源冰川融化，海平面不斷上升，據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)第四次報(bào)告估計(jì)，到2100年全球海洋水位將上升60～100 cm，沿海國(guó)家和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民生活受到嚴(yán)重威脅[1]。

海平面變化、潮差變化和潮汐調(diào)和常數(shù)的變化是海洋水位變化的主要特征，研究數(shù)據(jù)主要依賴于沿海驗(yàn)潮站的長(zhǎng)期水位觀測(cè)資料和衛(wèi)星高度計(jì)資料[2]。驗(yàn)潮站資料完整連續(xù)、精度高，被廣泛用于區(qū)域海洋水位變化的研究中。左軍成等[3]利用沿海各測(cè)站的資料對(duì)中國(guó)沿岸的海平面變化原因進(jìn)行了探討。林選躍等[4]利用福建沿海4個(gè)驗(yàn)潮站多年潮位資料分析指出福建沿海海平面的年平均上升速率為0.5～2 mm/a并對(duì)未來50 a福建沿海海平面上升進(jìn)行了預(yù)測(cè)，上升速度為1.7 mm/a。姚玉娟等[5]利用樂清灣潮位站多年觀測(cè)資料，分析該海域的潮汐的時(shí)空分布特征。國(guó)家海洋信息中心根據(jù)驗(yàn)潮站資料定期發(fā)布《中國(guó)海平面公報(bào)》，2015年報(bào)告指出中國(guó)沿海海平面在不斷上升，1980—2014年平均上升速率為3.0 mm/a[6]。驗(yàn)潮站由于其分布的局限性對(duì)大區(qū)域的海洋水位變化刻畫不足，近年來隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星高度計(jì)資料得到了廣泛的應(yīng)用。Nicholls等[7]利用1993—2009年的衛(wèi)星高度資料分析指出全球平均海平面上升的速率達(dá)到了3.3±0.4 mm/a。

江蘇近岸海域位于黃海中南部，全省海岸線954 km，沿海地區(qū)人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，但沿海海域水深相對(duì)較淺，有利于風(fēng)暴潮能量的聚集和成長(zhǎng)。特別是極端天氣下引發(fā)的增減水，往往引發(fā)嚴(yán)重的海洋災(zāi)害，對(duì)江蘇沿海地區(qū)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響。雖然海平面上升是一個(gè)緩慢的過程，但長(zhǎng)年累月的結(jié)果足以對(duì)沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民的生命安全帶來多方面的不利影響[4]。因此，研究分析江蘇海域的水位變化特征，對(duì)江蘇沿海的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和防災(zāi)減災(zāi)具有非常重要的意義。本文利用江蘇沿海連云港和呂四的長(zhǎng)期驗(yàn)潮站資料以及衛(wèi)星高度計(jì)資料，研究江蘇近岸海域的水位變化特征。

2 數(shù)據(jù)選擇和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)組成

本文使用江蘇沿海連云港、呂四兩個(gè)驗(yàn)潮站近20 a的水位連續(xù)觀測(cè)資料，連云港測(cè)站的數(shù)據(jù)時(shí)間為1996—2015年，呂四測(cè)站的數(shù)據(jù)時(shí)間為1999—2015年，采樣間隔為1 h。兩個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)是江蘇沿海時(shí)間最長(zhǎng)的臺(tái)站數(shù)據(jù)，兩個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)均經(jīng)過了訂正和質(zhì)控處理。衛(wèi)星高度計(jì)資料采用的是AVISO提供的月均海面異常數(shù)據(jù)（Maps of Sea Level Anomalies，MSLA），空間分辨率為 0.25°×0.25°，時(shí)間跨度為1999—2015年。在海平面變化計(jì)算過程中，采用了兩個(gè)測(cè)站的氣壓數(shù)據(jù)和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的再分析氣壓資料進(jìn)行逆氣壓改正。

2.2 研究方法

本文主要采用線性回歸分析的方法計(jì)算海平面變化趨勢(shì)，并利用Mann-Kendall方法對(duì)趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。在海平面變化計(jì)算過程中，對(duì)原始資料進(jìn)行了逆氣壓改正：

