过去40年天津沿海海平面变化研究

张 琪, 陈燕珍, 牛福新, 李希彬, 王鲁宁, 靳玉丹

(国家海洋局天津海洋环境监测中心站,天津 300457)

引 言

随着气候变暖的影响,全球海平面变化呈现持续上升的趋势。2019年中国海平面公报[1]显示:1980—2019年中国沿海海平面上升速率为3.4 mm/a,高于同时段全球平均水平;过去10年天津沿海平均海平面处于近40年来高位。2019年,中国沿海海平面较常年高72 mm,为1980年以来第三高。海平面上升增加了沿海地区的淹没风险,同时加剧了沿海地区洪涝灾害[2]、海岸侵蚀[3-4]、海水入侵[5]等灾害。

天津滨海新区位于天津市东部临海地带,规划面积2 270 km2。海平面上升对天津沿岸的主要影响之一是风暴潮灾害,海平面上升后,抬升了风暴潮增水的基础水位,风暴潮高潮位相应提高,水深增大,波浪作用增强,河流排水受阻,在一定天气因素的作用下,将加大风暴潮的致灾程度。近几年因风暴潮和天文潮高潮位叠加导致海平面上升的事件主要有:201909号台风“利奇马”登陆后,一路北上,受台风外围系统影响,天津沿海出现了60～160 cm的增水,叠加天文潮高潮位,塘沽海洋环境监测站监测到了超过风暴潮黄色警戒潮位22 cm的高潮位;2018年8月15日下午起,天津沿海受201814号台风“摩羯”变性后的温带气旋和冷空气共同影响,出现了60～120 cm的增水,塘沽海洋环境监测站监测到了超过风暴潮蓝色警戒潮位21 cm的高潮位。

关于沿海城市海平面的变化情况,前人做了很多工作[6-9]。在全球海平面上升的大背景下,研究天津海域附近海平面变化特征对于人民生产生活安全、海洋防灾减灾都有十分重要的意义。本文通过分析天津沿海潮汐多年来的变化特征,结合卫星高度计资料研究分析了天津沿海海平面的变化,以期为相关部门防灾减灾提供参考。

1 数据来源

本研究资料主要来源于国家海洋局塘沽海洋环境监测站1980—2019年的逐时潮位资料,高度计资料采用法国空间局(AVISO)提供的多卫星融合数据,采用其月平均的全球海面高度异常数据(MSLA),卫星高度计资料时间范围是1993—2019年。

在求线性趋势时,本文使用的是最小二乘法,最小二乘法的原理如下:

在原始数据给定以后,a、b的选取决定了误差项的大小,因此把误差的大小作为衡量a、b好坏的标志,在确定参数时,最常用的方式就是最小二乘原理,即误差的平方和最小。解出a、b即可知道直线方程,然后判断序列整体的上升或下降趋势。

2 潮汐特征分析

本文对塘沽海洋环境监测站1980—2019年共40年的逐时潮汐资料进行统计分析,统计结果显示:塘沽海洋环境监测站观测到的逐时资料的年最高高潮位为554 cm,最低潮位为-89 cm,多年平均潮差均值为230.0 cm,多年最大潮差均值为342.4 cm,具体分析如下。

2.1 平均潮位特征分析

通过对塘沽海洋环境监测站1980—2019年平均潮位的年际变化分析可以看到(图1),天津沿海海域近40年的平均潮位整体呈上升趋势,变化率为0.27 cm/a,年平均潮位最大值为289.6 cm,最小值为249.0 cm,多年平均潮位均值为264.6 cm。由平均潮位逐月变化可以看到(图2),1—8月的平均潮位逐渐上升,8月达到最大,9—12月的平均潮位逐渐下降,整体来讲就是夏季平均潮位最高,冬季平均潮位最低。主要是由于夏季天津沿海以东南风为主,海水向岸堆积,冬季主要以西北风为主,海水离岸扩散。

图1 天津沿岸海域1980—2019年平均潮位变化趋势

图2 天津沿岸海域平均潮位逐月变化

2.2 最高潮位特征分析

通过对塘沽海洋环境监测站1980—2019年最高潮位的年际变化分析可以看到(图3),天津沿海海域近40年的最高潮位年际变化整体振荡较为明显,年最高潮位最大值为554 cm,出现在1997年,受台风影响,天津沿海出现超警戒潮位的高潮位过程,最小值为448 cm,最高潮位的最大和最小值之差可达到106 cm,多年最高潮位均值为489.3 cm,此外潮位还呈现略有上升的趋势,线性拟合得到的潮位变化速率为0.54 cm/a。由最高潮位逐月变化可以看到(图4),最高潮位的逐月变化趋势与平均潮位的逐月变化趋势相同,1—8月的最高潮位逐渐上升,8月达到最大,9—12月的最高潮位逐渐下降,整体来讲就是夏季最高潮位最高,冬季最高潮位最低。

图3 天津沿岸海域1980—2019年最高潮位变化趋势

图4 天津沿岸海域最高潮位逐月变化

2.3 最低潮位特征分析

通过对1980—2019年最低潮位的年际变化分析可以看到(图5),天津沿海海域近40年的最低潮位年际变化整体呈现较为明显的上升趋势,线性拟合得到的潮位变化速率为1.35 cm/a。年最低潮位最大值为46 cm,最小值为-89 cm,最低潮位的低值主要是低的天文潮伴随减水造成的,最低潮位的最大和最小值之差为135 cm,多年最低潮位均值为-28.8 cm。通过进一步的分析发现最低潮位的逐月变化情况与平均潮位及最高潮位的变化相同(图略),1—8月的最低潮位逐渐上升,8月达到最大,9—12月的最低潮位逐渐下降,夏季最低潮位最高,冬季最低潮位最低。

