長江口潮汐主要分潮振幅時空特征分析

摘要：為深入研究長江口潮汐的時空變化特征，特別是天文潮和淺水分潮的振幅變化規律，采用調和分析法和自相關函數法對連興港、徐六涇等8個水文站2010～2019年的連續潮位資料進行分析。結果表明：各站位M2分潮振幅最大，連興港站平均振幅顯著，為1.357 m；S2分潮振幅次之，與M2分潮平均振幅空間分布基本一致，從河口到上游逐漸減??；從振幅變化趨勢來看，M2和S2分潮振幅顯著上升，MS4和M4分潮振幅呈下降趨勢，K1分潮振幅小幅上升，O1分潮振幅在大多數站位下降，M6分潮振幅在不同站位趨勢不一。長江口各站位各分潮振幅時空特征存在顯著差異，揭示了長江口潮汐變化的區域性和復雜性。

關 鍵 詞：潮汐； 分潮振幅； 周期； 時空特征； 自相關函數； 調和分析； 長江口

中圖法分類號： P229.5;P731.23

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.02.008

0 引 言

潮汐現象深刻影響著河口地區的自然生態與人類活動。深入理解河口潮汐的時空分布特征，對于揭示河口生態系統的動態變化、優化河口地區的資源管理等具有重要意義。長江河口作為世界重要河口，其潮汐特征的時空變化有待深入探索。

潮汐的原動力——引潮力，可以將潮汐分解為一系列頻率（周期）的分力，而每一個分力對應一個簡諧運動，稱之為分潮^［1］。利用傳統調和分析方法計算的各個分潮其振幅和遲角都是常數，無法描繪各分潮振幅和遲角隨時間的非平穩變化。然而，全球海洋及河口潮汐都處于不斷變化之中^［2-3］，如Godin^［4］指出，位于芬迪灣西岸的新不倫瑞克省圣約翰，其M2分潮的振幅以每世紀約10 cm的速率上升，S2分潮以每世紀約5 cm的速率下降。Ray^［5-6］對緬因灣4個站位逐時潮位數據的長期時間序列分析顯示，M2分潮振幅呈線性增加趨勢，S2分潮振幅在北美東海岸和百慕大呈下降趨勢。Feng等^［7］對中國沿海及鄰近海域的17個驗潮站潮位數據（1954～2012年）進行研究，探討了主要分潮（O1、K1、M2、N2和S2）的長期變化，發現半日潮振幅在渤海、黃海北岸及臺灣海峽變化顯著。Ke等^［8］ 研究指出，在中國東海和南海M2分潮的振幅和遲角變化存在數個高峰區域，主要位于河口地區，如長江口、珠江口，變化范圍大約為2.0～4.0 mm/a和0.8°～2.0°/a。

長江口作為中等強度的潮汐河口，受到天文潮、地形變化以及徑流等因素的共同影響，其潮汐分潮及潮差在不同時間尺度上也存在明顯變化。Guo等^［9］使用非平穩模式下的調和分析和連續小波變換分析長江河口的潮汐信號，指出隨著河流流量的增加，M4分潮振幅在上游減少，在河口區域增加。Zhang等^［10］通過數值模型發現自江陰至河口區域K1和O1分潮的平均振幅在洪季比枯季要大，而從枯季到洪季M2分潮的振幅最大減少約為0.3 m。

目前，關于長江口潮汐的研究多集中于數值模擬或者短期數據分析，而缺乏對長期、連續潮汐觀測數據的系統性分析。鑒于此，本文基于長江口連興港、徐六涇等8個站位的10 a逐時潮位數據，采用調和分析方法及自相關函數法分析了4個主要天文潮（K1、O1、M2、S2）及3個淺水分潮（M4、MS4、M6）振幅的時空分布、周期及變化趨勢，以期對氣候變化、環境監測以及工程規劃等多個領域的研究提供參考。

1 研究區域及研究方法

1.1 研究區域

長江河口覆蓋了長江與東海交匯的區域。受河流徑流、強潮汐和風浪的影響，長江現有4條主要的入海通道：北支、北港、北槽和南槽。根據徑流和潮汐能量的空間變化，長江口的研究范圍分為：澄通河段（江陰—徐六涇）、南支河段（徐六涇—南北港分流段）、北支河段（崇頭—連興港）、南港河段（南北港分流段—南北槽分汊段）、北港河段（南北港分流段—北港攔門沙）、南槽、北槽以及口門濕地等^［11］。隨著北支的萎縮淤淺，北支受徑流影響較小，潮流作用占優，澄通河段以徑流作用占優，其余區段受徑流和潮流雙向影響。

