长江河口北支潮位与潮差的时空变化和机理

宋永港， 朱建荣， 吴 辉

（华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

长江河口北支潮位与潮差的时空变化和机理

宋永港， 朱建荣， 吴 辉

（华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

考虑长江河口径流、潮汐和风场共同作用，数值模拟和定量分析北支潮位和潮差时空变化和动力机制.北支月平均潮位呈现出从1月到7月逐渐增大，从8月到12月逐渐减小的变化趋势，主要决定于径流量产生的余水位.潮差具有季节变化，一年中出现两次极大值和两次极小值.两次极大值出现在3月（农历二月）和9月（农历八月），两次极小值出现在6月（农历五月）和12月（农历十一月）.青龙港最高潮位和最低潮位主要由潮汐强度决定，也与潮汐季节性变化和径流量有关.北支平均潮位、最高潮位和最低潮位纵向上基本呈现从下游往上游逐渐增加的变化规律，北支的潮差变化呈现出从口门向中段逐渐增大，再从中段向上段逐渐减小的规律.冬季偏北风使青龙港潮位增大，夏季偏南风使青龙港潮位和潮差略微减小，风对北支潮差几乎没有影响.径流产生的余水位增加潮位，径流对潮汐具有抑制作用，使潮差减小.

长江河口； 北支； 潮位； 潮差； 影响因子

0 引 言

长江河口三级分汊，第一级分为南支和北支，由崇明岛分隔（见图1）.北支为喇叭形河道，从南北支分汊口崇头至入海口连兴港全长约86 km.近60多年来，由于大量围垦促淤工程的实施，北支上段河道变浅，河宽缩窄，导致水道萎缩，北支洪、枯季的净分流比逐渐减小至目前的5%以下［1］.河势的演变造成北支径流作用减弱、潮汐作用加强，逐渐变成以潮流为主的潮汐通道，并进一步影响到北支河道的冲淤和河床的演变［2，3］.北支另外一个重要的现象就是出现了冬季北支盐水倒灌进入南支，潮差越大，倒灌越强，倒灌强度随潮差指数增长［4］.北支倒灌进入南支的盐水在径流的作用下向下游移动，影响陈行水库、宝钢水库和青草沙水库取水，因此研究北支潮差的时空变化对上海供水安全具有重要的应用意义.

以往对长江河口北支潮差的研究主要是基于实测资料从定性的角度分析北支潮汐和潮差的变化［5］，没有详细研究时空变化，更没有研究径流和风对它们的影响.本文应用改进后的ECOM-si数值模式模拟北支潮位和潮差，从定量上给出北支潮位潮差随时间和空间的变化，并分析径流和风对潮位和潮差的影响.北支潮汐和潮差是基本的水文要素，揭示其时空变化规律和动力机理，具有重要理论意义.

图1 长江河口地形图Fig.1 Map of the Changjiang Estuary

1 数值模式设置和验证

本文数值模式应用改进后的ECOM-si模式［6，7］，该模式长期应用于长江河口水动力过程和盐水入侵的模拟，已取得了众多的成果［4－9］.数值模式的计算区域包括整个长江河口、杭州湾和邻近海区，上边界在大通，外海边界到东经125°，南到27.5°N，北至33.5°N.外海开边界以潮位驱动，考虑16个主要分潮 M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、U2、V2、T2、L2、2N2、J1、M1和OO1，由各分潮调和常数合成给出.上游大通开边界条件以实测径流量给出，海平面考虑风应力.初始条件水位和流速均取为零，初始温度、盐度取自实测资料结合海洋图册给出.长江河口水深资料由各区最新测得的数据组合而成，北支上段、南支上段和南汇边滩由2008年观测水深资料给出，口门内其它区域大部分由2007年观测资料给出，口外大部分区域水深由海军航保部海图数值化给出.

