温州湾海域潮形偏态时空分布特征研究

冯曦，周雨晨，孙凤明，徐欢，温世玮，孙壮，刘诗静，冯卫兵

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；2.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；3.江苏省水利工程科技咨询有限公司，江苏 南京 210003)

1 引言

潮形在近海的传播与演变直接关系着海岸工程的安全可靠性，是海岸建筑设计标准的依据，同时也是海岸带防灾、减灾工作中不可忽略的海动力要素之一。潮形偏态不仅影响着海岸地区的泥沙、盐度、营养盐及污染物的运移，同时也影响着洪水、风暴潮的预报。Nidzieko[1]提出用水位时间导数的偏度来定量潮形偏态，偏度的绝对值表示潮汐不对称性的强度，正负表示其方向。正偏代表涨潮历时短、流速强，负偏反之。潮汐不对称性的变化呈现出从月内至季节性乃至年际变化的特征。例如，长江口的径流使得潮汐不对称性呈现出显著的枯洪期差异[2]。海岸工程对河口及近海潮动力的变化也起到重要影响，在江苏连云港至南通的围垦工程，使得该海域的潮汐不对称性质甚至在部分岸段发生改变[3]。

温州湾海域属于中强潮海域，岛屿密集，地形复杂。瓯江是浙江第二大河，出温州湾汇入东海。乐清湾位于瓯江口东北方向，三面环山，有一口门与外海相连，是我国较大的淤泥质港湾之一，湾内资源多样（图1）。近几十年来，随着经济发展，瓯江口与乐清湾范围内有多个围垦工程落成或正在实施中，岸线变化剧烈。短周期的水文环境变化和长周期的岸线变迁都会影响潮波行进过程中的传播规律。而作为沿岸经济发达、人口稠密的湾区，准确预报该海域的潮位对维护地方经济安全和防灾减灾工作意义重大。前期各位学者的研究对了解该海域的潮汐特性有了一定的积累。研究表明，乐清湾湾内潮汐不对称性表现为落潮占优[4]，而在瓯江口海域，潮汐不对称性表现为涨潮占优[5]。童朝锋等[4]通过对比分析2003 年与2010年乐清湾内部分潮位资料发现，同月湾内落潮主导的性状有所减弱。另一方面，张伯虎等[6]对1960-2014年实测潮位资料进行分析，发现自温州站及其上游河段涨潮主导趋势有所减弱。上述研究认为，潮汐不对称性的变化与湾内外或河口内外的围垦或河口采砂相关[4，6]，这对本文的研究主体具有一定的启发意义。然而，受限于所用资料的全面性，前者的发现是否具有普适性有待商榷；后者的发现局限于瓯江上游河段，而对于河口及外海疏于分析。同时，上述研究对于短时间内潮形的连续变化和内部成因未做深入分析。由于研究区域和关注点的不同，前期研究成果相对碎片化。因此，有必要从空间和时间两个维度对温州湾海域潮形偏态的分布特征进行系统研究。本文将从以下3 个角度，对该海域潮汐不对称性进行重点探讨：（1）空间上纵横向的分布规律；（2）月内至年际的演变趋势；（3）导致潮形偏态变化的主要成因。

2 研究方法

2.1 实测资料

本研究选取了温州站、龙湾站、大门岛站、东门村站以及南麂山站的潮位数据用于分析。各水文站点的位置分布如图1 所示。2019 年龙湾站（27°58′N，120°48′E）已迁移至灵昆站（27°58′N，120°51′E），为方便说明，以下均以龙湾站代指。

图1 温州湾海域及各测站分布Fig.1 Distribution of Wenzhou Bay and locations of tidal gauges

2.2 偏度分析

Nidzieko[1]利用水位时间导数的偏度（γ）来定量表示潮汐不对称性，公式为

式中，η′i为水位对时间的导数；为水位对时间导数的平均值；N为潮位序列长度。γ为正代表涨潮主导，为负则代表落潮主导。

Song 等[7]根据Nidzieko 提出的偏度计算方法，引入分潮，得到了计算不同分潮组合对潮汐不对称性贡献值的定量方法。已知只有波浪频率满足2ω1=ω2或ω1+ω2=ω3时，分潮之间的相互作用才会产生不对称性。对于这两种类型的分潮组合，分别采用 β2和β3表示两种分潮和3 种分潮相互作用产生的对潮汐不对称性贡献度：

