海洋学研究 >

2023 , Vol. 41 >Issue 2: 28 - 44

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-909X.2023.02.003

研究论文

长江口南汇潮滩的波浪特征及其影响因素

  • 崔明慧 , 1 ,
  • 涂俊彪 1 ,
  • 孟令鹏 1 ,
  • 郭兴杰 1, 2 ,
  • 苏妮 1 ,
  • 范代读 , 1, *
展开
  • 1.同济大学 海洋地质国家重点实验室,上海 200092
  • 2.上海市地质调查研究院,上海 200072
*范代读(1972—),男,教授,主要从事海洋沉积学方面的研究,E-mail:。

崔明慧(1998—),女,山东省东营市人,主要从事海洋动力学方面的研究,E-mail:。

Copy editor: 杨义菊

收稿日期: 2022-12-20

  修回日期: 2023-02-02

  网络出版日期: 2023-07-27

基金资助

上海市教委科研创新计划自然科学重大项目(2021E00093)

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(ZD-21-202101)

收起

Wave characteristics and their influencing factors on Nanhui tidal flats in the Changjiang Estuary

  • CUI Minghui , 1 ,
  • TU Junbiao 1 ,
  • MENG Lingpeng 1 ,
  • GUO Xingjie 1, 2 ,
  • SU Ni 1 ,
  • FAN Daidu , 1, *
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China
  • 2. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China

Received date: 2022-12-20

  Revised date: 2023-02-02

  Online published: 2023-07-27

Fold

摘要

波浪是塑造开敞型潮滩动力地貌的重要因素,但目前对潮滩波浪特征研究仍较少。该文以长江口南汇潮滩为例,通过对固定平台声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler Velocimeter,ADV)获得的流速和水压等高频数据进行反演,获得了波浪特征参数和波浪谱参数,进而分析了它们在潮周期内的变化规律和影响机制。研究表明,观测期间南汇潮滩3个站位波浪的常浪向和强浪向以SE向为主,由长周期涌浪占主导。3个站位的有效波高与水深均成正相关关系,但各站位在涨、落潮期间的拟合系数不同。波浪轨道流速受浅水效应和潮流流向的影响明显,如在涨潮初期达到最大,在转流时期出现谷值。落潮期间波浪频谱以双峰谱为主,明显受到潮汐水位和地形的综合影响,期间峰值能量不断衰减且逐渐分散,并伴随出现了峰频转移现象。

关键词： 南汇潮滩; 波浪特征参数; 波浪谱; 风浪

本文引用格式

崔明慧 , 涂俊彪 , 孟令鹏 , 郭兴杰 , 苏妮 , 范代读 . 长江口南汇潮滩的波浪特征及其影响因素[J]. 海洋学研究, 2023 , 41(2) : 28 -44 . DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2023.02.003

Abstract

Wave is an important factor to shape the dynamic geomorphology of the open tidal flat, but researches on tidal-flat wave characteristics are still limited. Taking Nanhui tidal flats in the Changjiang Estuary as an example, the wave characteristic parameters and wave spectrum parameters were obtained by inverting flow-velocity and water-pressure data from the Acoustic Doppler Velocimeters (ADVs) at some fixed platforms, and their changes over tidal cycles and associated influence mechanisms were discussed. The results show that both normal wave direction and prominent wave direction at three stations of Nanhui tidal flats are mainly southeast during the observation period, with long-period swells dominating. The effective wave height of the three stations is positively correlated with the water depth, but the fitting coefficients of each station are different over flood and ebb periods. Wave orbital velocities are obviously modulated by the shallow water effect and the flow directions, and their maximum values usually occur at the early flooding stage, while minimum values can be observed to occur during the current transition periods. The wave energy spectrum during ebb tides is featured by the bimodal pattern because of high influence by tidal levels and coastal topography, and the peak energy is continuously attenuated and gradually dispersed with the concurrent shift of peak frequencies.