采用2006年12月份的芦潮港实测潮位资料，以及2010年3月15日至4月4日北支青龙港的潮位资料（实测资料基面均已调整至平均海平面）验证数值模式.模型验证期间采用实测的风场和大通站径流量资料.从验证结果看，总体上模式计算值与实测值吻合良好（见图2和图3）.芦潮港站实测潮位与模型计算潮位的皮尔逊相关系数为0.888，青龙港站的皮尔逊相关系数为0.963；这说明模型计算值与测量值的相关性好.另外，为了说明潮周期中各个时段计算值与测量值的相关性，在每个时间点处前后各取12 h内的数据进行24 h内的皮尔逊相关性分析，得到相关系数的时间序列（见图2和图3中的下图）.从图2中可以看出芦潮港站，模型计算的潮位在小潮时与实测值的相关性要高于大潮；青龙港站模型计算值与实测值的相关性是大潮好于小潮.这样的误差主要由地形、底摩擦、开边界条件误差和模式本身存在计算误差等因素造成的.总的说来，ECOM-si模式能较好模拟长江河口和杭州湾潮汐变化.

图2 2006年12月芦潮港模式计算潮位（实线）与实测潮位（黑点）（上图）、皮尔逊相关系数（下图）随时间变化Fig.2 Comparison of the simulated tidal level（solid line）with the measured data（dots）（upper）and the Pearson correlation coefficient（lower）at the Luchaogang station in December 2006

2 北支潮位和潮差时空变化

本节考虑径流、潮汐和风场共同作用下北支潮位和潮差时空变化，计算方案称为数值实验A.在时间上分析各月潮位和潮差的变化，在空间上分析北支上段、中段和下段3个代表性测站青龙港、三条港和连兴港潮位和潮差的变化.

各月模式上游边界条件以大通站1950～2005年各月平均径流量给出［10］（见表1），径流量季节变化明显，12、1、2、3月径流量分别为14 504、10 904、11 707、15 886 m3／s，为枯季径流量；6、7、8、9月径流量分别为40 638、50 759、44 596、40 171 m3／s，为洪季径流量.风场采用NOAA的NECP数据，以多年半月平均的形式给出，平均的时间段从1999年到2008年，计算区域的半月平均风场随时间变化见图4.图中显示9月至3月为偏北风，4月至8月为偏南风，季风特征明显.

图3 2010年3月15日至4月5日青龙港模式计算潮位（实线）与实测潮位（黑点）（上图）、皮尔逊相关系数（下图）随时间变化Fig.3 Comparison of the simulated tidal level（solid line）with the measured data（dots）（upper）and the Pearson correlation coefficient（lower）at the Qinglonggang station from March 15 to April 5 in 2010

表1 大通多年月平均径流量Tab.1 The monthly mean river discharge at the Datong station m3·s－1

图4 模式计算区域多年半月平均风矢量Fig.4 The semimonthly mean wind vector in the model domain

2.1 潮位和潮差时间变化

本文分析青龙港潮位和潮差随时间变化，对实验A的计算结果作统计，得到青龙港12个月各月的最高潮位、最低潮位和平均潮位（见表2）.可见青龙港月平均潮位呈现出从1月到7月逐渐增大，从8月到12月逐渐减小的变化趋势；平均潮位最大值出现在7、8月份，约0.74 m，平均潮位最小值出现在2月份，为0.36 m.平均潮位体现的是余水位，主要由径流量决定.青龙港月平均潮位与长江月平均径流量呈现出明显正相关性，即长江径流量增大时，青龙港的平均潮位增大；径流量减小时，平均潮位减小.平均潮位与径流量呈现出这种正相关性说明径流量是引起平均潮位变化的原因之一.

