(1. 中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100007； 2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

河口是海洋與河流之間水體和物質(zhì)輸移的紐帶，因此河口地區(qū)是受到流域徑流和海洋潮汐等共同作用的復(fù)雜環(huán)境系統(tǒng)。潮汐是指海水在天體(主要是月球和太陽(yáng))的引潮力作用下所產(chǎn)生的周期性運(yùn)動(dòng)。河口中的潮波與海洋中的規(guī)則潮波具有截然不同的特征。河口的潮汐譜向更加復(fù)雜的淺水潮汐譜發(fā)展，潮波能量重新分布，使得潮汐呈現(xiàn)出顯著的非線性變形和不對(duì)稱特征。潮汐特征是因地而異的，不同地區(qū)常表現(xiàn)為不同的潮波系統(tǒng)。長(zhǎng)江口獨(dú)特的地貌特征和動(dòng)力環(huán)境，造就了長(zhǎng)江口中潮波傳播演變過(guò)程的復(fù)雜性和特殊性。

本文從實(shí)測(cè)資料分析著手，對(duì)長(zhǎng)江口洪、枯季潮波在河口上溯過(guò)程中的演變特征進(jìn)行分析研究，以反映長(zhǎng)江口地形地貌特征對(duì)外海潮波的響應(yīng)過(guò)程。

長(zhǎng)江口是世界第三大河口和我國(guó)第一大河口，是銜接長(zhǎng)江和東中國(guó)海的入海通道。河口覆蓋范圍遼闊，全長(zhǎng)約660 km, 上至安徽大通，下到外海50 m等深線附近，如圖1所示。根據(jù)一般河口區(qū)段劃分，長(zhǎng)江口可分為3段：近口段(約400 km)，范圍從枯季潮區(qū)界所在地大通至洪季潮流界所在地江陰；河口段(約240 km)，范圍從江陰往下至口門攔門沙灘頂附近；口外海濱段，范圍從口門至外海30～50 m等深線附近。在上游徑流造床和河道束流的共同作用下，長(zhǎng)江近口段逐漸形成蜿蜒曲折且江心沙洲多現(xiàn)的平面形態(tài)。長(zhǎng)江口河口段徑流和潮汐的強(qiáng)烈作用，以及徑流下泄帶來(lái)的大量泥沙，造成河床沖淤多變,河道主槽擺動(dòng)頻繁。河口段總體上表現(xiàn)為喇叭型河口的平面特征，河道寬度從5.8 km(徐六涇)逐漸擴(kuò)寬至90 km(口門)，且由于泥沙沖淤情況復(fù)雜，河道中沙洲密布、槽灘相間，水深變化劇烈。在經(jīng)過(guò)歷史上幾次大的自然演變后，徐六涇以下逐漸形成現(xiàn)在的三級(jí)分汊、四口入海的平面形態(tài)：崇明島首先將河道隔開(kāi)分為北支和南支；接著長(zhǎng)興島和橫沙島又在瀏河口以下將其分為北港和南港；最后攔門沙體九段沙進(jìn)一步在口門附近將南港分為北槽和南槽。而口外海濱段由于河道逐漸放寬，入海水流流速逐漸放緩，導(dǎo)致大量的來(lái)沙在此沉積，水下呈三角洲發(fā)育特征。

長(zhǎng)江口上游來(lái)流充沛，根據(jù)大通水文站1951～2005年間的統(tǒng)計(jì)可知，其年平均流量可達(dá)28 630 m3/s，年平均入海徑流可達(dá)9 028.8億m3，約占全國(guó)入?？倧搅髁康?0%以上[1]。此外，長(zhǎng)江口徑流還表現(xiàn)出明顯的季節(jié)不均勻性特點(diǎn)。洪季(5～10月)徑流量約占年徑流量的70%以上，最大流量一般出現(xiàn)在7月或8月，有記錄以來(lái)的最大流量約為84 000 m3/s，發(fā)生在1954年的8月份。而枯季(11～4月)徑流量約占年徑流量的30%以下，且最小流量一般出現(xiàn)在2月，有記錄以來(lái)的最小流量約為6 730 m3/s，發(fā)生在1963年的2月份[2-3]。長(zhǎng)江口徐六涇以下河段，由于北支上段河道不斷淤淺和縮窄，河道容積不斷減少，河道走向與南支河道走向接近垂直，導(dǎo)致徑流分配在第一級(jí)分汊的分流口發(fā)生明顯的差異，進(jìn)入北支的徑流量只占到總下泄徑流量的1%左右[4]，大部分徑流直接通過(guò)南支下泄入海，而南支下段的北港和南港、南港下段的北槽和南槽的徑流分流比相近，基本都在35%～65%范圍內(nèi)波動(dòng)，此外隨著河口各類整治工程的建設(shè)實(shí)施，各分汊河道的分流比也將隨之發(fā)生改變[5]。

