于道永1，张立海1，赵洪彦1，刘海青2，张业成1
（1.国土资源部实物地质资料中心海平面观测站秦皇岛 066002；2.华北科技学院测量工程系河北燕郊 065201）
摘要：本文根据实际观测和调查资料对秦皇岛海平面变化与海岸侵淤活动进行了分析，论述了它们的控制条件和对城市发展的影响。得出：近50年来，秦皇岛海平面在波动中呈下降趋势，平均变化速率为-1.8mm/a，经地壳升降订正后的海平面为上升趋势，平均速率为1.9mm/a；海平面发生不同尺度的周期性变化，其中以1年分振动最为强烈；秦皇岛有82.69km岸段发生不同程度的侵蚀，占总岸段的67%；海岸侵蚀活动除威胁滨岸工程设施安全外，还破坏旅游资源和土地资源，加剧海水入侵活动。目前海平面变化对城市影响不大，但近年来相对海平面下降速率不断减小，未来有可能由下降转为上升，因此对城市发展存在潜在威胁。 关键词：秦皇岛海平面海岸侵蚀城市影响
前言
秦皇岛市位于河北省东北部，北依燕山，南傍渤海，既是我国重要港口城市，又是著名的避暑旅游胜地。
该市海岸线东起山海关张庄，西至滦河口，全长123.5km。岸线曲折，有众多优良港湾，并有滩涂一万多公顷。海平面变化及海岸侵蚀对秦皇岛城市发展产生重要影响。本文用线性回归和谱分析方法，对秦皇岛沿岸近47年来海平面观测资料进行了处理，分析了海平面变化规律与主要原因；同时调查了秦皇岛海岸侵淤现状，分析了海岸侵蚀的原因；论述了海平面变化和海岸侵蚀对秦皇岛城市发展的影响。
1．秦皇岛沿海现代海平面变化
现代海面变化是用验潮仪直接观测得出的。秦皇岛是我国最早开展海平面观测的台站之一。早在1907年就在秦皇岛港设置了英国产的立式计时卷纸验潮仪，迄今已有近100年的观测历史。特别是1982年根据著名地质学家李四光的遗愿，由原地矿部562大队（现国土资源部实物地质资料中心）在交通部秦皇岛港务局三号码头港池内建立的海平面观测站，将秦皇岛海平面观测工作发展到一个新的阶段。该验潮井首先在钻孔中浇注钢筋混凝土，将井体与基岩（混合花岗岩）连在一起，然后将验潮仪安装在井体上，并在井体平台的东北角和西南角设两个水准点——其中东北角水准点为基本水准点，观测零点（或称观测基准面）在基本水准点下3.703m，定期测量基本水准点与国家一等点的高程变化，以便了解观测零点的升降。
由验潮仪测量得到的海面变化，是相对海面变化。它既包含有全球或大区域海面变化，也包含观测点附近陆地升降运动所引起的海面视变化。秦皇岛验潮井建在基岩上，能灵敏反映地壳升降变化。因此，不仅获取了高精度的连续相对海面变化数据，而且通过水准测量和区域地形变分析，可以研究陆地升降对海面变化的影响。
1．2分析计算方法
海面与平均海面不同。实测海面的高低是多种因素作用的综合效应。平均海面是指验潮站某时段内潮位高度的平均值；根据时段长度，平均海面又分日平均海面、月平均海面、年平均海面和多年平均海面。研究不同时间尺度的平均海面变化具有不同的意义。现以本站观测资料为基础，并补充其他部分观测资料，以月平均海面和年平均海面为样本，分析海平面的长期变化趋势和周期性变化规律。
1．2．1平均海面变化解析
作者简介：于道永（1941），男，研究员，主要从事海平面变化和海洋动力学研究。
统计分析表明，一个地点海平面变化具有长期线性变化趋势和特有的周期或准周期性变化以及随机噪声变化。把年平均海面或月平均海面视为一时间序列，其解析式可表示为：
()()()()()1⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅++=t C t B t A t H
式中：为据实际观测资料计算的年平均或月平均海面；()t H ()t A 为平均海面的线性变化分量；为平均海面周期性变化分量；为随机噪声变化分量。
()t B ()t C 1．2．2线性变化（或趋势性变化）分析方法
根据最小二乘法原理，线性变化可由一元回归方法求得。其公式为：
()t A t A α+=0
()t t H A α−=0
()()()2111212111⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⎟⎠⎞⎜⎝⎛−
⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛−•=
∑∑∑∑∑=====N t N t N t N t N t t N t t H t N t H t α