表2 青龙港每月潮位和潮差统计（单位：m）Tab.2 The monthly statistics of the tidal level and tidal range at Qinglonggang

长江河口为半日潮，对青龙港每日相邻的最高潮位和最低潮位相减，得到两个潮差，取大的潮差作为当日的潮汐强度，一年逐日潮差随时间变化见图5.径流和风的作用会产生余水位，同时体现在最高潮位和最低潮位中，两者相减，基本消除了径流和风的作用，故潮差最能体现潮汐强度.从图5可见，潮差具有季节和显著的半月变化.半月变化即大小潮变化，一月中有两次大潮和两次小潮，大潮期间潮差大，小潮期间潮差小，但存在月不等现象.上半年1～6月，前半月最大潮差比后半月最大潮差大；下半年7～12月，后半月最大潮差比前半月最大潮差大.季节变化体现在一年中潮差出现两次极大值和两次极小值.两次极大值出现在3月（农历二月）和9月（农历八月），量值分别为4.29 m和4.02 m（见表2）；两次极小值出现在6月（农历五月）和12月（农历十一月），量值分别为3.52 m和3.78 m.潮差季节变化呈现出这种极大潮差出现在3月和9月的原因在于3月和9月地球分别处在春分点和秋分点附近，此时的月球、地球和太阳三者的位置最接近直线，太阳的引潮力和月球的引潮力的合力达到一年中的极大值，形成一年中的大潮，潮差在一年中达到极大值.各月每日潮差中取最大值，作为该月潮汐的强度，量值见表2.

潮差的这种季节变化对长江河口具有重要的指导意义.潮差对长江河口的盐水入侵有着巨大的影响，潮差越大，倒灌越强，倒灌强度随潮差指数增长［4］.3月潮汐最强，且2月和1月潮差在一年中强度为第二和第三，量值分别为4.22 m和4.29 m（见表2），加上1～3月长江径流量低，这种低径流量和强潮差的组合，导致长江河口冬季发生严重的盐水入侵.9月尽管潮差出现一个极大值，但平均径流量达到40 000 m3／s，故一般不会发生北支盐水倒灌南支现象.三峡工程建成后，三峡水库季节性调水，若9月大幅蓄水导致径流量大减，因9月出现第二个潮差极大值，会导致提前和加剧长江河口盐水入侵，需引起注意.

图5 青龙港站模式计算逐日潮差随时间变化Fig.5 The simulated daily tidal range at the Qinglonggang station

最高潮位与平均潮位略有不同，最高潮位1～3月增大，再逐渐减小至6月，然后又逐渐增大直到8、9月，再逐渐减小，呈M形变化（见表2）.最低潮位与平均潮位的变化趋势类似，1月最低，量值－1.3 m，随后增大，至8月达到最高值，量值－0.67 m，之后逐渐减小，至12月量值为－1.15 m.最高潮位和最低潮位主要由潮汐强度决定，与季节性潮汐变化有关，也与余水位有关，是由两者共同决定的.

2.2 潮位和潮差空间变化

通过对比北支纵向上青龙港、三条港和连兴港3个站点的潮位和潮差的变化，分析潮位和潮差的空间变化.表3给出了这3个站点各月最高潮位、最低潮位和平均潮位，可见除1～3月青龙港最高潮位比三条港低外，青龙港平均潮位、最高潮位和最低潮位均比三条港的高，而三条港的平均潮位、最高潮位和最低潮位又比连兴港的高.因此，北支潮位纵向上基本呈现从下游往上游逐渐增加的变化规律.

图6给出了这3个站点潮差随时间的变化，可以看到青龙港、三条港和连兴港这3个站点中潮差最大的地方是三条港，其最大潮差达5.03 m，出现在3月，年平均潮差3.21 m；连兴港的潮差其次，最大潮差4.83 m，年平均潮差3.05 m，比三条港略小；青龙港在这3个站点中潮差最小，最大值4.29 m，年平均潮差只有2.64 m.这说明北支的潮差变化呈现出从口门向中段逐渐增大，再从中段向上段逐渐减小的规律.这与沈焕庭等所描述的现象一样［8］，原因在于北支地形呈喇叭口，潮波进入北支口门后，过水断面迅速收缩，潮波单宽能量增加，潮差增大；但随着潮流继续向内推进，能量损耗越来越大，当单宽能量增加量小于因损耗的能量时，潮差会减小；北支上段由于径流顶托作用和摩擦阻力作用导致的能量损耗超过能量聚集，潮差逐渐减小［5］.