Key words： Nanhui tidal flats; wave characteristic parameter; spectrum of waves; wind

0 引言

潮滩是陆地、大气和海洋系统的交界面,受到波流相互作用的影响,沉积动力过程复杂,是研究海陆交互作用的理想场所,因此成为“未来地球海岸(Future Earth Coast)”研究计划的重要研究对象[1]。波浪是影响潮滩水动力变化的主要因素之一,加速了潮滩的冲淤演变,改变了潮滩的地形地貌[2-3],同时,波浪运动又会受到潮滩地形和潮水位的制约[4]。基于现场实测资料的波浪特征参数统计分析和波谱分析可用于工程海域的波浪统计、可作业的波浪条件分析和极值波浪的推算等[5],是目前研究的热点。VANDEVER et al[6]基于十种不同河口海岸环境的观测数据,得到了波高参数与谱宽度之间的线性关系。印度学者对近海波浪进行了统计分析,发现印度沿海以多峰谱的混合浪为主,通过对季风爆发前、中、后期的波谱、波高、波向等的回归分析和风浪、涌浪分离等的机理研究,揭示了季风对印度沿海波浪场的影响机理[7⇓⇓-10]。国内学者也对波浪行为特征开展了大量研究,ZHOU et al[11]对实测的三门湾波浪参数进行了统计和线性回归分析,探讨了台风影响下三门湾波浪参数和波浪谱的变化,并进行了风浪、涌浪的分离。YANG et al[12]在舟山岛东北沿海开展了研究,得出在冬季风影响下波浪以双峰谱的涌浪为主。祁祥礼 等[13]对渤海湾中部的波浪特征进行了统计分析,发现大浪期间波高与风速、波向与风向有较强的相关性。陈燕萍 等[14]利用波潮仪对崇明东滩以及杭州湾北岸的芦潮港岸段进行了波浪观测,着重研究了水深对波高的影响,发现在潮滩坡度较小,风速、风向较为稳定的情况下,水深与波高之间存在着正相关关系。前人研究表明波流相互作用对南汇潮滩冲淤变化起主导作用,但鲜少有学者开展其波浪特征研究[15⇓-17]。
本文基于固定平台声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler Velocimeter,ADV)的实测数据,首先对南汇潮滩3个站位的波浪特征参数的变化规律进行分析,包括波向、有效波高、平均周期、平均跨零周期、波浪轨道流速等;然后对波高最大时刻和落潮过程中的波浪频谱特征进行了分析;最后对影响波浪参数和波浪频谱参数的因素进行了研究分析,并根据波浪频谱进行了风浪、涌浪的分离。本研究可增进对潮滩波浪行为特征的认识,并为泥质海岸工程建设与防护等提供科学依据。

1 区域概况与站位布设

南汇潮滩是长江口入海泥沙的重要沉积区,发育了规模大、特色显著的淤泥质潮滩(图1a),曾为上海市发展提供了充足的后备土地资源,是重要的河口湿地资源[18-19]。目前南汇潮滩正在进行河口工程、海岸防护工程建设,波浪要素是工程设计需要考虑的重要因素。研究区地处长江口与杭州湾的交汇处,是长江入海泥沙进入杭州湾的重要通道。以石皮勒断面为界,靠近长江口一侧的称为东滩,岸线走向为西北—东南向,位于杭州湾北岸的称为南滩,岸线走向为东北—西南向。南汇潮滩风向季节性变化大,夏季为东南风,冬季为西北风,多年平均风速为4 m/s[20]。南汇潮滩受波浪、潮汐和径流的共同控制,由于其地形复杂,潮汐属于非正规半日潮,年平均潮差为3.2 m,大潮潮差为4 m以上。涨潮时,从外海传入的潮波在南汇嘴发生分叉,一股沿305°方向进入长江口南槽(东滩),为前进型潮波;另一股则沿270°方向进入南滩,为驻波型[20]。落潮时,南汇东滩东南向的落潮流和南滩东北向的落潮流在南汇嘴汇合之后流向外海。南汇东滩和南滩的潮流大部分为往复流,南汇嘴处为旋转流[21]。全年常浪向和强浪向一致,为东南向或东向,多年平均波高为0.42 m,平均波周期为2.9 s[22]。南汇潮滩底床沉积物主要以粉砂为主,低潮滩可出现极细砂[23]。
图1 长江口南汇潮滩地理概况及站位布设(a),3个观测站位所在断面的滩面高程变化(b)