图5 天津沿岸海域1980—2019年最低潮位变化趋势

2.4 平均潮差特征分析

在计算平均潮差和最高潮差时仅获取到2013年之后的高低潮数据,从平均潮差的年际变化趋势可以看到(图6),天津沿海海域近几年的平均潮差年际变化整体呈现下降趋势,线性拟合得到的平均潮差变化速率为-1.04 cm/a。年平均潮差最大值为233.5 cm,最小值为227.0 cm,年平均潮差均值为230.0 cm。平均潮差的逐月变化规律(图7)也表现为1—8月逐渐上升,8月达到最大,9—12月逐渐下降。

图6 天津沿岸海域平均潮差变化趋势

图7 天津沿岸海域平均潮差逐月变化

2.5 最大潮差特征分析

从最大潮差的年际变化趋势可以看到(图8),年平均最大潮差年际变化整体存在略微下降趋势,线性趋势变化不明显,线性拟合得到的最大潮差变化速率为-0.56 cm/a。年平均最大潮差最大值为351 cm,最小值为334.4 cm, 年平均最大潮差均值为342.4 cm。年平均月最大潮差的逐月变化规律(图9)主要表现为1—3月略有下降,4—8月突然上升,最高值出现在7月。邹曙光等[10]对最大潮差月际变化的分析指出,威海沿岸1—12月平均最大潮差表现为“下降—上升—下降—上升”的变化趋势,与天津沿岸的分布类似。最大潮差的变化取决于很多因素,包括天文因素、气象因素等。从天文因素来看,潮差具有(朔、望)月、年和多年的变化周期,气象因素对潮差的影响主要是增减水的作用,由于气象条件变化多端,因此它导致的最大潮差变化是随机性的。

图8 天津沿岸海域最大潮差变化趋势

图9 天津沿岸海域最大潮差逐月变化

3 功率谱分析

功率谱分析是以傅里叶变化为基础的频域分析方法,它是一种应用极为广泛的分析周期的方法,图10是对天津沿海的潮汐资料进行的功率谱分析,其中横轴为周期,纵轴为功率谱密度,实线为功率谱密度,虚线表示临界功率谱密度,从图10可以看到,功率谱线的峰值出现在10年左右。王慧等[11]的研究指出,中国沿海海平面具有准2—3年、准9年、准11年的周期变化,其中2—3年的周期振荡在天津沿海的水文、气象要素较为常见;准11年的周期可能是反映了中国沿海海平面的变化受太阳黑子的影响;准9年的周期是潮汐天文潮周期,反映了月球赤纬的变化,又叫交点潮,根据前人的研究,天津沿海的准10年周期应该是上述的潮汐天文潮周期。

图10 天津沿岸海域平均潮位功率谱图

4 天津市沿海海平面上升的基本情况

2019年《中国海平面公报》显示,2019年中国各省(自治区、直辖市)沿海海平面均高于常年,其中,天津沿海海平面升幅最大,较常年高90 mm。图11是2010—2019年天津市和全国沿海海平面高于常年平均(1993—2011年海平面的平均值)海平面的值。从图中可以看到2010—2012年天津沿海海平面持续升高,2012年以后海平面维持在一个较高的水平。同时2010年以后天津沿海海平面普遍处于全国平均海平面以上。

图11 天津市和全国沿海海平面高于常年平均海平面的值

5 天津附近海域海平面的空间变化

为了与验潮站的数据相比较,本文结合卫星高度计数据进一步分析天津附近海域的空间变化特征。对整个渤海区域海平面高度异常数据进行EOF分析(图12a),EOF第一模态空间分布方差贡献为94.6%,第一模态基本可以反映整个渤海区域海平面时间和空间变化特征。从图(12b)可以看到整个渤海在1993年至今都整体表现为海平面逐步上升的趋势,其中渤海湾和辽东湾上升幅度较大,尤其是天津附近海域,海平面高度整体表现为持续上升且升幅较大,而在外海区域海平面高度变化程度较弱。

图12 渤海区域海平面高度的EOF分解第一模态特征向量空间分布(a)和时间序列(b)

6 结论

本文通过对天津海域海平面变化的分析,得到如下结论:

(1) 天津沿海海域近40年的平均潮位、最高潮位、最低潮位整体呈上升趋势,变化率分别为0.27、0.54和1.35 cm/a,最低潮位的变化率最大。

(2) 天津沿海海域近40年的平均潮差、最大潮差年际变化整体呈现下降趋势,线性拟合得到的变化速率分别为-1.04 cm/a和-0.56 cm/a。

(3) 平均潮位、最高潮位、最低潮位、平均潮差的逐月变化趋势相似,均表现为1—8月逐渐上升,8月达到最大,9—12月逐渐下降。

(4) 天津沿海的潮汐包含了准10年的周期变化。

(5) 对渤海区域海平面高度异常数据进行EOF分析,发现整个渤海海平面都成上升趋势,尤其是天津附近海域,上升幅度较大。

通过卫星高度计数据EOF分析结果,以及国家海洋灾害公报的结果可以看到,天津沿海海平面上升较为明显,地面沉降是影响天津地区海平面上升的一个主要因素,地面沉降会加大相对海平面上升。张姣姣等[12]回顾了天津市地面沉降的历史与现状。天津市地面沉降现象最早发现于1923年到1985年,天津平原区地面沉降灾害已十分严重,中心城区地面沉降量达80～100 mm/a,塘沽城区地面沉降量达80～150 mm/a,严重危害了城市安全、轨道交通工程安全,并加剧了沿海地区风暴潮灾害。影响天津沿海地区地面沉降的主要人为因素是地下水超采,主要自然因素是软土层次固结[13],沿海地区应加强地面沉降监测,采取有效措施控制地面沉降,减缓相对海平面上升。