3 风和径流量对北支潮位和潮差的影响

本节设计两个数值实验B和C，数值实验B考虑径流和潮流作用，与数值实验A比较，分析风对北支潮位和潮差的影响；数值实验C仅考虑潮流作用，与数值实验B比较，分析径流对北支潮位和潮差的影响.

表3 每月北支潮位纵向比较Tab.3 Longitudinal comparison of the monthly tidal level in the North Branch m

图6 北支三条港（实线）、连兴港（虚线）、青龙港（黑粗线）每日潮差随时间变化Fig.6 Temporal variation of the daily tidal range at the Santiaogang station（solid line），the Lianxinggang station（dash line）and the Qinglonggang station（solid bold line）in the North Branch

3.1 风对北支潮位和潮差的影响

将数值实验A计算出的青龙港每日最大潮位和潮差减去数值实验B计算出的每日最大潮位和潮差，得到每日最大潮位差值和潮差差值随时间变化，两者差值可体现风的作用.

长江河口冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风（见图4）.总体上，冬季偏北风使青龙港潮位增大，夏季偏南风使青龙港潮位和潮差减小，但影响微小（见图7）.北风对潮位有增高作用是因为北风产生Ekman输运，在北支口附近形成向西输运的风生流［10］，引起北支内水位的抬升；而夏季南风引起的Ekman输运方向指向口外，有降低水位的作用.另外，每日最大潮位差值存在着半月变化.原因在于北支水深浅，而平均潮差约在3 m，大潮期间水深的变幅远大于小潮期间水深的变幅，相同的风场在大潮和小潮期间对每日最大潮位作用不同，即风和潮汐之间存在着非线性相互作用.与图5中青龙港潮差随时间变化比较，大潮期间偏北风对潮位增加不明显，甚至降低；小潮期间偏北风对潮位增加相对明显.

总体上风对北支潮差几乎没有影响，但存在着更显著的半月变化，且与潮差存在负相关（见图8），原因同样在于风与潮汐的非线性相互作用.大潮期间偏北风减弱潮差，小潮期间偏北风增大潮差，量值在0.02～0.04 m之间.

图7 青龙港每日最大潮位差值（数值实验A－数值实验B）随时间变化Fig.7 The difference of the daily highest tidal level between the numerical experiment A and B（A－B）at the Qinglonggang staion

图8 青龙港每日潮差差值（数值实验A－数值实验B）随时间变化Fig.8 The difference of the daily tidal range between the numerical experiment A and B（A－B）at the Qinglonggang station

3.2 径流对北支潮位和潮差的影响

将数值实验B计算出的青龙港每日最大潮位和潮差减去数值实验C计算出的每日最大潮位和潮差，得到最大潮位差值和潮差差值随时间变化，两者差值可体现径流的作用.

从物理概念上看，减去潮汐作用，最大潮位差值基本上为径流引起的余水位，量值与径流量有关.径流总会产生余水位，故潮位差值为正，1～7月逐渐增大，8月后又逐渐减小，变化趋势与径流的变化趋势一致（见图9）.但潮位差值存在着极为显著的半月变化，原因在于径流与潮汐存在非线性相互作用，与图5比较，可见大潮期间径流引起的青龙港潮位增加大，小潮期间小，径流与潮差相互作用对潮位为正相关关系.

径流对潮汐具有抑制作用，使潮差减小.径流量越大，减弱潮差的作用越明显（见图10）.同样存在半月变化，与图5比较，大潮期间径流对潮差的抑制作用弱，小潮期间强.