(图b中3个星号表示3个站位的位置。)

Fig.1 Geographical overview and layout of stations at Nanhui tidal flats in the Changjiang Estuary (a) and elevation changes along the profiles where three stations are located (b)

(The three asterisks in the fig.b indicate the positions of the three stations.)

2013年9月5日—7日在南汇潮滩3个站位布设ADV进行水文观测实验,3个站位分别是南汇嘴观测站S1,南汇南滩观测站S2和南汇东滩观测站S3,如图1a所示。3个观测站位所在断面的滩面高程变化见图1b。S1站位所在潮滩滩面坡度相对较小,平均坡度为0.001,剖面形态为下凹型;S2所在潮滩滩面最陡,坡度大约为0.006;S3站位所在潮滩地形剖面亦为下凹型,滩面坡度最小,约为0.000 4。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

风向、风速数据(图2)来源于浦东国际机场气象站资料。观测期间(2013年9月5日18:00至7日6:00)主要盛行偏北风,风速变化范围为1.8~5.8 m/s,平均风速为4.23 m/s。
图2 观测期间浦东国际机场的风场变化特征

Fig.2 Changes of wind speeds and directions at Pudong International Airport during the observation period

3个站位所在剖面水深数据来源于上海市地质调查研究院,断面延伸方向为垂直于3个站位向海方向。
3个站位的波浪参数由ADV实测数据计算而来。本观测实验所用ADV为挪威Nortek公司生产的 6 MHz声学多普勒流速仪,测量精度为测量值的 0.5%或者±0.1 cm/s,采样频率为32 Hz。本研究将选取3个站位自9月5日起时间相近的3个潮周期(用T1,T2,T3表示)内的观测数据,ADV参数及观测时间见表1, 其中ADV8173的流速探头由缆线连接。
表1 3个观测站位置、仪器设置及有效观测时段

Tab.1 Locations of three stations, instrumentation and their valid observation periods

站位 经纬度 仪器 采样频率
/Hz		 流速探头距
滩面距离/m		 潮周期
T1 T2 T3
S1 121°59'14.50″E,
30°53'41.32″N		 ADV9658 32 0.28 9月5日19:00—
9月6日03:50		 9月6日07:20—15:50 9月6日19:30—
9月7日04:20
S2 121°55'45.44″E,
30°51'36.40″N		 ADV8160 32 0.20 9月5日18:40—
9月6日04:50		 9月6日07:00—16:40 9月6日19:20—
9月7日05:10
S3 121°57'14.15″E,
30°59'08.59″N		 ADV8173 32 0.52 9月5日19:10—
9月6日04:10		 9月6日07:40—16:10 9月6日20:10—
9月7日05:00
3个站位的沉积物类型由观测期间进行的粒度实验获得。观测期间系统采集了134个沉积物样品,经预处理后利用Beckman Coulter LS230型激光粒度仪进行了粒度分析(详细结果将另文发表)。其中S2站位表层沉积物的平均粒径最大,沉积物以粉砂质砂和砂质粉砂为主;S3站位次之,沉积物主要是砂质粉砂;S1站位平均粒径最小,主要是黏土质粉砂。

2.2 研究方法

2.2.1 ADV原始数据预处理

首先对ADV原始压力数据和流速数据进行信号质量检查,剔除信噪比小于5 dB或相关系数小于70%的无效数据。为方便后续的计算,将ADV的数据重新划分成10 min的数组(共19 200个数据点),之后再利用GORING et al[24]提出的相空间阈值法对每个数组进行去毛刺处理(如图3所示)。为了消除潮汐的影响,对每个压力和流速数组进行去中心化和趋势化处理,得到零均值的时间序列[25-26]。
图3 ADV实测的原始流速数据(a)和剔除异常值后的流速数据(b)