圖1 長(zhǎng)江口平面圖Fig.1 Map of the Yangtze Estuary

長(zhǎng)江口是中等強(qiáng)度的潮汐河口，中浚站附近最大潮差和平均潮差分別可達(dá)到4.62 m和2.67 m，同時(shí)長(zhǎng)江口潮波影響深遠(yuǎn)，枯季潮流界和潮區(qū)界分別可以到達(dá)距離口門約360 km的江蘇鎮(zhèn)江和約640 km的安徽大通。長(zhǎng)江口外海同時(shí)存在東中國(guó)海前進(jìn)潮波系統(tǒng)和黃海旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)，傳入河口的潮波主要受到東中國(guó)海前進(jìn)潮波系統(tǒng)控制[6]，表現(xiàn)為半日潮的特征，振幅較大的天文分潮主要包括M2、S2、N2、K2、K1和O1分潮。在潮波進(jìn)入河口向上游傳播的過(guò)程中，由于受到岸線收縮、地形淺化和摩阻損耗等效應(yīng)的影響，潮波能量重新分布，生成淺水分潮(主要包括M4和MS4)，使得潮波發(fā)生非線性變形并呈現(xiàn)出潮汐不對(duì)稱的特征，具體表現(xiàn)為漲落潮歷時(shí)不等(漲潮<落潮)、漲落潮流速差異(漲潮>落潮)等特點(diǎn)。由于河岸的束縛，長(zhǎng)江口河道內(nèi)水流主要以往復(fù)流為主，在江面寬闊的河道(如長(zhǎng)江口南支)，科氏力作用較明顯，致使河道中出現(xiàn)漲潮流偏北、落潮流偏南的流路分離現(xiàn)象，同時(shí)在漲落潮流路之間存在緩流區(qū)，泥沙容易在此沉積形成江心沙洲，進(jìn)而促進(jìn)河道分汊[7]。

2 潮汐分析方法

2.1 FFT和Welch方法

2.1.1快速傅里葉變換

傅里葉指出任何連續(xù)測(cè)量的信號(hào)或時(shí)序列數(shù)據(jù)，都可以由一系列不同頻率的正弦波疊加而成，傅里葉變換就是基于這一原理發(fā)展起來(lái)的一種分析信號(hào)數(shù)據(jù)成分特征的方法。根據(jù)處理信號(hào)的不同類型，傅里葉變換主要有4種表達(dá)形式：連續(xù)傅里葉變化、傅里葉級(jí)數(shù)、離散時(shí)域傅里葉變化和離散傅里葉變換。

快速傅里葉變換(FFT, Fast Fourier Transform)是在離散傅里葉變換(DFT, Discrete Fourier Transform)的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的一種處理信號(hào)的快速算法，被廣泛用于獲取信號(hào)數(shù)據(jù)的頻域特征。

離散傅里葉變換(DFT)常用于將周期性離散信號(hào)從時(shí)域表示方式變換為頻域表示的方式。對(duì)于有限長(zhǎng)N個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)序列{x(j)}0≤j

(1)

而上述離散傅里葉變換的逆變換可表示為

(2)

離散傅里葉變換在某種意義上可認(rèn)為是連續(xù)傅里葉變換的近似計(jì)算。在實(shí)際處理連續(xù)信號(hào)x(t)時(shí)，由于計(jì)算機(jī)只能對(duì)有限長(zhǎng)的離散信號(hào)進(jìn)行處理，因此常常需要對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行均勻采樣以得到離散的數(shù)據(jù)序列，進(jìn)而可以通過(guò)快速傅里葉變換分析信號(hào)頻譜的相關(guān)特性。在采用DFT(包括FFT)方法對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行頻譜分析時(shí)，需要特別注意采樣頻率過(guò)小可能引發(fā)的信號(hào)混疊問(wèn)題和信號(hào)截?cái)嗫赡軐?dǎo)致的頻譜泄露問(wèn)題，而這些問(wèn)題一般可以通過(guò)采用合適的采樣頻率、序列長(zhǎng)度和加窗的方式來(lái)加以克服。