式中：P為觀測(cè)站點(diǎn)的氣壓值，Pˉ為全球平均氣壓，從理論上講，經(jīng)過逆氣壓改正后的海平面變化更合理，考慮逆氣壓改正后方差，相對(duì)不作逆氣壓改正時(shí)能提高20%[8]。利用調(diào)和分析方法計(jì)算分析兩個(gè)測(cè)站的觀測(cè)資料，獲取各個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)，分析其變化趨勢(shì)。潮汐調(diào)和分析原理在諸多文獻(xiàn)中有詳細(xì)的說明，本文不再重新贅述。

3 研究結(jié)果

3.1 江蘇沿岸海平面長(zhǎng)期變化分析

海平面變化是海洋水位變化的主要特征，基于連云港和呂四的實(shí)測(cè)水位資料和衛(wèi)星高度計(jì)資料，利用線性回歸計(jì)算連云港、呂四以及整個(gè)江蘇沿海的平均海平面變化趨勢(shì)，所有趨勢(shì)均通過了90%的顯著性檢驗(yàn)，分析結(jié)果見表1和圖1。

整個(gè)江蘇近岸海域海平面的變化具有明顯的趨勢(shì)性和波動(dòng)性特征，總體而言呈上升趨勢(shì)，1999—2015年的平均上升速度為3.35 mm/a，其中北部沿海的上升趨勢(shì)略高于南部沿海，北部近岸地區(qū)（連云港測(cè)站）上升速度為3.57 mm/a，南部近岸地區(qū)（呂四測(cè)站）的上升趨勢(shì)為3.08 mm/a。對(duì)比2015年《中國(guó)海平面公報(bào)》公布的1980—2014年中國(guó)沿海海平面平均上升速度為3.0 mm/a，發(fā)現(xiàn)江蘇近岸海域的水位上升速率略高于中國(guó)沿海平均上升速率，也就是說江蘇近海是海平面上升較為劇烈的海域。

江蘇近岸海域的海平面具有明顯的季節(jié)變化特征，海平面較高的一般發(fā)生夏季，低海平面一般發(fā)生在冬季，海平面的年變化幅度在23～44 cm（見圖2）。同時(shí)利用線性回歸分析方法對(duì)江蘇近岸海域海平面變化趨勢(shì)的季節(jié)變化特征進(jìn)行了分析，由表1可見，整個(gè)江蘇近岸海域海平面上升速率在夏季達(dá)到最大為3.45 mm/a，冬季最小為3.11 mm/a。海平面的季節(jié)變化特征可能與江蘇海域溫度的季節(jié)變化有關(guān)。此外，冬季強(qiáng)大的季風(fēng)引起該海域海平面下降、冬季冷性高壓系統(tǒng)共同作用下導(dǎo)致冬季海平面上升趨勢(shì)最小。

3.2 主要分潮調(diào)和常數(shù)分析

利用T_TIDE潮汐處理軟件包對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)逐年進(jìn)行調(diào)和分析，獲取江蘇沿岸連云港和呂四兩個(gè)長(zhǎng)期驗(yàn)潮站各個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)時(shí)間序列，并利用線性回歸方法對(duì)各個(gè)分潮調(diào)和常數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果如表2和圖3所示。

從分析結(jié)果來看（見表2、圖3），江蘇沿海兩個(gè)驗(yàn)潮站各個(gè)分潮中，半日分潮占主要優(yōu)勢(shì)，10個(gè)主要分潮中M2和S2兩個(gè)半日分潮最大。其中M2分潮占絕對(duì)地位，其振幅時(shí)S2分潮2—3倍。各個(gè)天文分潮的振幅和遲角都有一定的長(zhǎng)期性變化趨勢(shì)。主要半日分潮振幅呈上升趨勢(shì)，M2分潮的上升速度在2.00 mm/a以上；主要全日分潮呈下降趨勢(shì)，K1和O1分潮的下降速度超過-0.20 mm/a；氣象分潮Sa的振幅在沿海北部呈減小趨勢(shì)，減小速度為0.37 mm/a，在沿海南部則呈上升趨勢(shì)，上升速度為0.47 mm/a。