图9 青龙港每日最大潮位差值（数值实验B－数值实验C）随时间变化Fig.9 The difference of the daily highest tidal level between the numerical experiment B and C（B－C）at the Qinglonggang staion

图10 青龙港潮差差值（数值实验B－数值实验C）随时间变化Fig.10 The difference of the daily highest tidal level between the numerical experiment B and C（B－C）at the Qinglonggang station

4 结 论

本文考虑长江河口径流、潮汐和风场共同作用，数值模拟和定量分析北支潮位和潮差时空变化和动力机制，主要结论如下.

（1）北支青龙港站的月平均潮位呈现出1～7月逐渐增大，8～12月逐渐减小的变化规律，这种变化规律主要取决于北支径流引起的余水位的变化.潮差最能体现潮汐强度，存在月不等现象，具有季节和显著的半月变化；潮差季节变化体现在一年中潮差出现两次极大值和两次极小值；两次极大值出现在3月（农历二月）和9月（农历八月），两次极小值出现在6月（农历五月）和12月（农历十一月）；青龙港最高潮位和最低潮位主要由潮汐强度决定，也与潮汐季节性变化和径流量有关.

（2）北支潮位和潮差随空间变化体现在北支平均潮位、最高潮位和最低潮位纵向上基本呈现从下游往上游逐渐增加的变化规律，北支的潮差变化呈现出从口门向中段逐渐增大，再从中段向上段逐渐减小的规律.

（3）风对北支潮位和潮差的影响体现在冬季偏北风使青龙港潮位增大，夏季偏南风使青龙港潮位和潮差减小，但影响微小.风和潮汐之间存在着非线性相互作用，大潮期间偏北风对潮位增加不明显，小潮期间偏北风对潮位增加相对明显；总体上风对北支潮差几乎没有影响.

（4）径流对北支潮位和潮差的影响体现在径流产生的余水位增加潮位，其变化趋势与径流的变化趋势一致；大潮期间径流引起的青龙港潮位增加大，小潮期间小；径流对潮汐具有抑制作用，使潮差减小；大潮期间径流对潮差的抑制作用弱，小潮期间强.

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Spatial and temporal variations and mechanism of the tidal level and range in the North Branch of the Changjiang Estuary

SONG Yong－gang， ZHU Jian-rong， WU Hui

（State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China）

With the combined effects of the river discharge，tide and wind stress，the spatial／temporal variations as well as the dynamical mechanism of the tidal level and tidal range in the North Branch of the Changjiang Estuary were numerically simulated and quantitatively analyzed in this paper.The monthly mean tidal level in the North Branch is increased gradually from January to July and decreased gradually from October to December.It mainly depends on the residual water level，which is determined by the amount of the river discharge.The tidal range experiences a seasonal variation，with two maximum and two minimum values in a year.These two maximum values appear in March （the second lunar month）and September（the eighth lunar month），and the two minimum ones appear in June（the fifth lunar month）and December（the eleventh lunar month），respectively.The highest and lowest tidal levels at the Qinglonggang sta-tion are mainly determined by the intensity of tidal forcing，and associate with the seasonal variations of the tide and river discharge.The averaged，highest and lowest tidal levels represent a landward increment feature along the North Branch.The tidal range is increased gradually from the mouth to the middle reaches of the North Branch，and decreased from its middle reaches to its upper reaches.The northerly wind in winter tends to produce an increment of the tidal level at the Qinglonggang，and the southerly wind in summer tends to produce a slight decrement of the tidal level and range there.The wind stress has almost no effect on the tidal range in the North Branch.The river discharge increases the tidal level，restrains the tide，and decreased the tidal range.

the Changjiang Estuary； the North Branch； tidal level； tidal range； impact factors

P731.2

A

10.3969／j.issn.1000-5641.2011.06.002

1000-5641（2011）06-0010-10

2010-09

国家自然科学基金（40976056，40806034）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07421-001）

宋永港，男，硕士研究生.E-mail：syg1530216＠163.com.

朱建荣，男，教授，博士生导师，从事河口海洋学研究.E-mail：jrzhu＠sklec.ecnu.edu.cn.