上海沿海潮汐特征響應海平面上升關系研究

陳美榕，呂忻，肖文軍

(國家海洋局東海預報中心，上海200081)

1 引言

海平面的變化使海洋的水深和地形發生改變，從而影響潮汐特性[1]。特別在河口、海灣，由于海平面、水域及岸線變化的影響，潮波傳播發生改變，造成近海無潮點位置的振動或漂移，引起特征潮位、潮差和漲落潮時間等的變化[2-3]。

在對海平面上升趨勢方面的諸多研究中，從海平面高度的實際觀測資料(驗潮資料)統計分析近幾十年來相對海平面的實際升降趨勢是一項關鍵的最基礎性的研究[4]。本文選取國家海洋局在上海沿海設置的長期驗潮站的潮位觀測資料（吳淞基面）進行統計分析，研究上海沿海潮汐特征與海平面上升的響應關系。

2 海平面變化基本特征

選取呂泗（1959-2011年）、灘滸島（1977—2011年）、大戢山（1977—2011年）、嵊山（1996—2011年）、蘆潮港（2002—2011年）、佘山（2002—2011年）6 個驗潮站為研究代表站，具體站位見圖1，其資料長度大部分在15年以上，且資料較為完整、連續，能夠較好的代表上海沿海的潮位特征。

（1）總體變化趨勢

各站月平均潮位變化曲線見圖2。受海平面上升等影響，各站平均潮位表現出上升的趨勢性變化。

采用功率譜分析和最小二乘法對觀測序列較長的站位的實測數據進行擬合并預報，結果見圖3。可以看出，近幾十年上海附近海平面變化速率大約在1—3 cm/a 之間，未來海平面還將繼續緩慢上升。

上海位于太平洋西岸，東瀕東海，南臨杭州灣，地勢低平，現代地殼沉降運動速率大且因人類開采地下水等造成地面下沉較為嚴重，是海平面加速上升影響的敏感地區。海平面上升所引起的海洋動力條件變化，可能會帶來風暴潮、洪澇災害加劇、海岸侵蝕、海水入侵等災害效應[3]。因此，在防洪排澇工程設計標準的長遠規劃中必須考慮海平面可能上升的趨勢。

（2）季節性變化

通過上述6 個驗潮站的資料分析，月平均潮位最大值出現在陰歷的7、8月份，而最低值出現在陰歷12、1月份。離長江入海口較近，受徑流的影響較大的大戢山和佘山站，年較差分別有37.3 cm 和36.4 cm，見圖4。由此可見，上海沿海平均海面有明顯的季節變化，每年有30—40 cm的變化幅度。

因三面環水，潮位的高低直接影響到工農業生產甚至造成災害。在一般的潮位情況下影響不大，但異常氣候事件若發生于季節性高海平面期間，尤其是季節性高海平面、天文大潮和異常天氣過程三者疊加，易加重海洋災害，對上海地區產生嚴重影響。

圖1 長江口附近6個驗潮站地理位置

3 海平面上升與潮汐特征變化

3.1 潮汐調和常數變化

調和常數作為潮汐的重要特征參量，是進行潮汐潮流推算的依據。調和常數一般是由海區的深度、底形、沿岸外形等自然條件決定的，如果海區自然條件相對穩定，對不同時期的實測資料進行調和分析得到的調和常數基本相同。由于海區自然條件的變化，分潮調和常數也會隨之發生變化，尤其是河口地區[5]。

以每兩年逐時潮位資料為基礎，通過最小二乘法擬合，對上海近海大戢山站和灘滸島站的M2、S2、K2、O1、P1、Q1、N2、K1這8個主要分潮調和常數進行分析。從調和分析結果來看，該海域為正規半日潮海區，M2分潮流占主導地位，其次為S2分潮。

圖2 各站月平均潮位變化曲線

圖3 各站觀測數據及擬合結果

圖4 上海附近海域6個驗潮站海平面月變化

圖6 大戢山和灘滸島站主要分潮遲角變化

圖7 各站月平均潮位（——1月和——9月）的年變化

圖8 各站月均高潮位（——1月和——9月）的年變化

圖9 各站月均低潮位（——1月和——9月）的年變化

根據多年實際觀測水位資料的逐年分析結果，不僅海平面逐年上升，分潮調和常數也有明顯的逐年變化。以大戢山和灘滸島為例，從90年代開始，大戢山和灘滸島M2、S2分潮振幅有較為明顯的上升趨勢，其中大戢山站M2分潮振幅從1977—1979年的129 cm 上升到2010—2011年的135 cm，灘滸島站上升更加明顯，從1977—1979年的143 cm 上升到2010—2011年的163 cm，上升幅度達20 cm。遲角的變幅波動較大，但總體呈下降的趨勢，見圖5—6。于宜法等(2003)的研究認為全球海平面上升引起的陸架淺水區域海底和側向摩擦作用的變化，導致潮波傳播發生變化，從而引起振幅變化、潮波無潮點移動等效應。海平面上升后分潮的振幅將隨之而變大，分潮遲角減小。實測資料分析結果與前人的研究結論一致。