式中：为初始年份（）的平均海面；0A 0=t α为平均海面年变化速率（mm/a ）
；t 为时间间隔（a ）；t 为中间时；()t H 为多年平均海面。
1．2．3周期性变化分析方法
周期性变化所采用的分析方法，是把实际波动变化分解成数个分振动叠加之和的方法，即波谱分析。
设（1）式中的周期项由k 个分振动组合而成。可表示为：
()()3................................2sin 2cos 1∑=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=K i i i i i t T b t T a t B ππ 式中、为与分振动周期相应的待定系数。
i a i b i T 根据不同周期的、，可以求出不同周期分振动的振幅和初相i a i b i A i δ。计算式为：
()2122i
i i b a A += ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝⎛=−i i i b a tg 1δ 根据实际观测资料，首先用最大熵谱分析方法寻出主要振动周期，然后用最小二乘法求出模型中的待定系数、，进而求出分振动的振幅和初相i T i a i b i A i δ。
将（2）、（3）两式代入（1）式可以得出海平面变化模型为：
()()()42sin 2cos 10⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅+⎥⎦
⎤⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++=∑=t C t T b t T a t A t H K i I i i i ππα 1．3计算分析结果
1．3．1年平均海面的基本变化特征
图1绘出了1930~1993年秦皇岛年平均海面变化曲线及19年滑动平均海面变化。可以看出，年平均海面呈波动式升降变化。其中1950~1963年呈波动式下降，1963年降至历史最低，年平均海面为76cm ；1963~1974年呈波动式上升；1974~1980年呈波动式下降；1980~1997年呈波动式上升。1950~1997年长期变化趋势为波动式缓慢下降，平均速率为-1.8mm/a 。
图1 秦皇岛沿岸海平面变化曲线
1．3．2线性变化分析结果
以年平均海面为样本，用（2）式计算出不同时段海平面变化年速率及相应时段的平均海面（表
1）。
表1 秦皇岛海平面变化年速率 时间
1950~1960 1950~1970 1950~19801950~1997 19年滑动平均（1950-1997）年速率(mm/a)
-3.2 -6.6 -3.5 -1.8 -0.14 平均海面(cm) 95.0 90.7 89.7 88.6
87.6 由表1看出，海平面变化年速率由于所取时段的长短不同而差异较大。海平面下降速率随时间序列的加长而逐渐变小；多年平均海面在波动中呈缓慢下降趋势。
1．3．3波谱分析结果
对1950~1997年的月平均海面，分1950~1985、1950~1997年两个时段，用波谱分析方法进行计算，结果列于表2。
从表2可以看出，用月平均海面为样本与用年平均海面为样本所计算得出的海平面变化年速率非常接
近；秦皇岛海平面变化具有周期为12年、5年、4年、2年、1年、0.5年的分振动，其中周期1年的分振占主导地位，其振幅为29cm 左右。
1．4秦皇岛海平面变化原因
1．4．1秦皇岛海平面变化的区域背景
秦皇岛海平面变化是在全球、中国和渤海海平面变化背景下发生的。
全球性海平面变化对比和研究工作始于20世纪40年代。目前，对全球海平面变化认识不尽一致，倾向性的认识是：近百年来，由于“温室效应”导致全球海平面以平均1.0~1.5mm/a 速率持续上升。1995年政府间气候变化专门委员会（IPCC ）给出的评估报告认为，在过去100年，全球平均海平面上升的最佳估计值为18cm ，相应的不确定范围为10~25cm 。
中国沿岸海平面变化研究始于20世纪80年代，不同研究者所使用验潮站的数量和资料年代不尽相同，得出的结论颇有差异。对比各种认识，笔者认为国家海洋局在《1992年中国海平面公报》中提出的中国沿岸海平面上升的平均速率1.4~2.0mm/a ，具有较大的认知度。
表2 秦皇岛月平均海平面谱分析 年限 平均海平面
（cm ）