2.1.2Welch方法

Welch法是基于Bartlett平均周期圖法改進(jìn)的一種功率譜估計(jì)方法。該方法分別通過(guò)加權(quán)(加窗)和分段重疊的方式，以期得到數(shù)字信號(hào)更加平滑與平均的功率譜。采用Welch法對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行功率譜估計(jì)的主要步驟如下[8]：

(1) 將長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù)序列分成L段，每段取長(zhǎng)度為M的數(shù)據(jù)子列，同時(shí)使得相鄰子列重疊一半長(zhǎng)度，即M/2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。因此數(shù)據(jù)段的個(gè)數(shù)為

L=(2N-M)/M

(3)

(2) 對(duì)加了窗的各段數(shù)據(jù)序列做傅里葉變換

(4)

(3) 整個(gè)信號(hào)的功率譜可通過(guò)各段功率譜平均得到

(5)

Welch法通過(guò)分段加窗重疊的方式求得數(shù)字信號(hào)的功率譜，有效地減小了功率譜估計(jì)的偏差和方差。與直接周期圖法相比，具有收斂性好、方差小、曲線更加平滑等優(yōu)點(diǎn)，但是由于各段功率譜主瓣較寬導(dǎo)致分辨率有所降低，然而分辨率還是高于Bartlett平均周期圖法的。

因此，本文綜合考慮FFT和Welch法的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)采用這兩種方法對(duì)長(zhǎng)江口中的實(shí)測(cè)潮位進(jìn)行振幅譜和功率譜分析，以充分反映潮波進(jìn)入河口內(nèi)的能量分布演變規(guī)律。

2.2 T_Tide調(diào)和分析方法

在一個(gè)特定的地方，潮汐引起的水位變化可以表示為

(6)

式中，η(t)為t時(shí)刻的水位；A0為一段時(shí)間的平均水位；m為相關(guān)分潮的個(gè)數(shù)；fj為j分潮的交點(diǎn)振幅因子；aj為j分潮在特定地點(diǎn)的振幅；ωj為j分潮的角速度；(v+u)j為j分潮在特定地點(diǎn)的天文參量；gj為j分潮在特定地點(diǎn)的相位遲角；B=∑Bi+errors為其他動(dòng)力因素或誤差造成的水位變化。在這些參量中，振幅aj和相位遲角gj就是通常所說(shuō)的對(duì)應(yīng)于j分潮的調(diào)和常數(shù)。潮汐調(diào)和常數(shù)可以給出相應(yīng)地點(diǎn)潮位變化中蘊(yùn)含的分潮波的構(gòu)成情況，能夠比較直觀地反映當(dāng)?shù)氐某毕珓?dòng)力特征，因而求解潮汐振幅和相位遲角是潮汐相關(guān)研究的重要組成部分。

潮汐調(diào)和分析就是以潮汐靜力學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)潮汐觀測(cè)資料，計(jì)算潮汐調(diào)和常數(shù)的過(guò)程[9]。而調(diào)和分析能夠求得的分潮個(gè)數(shù)和分潮種類則受到數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)間隔的限制，即在調(diào)和分析前的分潮選取過(guò)程中需滿足以下條件：

(1) 觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度T0的限制(即瑞利條件)

ωi-ωj>360°/T0

(7)

(2) 觀測(cè)步長(zhǎng)Δt的限制(即尼奎斯特條件)

Δt≤Tmin/2

(8)

式中，ωi、ωj為任意兩分潮的角頻率；T0為觀測(cè)時(shí)段的總長(zhǎng)度；Δt為觀測(cè)時(shí)間間隔；Tmin為選取分潮周期的最小值。

此外，在具體求解調(diào)和常數(shù)的過(guò)程中，最小二乘法是最常用的調(diào)和分析方法，即對(duì)所有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)W(tk)，列方程組求解多組振幅aj和相位遲角gj，使得計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差值的平方最小，即

(9)