Fig.3 Measured raw velocity data of ADV (a) and velocity data after removing abnormal values (b)

2.2.2 波浪特征参数、波浪谱参数的计算

对预处理后的压力时间序列进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation,FFT),得到对应的压力能谱Sp(f),再利用线性波理论将压力能谱转化为表面波谱Ss(f)[26]:
Ss(f)= c o s h ( k d ) c o s h [ k ( z + d ) ] 2Sp(f)
式中:k为波数(k=2π/L,L为波长); f为频率;z为传感器所在深度(向上为正);d为水深,由ADV压力数据计算得到。
根据波浪的弥散关系,波数与频率的关系为
ω2=gktanh(kd)
式中:ω为波浪圆频率,ω=2πf,截断频率设置为0.03~0.50 Hz[27⇓-29]。
计算表面波谱的 0至 4阶谱矩:
mn= ∫ 0 ∞  fnSs(f)df (n=0,1,2,3,4)
由此可得到有效波高Hs:
Hs=4 m 0
平均跨零周期Tz为
Tz= m 0 m 2
平均周期Tm为
Tm= m 0 m 1
谱宽度参数ε为
ε = 1 - m 2 2 m 0 m 4
谱尖度参数Qp为
Qp= 2 m 0 2 ∫ 0 ∞  fSn(f)df
峰值周期Tp为
Tp= 1 m a x [ S s ( f ) ]
波浪的轨道流速(简称波轨流速,ubr)会导致底部泥沙的再悬浮,因此也是一个重要的波浪参数。对预处理后的流速数据进行快速傅里叶变换获得水平流速密度能谱Suu和Svv,再根据WIBERG et al[30]提出的公式计算得到ubr:
ubr= 2 ∑ i = 0.03 0.5 ( S u u + S v v ) i Δ f i

3 结果

3.1 水文特征

3个站位在观测期间都经历了3个潮周期,涨、落潮平均历时和平均水深等信息如表2所示。分析表明,3个站位所在滩面涨、落潮不对称现象较为明显,落潮历时均大于涨潮历时,存在潮汐日不等现象。S2站位落潮历时最长,S1站位最短;S2站位平均水深最大,S3站位次之,S1站位最小。
表2 3个站位不同潮时重要潮汐动力参数统计值

Tab.2 Statistics of key tidal hydrodynamic parameters over varied tidal phases at the three stations

站位 潮时 平均水深/m 平均流速/(m·s-1) 平均流向/(°) 波传播方向/(°) 平均历时/h
S1 涨潮 2.69 0.44 260.09 285.24 3.61
落潮 2.63 0.49 57.04 302.21 5.11
全潮 2.65 0.47 158.57 295.08 8.72
S2 涨潮 2.93 0.20 247.56 260.11 4.22
落潮 2.50 0.18 79.89 280.34 5.39
全潮 2.71 0.17 163.73 270.23 9.61
S3 涨潮 2.97 0.38 309.77 318.10 4.00
落潮 2.48 0.25 128.85 203.24 4.78
全潮 2.70 0.31 203.24 275.78 8.78
观测期间,南汇潮滩3个站位的流速和流向如图4所示。S1站位流向呈顺时针偏转,从涨潮到落潮经历了WSW—N—NNE—SES的偏转,为旋转流特征,转流时刻出现在落潮前期。S2站位涨潮流初始流向为WSW,后经NE再偏转至ENE,具往复流特征,转流时刻出现在涨、落潮交替之际。S3站位涨潮流初始流向为NNW,后经SE再偏转至SSE,也具往复流特征,转流时刻出现在落潮前期,表明此处潮波为前进波和驻波的过渡类型。在涨潮初期,由于水深较浅,水层受到滩面较大的底摩擦作用,潮锋现象明显,流速较大。由对比可知,S1站位平均流速最大,S3站位次之,S2站位平均流速最小(表2)。
图4 3个站位的潮流流向和流速变化特征