表1 江蘇近岸海域平均海平均和季節(jié)變化趨勢(shì)（單位：mm/a）

圖1 不同海域海平面變化趨勢(shì)

圖2 江蘇近岸海域月均海平面高度

表2 連云港、呂四測(cè)站各主要分潮調(diào)和常數(shù)長(zhǎng)期性變化趨勢(shì)

圖3 兩個(gè)驗(yàn)潮站主要分潮振幅年變化

由圖3可知，各個(gè)天文分潮振幅的變化幅度較小，而年周期為1 a的氣象分潮Sa振幅的變化相對(duì)于天文分潮明顯呈現(xiàn)較大波動(dòng)?？梢钥闯?，整個(gè)江蘇沿海的Sa分潮的變化基本相同，而且其變化與厄爾尼諾密切相關(guān)[9]。自1996年以來出現(xiàn)的厄爾尼諾事件（1997/1998年、2002/2003年、2006/2007年、2009/2010年、2014/2015年），江蘇沿海的Sa氣象分潮振幅在1997年、2003年、2006年、2010年和2014年較相鄰年份比均偏低。說明厄爾尼諾現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致Sa振幅下降，個(gè)別事件會(huì)出現(xiàn)振幅提前偏低的現(xiàn)象[10]。

圖4 江蘇沿海Sa分潮振幅年變化

圖5 江蘇沿海潮差年變化

3.3 江蘇沿海潮差分析

在近岸海域，由于潮波在傳播過程中除了受引潮力的作用外，還與海底地形、海陸分布、地轉(zhuǎn)偏向力以及氣候等因素相關(guān)。近岸海域潮汐特征和性質(zhì)與外海相比會(huì)有很大變化。潮差是反映潮汐強(qiáng)弱程度的一個(gè)重要指標(biāo)，也是海岸帶水域的一種主要的動(dòng)力資源，潮差的分布、變化規(guī)律對(duì)航運(yùn)交通、潮汐能源等有重要的參考價(jià)值[6]。

本文基于統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算出江蘇沿海兩個(gè)驗(yàn)潮站的年平均高潮位（Mean High Water，MHW）、年平均低潮位（Mean Low Water，MLW）和年平均潮差（Mean Tidal Range，MTR）的時(shí)間序列。結(jié)果表明，連云港站的MHW、MLW和MTR分別為184.97 cm、-177.00 cm和362.00 cm；呂四站的MHW、MLW和MTR分別為188.43 cm、-190.96 cm和379.41 cm，其表現(xiàn)為南部沿海的潮差較北部沿海潮差大，但其變化規(guī)律基本相同，呈逐年增加的趨勢(shì)，連云港站的上升速度為3.93 mm/a，呂四站的上升速度為4.76 mm/a（見圖5）。

從分析結(jié)果可知，江蘇沿海的潮差明顯增大，上升趨勢(shì)高于全球和區(qū)域海平面上升趨勢(shì)，上升速率是區(qū)域海平面上升速率的1.1～1.5倍，這說明江蘇近岸海域的潮汐環(huán)境處于明顯的變化過程中。

4 結(jié)語

本文基于江蘇沿岸連云港和呂四兩個(gè)驗(yàn)潮站長(zhǎng)期潮位觀測(cè)資料以及AVSIO衛(wèi)星高度計(jì)資料，研究分析了江蘇沿海海域水位的變化特征，得到以下結(jié)論：

（1）江蘇近岸海域的海平面呈上升趨勢(shì)，平均速度為3.35 mm/a，且具有明顯的季節(jié)變化特征，夏季最大，冬季最??；

（2）江蘇沿海兩個(gè)驗(yàn)潮站的主要半日分潮的調(diào)和常數(shù)呈上升趨勢(shì)，全日分潮呈下降趨勢(shì)，氣象分潮Sa的變化與厄爾尼諾現(xiàn)象密切相關(guān)；

（3）江蘇近岸海域的平均高潮位、平均低潮位和潮差呈上升趨勢(shì)，潮差明顯增大，上升速率為區(qū)域海平面上升率的1.1～1.5倍。說明江蘇沿海的潮汐環(huán)境處于明顯的變化過程中。