式中,N為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)。

由于在一個(gè)月的中短期時(shí)間內(nèi)，徑流等非潮汐動(dòng)力的作用可以認(rèn)為是相對(duì)穩(wěn)定的，同時(shí)考慮到潮汐的非穩(wěn)態(tài)特性一般需要長(zhǎng)期(>1 a)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)才能加以分析，因此本文將不考慮潮汐的非穩(wěn)態(tài)特性，而主要采用T_Tide調(diào)和分析程序包[10]對(duì)實(shí)測(cè)值和模型計(jì)算值調(diào)和分析求得分潮的相關(guān)信息，以此來(lái)分析潮汐動(dòng)力特征。Pawlowicz等人[10]基于Foreman和Godin的經(jīng)典調(diào)和分析方法，在T_Tide中直接使用復(fù)代數(shù)和矩陣表達(dá)，考慮交點(diǎn)修正、相關(guān)分潮及一些用戶自定義要求，并加入描述分潮參數(shù)可靠性的置信區(qū)間。此外，T_Tide通過(guò)智能集成瑞利條件和尼奎斯特條件的判斷過(guò)程，使其能夠根據(jù)分析數(shù)據(jù)的具體情況以最優(yōu)的方式完成調(diào)和分析前期分潮選取的工作。T_Tide由于具有上述優(yōu)勢(shì)，且便于理解和修改，近些年得到了海洋領(lǐng)域?qū)W者的廣泛認(rèn)可和使用。

根據(jù)調(diào)和分析中分潮求解對(duì)觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度的限制，一個(gè)月左右的數(shù)據(jù)序列將無(wú)法求解P1和K2分潮，而P1和K2分潮會(huì)對(duì)K1和S2的準(zhǔn)確求解產(chǎn)生一定的干擾。因此，為了更準(zhǔn)確地從一個(gè)月數(shù)據(jù)中分離出足夠多的分潮，本文將在調(diào)和分析過(guò)程中利用P1～K1和K2～S2之間存在的關(guān)系來(lái)輔助求解P1和K2分潮。對(duì)于長(zhǎng)江口水域，Hu等人[11]通過(guò)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到如下分潮的相關(guān)關(guān)系。

P1～K1：振幅aP1=0.199aK1，相位遲角gP1=1.725gK1-124.9

(10)

K2～S2：振幅aK1=0.573aS2，相位遲角gK2=1.286aS2-156.4

(11)

具體通過(guò)在T_Tide中修改加入反映上述相關(guān)關(guān)系的迭代過(guò)程對(duì)長(zhǎng)江口的潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析，并根據(jù)流量變化情況(2002年枯季日均流量)開(kāi)啟T_Tide的線性校準(zhǔn)功能以減少?gòu)搅鲗?duì)調(diào)和分析可能存在的影響。本文分析所得分潮預(yù)報(bào)的水位和原水位數(shù)據(jù)之間的差值基本都控制在0.5%～10%之間，因此可以認(rèn)為本文的調(diào)和分析過(guò)程具有足夠高的準(zhǔn)確度。

3 長(zhǎng)江口實(shí)測(cè)資料分析

3.1 實(shí)測(cè)資料

上海市水文總站和長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局分別于2002年2～3月(枯季)和2002年9～10月(洪季)對(duì)長(zhǎng)江口進(jìn)行了大規(guī)模的水文測(cè)量[12-13]，潮位基本是由固定潮位站同步測(cè)量收集。

潮位測(cè)驗(yàn)點(diǎn)布置如圖2所示，其中23個(gè)潮位測(cè)驗(yàn)點(diǎn)(洪枯季各19個(gè))。江陰(洪)是洪季潮流界所在地，位于福姜沙上游彎曲河段南岸；天生港(洪)位于徐六涇上游如皋沙群和通州沙之間河段的北岸；徐六涇站位于長(zhǎng)江河口段最后縮窄段的南岸，是河口段重要的控制節(jié)點(diǎn)；白茆站位于南支南岸上端，河道從這里開(kāi)始第一級(jí)分汊；崇頭站位于崇明島上端頭部、南北支分汊處；青龍港位于北支彎段上游北岸，為北支涌潮的會(huì)潮點(diǎn)；三條港(枯)和五倉(cāng)港(洪)位于北支靠近口門河段的北岸；連興港位于北支口門北岸；新建站位于崇明島南側(cè)，崇頭站的下側(cè)；南門和堡鎮(zhèn)站位于崇明島南側(cè)中部；六滧站位于崇明島南側(cè)、北港中段；共青圩位于北港口門附近、橫沙島的北岸；楊林和石洞口站分別位于南支南岸中段瀏河口的兩側(cè)；吳淞(枯)和高橋站位于南支中段南岸、吳淞口附近；長(zhǎng)興(枯)和馬家港(洪)位于長(zhǎng)興島南側(cè)中部；橫沙站位于北槽上端、橫沙島南側(cè)；中浚站位于南匯邊灘上部、南槽的南側(cè)；蘆潮港位于南匯邊灘最南端、杭州灣的最上端。 由于部分站點(diǎn)的數(shù)據(jù)存在嚴(yán)重殘缺和不足，在數(shù)據(jù)分析中將剔除這些站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，不做分析和驗(yàn)證。