3.2 特征潮位變化

以每年月平均潮位最高的9月和最低的1月為例見圖7，在觀測年中，各站月平均潮位逐年上升，隨海平面的上升，平均高、低潮位亦呈上升趨勢（見圖8和圖9），高潮位上升幅度更大。

隨水位的抬高，極值水位、漲落潮歷時、潮差也發生相應的變化。各特征潮位與月均潮位的相關系數見下表。月平均高低潮位與平均潮位呈正相關，其他特征值如極值高低潮位因受氣象因子的影響較大，與平均潮位無明顯相關性，見表1。

近海或沿岸工程設計中，除關注正常氣候狀況和極端氣象條件下的潮位外，一般采用頻率分析的方法，以極高潮位重現期作為度量指標，作為防洪安全設計標準。根據呂泗、大戢山、灘滸島站多年連續年最高潮位資料，通過不同時間長度的年極值潮位，采用P-III 曲線擬合進行典型年遇高水位的計算，適線結果見表2。

各站不同年份統計結果其年極值均值和多年一遇值基本呈上升趨勢。特別是呂泗站，1992—2011年資料分析的得到的多年一遇高水位明顯大于其他時間段數據結果，其中100年一遇高水位從1967—1986年統計分析的635.7 cm上升到669.5 cm，上升幅度達34 cm。在考慮到海平面上升，所用的實測時間段更接近于海平面上升后現狀時，所推算的設計值增大，因此工程設計在計算極值水位時必須考慮海平面逐年升高的問題。

4 結論

利用上海鄰近海域長時間序列潮位觀測資料，進行上海沿海海平面變化以及響應海平面變化的潮汐特征研究，結果表明：

（1）上海沿海海平面具有明顯的季節變化特征，其中以9月份海平面最高，1—2月份海平面最低。上海沿海潮位站觀測的水位年較差值在40 cm左右；

表1 各站特征潮位與月均潮位的相關系數

表2 各站設計潮位計算結果

（2）基于本研究所采用的觀測資料統計分析表明，隨著海平面變化，上海沿海潮型特征也相應改變。分潮調和常數隨海平面變化振幅增加，遲角減小，特征潮位基本與平均潮位呈正相關；

（3）分別利用不同時段連續多年年極值潮位資料進行防澇典型年遇設計潮位的計算表明，近年的典型年遇高水位有升高的趨勢。

5 討論

從分析的結果可以看到，潮汐特征值的改變與海平面的上升確是存在一定的相關性，但同時受到沿岸地形、地貌以及水文氣象因素的影響。段華琛對長江口吳淞站的水位資料進行分析，發現豐枯水年，該站的水位變化幅度達10 cm[5]，上游流量的變化引起的海平面變化不容忽視。嚴以新等人通過對長江口兩個驗潮站的主要分潮的調和常數、特征潮位以及潮位過程分析，發現長江整治工程修建改變河口地區的邊界條件，使長江口局部潮汐特征發生了變化[5]。因此，上游流量、流態的變化也是影響該海區潮汐特征的重要因素[6]。

本文僅從海平面變化的角度，通過歷史資料的統計分析，研究潮汐特征值對海平面上升的響應。相較于海平面的上升，由于人為因素和氣象引起的潮汐特征改變幅度是難以預見的，未來有必要深入地研究該區域環境的變化對海洋動力過程的影響。

[1]陳奇禮,許時耕,李暢猷,等.閘坡港,湛江港海平面上升后潮汐特征的變化及其影響[J].南海研究與開發,1999,3:1-6.

[2]張錦文,王驥.萊州灣海平面上升和潮差增大對工程設計標準的影響[J].海洋通報,1999,18(5):1-9.

[3]李加林,張殿發,楊曉平,等.海平面上升的災害效應及其研究現狀[J].災害學,2005,20,(2):49-53.

[4]田素珍,馬繼瑞.海平面上升趨勢數據的診斷及中國沿海海平面的上升趨勢[J].海洋通報,1996,14(6):13-18.

[5]段華琛.用八年周期法對吳淞站月平均海平面進行長江徑流訂正[J].海洋科技資料,1980,4:41-44.

[6]嚴以新,劉均衛,吳德安,等.長江口綜合整治工程前后潮汐特征分析[J].河海大學學報(自然科學版),2009,37(1):100-104.