進入長江口的潮波主要由全日分潮和半日分潮組成，屬于非正規半日潮類型。潮波向上游傳播的過程中，在徑流和河床邊界條件的約束下會產生明顯的變形，且這種現象越往上游越明顯。

1.2 研究數據

本文采用長江水利委員會水文局長江口水文水資源勘測局提供的，自上游至河口分布的營船港（YCG）、徐六涇（XLJ）、崇頭（CT）、楊林（YL）、靈甸港（LDG）、六滧（LY）、共青圩（GQW）及連興港（LXG）共8個水文測站2010～2019年的逐時潮位數據，站位分布如圖1所示。按照研究區域劃分，崇頭、靈甸港及連興港位于北支河段，其余站位的分布為自澄通河段（營船港）至南支河段（徐六涇、楊林）至北港河段（六滧、共青圩）。

1.3 研究方法

1.3.1 潮汐調和分析

潮汐調和分析是把潮位看成多個分潮余弦振動之和，根據最小二乘原理，由實測水位數據計算各分潮的振幅和遲角的過程。某一時刻的水位高度表達式為^［12-13］

ζ（t）=A0+mi=1fiHicos［σit+

格（V0+u）-gi］+x（t）

（1）

式中：A0為分析期間的平均海面；t是區時；m為分潮個數；f為分潮交點因子；σ為分潮角速率；格（V0+u）為格林威治零時平衡潮分潮的初相角；x（t）是非天文潮位；H為分潮的振幅；g為區時專用遲角。解算H和g的過程，即為潮汐調和分析。

1.3.2 自相關函數法

自相關函數（ACF） 是分析時間序列周期性的重要方法之一，通過繪制 ACF 圖，可以直觀地觀察到在不同滯后期的自相關系數變化情況^［14］。在 ACF 圖中，識別自相關系數的顯著峰值，顯著峰值的位置通常即表示時間序列的周期。

自相關函數進行周期識別的計算步驟如下：

（1） 設時間序列數據為X={x1，x2，…，xN}。

（2） 計算均值x和方差σ2：

x=1NNi=1xi（2）

σ2=1NNi=1（xi-x）2（3）

式中：N為時間序列數據個數。

（3） 計算自相關系數。

對于滯后k，自相關系數rk計算公式為

rk=N-ki=1（xi-x）（xi+k-x）Ni=1（xi-x）2（4）

式中：k表示滯后步長，從0到N-1。

2 結果和討論

2.1 振幅時空分析

K1分潮是太陰-太陽赤緯全日分潮，其周期為23.934平太陽時，主要受月球和太陽的共同作用。K1分潮振幅時間序列見圖2，平均振幅分布見圖3。由圖2～3可見，K1分潮振幅不存在明顯的空間變化，也沒有明顯的洪枯季變化，各站隨時間變化的一致性較差，平均振幅約0.216～0.242 m。

O1分潮是太陰主要全日分潮，其周期為25.819平太陽時，主要是由月球引潮力引起的全日分潮。O1分潮振幅時間序列見圖4，平均振幅分布見圖5。

由圖4可見，O1分潮振幅在各站位間變化不大，均存在每年兩漲兩落的周期性變化。而由圖5可見，北支3個站位存在自河口至上游O1分潮振幅逐漸變大的趨勢，其中崇頭站位平均振幅最大，為0.154 m。

M2分潮是太陰主要半日分潮，其周期為12.420平太陽時，主要是由月球引潮力引起的半日潮。M2分潮振幅時間序列見圖6，平均振幅分布見圖7。

由圖6可見，M2分潮振幅在各站位間存在顯著的空間變化，北支的連興港站和靈甸港站振幅較大，靈甸港站分潮波動最大，兩站位每年極小值出現的時間基本一致，其余各站分潮振幅隨時間變化基本一致，各站位基本呈現每年一漲一落的周期特征。而由圖7可見，北支3個站存在從河口至上游振幅逐漸變小的趨勢。其余各站位，除六滧站略大于共青圩站以外，基本符合自河口至上游振幅逐漸變小的趨勢。因為潮汐在沿著河道向內陸傳播的過程中會被逐漸扭曲，振幅也會不斷減小^［15］。因此，離海越遠的站位，M2分潮振幅會越小。圖7還顯示北支M2分潮振幅明顯大于南支及北港M2分潮振幅，這是因為北支的喇叭口地形和河槽束窄，導致潮汐能量集中^［16］，因此北支為潮控河口。此外，由于北支在自然和人為影響下，河槽不斷束窄、河床逐漸淤淺，進一步增強了北支的潮控河口特征，從而影響潮位變化，而南支和北港的地形特征，導致潮水能量分散，降低了M2分潮的振幅。