式中，ai、ωi、φi分别为对应分潮的振幅、频率与迟角。β值为正，代表涨潮占优，β值为负，代表落潮占优。

本研究中使用潮汐调和分析工具包T_TIDE 对实测资料进行调和常数的分析和天文潮潮位过程线的提取[8]。在天文潮潮位过程线的基础上，使用文献[1]的方法进行偏度分析，更进一步地，本文使用文献[7]的方法进行不同分潮组合对潮汐不对称性的贡献值计算。

3 温州湾海域潮汐不对称性分析

3.1 潮差特征概况

该海域表现为规则半日潮。每天的两次潮涨潮落伴随着一组高高潮、低低潮、高低潮以及低高潮（图2）。表1 从南麂山站-大门岛站-龙湾站-温州站方向上，即从外海-瓯江河口-感潮河段，潮汐振幅先增大后减小。这与河口地区地形束窄相关[9-10]，而进入潮波沿河道上溯期间受到底部和侧边界摩阻以及径流影响，潮能逐渐衰减。位于乐清湾湾内深处的东门村站处，潮汐振幅最大。乐清湾水深较浅，且入射波进入半封闭湾区与反射波叠加易形成类驻波，从而引起湾内振幅变大。不仅如此，湾内的共振效应也会引起潮波振幅的放大[11-12]。

表1 2019 年各测站潮波基本特征Table 1 Characteristics of tidal wave at each station in 2019

3.2 潮汐不对称性的月内变化

图2a 至图2e 分别为所选5 个测站在2019 年2 月、3 月潮位线、潮差与偏度变化曲线。观察图中曲线可知，在5 个测站中，潮汐不对称性随着大小潮的周期变化而变化，并且变化趋势一致：在大潮期间偏度值达到最大值且均为正值；小潮期间偏度值达到最小值。其中，东门村站1 个月内只有少数几天 γ为正值，即乐清湾深处海域多数时间落潮占优；大门岛站与南麂山站涨潮占优与落潮占优历时相当；瓯江口内的龙湾站与温洲站多数时间以涨潮占优。

图2 各测站2019 年2-3 月份潮位、潮差及偏度Fig.2 Tidal level,tidal range and skewness at each station during February to March of 2019

3.3 潮汐不对称性的季节性变化

温州湾海域内各个测站在2019 年的潮汐不对称性呈现出相似的变化趋势：偏度值先降低，在3 月、4 月达到低谷，而后逐渐增大，至6 月、7 月达到峰值后降低，9 月、10 月为又一个低谷，而后呈上升趋势直至12 月及翌年1 月（图3a）。5 个测站中，东门村站1 年内偏度 γ均小于0，即乐清湾湾内深处的东门村站处海域的潮汐不对称性在2019 年全年为落潮主导；其余4 个测站偏度 γ均为正值，其中大门岛站与南麂山站偏度值接近于0，说明该两处海域的潮汐不对称性以涨潮为主导，但是并不显著；瓯江口内的龙湾站与温州站偏度 γ值较大，温州站处的涨潮占优在各测站中最强。

3.4 潮汐不对称性的年际变化

观察图3b，分析可知，温州站在不同年份的潮汐不对称性季节性变化趋势基本相同：即潮汐不对称性在夏季（6-7 月）和冬季（12 至翌年1 月）时最强，而春、秋季明显减弱。但潮汐不对称性的年均值存在明显的年际变化。观察曲线可知，1984 年与1990 年的偏度 γ较为接近，1990-2010 年出现明显的降低，2010 年起则变化不大。根据调查，1990-2000 年间瓯江口地区建设了较大的海岸工程，如瓯北江涂围垦、杨府山围垦、永兴南片围垦等。温州湾海域多年的岸线变动见图3c。

图3 2019 年各测站年内月均偏度变化（a）、温州站1984-2019 年期间月均偏度值（b）和1984-2019 年期间温州湾海域岸线变动（c）Fig.3 Tidal skewness annual variability at each station in 2019 (a),monthly-mean of tidal skewness at Wenzhou Station from 1984 to 2019 (b),and coastline changes from 1984 to 2019 (c)

