长江口潮差中长期变化对河口生态环境的影响

张赛赛,杨世伦,李 鹏,陈沈良,李占海,石学法

(1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室,上海200062;2.中交上海航道勘察设计研究院有限公司,上海200062;3.华东师范大学 崇明生态研究院,上海200062;4.国家海洋局 东海预报中心,上海200136;5.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061)

河口是陆海相互作用强烈的地带,在自然生态环境和社会经济中扮演着重要角色。而这些都与河口水动力密切相关。潮汐是河口海岸水动力的重要组成部分,而潮差是潮汐的重要表征。潮汐变化的重要特征是周期性。因潮汐的周期性受控于天文因素,不同时间尺度潮汐周期的研究已趋于成熟[1]。受地形等因素的影响,河口海岸地区的潮汐与大洋潮汐差异显著[2]。世界上很多重要的河口地区都有长期的潮位监测资料,根据该资料序列可得出多年平均潮差,也可分析潮差的周期性变化。潮差沿世界海岸线的变化极其显著,从接近0(无潮点)到超过15 m[3]。河口海岸潮差变化研究的意义不仅在于揭示其周期性,还在于了解不同周期潮差变化的幅度以及它对生态环境的可能影响。关于后者,已有的研究中针对近岸月周期的大、小潮变化对河口盐水入侵和动力泥沙过程影响的最多[4-5],针对潮差季节变化及其影响的相对较少[6-7],而就潮差多年变化及其影响的研究更少[8]。

长江口是一个中-强潮河口,不同时间尺度的潮差变化对生态环境可能都具有重要影响。过去人们在长江口大、小潮潮差变化及其对河口流速、盐度、悬沙浓度和粒径、滩面冲淤等的影响方面开展了大量工作[9-11]。尽管前人对长江口潮差的季节性变化已有涉及[12-13],但该变化对生态环境影响的很多方面尚有待发掘研究。例如,人们发现长江口悬沙浓度的季节性变化明显,但在机制解释方面通常只考虑风浪和径流季节变化的影响[14-15],而对潮差季节变化的可能影响则很少讨论。又例如,长江三角洲海岸湿地的潮上带部分(平均高潮位以上区域)在冬季通常干涸,滩面出现泥裂,几无泥沙沉积,生物贫乏;而在夏秋季节则常被水浸泡,泥沙沉积沉降丰富,生物繁茂。过去把这种季节变化主要归因于气候条件:比如夏、秋雨水多,有台风增水影响,而冬季则相反[16-17]。此外,前人在长江口年-年代际潮差变化对生态环境的影响方面几乎未曾涉及。例如,不少研究发现三峡工程运行以来长江水下三角洲出现了大范围淤-蚀转型,并把这种转型归因于建坝等引起的河流入海泥沙通量下降[18-19]。诚然,长江入海泥沙通量下降是水下三角洲淤-蚀转型的根本原因,但同时也有必要弄清楚海洋动力条件(潮汐、波浪、沿岸流)变化是否在三角洲淤-蚀转型中扮演了某种角色。前人利用谱分析方法研究长江口潮汐的周期变化[13,20]和长周期潮汐特征的研究,这种方法虽然可以得到频域上的周期,但无法得到时域上准确的变化时间[21]。

图1 佘山潮位站位置及附近地形Fig.1 The location of Sheshan tide-gauge station and nearby terrain

本文利用具有时频同时分辨能力的小波分析法,对位于长江口口门区域的代表性潮位站(图1)近50 a的潮位资料进行分析。旨在获得潮差变化的季节和年-年代周期的变幅大小以及变化的起止时间,并举例探讨这些潮差的周期性变化对河口生态环境的可能影响。