Fig.4 Variations in tidal flow directions and velocities at the three stations

3.2 波浪的主要参数

3.2.1 波向

图5为16方位的波向玫瑰花图。统计结果表明: S1站位常浪向为ESE向,出现频率为50%,次常浪向为SE向,出现频率为27%;强浪向为E向(有效波高为0.5~0.6 m),出现频率为6%。S2站位常浪向为SE向,出现频率为42%;次常浪向为SSE向,出现频率为37%;强浪向为SE向(有效波高为0.4~0.5 m),出现频率为8%。S3站位常浪向为SE向,出现频率为41%;次常浪向为SSE向,出现频率为17%;强浪向为SE向(有效波高为0.4~0.5 m),出现频率为22%。总体来说,3个站位常浪向均为SE向,这与地形向东南面敞开密切相关。
图5 3个站位的波向玫瑰花图

Fig.5 Rose diagrams of wave directions at the three stations

3.2.2 有效波高

图6为观测期间有效波高的变化情况。有效波高的变化规律与水深变化较为相似,最大有效波高多出现在涨潮期间。S3站位在第一个潮周期的落潮期间还出现了有效波高的第二个峰值。进一步统计分析发现3个站位涨潮阶段平均有效波高均高于落潮阶段;S1站位处全潮阶段的平均有效波高最大,S3站位次之,而S2站位最小(表3)。
图6 3个站位观测期间有效波高和水深变化特征

Fig.6 Variations in significant wave heights and water depth during the observation period at the three stations

表3 3个站位不同潮时重要波浪参数统计值

Tab.3 Statistic of key wave parameters over different tidal phases at the three stations

站点 潮周期 潮时 有效波高/m 平均周期/s 平均跨零周期/s 波轨流速/(m·s-1)
S1 T1 全潮范围 0.08~0.52 3.08~5.73 2.80~4.90 0.10~0.26
涨潮平均 0.40 3.97 3.56 0.20
落潮平均 0.28 4.20 3.66 0.14
全潮平均 0.34 4.11 3.62 0.16
T2 全潮范围 0.06~0.56 3.04~4.90 2.90~4.46 0.08~0.22
涨潮平均 0.43 3.28 3.11 0.19
落潮平均 0.28 4.39 3.85 0.14
全潮平均 0.36 3.94 3.54 0.15
T3 全潮范围 0.04~0.51 3.37~5.60 3.13~4.90 0.06~0.24
涨潮平均 0.40 3.62 3.35 0.19
落潮平均 0.22 4.42 3.89 0.11
全潮平均 0.31 4.09 3.67 0.15
S2 T1 全潮范围 0.08~0.41 2.62~6.04 2.50~5.04 0.07~0.25
涨潮平均 0.31 3.30 3.05 0.15
落潮平均 0.14 4.54 3.95 0.10
全潮平均 0.23 3.92 3.50 0.13
T2 全潮范围 0.09~0.50 2.72~5.41 2.62~4.85 0.09~0.23
涨潮平均 0.33 3.25 3.08 0.15
落潮平均 0.18 4.59 4.16 0.12
全潮平均 0.26 3.92 3.62 0.15
T3 全潮范围 0.06~0.44 2.69~5.43 2.57~4.75 0.06~0.18
涨潮平均 0.31 3.24 3.07 0.14
落潮平均 0.15 4.16 3.70 0.09
全潮平均 0.23 3.92 3.39 0.12
S3 T1 全潮范围 0.09~0.47 2.61~4.09 2.46~3.41 0.06~0.13
涨潮平均 0.34 2.51 3.13 0.10
落潮平均 0.30 3.92 2.73 0.09
全潮平均 0.29 3.14 2.91 0.10
T2 全潮范围 0.06~0.50 2.50~3.54 2.43~3.31 0.04~0.13
涨潮平均 0.41 3.07 2.93 0.11
落潮平均 0.20 2.98 2.79 0.08
全潮平均 0.30 3.03 2.86 0.09
T3 全潮范围 0.05~0.48 2.53~4.04 2.47~3.52 0.03~0.13
涨潮平均 0.37 3.17 2.96 0.10
落潮平均 0.16 3.32 2.98 0.06
全潮范围 0.26 3.25 2.97 0.08