3.2 實(shí)測(cè)潮汐振幅譜和功率譜

為了更加合理地分析潮波在傳入河口向上游傳播過(guò)程中的能量分布演變特征，本文將分別選取北支和南支中各3個(gè)潮位站洪枯季的實(shí)測(cè)潮位資料，并通過(guò)FFT和Welch方法分析振幅譜和功率譜沿潮波傳播方向的總體變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖3，4所示。

(1) 枯季潮汐振幅譜和功率譜特征分析。如圖3所示，從北支和南支的振幅及功率分布情況不難發(fā)現(xiàn)，潮汐的能量主要分布在每天1，2，4，6，8個(gè)周期的振動(dòng)分量上，即分別對(duì)應(yīng)于全日分潮、半日分潮、淺水1/4分潮、淺水1/6分潮和淺水1/8分潮，其中半日分潮的能量最大，其振幅可以達(dá)到1 m左右，其次是淺水1/4分潮，而基本不存在頻率為10 cpd以上的成分。對(duì)比同一河道中3個(gè)潮位站潮汐功率譜的譜形，可以清楚地看出：隨著潮波從口門向上游傳播，屬于天文分潮的半日分潮和全日分潮能量有所衰減，而淺水分潮(尤其是半日分潮的非線性倍潮)的能量則呈現(xiàn)遞增的態(tài)勢(shì)，且在北支這種現(xiàn)象尤為明顯，青龍港處淺水1/4分潮的振幅甚至接近0.3 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)全日分潮的振幅，說(shuō)明北支中潮波傳播的非線性特征更加明顯。由于北支河道寬度不斷收窄和水深急劇變淺的特點(diǎn)加劇了潮波上溯過(guò)程中的非線性作用，致使潮汐能量從低頻向高頻流動(dòng)，即天文分潮部分不斷向淺水分潮轉(zhuǎn)移，這也是青龍港時(shí)有涌潮現(xiàn)象發(fā)生的主要原因。此外，在頻率分辨率更高的振幅譜中，可以發(fā)現(xiàn)能量相對(duì)集中的頻率附近存在譜形分叉的現(xiàn)象，表明能量集中的分潮族中存在多種頻率相近的分潮，即全日分潮中同時(shí)存在K1、O1等分潮成分，半日分潮中同時(shí)存在M2、S2等分潮成分，淺水1/4分潮中同時(shí)存在M4、MS4等分潮成分。除了上述天文分潮和淺水分潮的能量分布外，同樣發(fā)現(xiàn)在0～1 cpd之間也存在一定的能量分布，而這部分超低頻的能量則主要由長(zhǎng)周期潮汐分潮(如MSf分潮、Mm分潮等)、大氣作用和其他季節(jié)性作用等成分構(gòu)成。

圖3 枯季潮位振幅譜和功率譜Fig.3 The amplitude spectra and power spectral density of observed tidal level data during the dry season

(2) 洪季潮汐振幅譜和功率譜特征分析。如圖4所示，洪季潮汐振幅、功率譜呈現(xiàn)出與枯季類似的分布特征，不同的是洪季時(shí)半日分潮的能量更大，振幅比枯季大約30%，這主要是由于洪季時(shí)外海傳入河口的潮波能量大于枯季。在南支，除了半日分潮洪季和枯季存在較明顯差別外，其他分潮的能量分布特征和枯季相比變化不大。在北支靠近河口口門的河段(連興港-五倉(cāng)港附近)，高頻淺水分潮(1/6分潮和1/8分潮)能量很弱，基本沒(méi)有明顯的發(fā)展，而在青龍港附近這些分潮普遍存在，表明洪季時(shí)潮波傳播中的非線性現(xiàn)象主要發(fā)生在北支上段，且潮波在此將發(fā)生顯著變形。此外，由于洪季下泄徑流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于枯季，造成洪季超低頻部分(0～1 cpd)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于枯季。

