大沽河口水位變化特征分析

賴秋宇, 劉子洲, 翟方國(guó), 顧艷鎮(zhèn), 陳 棟, 姜慶巖

大沽河口水位變化特征分析

賴秋宇1, 劉子洲1, 翟方國(guó)1, 顧艷鎮(zhèn)1, 陳 棟2, 姜慶巖2

(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院, 浙江 舟山 316021)

本文基于2016年11月8日—2019年6月29日大沽河入?？谒钣^測(cè)數(shù)據(jù)分析了大沽河河口水位變化特征, 并結(jié)合風(fēng)場(chǎng)、降水量、衛(wèi)星高度計(jì)融合產(chǎn)品資料對(duì)其影響因素展開了討論。結(jié)果表明: 1) 大沽河口水位變化由潮汐過(guò)程主導(dǎo), 潮汐類型為正規(guī)半日潮, M2分潮占主導(dǎo); 2) 余水位在2017年7月—2019年1月存在周期約為110—150天的顯著季節(jié)內(nèi)變化, 主要受到緯向風(fēng)的影響, 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處在大沽河入?？谖靼? 東向(西向)風(fēng)將驅(qū)動(dòng)水體向東(西)輸運(yùn), 導(dǎo)致西岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處水量減少(增加), 從而觀測(cè)到余水位下降(上升); 3) 觀測(cè)期間, 余水位存在顯著下降趨勢(shì), 約為–0.53×10–2m/月, 主要受到大沽河流域降水量減少的影響。

大沽河口; 水位變化; 緯向風(fēng); 降水

在全球氣候變暖這一氣候變化背景下衍生出的全球海平面上升問(wèn)題[1], 其將增加感潮河段(特別是河口三角洲和地勢(shì)低洼區(qū)域)潮位, 導(dǎo)致在極端天氣條件(臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)溫帶氣旋、寒潮等)下沿海城市、港口與航道對(duì)風(fēng)暴潮災(zāi)害抵御能力下降, 直接影響沿海地區(qū)人民生活水平和制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2-5]。青島市海岸帶區(qū)域人口密集導(dǎo)致其遭受風(fēng)暴潮災(zāi)害的脆弱性較高[6-7], 故有必要建設(shè)完善的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 加強(qiáng)對(duì)海洋災(zāi)害性事件的預(yù)警預(yù)報(bào), 利用觀測(cè)水位時(shí)間序列是以往學(xué)者研究中國(guó)近海海平面變化的主要研究手段之一[8-10]。

大沽河, 位于36°10′—37°12′N, 120°03′—120°25′E, 發(fā)源于山東省招遠(yuǎn)市境內(nèi), 于膠州灣馬頭村南注入膠州灣, 干流全長(zhǎng)179.9 km, 是膠州灣入海徑流最大的河流[11], 被稱作青島市的“母親河”。大沽河流域處在華北暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū), 氣候具有夏季炎熱多雨, 冬季寒冷干燥的特點(diǎn), 流域降水集中于每年6—9月的汛期, 7、8月的降水量在全年總降水中占主導(dǎo), 且呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[12], 以往學(xué)者對(duì)大沽河口的研究多集中在生態(tài)環(huán)境[13-16]、水質(zhì)[17-18]、水沙輸運(yùn)[19-20]、地下水交換[21-22]等方面。關(guān)于大沽河口水動(dòng)力過(guò)程的研究相對(duì)較少。尹則高等[23]通過(guò)建立潮流和徑流作用下大沽河口水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型, 研究了潮位、潮流變化在不同徑流條件下的響應(yīng)。李兆欽等[24]在討論潮汐過(guò)程對(duì)大沽河口底層溶解氧濃度變化時(shí), 基于2016年11月6日—2017年6月20日水深觀測(cè)資料指出了大沽河口潮汐類型為正規(guī)半日潮。受限于缺乏觀測(cè)資料和觀測(cè)資料的時(shí)間長(zhǎng)度, 以往學(xué)者未能揭示大沽河口水位較低頻時(shí)間尺度變化, 對(duì)其變化趨勢(shì)和影響因素討論也較少, 故有必要利用更長(zhǎng)觀測(cè)資料做進(jìn)一步研究討論。