S2分潮是太陽主要半日分潮，其周期為12.000平太陽時，主要是由太陽引潮力引起的半日潮。S2分潮振幅時間序列見圖8，平均振幅分布見圖9。由圖8可見，S2分潮振幅在各站位間隨時間變化的一致性較差，且周期性變化不顯著。由圖9可見，北支3個站位振幅自河口至上游逐漸變小，其余各站位振幅變化也是如此。圖9顯示北支S2分潮振幅大于南支及北港S2分潮振幅。 北支的喇叭口地形和河槽束窄導致潮汐能量集中，使得S2分潮增強，而南支和北港的地形特征則導致潮汐能量分散，降低了S2分潮振幅。

M4分潮是太陰淺水1/4日分潮，其周期為6.210平太陽時，主要來自于M2 分潮與自身的非線性相互作用，在淺水區域尤其顯著。M4分潮振幅時間序列見圖10，平均振幅分布見圖11。由圖10可見，各站位振幅隨時間變化的一致性較強。由圖11可見，北支3個站位中，靈甸港站平均振幅最大，為0.291 m，其余站位中，楊林站平均振幅最大，為0.188 m。北支3個站位振幅自河口至上游先增大后減小。隨著潮波自河口沿北支向上游傳播，M4分潮振幅隨著河道束窄及水深變淺而逐漸增強，隨著潮波繼續向上游傳播，淺水效應和底摩擦作用增強，潮波能量逐漸被消耗，振幅減弱^［17］。自共青圩站至楊林站，M4分潮振幅逐漸增大；至徐六涇站，振幅減小；至營船港站，振幅又變大，變化較北支相對復雜，其原因有待進一步研究。

MS4分潮是太陰太陽淺水1/4日分潮，是由M2和S2兩個半日潮相互作用生成的四次潮，周期為6.103平太陽時。MS4分潮振幅時間序列見圖12，平均振幅分布見圖13。由圖12可見，各站位振幅隨時間變化的一致性較強，具有明顯的每年兩漲兩落的特征，靈甸港站振幅最大。由圖13可見，北支3個站點分潮的振幅趨勢自河口向上游，先增大后減小，靈甸港站平均振幅最大，為0.265 m。其余站位，自河口至上游先增大（在楊林站達到最大，為0.159 m）后減?。焕^續向上游又增大，這與M4分潮的空間變化完全一致。

M6分潮是太陰淺水1/6日分潮，其周期為4.140平太陽時，為潮汐更高階的非線性效應，在淺水區域顯著。M6分潮振幅時間序列見圖14，平均振幅分布見圖15。由圖14可見，靠近河口的連興港、六滧及共青圩3個站點分潮的振幅明顯小于其他站位，且各站位隨時間變化的一致性較差。其他站位隨時間變化的一致性略好。每年4～10月，洪季期間，存在振幅上升的趨勢。由圖15可見，口外3個站位振幅顯著小于上游各站位，各站位振幅無明顯的空間分布規律。

總體來看，長江口區域各站位M2分潮振幅最大，其次為S2分潮，振幅約為M2分潮振幅的一半，其余各分潮振幅由大至小依次為K1、M4、O1、MS4及M6。

2.2 周期分析

基于ACF方法計算的各站位各分潮的周期列于表1。

由表1可見，各站位K1分潮振幅時間序列均不含顯著周期。O1分潮均提取出12個月和24個月的周期，部分站位存在更多的周期（如6，18，57，69）。M2分潮均包含12個月和24個月的周期，靈甸港站存在57個月和69個月的周期。除連興港站外，S2分潮振幅時間序列均包含24個月的周期，靈甸港站不含顯著周期。M4分潮振幅時間序列的周期在不同站位差異較大，共青圩站僅包含12個月的顯著周期，連興港站可提取7個顯著周期。MS4分潮均含有6個月、12個月、18個月以及24個月的周期，一些站位上還包括57個月及以上的周期。M6分潮周期成分較少，主要集中在12個月和24個月，連興港站和六滧站不含顯著周期?？傮w來看，不同分潮振幅的周期特征在各站位存在顯著差異，K1分潮未發現顯著周期，其余分潮振幅時間序列普遍呈現12個月和24個月的周期特性。