潮汐偏态指标的下降与前期研究相符，从20 世纪90 年代起至2014 年，温州站年际平均的高潮位增大，低潮位降低，涨潮历时增加而落潮历时减少[6]。由于潮差的增大与河道内水深加深，河床高程降低、河床容积和纳潮量相关，张伯虎等[6]推测潮形变化与河口至上游河段的挖沙活动相关。他们指出，河床容积增大，会使得纳潮量和涨潮流增大。此外，温州湾附近落建的瓯北江涂围垦以及杨府山围垦工程都会改变周遭的水动力环境；且河口外的永兴南片围垦、定山一期围垦等工程也会改变河口及外海的水动力环境，因而改变潮流及纳潮量。为进一步分析潮形年际变化的主要原因，本文对分潮能量分布规律的年代际演变趋势进行进一步探讨。图4 展示了各分潮在空间和时间上的分布规律。

为了便于在图中观察分潮振幅变化趋势，图4a中用于作图的M2分潮振幅取实际值与1.0 m 的差值。可以看出，在温洲站海域半日M2分潮振幅最大，S2次之，日潮K1分潮、O1分潮振幅较小。由图4a 可见，在南麂山站-大门岛站-龙湾站-温洲站方向上，即从外海-瓯江河口-感潮河段，天文分潮变化趋势相同，自外海至河口内振幅逐渐增大，至中下游振幅减小。东门村站（即乐清湾顶端）与外海相比，天文分潮振幅明显大于其余测站。浅水分潮自外海向近岸有较小幅度的增长，进入河口后涨幅显著增大，这与河口及湾内的浅滩遍布、底摩阻大、涨落潮阻力增大密切相关。

图4 2019 年各测站主要分潮振幅（a）和温洲站1984-2019 年主要分潮振幅（b）Fig.4 The amplitude of main tidal constituent at each station during 2019 (a) and the amplitude of main tidal constituent at Wenzhou Station from 1984 to 2019 (b)

图4b 为温洲站处海域各年主要分潮振幅。M2和S2分潮振幅在1990-2010 年间大幅增大（0.1～0.3 m），而浅水分潮（如M4、MS4）振幅在1990-2010 年间则明显减小（约-0.3 m）。河口地区受水深减小、底摩阻增加等因素，倍潮和合成潮的生成直接导致了涨落潮的历时不对称性且呈正偏趋势。而上述分潮能量向半日天文分潮集中的现象则解释了偏度 γ在1990-2010年间减小的态势。在后续研究中，需要结合水动力数值模拟进而阐释分潮能量演变的动力机制。

结合3.3 节、3.4 节内容，可知天文分潮（主要指M2、S2）振幅的增大，浅水分潮（M4、MS4等）振幅的减小会引起潮汐不对称性中涨潮主导的减弱。

3.5 潮汐不对称性枯汛期的变化

由于温州湾海域受台风季以及瓯江口径流量的影响，猜测这些影响因素或与潮汐不对称性呈现出季节性变化规律有关。为了进一步了解瓯江口径流量与该地区潮汐不对称性之间的联系，本文选取各测站枯汛期的偏度值作比值以及温州站不同年份枯汛期的偏度值作比值进行比较。1984-2020 年瓯江口的年均径流量（以翻水站为例）在300～700 m3/s 之间。根据降雨量的年变化规律（图5a），枯水期选择为11-12 月，丰水期选择为6-7 月。

图5 2019 年温州海域每月总降雨量（a）、2019 年各测站枯汛期偏度比较（b）和温州站历年枯汛期偏度比较（c）Fig.5 Precipitation over year 2019 in Wenzhou waters (a),scatter plots of tidal skewness in flooding season vs.dry season at different stations (b) and scatter plots of tidal skewness in flooding season vs.dry season at Wenzhou Station for different years (c)