圖4 洪季潮位振幅譜和功率譜密度Fig.4 The amplitude spectra and power spectral density of observed tidal level data during the wet season

3.3 實(shí)測(cè)分潮構(gòu)成

雖然頻譜分析可以得出潮汐能量分布的基本特征，但是由于頻譜分析方法基于傅里葉變換，并沒(méi)有在給定特定分潮頻率的基礎(chǔ)上進(jìn)行求解，而且頻譜中頻率的分辨率還依賴于相關(guān)參數(shù)的選取，因此頻譜方法無(wú)法準(zhǔn)確地求解出潮汐各個(gè)分潮的大小。為了得到潮汐分潮在河口中的演變特征，本節(jié)對(duì)洪枯季各19個(gè)潮位站1個(gè)月左右的實(shí)測(cè)水位進(jìn)行調(diào)和分析，求得32個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)，其中主要分潮的振幅和相位參見(jiàn)表1?；诟鞒蔽徽镜南鄬?duì)位置和分潮常數(shù)，還可得枯季和洪季主要天文分潮及淺水分潮在北支和南支中的沿程變化過(guò)程，分別如圖5和6所示。

從表1可知，除了青龍港外，洪季長(zhǎng)江口中各潮位站的主要分潮(包括天文分潮和淺水分潮)的振幅均大于枯季，天文分潮洪枯季的差值相對(duì)淺水分潮要大，其中S2分潮差距最大，其洪枯季振幅的平均差值甚至達(dá)到0.20 m。一般情況下，如果其他條件相同，上游徑流越大，河口中潮波能量衰減得越厲害，除淺水分潮外的其他分潮就越小，而在實(shí)際情況中長(zhǎng)江口洪季天文分潮卻大于枯季，這是因?yàn)楹榧旧嫌蝸?lái)流量遠(yuǎn)大于枯季，導(dǎo)致河口范圍內(nèi)(尤其是口門附近)平均水位的抬升，隨著水位的抬升，摩阻耗散變小，洪季傳入長(zhǎng)江口的潮波能量大于枯季，即洪季進(jìn)入河口的天文分潮振幅大于枯季，從而導(dǎo)致河口內(nèi)各潮位站主要分潮均大于枯季的情況，也間接反映了水深條件對(duì)潮波演變過(guò)程的影響。青龍港附近M2分潮振幅洪季小于枯季，是因?yàn)楹榧具M(jìn)入北支的徑流流量相對(duì)更大，再加上河道較淺，北支上游摩擦耗散加劇，進(jìn)而使得天文分潮衰減得更多。此外，從表1給出的洪枯季各分潮的差值不難發(fā)現(xiàn)，除個(gè)別站點(diǎn)外，大部分站點(diǎn)的分潮差值差別不大。而對(duì)于分潮相位遲角來(lái)說(shuō)，各潮位站洪季基本均小于枯季，可以認(rèn)為洪季潮波在長(zhǎng)江口中的傳播速度要大于枯季，這主要是因?yàn)楹榧酒骄灰哂诳菁荆偌由虾榧痉殖闭穹笥诳菁?，使得洪季高潮位明顯大于枯季，而淺水潮波波速又與總水深密切相關(guān)。

通過(guò)對(duì)潮位站實(shí)測(cè)潮位過(guò)程的分析，可得分潮的沿程變化情況，如圖5和圖6所示。在北支，雖然洪枯季分潮之間略有差距，但是洪枯季各分潮沿河道的變化趨勢(shì)基本相同：M2分潮先增大后減小，S2分潮呈衰減趨勢(shì)，M4、MS4和M6分潮沿程增大，其中M4和MS4相對(duì)較大，而K1分潮基本保持不變，此外反映非線性強(qiáng)弱的M4/M2振幅比呈一致增強(qiáng)的態(tài)勢(shì)，與譜分析得出的結(jié)論基本相同。在南支，洪枯季各分潮沿河道的變化同樣也表現(xiàn)出類似的特征：M2和S2都呈衰減的一般趨勢(shì)，M4、MS4和M6分潮則沿程增大，M4/M2振幅比總體呈增大趨勢(shì)，同時(shí)在白茆、徐六涇附近出現(xiàn)局部減小的現(xiàn)象。此外，各分潮沿程變化的過(guò)程曲線很不平滑，呈現(xiàn)沿程波動(dòng)的顯著特征，其中M2分潮尤為明顯，這與事物發(fā)展的連續(xù)性相違背?？紤]到南支在中下段由長(zhǎng)興島和橫沙島分割成北港和南港兩條分汊河道，且潮位站多分布于南支的南北兩岸附近，因此嘗試將南北兩岸潮位站M2分潮的沿程變化分開(kāi)表示，如圖5和圖6所示。此時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，M2分潮的變化曲線變得更加連續(xù)光滑，這說(shuō)明南支雖然只在靠近口門處被江心島分開(kāi)，但是潮波通過(guò)北港和南港不同的河道傳入河口之后的演變過(guò)程存在明顯的不同，因此在研究南支過(guò)程中建議不將南支整體當(dāng)做一個(gè)河道開(kāi)展研究。