1 数据资料与研究方法

1.1 数据资料

图2 2004年佘山站预报与实测潮差对比Fig.2 Comparison of forecast and measured tidal rangein 2004

鉴于连续的长时间序列的实测潮位资料获取困难,本文采用1972—2018年上海海事局等单位编制的《长江口潮汐表》[22]中佘山潮位站的66 337个高、低潮位数据。潮汐表是权威专业机构利用以往长期潮位观测数据并进行调和分析来实现对未来一段时间内的潮位进行预报,具有相当高的预报精度[23]。为了验证上述潮位数据所反映的潮差的预报精度,本文利用2004年全年佘山站实测的1 416个高、低潮位数据计算得出的潮差,与预报潮差进行对比,发现二者高度吻合:相关系数达到0.99(图2),预报和实测年平均潮差分别为227和224 cm(相差仅1%)。由于潮汐的周期性变化主要受天文因素控制,而天文因素的变化规律已被反映在预报潮位中,因而可利用预报潮位代替实测潮位进行长江口长周期潮差变化特征的分析,以获得不同周期潮差的变幅大小和起止时间。通过高低潮位平均得到的半潮面与平均海平面之间具有良好的线性相关关系,在缺乏逐时潮位资料时,可以使用半潮面间接分析海平面的变化[24]。对佘山潮位站的高、低潮预报数据进行逐年平均,可知1972—2018年佘山半潮面呈上升趋势,年均变化幅度约为4.1 mm/a。

1.2 小波分析

小波分析[25]由Morlet在1980年提出,近年来在水文等领域得到了许多的应用。作为对传统傅里叶分析的进一步发展,小波分析具有多分辨率分析的特点,并且可以对信号的时域和频域同时进行特征分析。通过将时间信号进行展开为小波函数族的线性叠加,能得到信号的周期性变化特征,对于周期性变化显著的水文数据,是十分有力的分析工具。本文选用的小波基是在水文分析中广泛应用的Morlet小波[26],通过绘制小波系数实部的等值线图,可知不同时间尺度的周期变换及其在不同时间上的分布;小波能量谱的变化反映了不同时间尺度变化周期所对应的能量密度,能量谱的值越大,其所对应的时间尺度变化越强;小波系数的方差图可以用来分析不同时间尺度作用的强弱。

2 结 果

图3 佘山站多年月平均潮差季节性变化Fig.3 Seasonal changes in the monthly average tidal range at the Sheshan Station for many years

2.1 潮差过程线反映的周期变化

2.1.1 月均潮差显示的半年周期变化

对月均潮差数据进行多年平均计算可知,月均潮差存在着明显的季节性变化(图3)。年内极大月均潮差出现在3月(258.9 cm)和9月(256.3 cm),极小月均潮差出现在6月(242.5 cm)和12月(243.5 cm),平均变幅14.6 cm,平均变化率5.8%。日均潮差的季节差异较之月均潮差的季节差异更大:例如2015-03,2015-06,2015-09 和2015-12 的最大日均潮差分别为428.8,330.3,428.8 和344.3 cm,相对季节变化率为23.9%。此外,2015-03和2015-09的大小潮差异明显其他2个月,2015-03和2015-09大潮期间的日内两高潮不等现象明显小于小潮期间的日内两高潮不等现象,其他2个月则相反。2015-03和2015-06的对比潮差对比见图4。

图4 潮差日不等现象的大小潮差异与季节差异Fig.4 The differences of tidal range diurnal inequality in spring and neap tides and among seasons

2.1.2 年均潮差显示的约19 a周期变化

年均潮差的极大值分别出现在1977 年(258 cm)、1996年(258 cm)和2015年(259 cm),极小值分别出现在1986年(242 cm)和2005年(243 cm)(图5),平均周期19 a,平均变幅16 cm,平均变化率6.4%。

图5 近50 a长江口门区年均潮差的变化Fig.5 Changes of annual average tidal range in the Changjiang estuary area in recent 50 years

2.2 小波分析得出的潮差周期性变化

利用1972—2018年共564个月均潮差的时间序列进行小波分析,小波系数的能量谱图(图6a)显示在222个月即18.5 a左右存在着一个能量最强,周期最为显著并且横贯整个序列的主周期变化。在能量谱图的下方也曾存在着一个6个月左右,能量较强的周期变化,这2个周期尺度均通过置信度95% 的红噪声检验。代表潮差序列在不同周期上变化的小波系数实部时频分布见图6b,18.5 a变化周期的极大值出现于1977年,1996年和2015年,极小值出现于1986年和2005年,这与图5中年均潮差序列变化相同。图6c中通过置信度95%红噪声检验的小波方差周期的较大值分别出现在222个月与6个月左右,对应着18.5 a与0.5 a左右的变化周期。

图6 佘山站月平均潮差的小波系数实部和能量谱的时频分布以及小波方差Fig.6 The time-frequency distribution of the real part of the monthly mean tidal wave and the square of the energy spectrum of the Lushan station and the wavelet variance