周期Ti (月) a i (cm) b i (cm) 振幅A i （cm ） 初相δi (°) 154.0 1.58 -1.11 1.935 125.2 89.4
44.0 1.33 -1.12 1.738 130.0
28.0 0.77 0.68 1.030 48.7 年速率
（mm/a ） 23.0 -0.49 0.85 0.985 -29.9
12.0 -22.7 -18.3 29.171 -128.9
1950~1985
-3.03
6.0 -1.91 0.63 2.012 -71.9
144.0 1.25 0.99
1.6 38.4 平均海平面（cm ）
57.6 0.92 0.41 1.0 24.1 44.3 1.29 -0.35 1.3 -15.5
33.9 0.88 0.25 0.9 16.0
87.8 28.8 0.47 -0.81 0.9 -60.2
23.0 -0.19 0.63 0.7 -72.8 年速率
(mm/a) 18.6 0.73 0.55 0.9 37.2
13.4 0.11 -0.04 0.12 -21.8
12.0 -22.65 -17.28 28.5
37.2
6.0 -2.34 0.67
2.4 -16.0 1950~1997 -1.90
3.0 -0.33 0.37 0.5 -48.7 在区域海平面上升背景下，不同地区海平面升降趋向和速率有很大差异。笔者1986年、1995年对中国沿岸及渤海沿岸的海平面变化进行过分析，给出了1985年以前和1992年以前多站相对海平面变化速率，总结出中国沿岸现代海平面变化具有以下特点[1]：
第一，中国沿海各站海平面的年变化差异性很大——强烈上升的占20%，缓慢上升的占68%，下降的占12%；总趋势是上升的，平均速率为2.1mm/a 。
第二，纵观各站海平面年变化速率的时间变化，平均上升速率普遍加快；而且各站升降起伏变化是准同步进行的。
第三，据有关研究成果，不同地区地壳垂直运动虽然千差万别，但从大的空间尺度看，可以认为在整个东部沿海海岸线，陆地的升降之和近似为零。由此可以认为，就整个中国沿岸而言，在进行加权平均的过程中，已消除了地壳升降的影响。因此，可以认为，中国沿岸平均变化速率2.1mm/a 是“温室效应”引起的海平面上升结果。
渤海相对海平面变化平均速率小于全国平均值，为0.6mm/a 。不同岸段变化类型不一：上升型——营口、塘沽、羊角沟，上升速率1.7~2.7mm/a ；基本稳定型——葫芦岛、龙口，年速率小于1mm/a ；缓慢下降型——秦皇岛、烟台，下降速率-1.2 ~-2.6mm/a 。营口、塘沽、羊角沟，分别地处辽东湾、渤海湾、莱洲湾和黄河三角洲沿岸，这些地区沿海陆地高程均小于5m ，是渤海沿岸的脆弱区，尤其是渤海湾和莱洲湾沿岸又是风暴潮的多发区，因此海平面上升对这些地区构成较大威胁。
秦皇岛验潮站经地壳订正后的海平面变化速率为 1.9mm/a，与中国沿岸海平面平均上升速率基本吻合，其波动性升降与中国沿海海平面变化基本是同步的。
1．4．2地壳升降与秦皇岛海平面变化
秦皇岛海岸带处于山海关隆起和渤海拗陷的接合部位，地质构造比较复杂，地壳运动以间歇式垂直上升为主，不同地区上升幅度有很大差异（图2）。
图2 秦皇岛海岸带现代地壳垂直运动速率等值线图（1968～1992年）（单位：mm/a） 根据20世纪50年代至90年代精密水准测量资料所计算的验潮站水准点相对均衡基准的上升速率为3.7mm/a，而1950~1997年秦皇岛海平面变化年速率为-1.8mm/a，由此可以计算出经地壳升降订正后的秦皇岛海平面变化年速率为1.9mm/a，与中国沿海海平面平均上升速率基本吻合。
在中国沿海海平面以2.0mm/a左右速率上升的背景下，秦皇岛验潮站海平面以-0.18mm/a的速率下降，其根本原因是地壳上升速率大于水动型海平面上升速率。
1．4．3水文气象因素对海平面变化的影响
图3绘出了秦皇岛气温变化，可以看出，不同时段的气温变化趋势与年平均海面变化有一定的一致性——高海面大致与高气温相对应；低海面大致与低气温相对应。
图3 秦皇岛沿岸气温变化曲线图
厄尔尼诺（EI Nino）使中国沿岸的海平面降低，1963年表现的特别典型，该年秦皇岛平均海平面为历史最低，距平值-13.1cm。1965、1969、1972、1976、1982/83、1986/87年等厄尔尼诺年，也使年平均海面有不同程度的降低。黑潮大弯曲使海平面升高，但在秦皇岛的效应并不明显。
