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

（國家海洋局南通海洋環境監測中心站，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，據政府間氣候變化專門委員會第四次報告估計，到2100年全球海洋水位將上升60～100 cm，沿海國家和地區的經濟社會發展和人民生活受到嚴重威脅[1]。

海平面變化、潮差變化和潮汐調和常數的變化是海洋水位變化的主要特征，研究數據主要依賴于沿海驗潮站的長期水位觀測資料和衛星高度計資料[2]。驗潮站資料完整連續、精度高，被廣泛用于區域海洋水位變化的研究中。左軍成等[3]利用沿海各測站的資料對中國沿岸的海平面變化原因進行了探討。林選躍等[4]利用福建沿海4個驗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并對未來50 a福建沿海海平面上升進行了預測，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資料，分析該海域的潮汐的時空分布特征。國家海洋信息中心根據驗潮站資料定期發布《中國海平面公報》，2015年報告指出中國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]。驗潮站由于其分布的局限性對大區域的海洋水位變化刻畫不足，近年來隨著遙感技術的發展，衛星高度計資料得到了廣泛的應用。Nicholls等[7]利用1993—2009年的衛星高度資料分析指出全球平均海平面上升的速率達到了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，沿海地區人口密集、經濟發達，但沿海海域水深相對較淺，有利于風暴潮能量的聚集和成長。特別是極端天氣下引發的增減水，往往引發嚴重的海洋災害，對江蘇沿海地區產生深遠的社會經濟影響。雖然海平面上升是一個緩慢的過程，但長年累月的結果足以對沿海經濟發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，對江蘇沿海的經濟發展和防災減災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期驗潮站資料以及衛星高度計資料，研究江蘇近岸海域的水位變化特征。

2 數據選擇和研究方法

2.1 數據組成

本文使用江蘇沿海連云港、呂四兩個驗潮站近20 a的水位連續觀測資料，連云港測站的數據時間為1996—2015年，呂四測站的數據時間為1999—2015年，采樣間隔為1 h。兩個測站的數據是江蘇沿海時間最長的臺站數據，兩個臺站的數據均經過了訂正和質控處理。衛星高度計資料采用的是AVISO提供的月均海面異常數據（Maps of Sea Level Anomalies，MSLA），空間分辨率為 0.25°×0.25°，時間跨度為1999—2015年。在海平面變化計算過程中，采用了兩個測站的氣壓數據和歐洲中期天氣預報中心的再分析氣壓資料進行逆氣壓改正。

2.2 研究方法

本文主要采用線性回歸分析的方法計算海平面變化趨勢，并利用Mann-Kendall方法對趨勢進行顯著性檢驗。在海平面變化計算過程中，對原始資料進行了逆氣壓改正：

式中：P為觀測站點的氣壓值，Pˉ為全球平均氣壓，從理論上講，經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，相對不作逆氣壓改正時能提高20%[8]。利用調和分析方法計算分析兩個測站的觀測資料，獲取各個主要分潮的調和常數，分析其變化趨勢。潮汐調和分析原理在諸多文獻中有詳細的說明，本文不再重新贅述。

3 研究結果

3.1 江蘇沿岸海平面長期變化分析

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測水位資料和衛星高度計資料，利用線性回歸計算連云港、呂四以及整個江蘇沿海的平均海平面變化趨勢，所有趨勢均通過了90%的顯著性檢驗，分析結果見表1和圖1。

整個江蘇近岸海域海平面的變化具有明顯的趨勢性和波動性特征，總體而言呈上升趨勢，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略高于南部沿海，北部近岸地區（連云港測站）上升速度為3.57 mm/a，南部近岸地區（呂四測站）的上升趨勢為3.08 mm/a。對比2015年《中國海平面公報》公布的1980—2014年中國沿海海平面平均上升速度為3.0 mm/a，發現江蘇近岸海域的水位上升速率略高于中國沿海平均上升速率，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變化特征，海平面較高的一般發生夏季，低海平面一般發生在冬季，海平面的年變化幅度在23～44 cm（見圖2）。同時利用線性回歸分析方法對江蘇近岸海域海平面變化趨勢的季節變化特征進行了分析，由表1可見，整個江蘇近岸海域海平面上升速率在夏季達到最大為3.45 mm/a，冬季最小為3.11 mm/a。海平面的季節變化特征可能與江蘇海域溫度的季節變化有關。此外，冬季強大的季風引起該海域海平面下降、冬季冷性高壓系統共同作用下導致冬季海平面上升趨勢最小。

3.2 主要分潮調和常數分析

利用T_TIDE潮汐處理軟件包對觀測數據逐年進行調和分析，獲取江蘇沿岸連云港和呂四兩個長期驗潮站各個主要分潮的調和常數時間序列，并利用線性回歸方法對各個分潮調和常數的變化趨勢進行分析，結果如表2和圖3所示。

從分析結果來看（見表2、圖3），江蘇沿海兩個驗潮站各個分潮中，半日分潮占主要優勢，10個主要分潮中M2和S2兩個半日分潮最大。其中M2分潮占絕對地位，其振幅時S2分潮2—3倍。各個天文分潮的振幅和遲角都有一定的長期性變化趨勢。主要半日分潮振幅呈上升趨勢，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，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，減小速度為0.37 mm/a，在沿海南部則呈上升趨勢，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變化趨勢（單位：mm/a）

圖1 不同海域海平面變化趨勢

圖2 江蘇近岸海域月均海平面高度

表2 連云港、呂四測站各主要分潮調和常數長期性變化趨勢

圖3 兩個驗潮站主要分潮振幅年變化

由圖3可知，各個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振幅的變化相對于天文分潮明顯呈現較大波動。可以看出，整個江蘇沿海的Sa分潮的變化基本相同，而且其變化與厄爾尼諾密切相關[9]。自1996年以來出現的厄爾尼諾事件（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。說明厄爾尼諾現象會導致Sa振幅下降，個別事件會出現振幅提前偏低的現象[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、地轉偏向力以及氣候等因素相關。近岸海域潮汐特征和性質與外海相比會有很大變化。潮差是反映潮汐強弱程度的一個重要指標，也是海岸帶水域的一種主要的動力資源，潮差的分布、變化規律對航運交通、潮汐能源等有重要的參考價值[6]。

本文基于統計方法計算出江蘇沿海兩個驗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）的時間序列。結果表明，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，其表現為南部沿海的潮差較北部沿海潮差大，但其變化規律基本相同，呈逐年增加的趨勢，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）。

從分析結果可知，江蘇沿海的潮差明顯增大，上升趨勢高于全球和區域海平面上升趨勢，上升速率是區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境處于明顯的變化過程中。

4 結語

本文基于江蘇沿岸連云港和呂四兩個驗潮站長期潮位觀測資料以及AVSIO衛星高度計資料，研究分析了江蘇沿海海域水位的變化特征，得到以下結論：

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

（2）江蘇沿海兩個驗潮站的主要半日分潮的調和常數呈上升趨勢，全日分潮呈下降趨勢，氣象分潮Sa的變化與厄爾尼諾現象密切相關；

（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，潮差明顯增大，上升速率為區域海平面上升率的1.1～1.5倍。說明江蘇沿海的潮汐環境處于明顯的變化過程中。