观察图5b 可知，以2019 年为例，5 个测站丰水期与枯水期的比值皆接近于1，除东门村站，其余测站皆表现为丰水期 γ值略大于枯水期 γ值。其中，大门岛站的丰水期 γ与枯水期 γ比值为1.169，龙湾站、温州站及南麂山站的丰水期γ与枯水期γ 比值在1.045～1.097 之间。观察图5c 可知，1990-2019 年间温州站处的丰水期 γ皆略大于枯水期γ，比值范围在1.024～1.070 之间。在1984 年，其枯水期 γ略大于丰水期 γ，丰枯水期的γ比值为0.994。瓯江径流对潮汐不对称性的作用并不显著，这与瓯江口为潮控河口，径流量相对较小相关。

4 温州湾海域潮汐不对称性时间变化的机制分析

4.1 主要分潮簇的年内变化

本节为分析各测站主要分潮组合的年内变化，以2019 年为例，计算每个分潮簇产生的潮汐不对称性贡献度 β，取各站 β绝对值最大的7 个分潮簇列表2。其中，东门村站最主要3 个分潮簇（按照 β绝对值大小，下同）依次为M2/M4、M2/S2/MS4与O1/K1/M2，大门岛站为M2/S2/MS4、O1/K1/M2与M2/M4，温州站、龙湾站为M2/M4、M2/S2/MS4与M2/N2/MN4，南麂山站为O1/K1/M2、M2/S2/MS4与K1/M2/MK3。

表2 各测站2019 年7 个主要分潮簇Table 2 The seven primary combinations of tidal constituents at each station in 2019

由图6a 至图6c 可见，在东门村站处，M2/M4与M2/S2/MS4分潮簇的 β在一年内皆小于0，即潮汐偏态以落潮为主导。而在龙湾站与温州站位置，M2/M4、M2/S2/MS4的 β均为正值，且各分潮簇在温州站处的β明显大于龙湾站处对应的 β，即在瓯江口内各分潮组合产生的潮汐不对称性为涨潮主导型不对称，并且从河口向上游增强。在瓯江口外的大门岛站，3 个主要分潮组合的 β皆为正值，但明显小于龙湾站与温州站处的 β值。不同于东门村站、龙湾站及温州站，大门岛站处前二主要分潮簇依次为M2/S2/MS4与O1/K1/M2，分潮簇M2/M4的贡献在减弱。到了远离岸线的南麂山站，分潮簇M2/M4已不属于3 个主要分潮组合。而分潮组合M2/S2/MS4、O1/K1/M2的则相反，其潮汐偏态逐渐向外海增强，除乐清湾以外，皆为涨潮主导潮型。

图6 2019 年各测站最主要3 大分潮簇对潮汐不对称性的贡献度月际变化Fig.6 Monthly variability of the contribution to tidal duration asymmetry from the top three primary combinations of tidal constituents at each station in 2019

从图6 可以发现，各个分潮簇的 β值在年内均存在季节性变化，图6 右下角的图例由深变浅代表1-12 月份，所对应的0.05 或0.005 代表潮汐偏度值，即图6 中柱状图的参考高度。为进一步分析季节性变化的强度，图7计算了各测站前三分潮组合的 β月均值与年均值的比值。图7a 显示了每个测站年 β值最大的分潮组合：东门村站、龙湾站及温州站为M2/M4，大门岛站为M2/S2/MS4，南麂山站为O1/K1/M2。观察可知，近岸的东门村、龙湾站、温州站处M2/M4分潮组合季节变化较之其余测站变化并不明显，在3-5 月间 β有微弱减小，而后略微升高，在8 月时达到一年中的最大值，8-11 月 β继续降低，1-3 月、11-12 月期间 β略微呈升高趋势。大门岛站、南麂山站处的最大分潮组合的 β存在类似的明显季节变化，1-3 月 β值明显降低，在3 月达到最低值，而后迅速增大，6 月时达到最大值，6-9 月再继续降低至低值，而后呈现明显增大趋势。

图7b 代表每个测站年 值第二的分潮组合：东门村站、龙湾站、温州站及南麂山站为M2/S2/MS4，大门岛站为O1/K1/M2。其变化趋势皆与大门岛站的M2/S2/MS4，南麂山站的O1/K1/M2类似，存在明显的季节变化，大门岛站的分潮组合 β值在1-2 月、6-9 月呈明显减小趋势，3-6 月、9-12 月则呈现为明显的增大趋势。其余测站其变化趋势与大门岛站处类似，但其变化存在1 个月的延迟。