本文基于放置于大沽河口的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在2016年11月8日—2019年6月29日期間的水深觀測(cè)數(shù)據(jù), 分析了大沽河口水位變化特征及其變化趨勢(shì), 并結(jié)合風(fēng)場(chǎng)、降雨量、外海水位等數(shù)據(jù)對(duì)影響水位變化的原因做出了討論。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)集

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

2016年11月在青島市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目下建設(shè)的一套海洋環(huán)境有纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 位于大沽河入?？跂|北—西南向河道西岸, 坐標(biāo)為36°11′44.15″N,120°7′0.57″E, 具體位置如圖1中紅色五角星所示。溫度、鹽度、pH、溶解氧、濁度、葉綠素等生態(tài)要素?cái)?shù)據(jù)由系統(tǒng)搭載的加拿大AML公司Metric X 50160水質(zhì)儀觀測(cè)得到, 觀測(cè)間隔為1 min。壓力、流速、流向、波浪數(shù)據(jù)由聲學(xué)波浪流速剖面儀(Acoustic Wave and Current Profiler, AWAC)觀測(cè)得到, 觀測(cè)間隔為1 min, 壓力的精度為0.01%, 分辨率為10–8。

1.2 數(shù)據(jù)

用于分析水位變化的水深數(shù)據(jù)由壓力觀測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)Fofonoff和Millard公式[25]換算得到, 時(shí)間間隔為1 min, 本文選取2016年11月8日—2019年6月29日期間數(shù)據(jù), 剔除缺測(cè)天數(shù), 有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為931 d。

為了討論影響大沽河口水位變化的影響因素, 本文還采用以下數(shù)據(jù): 由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的天平均ERA-Interim再分析資料[26], 主要使用經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力(Meridional Wind Stress, MWS)和緯向風(fēng)應(yīng)力(Zonal Wind Stress, ZWS)數(shù)據(jù), 空間分辨率為0.125°×0.125°, 時(shí)間范圍為2016年1月1日—2019年7月1日, 利用雙線性插值法, 可以獲得觀測(cè)系統(tǒng)處的風(fēng)應(yīng)力時(shí)間序列; 歐盟哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)服務(wù)中心 (E.U. Copernicus Marine Environment Monitoring Se-rvice, CMEMS) Unidata Dataset Discovery v1.0 (http://marine.copernicus.eu/web/27-service-commitments- and-licence.php)多衛(wèi)星(Altika Drifting Phase, Cryosat-2, Haiyang-2A, OSTM/Jason-2)融合格點(diǎn)數(shù)據(jù)集。主要結(jié)果采用海平面異常(Sea Level Anomaly, SLA)數(shù)據(jù), 時(shí)間分辨率為1天, 空間分辨率0.125°×0.125°, 時(shí)間范圍為2016年1月1日—2019年5月13日; 降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自亞洲—太平洋數(shù)據(jù)研究中心(Asia Pacific Data Resea-rch Center, APDRC)(http://apdrc.soest.hawaii. edu/data/data.php)的Climate Prediction Center (CPC)全球月氣候格點(diǎn)數(shù)據(jù)集[27-28], 該數(shù)據(jù)集由美國(guó)國(guó)家海洋大氣管理局(National Oceanic and Atmos-phere Administration station, NOAA)的氣候預(yù)報(bào)中心提供。數(shù)據(jù)通過(guò)插值第2版全球歷史氣候數(shù)據(jù)網(wǎng)和異常氣候監(jiān)測(cè)系統(tǒng)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù), 并考慮時(shí)空變化和地形影響, 空間分辨率為0.5°×0.5°, 能夠反映我國(guó)降水的時(shí)空特征[29], 時(shí)間跨度為2016年1月—2019年12月。本文選取包括山東半島在內(nèi)大范圍降水?dāng)?shù)據(jù), 以獲取降水分布特征及長(zhǎng)期降水趨勢(shì)。