2.3 趨勢分析

為分析各分潮振幅時間序列的長期趨勢，本文基于最小二乘法對數據進行線性擬合，結果見表2和圖16。

由表2可見，K1分潮在各站位均呈上升趨勢，共青圩站上升速率最大，為0.72 mm/a，其他站位上升速率在0.12～0.48 mm/a間變化。O1分潮僅在崇頭站呈上升趨勢，且上升速率極小，為0.01 mm/a，其他站位均呈下降趨勢，靈甸港站下降速率最大，為0.68 mm/a。由圖16可見：K1分潮和O1分潮在各站位的變化趨勢基本一致;M2分潮在各站位均呈現顯著上升趨勢，崇頭站上升速率最大，為11.64 mm/a;S2分潮在各站位亦呈顯著上升趨勢，崇頭站上升速率最大，為8.28 mm/a;M4分潮在崇頭站和連興港站呈上升趨勢，上升速率均為0.36 mm/a，其他站位均呈下降趨勢，六滧站位下降速率最大，為2.04 mm/a;MS4分潮在各站位均呈下降趨勢，六滧站位下降速率最大，為1.80 mm/a;M6分潮在靈甸港站呈上升趨勢，為0.84 mm/a，顯著大于其他站位，其他站位變化速率較小，且多為下降趨勢。圖16還顯示，M2分潮和S2分潮、M4分潮和MS4分潮，在各站位的變化趨勢基本一致。

3 結 論

基于長江口8個站位主要分潮振幅時間序列，通過研究得出如下結論：

（1） 各站位中K1分潮沒有明顯的空間和季節變化，振幅約0.216～0.242 m，O1分潮振幅約0.130～0.154 m，但表現出每年兩漲兩落的周期特性。M2分潮振幅最大，尤其在連興港站和靈甸港站較為顯著，平均振幅分別為1.357 m和1.347 m，且北支站位振幅從河口到上游逐漸減小，反映出潮汐沿河道傳播時振幅減小的規律。S2分潮次之，振幅約為M2分潮的一半，連興港站振幅最大，為0.639 m，上游營船港站振幅最小，為0.398 m，同樣呈現北支站位從河口到上游振幅逐漸減小的趨勢。M4分潮振幅在各站位隨時間變化的一致性強，受非線性相互作用和河道地形影響，在北支站位表現出振幅先增大后減小的趨勢。MS4分潮呈顯著的每年兩漲兩落周期特性，其空間變化與M4分潮基本一致。M6分潮在靠近河口的站點振幅較小，且隨時間變化一致性較差，靈甸港站平均振幅最小，為0.012 m，崇頭站平均振幅最大，為0.055 m。

（2） 從周期分析可以看出，不同站位各分潮的周期存在一定差異。北支3個站位（連興港、靈甸港、崇頭）周期較為復雜，存在多個周期成分，這種差異反映了不同地理位置對潮汐周期的影響，未來需進一步研究。

（3） 從分潮變化趨勢來看，M2和S2分潮振幅趨勢在所有站位都顯著上升，尤其是在崇頭、楊林和靈甸港站。MS4分潮振幅趨勢在所有站位都呈顯著下降趨勢。M4分潮振幅在大多數站位也呈下降趨勢，尤其是在六滧和楊林站。K1分潮振幅在所有站位都有小幅上升，O1分潮振幅在大多數站位呈下降趨勢。M6分潮振幅在不同的站位呈現不同的趨勢。

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（編輯：胡旭東）

Temporal-spatial characteristics analysis on major tidal constituent amplitudes at Changjiang River Estuary

SUN Weikang，ZHANG Zhilin，BI Junfang，LUO Zheng，LIU Dawei

（Changjiang River Estuary Investigation Bureau of Hydrology and Water Resources，Changjiang Water Resources Commission，Shanghai 200136，China）

Abstract： To further investigate the temporal-spatial characteristics of tides at the Changjiang River Estuary，particularly the amplitude variation patterns of astronomical and shallow-water tidal constituents，this paper applied harmonic analysis and autocorrelation function methods to analyze the continuous tidal level data in 2010～2019" from 8 stations，including Lianxinggang and Xuliujing stations，etc.The results indicated that the M2 tidal constituent had the largest amplitude in all stations，and the Lianxinggang Station had the largest average amplitude，which was 1.357 m.The S2 tidal constituent amplitude was the second largest，with a spatial distribution similar to the M2 tidal constituent，gradually decreasing from the estuary to the upstream.There were differences in the tidal period characteristics of each constituent at various stations.In terms of amplitude variation trends，the amplitudes of the M2 and S2 tidal constituents increased significantly in all stations，while those of the MS4 and M4 tidal constituents showed a decreasing trend.The amplitude of the K1 constituent showed a slight increase，the O1 constituent declined in most stations，and the M6 constituent showed varying trends at different stations.The temporal-spatial characteristics of tidal constituents′ amplitudes at various stations in the Changjiang River Estuary show significant differences，revealing the regionality and complexity of tidal variations at the estuary.

Key words： tide； tidal constituent amplitude； period； temporal-spatial characteristics； autocorrelation function； harmonic analysis； Changjiang River Estuary