图7c 代表每个测站年 β值第三的分潮组合：东门村站为O1/K1/M2、大门岛站为M2/M4、龙湾站和温州站为M2/N2/MN4、南麂山站为K1/M2/MK3。各站分潮组合的 β值均存在显著季节变化。东门村站、龙湾站、温州站处的分潮组合 β值在3 月、10 月达到低值，6 月达到高值；大门岛站的分潮组合M2/M4的 β值变化趋势与东门村站、龙湾站、温州站处的M2/M4变化相似，季节性变化较不明显；南麂山站处其分潮组合的β值在4 月、10 月达到低值，7 月达高值。

可见，天文分潮M2及其第一倍潮M4在4 个测站位置产生的潮汐不对称性在年内较为稳定，季节变化小，并且在越近岸处对潮汐不对称性的贡献越大，随着逐渐远离岸线，其贡献逐渐减小。其余分潮簇则存在明显的季节变化，在冬季与夏季对潮汐不对称性的贡献最为显著，在春季与秋季对潮汐不对称性的贡献则最弱。

4.2 主要分潮簇的年际变化

图8 为龙湾站与温州站在不同年份5 个主要分潮簇对潮汐不对称性的贡献值（图8a1，图8b1）及占总不对称性指标权重（图8a2，图8b2）。观察图8a1、图8b2 可知，在选取的年份中，对温州站处潮汐不对称性产生正影响的前三分潮簇保持为M2/M4、M2/S2/MS4、M2/N2/MN4，其对温州站处潮汐不对称性产生正偏作用的贡献度在减小。另一方面，在1984 年与1990 年，对潮汐不对称性向落潮主导方向产生贡献最明显的分潮组合为MU2/S2/M4。在1984 年和1990 年未观测到其β值的明显变化，其对落潮主导的潮汐不对称性贡献度逐渐减少，权重减小；而在2000年 β值为负的主要分潮簇为M2/M4/M6、M2/MS4/2MS6，负偏分潮簇的权重相较2000 年之前增加，对落潮主导的潮汐不对称性贡献度逐渐增加。由图8b1、图8b2可见，龙湾站与温州站前三的分潮簇相同，且贡献度均为正值。此3 大主要分潮簇对龙湾站的潮汐不对称性贡献度呈现出减小的趋势，其所占权重在2006-2016 年间趋于减小，而在2016-2019 年间稍有增加。

图8 温州站与龙湾站不同年份的主要分潮组合对潮汐不对称性的贡献度和占总不对称性指标权重Fig.8 Contributions and weights to tidal duration asymmetry by primary combinations of tidal constituents at Wenzhou Station and Longwan Station of varied years

为进一步检验上述演变趋势的显著性，本文以温州站2000-2019 年丰水期典型6 月及11 月内分潮簇M2/M4、M2/S2/MS4、M2/N2/MN4对潮汐不对称性的月贡献度 β以及月潮位偏度 γ为研究对象，采用Mann-Kendall 检验Z值法进行趋势和跃变性检验，给定显著性水平 α=0.05。当Z＞0 时，说明变量呈上升趋势，Z＜0时，呈下降趋势。95%显著区间的上下线为Z=±1.96，检验值Z列于表3，根据Mann-Kendall 突变检验绘制UF曲线见图9。

由表3 可见，分潮簇M2/M4在6 月、11 月的贡献度与月潮位偏度 γ都存在着显著的下降趋势，并且6 月的下降水平显著高于11 月。而分潮簇M2/S2/MS4、M2/N2/MN4的下降趋势不明显。这说明在温州站潮汐不对称性的减弱主要受到分潮簇M2/M4贡献度下降的影响。

表3 温州站2000-2019 年6 月和11 月份主要分潮簇对潮汐不对称性贡献值及月潮位偏度Mann-Kendall 检验值Table 3 Mann-Kendall test value of contributions to tidal duration asymmetry by primary combinations of tidal constituents and tidal skewness at Wenzhou Station in June and November over 2000 to 2019