2 研究結(jié)果

觀測(cè)期間, 大沽河口觀測(cè)系統(tǒng)處水深變化范圍為2.50~7.17 m, 平均水深為4.62 m。如圖2(a)所示, 水深呈現(xiàn)出多種時(shí)間尺度的變化, 小時(shí)平均水深變化顯示出明顯的高頻潮汐信號(hào), 大小潮過(guò)程顯著; 天平均水深變化也存在多時(shí)間尺度變化; 在季節(jié)尺度上, 水深自每年2月份開始增大, 至同年8月份上升至峰值, 于次年1月下降至谷值, 這表明水深的季節(jié)變化與流域豐水期和枯水期的交替變化相一致, 豐水期水深較大, 枯水期水深較小; 通過(guò)比較各月平均水深可以發(fā)現(xiàn)水深還呈現(xiàn)一定下降趨勢(shì)。綜上所述, 河口處水深變化在一定程度上受到入海徑流量和膠州灣潮汐的影響。水深時(shí)間序列減去觀測(cè)期間內(nèi)平均水深可得到水深異常, 近似等于水位異常。為獲取水位異常的顯著變化信號(hào), 本文選取整個(gè)觀測(cè)期間小時(shí)平均水位異常時(shí)間序列進(jìn)行功率譜分析[30], 結(jié)果如圖2(b)所示, 水位異常功率譜存在多個(gè)顯著峰值, 其中最大譜值對(duì)應(yīng)周期為12.42小時(shí), 對(duì)應(yīng)M2分潮的周期; 在4、6、12、24小時(shí)附近譜值較顯著, 分別與淺水分潮族、半日分潮族、全日分潮族的周期相近。上述結(jié)果表明, 大沽河口水位變化以潮信號(hào)為主。

圖1 大沽河口外地形

注: 圖中紅色五角星為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的位置; 藍(lán)色實(shí)線為大沽河河道; 水深圖像由海圖數(shù)據(jù)繪制; P點(diǎn)為CPC降水?dāng)?shù)據(jù)其中一個(gè)站點(diǎn)

圖2 2016年11月8日至2019年6月29日小時(shí)平均、天平均、月平均水深時(shí)間序列(a), 小時(shí)平均水位異常功率譜密度(b)

2.1 潮汐

2.2 季節(jié)內(nèi)變化

觀測(cè)水位異常與回報(bào)水位異常的差異可以表征余水位(Residual Water Level, RWL)異常變化[31], 圖4(a)展示了觀測(cè)期間RWL異常的天平均時(shí)間序列, 其變化范圍為–0.62~0.40 m, 標(biāo)準(zhǔn)差為0.07 m。本文通過(guò)Morlet小波變換方法[32], 分析RWL異常時(shí)間序列的顯著變化周期, 由圖4(b)展示結(jié)果可知, RWL異常在2017年7月—2019年1月存在110~150天的顯著季節(jié)內(nèi)變化。前人研究[31, 33]指出: 河口水位除受到外海潮汐影響外, 還受到風(fēng)速、風(fēng)向的影響。

圖3 觀測(cè)水位異常與回報(bào)水位異常時(shí)間序列

表1 大沽河口主要分潮調(diào)和常數(shù)

注: 表中所有結(jié)果均由T_TIDE程序運(yùn)行得到

通過(guò)相關(guān)性分析ZWS異常與RWL異常存在顯著的負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為–0.54,<0.05; RWL與MWS和風(fēng)應(yīng)力旋度間相關(guān)性較差。通過(guò)對(duì)ZWS的Morlet小波變換分析結(jié)果[圖4(c)]可知其存在約5個(gè)月左右的顯著變化周期, 與RWL的顯著周期對(duì)應(yīng)。以上分析說(shuō)明RWL對(duì)緯向風(fēng)的影響較為敏感, 本文通過(guò)帶通濾波分別獲取RWL和ZWS異常的110~150天季節(jié)內(nèi)變化信號(hào), 結(jié)果如圖4(d)所示, 二者相關(guān)系數(shù)為–0.6,<0.05。綜上所述, RWL季節(jié)內(nèi)變化主要受緯向風(fēng)的影響, 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處在大沽河入?？谖靼? 西(東)風(fēng)將驅(qū)動(dòng)水體向河口東(西)岸輸運(yùn), 西岸出水量減少(增加), 致使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)到RWL下降(上升)。

圖4 天平均RWL時(shí)間序列(a), 天平均RWL小波系數(shù)實(shí)部(b), ZWS小波系數(shù)實(shí)部(c)和110~150天RWL和ZWS的帶通濾波信號(hào)(d)

本節(jié)中還計(jì)算了RWL的季節(jié)內(nèi)變化同流域內(nèi)P點(diǎn)(36.75°N, 121.25°E, 圖1)降水量異常的相關(guān)性, 二者間相關(guān)系數(shù)為–0.13, 表明降水量的變化并非影響RWL季節(jié)內(nèi)變化的主要原因。

2.3 線性趨勢(shì)