3.2.3 平均周期、平均跨零周期

图7为3个站位处波浪的平均周期、平均跨零周期在3个潮周期内的变化规律。对比分析发现,平均周期和平均跨零周期的变化趋势相同,前者量值稍大于后者。进一步统计分析表明(表3),除S3站位T1和T2潮周期外,其余潮周期内落潮阶段的平均周期和平均跨零周期均大于涨潮阶段。
图7 3个站位观测期间的波浪平均周期和平均跨零周期变化特征

Fig.7 Changes in mean wave periods and mean zero-crossing periods during the observation period at the three stations

3.2.4 波轨流速

波轨流速会对底床产生剪切应力进而引起沉积物起动、再悬浮,是一个很重要的波浪参数。图8为3个站位在观测期间波轨流速和潮流流向的变化情况,分析发现3个站位的波轨流速在整个潮周期内的变化规律存在异同。相同之处为3个站位波轨流速的最大值都出现在涨潮初期。而不同之处在于:1)S1站位处潮流为旋转流,存在3次较明显的转流时刻(图中用红框标记),第一次转流时刻波轨流速达到谷值,而后增加,至第二次转流时刻达到峰值,随后又减小,直至第三次转流时刻达到第二次谷值;2)S2站位虽然在转流时期存在部分数据缺失,但是通过已有数据也能看到大体的变化趋势,即在转流时期波轨流速逐渐减小直至谷值,而在转流结束后波轨流速又增加至第二次峰值;3)S3站位在T1潮周期内波轨流速在转流时刻达到了谷值,在T2和T3潮周期内波轨流速则是在转流结束后达到了谷值,随后又逐渐增加,在落潮的末期达到第二次峰值。
图8 3个站位观测期间波轨流速的变化特征

Fig.8 Changes in wave orbital velocities during the observation period at the three stations

由表3可知, S1站位全潮阶段平均波轨流速最大,S2站位次之,S3站位最小。

3.3 波浪的波谱特征

潮滩的地貌演变与波能的耗散密切相关,而波能与波高的平方呈正相关关系,因此在下文中将探讨波高最大时刻的波浪频谱特征。潮水位的变化会对波浪频谱产生影响,本文将以落潮为例,探讨在潮水位减小的过程中波浪频谱的变化特征。在涨潮时期,可能由于波流相互作用更加强烈,使得波浪频谱特征比较复杂,对此问题的深入分析将另文讨论。

3.3.1 波高最大时刻的波浪频谱特征

采用频时域归一化的能量密度谱来研究3个站点波高最大时的波能分布,并计算波浪频谱参数,进行波浪频谱分析。其中S1站位波高最大时刻为9月5日22:25、9月6日10:47和23:00,S2站位波高最大时刻为9月5日22:56、9月6日11:00和23:10,S3站位波高最大时刻为9月5日23:02、9月6日11:30和9月7日00:05。值得注意的是,S3站位第一个潮周期内波高最大时刻出现在落潮的中期。
如图9所示,3个站位的波浪频谱大多为双峰谱。在S1站位,3个潮周期内峰频均位于低频一侧,分别为0.12、0.16和0.15 Hz;在S2、S3站位,T1、T2内峰频位于高频侧,峰频分别为0.36、0.29、0.37和0.32 Hz,而T3内峰频位于低频侧,约为0.16 Hz。
图9 3个站位波高最大时刻的频谱图

Fig.9 Wave spectrograms at the moment of maximum wave height at the three stations