表1 不同时间尺度的潮差变化幅度Table 1 Ranges of tidal range changes at different time scales

由表1可知大小潮周期内潮差的变化幅度最为显著,平均幅度达到224.3 cm,变率达到169.0%。半日周期和年周期内变化虽不如大小潮周期显著,但仍达到44.6和18.8 cm,变率分别为19.6%和7.9%。年代际尺度变化的18.5 a周期内,变化幅度为15.7 cm,变率为6.5%。

3 讨 论

3.1 18.5和0.5 a周期潮差变化的原因

根据年均潮差过程线推断的19 a周期与月均潮差资料的小波分析得出的18.5 a周期是同一种周期。前一种直观的方法所基于的潮差的分辨率为年,得出的结果只能近似到整数年。小波分析得出的18.5 a周期更接近真实情况。这表明小波分析的优越性。潮差的大小主要与引潮力有关,引潮力越大潮差越大,而引潮力的变化主要受天体运行轨道变化的影响[27]。每年中月均潮差的极大值出现在3月和9月,极小值出现在6月和12月,这与引潮力变化和气候的季节变化有关。二者都受到太阳赤纬角变化的影响,3月和9月太阳赤纬角最小,半日潮现象显著,在半日潮海区表现为潮差增大,而在6月和12月正好相反。在半日潮海区月球赤纬角越小引潮力越大,因而产生的潮差越大。潮差18.5 a的变化周期与月球赤纬角变化相接近,主要是由于月球轨道变化对地球潮差的影响[28]。

3.2 长江口生态环境受18.5和0.5 a周期潮差变化潜在影响的分析

潮差的季节变化和多年周期变化对河口海岸生态环境具有重要意义。例如,1978—1979年的冬春季节长江口出现了历史上最严重的盐水入侵事件,致使中国第三大岛,世界最大河口冲积岛之一的崇明岛被盐水包围数月。前人的研究在探究其原因时往往只提及长江入海径流量低这一个原因[29-30],而对潮差变化的可能影响未曾探讨。诚然,长江流域旱情造成的入海径流量特低是这次严重盐水入侵事件的主要原因,但潮差的变化也是不容忽视的因素。1978—1979年正值18.5 a潮差周期变化的高值阶段(图5),而2—4月(特别是3月)正值0.5 a潮差周期变化的高值阶段(图3),“双高”叠加可能使上述严重盐水入侵事件期间的潮差较多年平均值增大6%～7%。上述严重盐水入侵时段的长江最低月均流量(大通站)为7 220 m3/s,较多年平均的最低月均流量低28%[31]。实际上,1987年曾出现类似的低月均流量(7 610 m3/s),1963年甚至出现过更低的月均流量(6 730 m3/s),但都不曾发生上述那样的严重盐水入侵事件。究其原因,可能与潮差不是处于18.5 a周期的高值阶段有关。根据潮差的18.5 a周期推断,1987年正好位于18.5 a周期潮差变化的低值阶段(图5),而1963年则位于18.5 a周期潮差变化的中等值高值阶段。

三峡工程对长江口生态环境的影响受到高度关注。Li等[11]通过对比1999—2000年(三峡工程前)和2008—2009年(三峡工程后)两个时段多个测站每日采样分析资料(取时段平均值),发现后一阶段的悬沙浓度较之前一阶段平均下降约25%,并认为该下降是三峡工程等引起的河流入海悬沙通量和入海水体悬沙浓度下降的结果,忽略了潮差变化的可能影响。其实,根据18.5 a周期的潮差变化过程,1999—2000 年和2008—2009年分别位于潮差高值和低值阶段,前一阶段平均潮差较后一阶段大4.1%(图5)。根据潮流速度与潮差成正比以及悬沙浓度与流速的高次方成正比[32]的基本原理粗略估算,后一阶段的潮差减小可使悬沙浓度下降5%～8%,即上述后一阶段悬沙浓度的下降中潮差减小的贡献可能占20%～30%。