圖5(a)展示了將觀測(cè)期間內(nèi)天平均RWL進(jìn)行逐月平均處理后得到的月平均RWL時(shí)間序列, 其呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì), 約為–0.53×10–2m/月, 通過(guò)顯著性水平為0.05的Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)[34]。前人研究指出風(fēng)場(chǎng)、外海相對(duì)海平面、流域徑流等因素影響河口水位的變化[31, 35-38], 高宗軍等[11]曾利用歷史資料分析指出大沽河降水與徑流間存在較好的正相關(guān)關(guān)系, 故在缺少?gòu)搅鲾?shù)據(jù)的情況下, 本節(jié)將研究風(fēng)場(chǎng)、外海水位、大范圍降水等因素對(duì)RWL趨勢(shì)的影響。

圖5 觀測(cè)期間, 月平均RWL及其趨勢(shì)(a), 月平均ZWS及其趨勢(shì)(b), P站降水量異常時(shí)間序列(c)

圖5(b)展示了ZWS異常的時(shí)間序列及其趨勢(shì), 其下降趨勢(shì)約為–11.29 Ns/(m2月), 對(duì)應(yīng)東風(fēng)在觀測(cè)期間有增強(qiáng)的趨勢(shì), 在3.2節(jié)中分析可知東風(fēng)對(duì)RWL的貢獻(xiàn)主要是使得RWL升高, 與觀測(cè)RWL變化趨勢(shì)不符, 所以在觀測(cè)期間內(nèi), 緯向風(fēng)的變化趨勢(shì)(東風(fēng)增強(qiáng))并非是RWL呈下降趨勢(shì)的主要原因。圖6(a)展示了觀測(cè)期間外海SLA的趨勢(shì)分布, 結(jié)果顯示膠州灣外海水位在觀測(cè)期間呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 外海水位上升將使得更多外海海水進(jìn)入膠州灣, 致使灣內(nèi)包括大沽河口區(qū)水位整體上升, 這與觀測(cè)結(jié)果不符。通過(guò)討論局地風(fēng)場(chǎng)(緯向風(fēng))和外海SLA的變化對(duì)RWL的影響, 二者并非觀測(cè)期間大沽河口RWL呈下降趨勢(shì)的主要影響因素, 故作者推測(cè)致使RWL呈下降趨勢(shì)的影響因素更多來(lái)源于大沽河口上游。于是作者計(jì)算了觀測(cè)期間中國(guó)東部大范圍降水趨勢(shì)分布, 如圖6(b)所示, 觀測(cè)期間山東半島降水量普遍呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 圖5(c)以大沽河周邊的P測(cè)站降水量異常時(shí)間序列為例展示了觀測(cè)期間的降水變化及其趨勢(shì), 同前人[40]研究結(jié)果一致, 降水極值集中于汛期(7~8月), 其趨勢(shì)約為–0.037 mm/月, 相似的變化的趨勢(shì)在大沽河流域周邊站點(diǎn)同樣存在。流域降水減少使得進(jìn)入大沽河補(bǔ)充徑流的水體減少, 另外降水減少還將使得流域內(nèi)人類生產(chǎn)生活對(duì)大沽河河水汲取量增加, 以上兩個(gè)過(guò)程導(dǎo)致大沽河流域徑流的減少, 致使大沽河口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)到RWL的下降。

3 結(jié)論與展望

本文通過(guò)分析大沽河口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2016年11月8日—2019年6月29日的水深觀測(cè)數(shù)據(jù), 對(duì)水位變化的潮汐過(guò)程、季節(jié)內(nèi)變化、觀測(cè)期間變化趨勢(shì)等特征, 以及影響因素展開了分析討論, 得到了以下結(jié)論:

1) 大沽河口水位變化由潮汐過(guò)程主導(dǎo), 每月都存在兩個(gè)大潮過(guò)程和兩個(gè)小潮過(guò)程; 潮汐類型為正規(guī)半日潮, 其中M2分潮的振幅最大, 達(dá)1.23 m, 淺水分潮(K1、O1)和全日分潮(M4、MS4)的振幅相當(dāng), 二者振幅在0.15~0.23 m范圍內(nèi)。