表1 長(zhǎng)江口枯季和洪季實(shí)測(cè)潮位主要分潮對(duì)比Tab.1 Comparison between main tidal constituents of observed tidal level during the dry and wet seasons in the Yangtze Estuary

圖5 枯季分潮振幅沿程變化Fig.5 The variations of observed amplitude of selected constituents along two main channels of the Yangtze Estuary during the dry season

圖6 洪季分潮振幅沿程變化Fig.6 The variations of observed amplitude of selected constituents along two main channels of the Yangtze Estuary during the wet season

4 結(jié)論與展望

本文先后通過(guò)FFT、Welch能譜分析方法和調(diào)和分析方法分別對(duì)長(zhǎng)江口洪枯季各19個(gè)潮位站的實(shí)測(cè)水位資料進(jìn)行了分析。通過(guò)能譜分析初步得到潮汐振幅和功率譜的分布特征，并通過(guò)實(shí)測(cè)水位的調(diào)和分析得到長(zhǎng)江口潮汐分潮沿程演變規(guī)律。

(1) 隨著潮波從口門向上游傳播，天文分潮能量有所衰減，而淺水分潮的能量呈現(xiàn)遞增的態(tài)勢(shì)。例如，北支河道由于河道斷面向上游不斷收窄，加劇了潮波上溯過(guò)程中的非線性作用，致使潮汐能量從低頻向高頻流動(dòng)，即天文分潮部分不斷向淺水分潮轉(zhuǎn)移，進(jìn)而引發(fā)青龍港附近的涌潮現(xiàn)象。

(2) 雖然洪枯季各潮位站分潮之間略有差距，但洪枯季各分潮沿河道的變化趨勢(shì)基本相同。洪季時(shí)外海傳入河口的潮波能量大于枯季，因此除個(gè)別站點(diǎn)外，主要分潮(包括天文分潮和淺水分潮)的振幅均大于枯季。

(3) 河道分汊使得長(zhǎng)江口依次分為南北支、南北港和南北槽多條潮波傳播通道，河道和水動(dòng)力條件(如潮波運(yùn)動(dòng))存在差異，因此在開(kāi)展相關(guān)課題深化研究時(shí)，應(yīng)在河口整體研究的基礎(chǔ)上，對(duì)每條潮波傳播通道做詳細(xì)分析，建議盡量不要對(duì)分汊河道地形做過(guò)多的簡(jiǎn)化，尤其是忽略河道分汊特征時(shí)需更加謹(jǐn)慎。

由于長(zhǎng)江口地形地貌的復(fù)雜性和實(shí)測(cè)資料的有限性，導(dǎo)致實(shí)測(cè)資料分析在長(zhǎng)江口潮波演變特性及其影響機(jī)制研究方面還存在一定的局限性。下一階段將在實(shí)測(cè)資料分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合長(zhǎng)江口環(huán)境的最新變化，通過(guò)數(shù)值模型復(fù)演長(zhǎng)江口的潮波運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果對(duì)潮波演變特性及其影響機(jī)制進(jìn)行更加詳細(xì)的分析和討論。如可從長(zhǎng)江口分潮空間分布、潮流空間分布、潮汐變形和不對(duì)稱特性時(shí)空分布、潮差時(shí)空演變、潮波形態(tài)時(shí)空分布和整治開(kāi)發(fā)工程對(duì)長(zhǎng)江口潮波系統(tǒng)的綜合影響等方面開(kāi)展相關(guān)研究，進(jìn)而全面反映長(zhǎng)江口對(duì)外海潮波的響應(yīng)過(guò)程及其蘊(yùn)涵的物理機(jī)制。