鉴于近几十年长江入海泥沙通量的急剧下降,水下三角洲冲淤响应的研究成为一个热点。根据地形资料的测量时间和研究需要,很多研究划分了不同时段进行冲淤对比[16,18-19,33-34],但几乎都没有谈及潮差变化对冲淤的可能影响。其实,是否存在这种影响是可以论述的。例如,根据18.5 a的变化周期,1958,1977—1978和1997年三个时间都位于潮差的高值阶段(图5)。因此,1958—1977和1978—1997两个时段的冲淤对比中已经基本上滤除了潮差变化的影响,后一时段水下三角洲净淤积速率下降与潮差变化的关系不大。类似地,1981,1997和2012 年的佘山站平均潮差分别为255,256 和253 cm(图5),差别不大。因此,从1981—1997年时段到1997—2012时段的长江北支口外的淤-蚀转变也几乎与潮差变化无关[34]。然而,2004年以来水下三角洲的大范围净侵蚀(相对于之前的净淤积)及侵蚀增强趋势[18,35]可能与潮差的逐渐增大(图5)有一定关联,尽管三峡工程等导致的入海泥沙通量急剧下降是首要原因。而对这一点在以往的研究中被忽略了。

有人通过前后30 a(2012年与1982年)的长江水下三角洲大范围取样分析对比,发现近年长江水下三角洲底床沉积物出现粗化现象,并将其归因于流域入海泥沙减少后水下三角洲出现的淤-蚀转变、河流入海泥沙的粗化(因长江中下游侵蚀补充泥沙)以及一定程度的海洋波浪增强[36]。其实,潮差增强也可以导致底床沉积物中的细颗粒再悬浮,从而使表层沉积物粗化。因此,有必要对比前后30 a的潮差。尽管30与18.5 a的潮差变化周期看似无关,它们分别处于潮差的减小期和增大期,但1982年和2012年的潮差非常接近,分别为252和253 cm(图5)。因此,潮差变化对上述底床沉积物粗化的影响可以忽略。

3.3 海平面上升、地面沉降以及地形变化对长江口潮汐的可能影响

近几十年东海海平面呈显著上升趋势[37],长江口地区地面沉降显著[38],长江口岸线形态和水下地形因围垦和冲淤等发生了一些变化[18,34]。这些因素无疑会对潮波传播、潮位和潮差产生一定影响。另一方面,潮汐的周期变化主要取决于天文因素,尽管海平面变化、地面沉降以及地形变化等可能在一定程度上扰乱潮汐的周期性,但其影响程度可能远远低于其对潮位和潮差的影响。本文18.5 a周期的计算结果与公认的18.6 a周期基本吻合,说明这些因素的影响虽然存在但不十分显著。由于这些因素的影响极其复杂,目前难以对其做定量评估。

4 结 语

本文通过小波变换等分析方法,结合长江口地区代表性潮位站潮差序列数据,得到长江口潮差在中长期时间尺度上的变化特征。将潮差周期变化与地区生态环境变化的重要事件相对照,探讨了潮差周期变化对河口生态环境的潜在影响,并对潮差未来变化趋势及可能导致的生态环境变化作出了预测,主要结论如下:

长江口潮差具有0.5和18.5 a的显著周期。在海平面上升等因素的影响下,年内月均潮差极大值出现在3月和9月,极小值出现在6月和12月,平均变幅19 cm,相当于多年平均潮差的7.5%。过去50 a的年均潮差极大值出现在1977,1996和2015年,极小值出现在1986和2005年,平均变幅16 cm,相当于多年平均潮差的6.3%。这些变化对长江口生态环境可能具有潜在的重要影响,1978年冬季至1979年春季连续几个月的长江口严重盐水入侵事件除了与长江枯季径流量低外,可能与此时正值18.5 a潮差周期变化的高值阶段也有一定关系(春季的盐水入侵可能还有3 月潮差高值有关);长江口悬沙浓度从1999—2000 年到2008—2009年下降约25%,除了与长江入海悬沙通量下降有关外,可能也与后一时段潮差减小4.1%有一定关系;2004年以来长江水下三角洲侵蚀趋势增强除了与三峡工程等导致的入海泥沙通量下降有关外,还可能与同期潮差的增大趋势有一定关系。这说明,在18.5 a周期变化的潮差极大值出现的年份,枯季盐水入侵会加强,水下三角洲侵蚀会加剧,悬沙浓度会增高。相反,在18.5 a周期变化的潮差极小值出现的年份,枯季盐水入侵会减轻,水下三角洲侵蚀会减弱,悬沙浓度会降低。

本文虽未给出0.5和18.5 a潮差周期变化对环境因素影响的直接证据,但上述问题仍值得在今后的研究中引起重视。根据上述2种周期性的潮差变化可以预见今后的可能影响。例如,2015—2024年间长江口潮差将呈减小趋势,它将导致盐水入侵和海底侵蚀相应减弱,悬沙浓度相应降低。