2) 緯向風(fēng)變化與日平均RWL呈顯著相關(guān), 具體表現(xiàn)為ZWS異常與RWL異常間存在顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為–0.54,<0.05; 通過(guò)Morlet小波變化分析方法得知RWL異常在2017年7月—2019年1月存在110~150天左右的顯著季節(jié)內(nèi)變化, 用同樣的方法可以發(fā)現(xiàn)ZWS在2017年10月—2018年10月期間存在約5個(gè)月左右的顯著變化周期, 與RWL的變化對(duì)應(yīng), 進(jìn)一步通過(guò)帶通濾波分別獲取RWL和ZWS異常110~150 d信號(hào), 二者相關(guān)系數(shù)為–0.60,<0.05。RWL的季節(jié)內(nèi)變化主要受緯向風(fēng)的影響, 西(東)風(fēng)將驅(qū)動(dòng)水體向河口東(西)岸輸運(yùn), 西岸出水量減少(增加), 致使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)到RWL下降(上升)。

圖 6 觀測(cè)期間, 海平面異常趨勢(shì)分布(a), 地面降水量趨勢(shì)分布(b)

注: 子圖a、b中紅色五角星為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位置, 子圖b中品紅色虛線框內(nèi)區(qū)域代表大沽河流域

3) 在觀測(cè)期間, 月平均RWL還呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì), 約為–0.53×10–2m/月, 主要受到大沽河流域內(nèi)降水減少的影響, 本文推測(cè)降水量的減少對(duì)RWL下降的影響可以分為兩方面: 其一是降水減少直接導(dǎo)致流域內(nèi)徑流減少, 另外降水減少還將使得流域內(nèi)人類生產(chǎn)生活對(duì)大沽河河水汲取量增加。

本文通過(guò)對(duì)大沽河口長(zhǎng)期、連續(xù)水深觀測(cè)的研究, 揭示了河口的潮汐過(guò)程, 發(fā)現(xiàn)了觀測(cè)期間水位呈現(xiàn)的季節(jié)內(nèi)尺度變化以及水位的變化趨勢(shì), 針對(duì)影響水位變化的動(dòng)力因素得到了一些初步結(jié)論, 受到觀測(cè)資料時(shí)間長(zhǎng)度和分析數(shù)據(jù)種類的限制, 需進(jìn)一步結(jié)合觀測(cè)資料分析探究。

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Analysis of the characteristics of water level variation in Dagu River estuary

LAI Qiu-yu1, LIU Zi-zhou1, ZHAI Fang-guo1, GU Yan-zhen1, CHEN Dong2, JIANG Qing-yan2

(1. College of Ocean and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China)

This study analyzed the characteristics of water level variation in the Dagu River estuary and its influencing factors combined with the wind field, precipitation, and satellite altimetry data based on the depth observation data of Dagu River estuary from November 8, 2016 to June 29, 2019. Results showed that (1) the water level variation in Dagu River estuary was dominated by a normal semidiurnal tidal process and the M2 subtide was dominant. (2) The residual water level (RWL) had a significant intraseasonal period of approximately 110–150 days, which was mainly affected by zonal wind, i.e., the eastward (westward) wind would drive water transport to the east (west), decreasing (increasing) the water volume at the west bank at which the monitoring system was located, leading to the decrease (increase) in RWL. (3) During the observation period, the RWL exhibited a significant downward trend, approximately ?0.53×10?2m/month, which was mainly affected by the decrease in precipitation in the Dagu River basin.

Dagu River estuary; water level variation; zonal wind; precipitation

Aug. 21, 2020

P731.2

A

1000-3096(2021)01-0022-10

10.11759/hykx20200821002

2020-08-21;

2020-09-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41776012); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 (2019YFD0901305); 浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2020C03012); 三亞崖州灣科技城管理局重大科技項(xiàng)目(YZ2019ZD0X)

[National Science Foundation of China, No. 41776012; National Key Research & Development Program of China, No. 2019YFD0901305; Key Research & Development Project of Zhejiang Province, No. 2020C03012; Major Science and Technology Project of Sanya YZBSTC, No. YZ2019ZD0X]

賴秋宇(1995-), 男, 廣西桂林市人, 碩士研究生, 主要從事海洋水動(dòng)力研究, E-mail: QYordinary@163.com; 劉子洲,通信作者, 男, 山東省淄博人, 實(shí)驗(yàn)師, 主要從事海洋調(diào)查及近海海洋環(huán)境問(wèn)題的教學(xué)和研究, E-mail: lzz2013@ouc.edu.cn

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)