由图9 可知，分潮簇M2/M4在丰水期6 月的贡献度在2002-2012 年之间下降，其中2008-2012 年间下降趋势显著，但没有显著的跃变节点。分潮簇M2/M4在枯水期11 月的贡献在2003-2016 年之间下降，并在2011 年发生跃变，此后下降显著。丰水期潮位偏度跃变年份在2006 年，而枯水期潮位偏度跃变发生在2007 年。这一影响主要源自分潮簇M2/M4对潮汐不对称性涨潮主导的贡献下降。枯水期和丰水期的潮汐偏态和主要分潮簇的发展趋势在温州站总体较接近，年限上略有差异。这说明与河口和上游地区的人类活动（围垦等）相比较，年内的主要环境变量如降雨、径流的干扰性相对较弱。上述下降趋势显著开始的年份和跃变节点也与瓯江口大规模的浅滩一期围垦工程时间上密切对应：该工程于2006 年开始施工，于2011 年完成。说明河口大规模的施工和施工后岸线的重塑对瓯江口的地形和径潮运动产生了明显的作用。

图9 温州站 2000-2019 年典型月份主要分潮簇对潮汐不对称性的贡献β 值及偏态指标γ 值 Mann-Kendall 跃变检验结果Fig.9 Test result of Mann-Kendall break of contribution to tidal duration asymmetry from the primary combinations of tidal constituents denoted by β and tidal skewness index (γ) in typical months at Wenzhou Station from year 2000 to 2019

5 讨论

在开敞式海域，外海向近岸方向上，潮差与潮汐偏态往往同步上升。然而，感潮河段（温州站）相对河口潮差减弱，但潮汐偏态持续增高。经分析，主要原因在于M2、S2两大主要分潮的能量在感潮河段持续减弱（振幅减小10%～12%），而浅水分潮M4、MS4、MN4能量急剧攀升（振幅增加850%～1 200%）。半日分潮的能量迅速向倍潮及合成分潮转移是导致瓯江河口上游潮差与潮汐偏态不一致的主要原因。

潮汐偏态在瓯江河口的年际变动则与浅水分潮能量的减少及半日分潮能量的增加有关。经分析，截至2019 年，除去18.61 a、8.85 a 等长周期变化后，M2分潮振幅、S2分潮振幅较1984 年分别增大了19%、21%；而M4分潮振幅、MS4分潮振幅则减小了20%左右。由于分潮簇中相对相位变化不超过7%，浅水分潮振幅相对半日分潮的振幅锐减（-40%～-20%），主导了潮汐偏态的年际变化。温州湾海域在1990-2010 年期间大量岸线加固和围垦工程（图5c）使得瓯江口和感潮河段两侧浅滩消失可能是主导浅水分潮能量下降的主要原因。潮差加大使瓯江口两岸高水位发生概率增加；另一方面涨潮占优减弱，使得瓯江口底沙及淡水营养物质向海运动几率增大。

6 总结

本文通过对温州湾海域潮位资料的系统研究，分析了该海域潮汐不对称性的时空分布特征和内在机制。主要结论如下：

（1）温州湾海域以涨潮占优为主，在地理空间分布上，潮汐不对称性与潮差分布有所不同。潮差从外海至河口及湾内呈现出逐渐增大的规律，在瓯江口上游逐渐减小。而潮汐不对称性在瓯江河口上游持续增大，但在乐清湾内则减小，甚至呈落潮占优。

（2）在温州湾海域，潮汐不对称性和潮差均存在明显的大小潮周期性，相位亦相同。

（3）温州湾海域潮汐不对称性有着季节性变化和年际变化特征；20 世纪90 年代后，潮汐不对称性呈现逐渐减小的趋势，这与瓯江河口频繁的围垦存在一定的联系。

（4）导致海域潮汐不对称性的主要分潮簇为M2/M4、M2/S2/MS4、M2/N2/MN4、O1/K1/M2。其中，分潮组合M2/M4的 β值年内变化不明显，而分潮组合如M2/N2/MN4、M2/S2/MS4、O1/K1/M2的 β值则表现出明显的季节性变化。主要分潮簇的正偏贡献率在2000 年后均减小，是造成涨潮占优趋于减小的主要原因。