波高最大时刻波谱参数的统计分析(表4)表明,S1站位的谱尖度参数最小,谱宽度参数最大,波能分布比较分散;S2站位的谱尖度参数最大,谱宽度参数最小,波能分布比较集中。最大谱密度以S1站位为最大,S3站位次之,S2站位最小。
表4 3个站位波高最大时刻的波谱参数

Tab.4 Spectral parameters at the moment of maximum wave height at the three stations

站位 潮周期 峰值周期/s 最大谱密度/(m2·s) 谱尖度参数 谱宽度参数
S1 T1 8.70 0.220 1.83 0.81
T2 6.25 0.072 1.36 0.66
T3 6.67 0.098 1.46 0.68
S2 T1 2.01 0.017 4.82 0.43
T2 2.01 0.069 2.18 0.47
T3 6.74 0.032 3.96 0.48
S3 T1 2.68 0.144 4.81 0.46
T2 3.08 0.101 2.45 0.43
T3 6.06 0.086 1.70 0.58

3.3.2 落潮过程中的波谱变化

图10为3个站位落潮过程中逐时的波谱变化情况。整个观测期间,波能受控于周期性的潮汐水位,即随着水深的减小,波能处于衰减的状态,而且3个站位波浪频谱均为双峰谱,谱型均较宽。在S1站位,3个潮周期内峰频能量均位于低频侧,随着水深的减小,能量逐渐衰减,需要特别注意的是,在T1内,低频波能衰减,但高频波能相对增加。在S2站位,T1内的峰频能量出现了由低频侧向高频侧转移,T2、T3内的峰频始终位于低频一侧,但在高频处存在仅次于主峰能量的次峰值。在S3站位,T1内的低频波能不断减小,而高频波能迅速增加,峰频由低频侧向高频测转移,这主要与落潮后期波高的突然增加有关;T2内的峰频始终位于高频侧,且在落潮过程中向更高频转移;T3内的低频波能急剧减小,峰频能量由低频向高频转移。
图10 3个站位落潮过程中的频谱图

Fig.10 Wave spectrograms during ebb tides at the three stations

图11为落潮过程中波谱参数的变化规律,分析发现:3个站位的最大谱密度均呈减小的趋势。在落潮过程中,除S3站位T1外,其余潮周期内谱宽度参数均呈增大的趋势。在S1站位,峰值周期均呈增大趋势;在S2站位,T1内峰值周期先增大后减小,在T2和T3内持续增大;在S3站位,峰值周期均呈减小趋势。表明除S3站位T1外的其他潮周期在落潮过程中,随着水深的减小,波浪易发生破碎,使能量分布更加分散。波谱参数的变化规律可能与波浪非线性作用加强有关。
图11 3个站位落潮过程中波谱参数的变化规律

Fig.11 Variations of wave spectral parameters during ebb tides at the three stations

4 讨论

4.1 南汇潮滩局地波浪构成的影响因素

在本研究的野外观测期间风向与波向不一致:风向为偏北风,波向多为东南向。为了查明不一致的原因,本文利用PORTILLA et al[31]提出的PM谱法进行了风浪和涌浪的分离。
PM谱法,即通过波浪谱的峰值能量与同一峰值频率下PM谱的能量比值判断浪的性质:比值大于1时为风浪,反之则为涌浪。谱峰频率下PM谱的能量密度S(fp)计算公式为
S(fp)=αg2(2π)-4f   p - 5 e - 5 4
式中: fp为谱峰频率;α为峰形系数, 对于PM谱,α =0.008 1;g为重力加速度。
表5为3个站位在3个潮周期内的谱峰频率及其对应的谱峰值能量和PM谱峰值能量。分析发现,S2站位三个潮周期以及S1站位前两个潮周期均以涌浪为主,其他站位为涌浪和风浪的混合浪,混合浪所对应的频谱图中,低频部分为涌浪,高频部分为风浪。S1、S3站位T3内均是以低频能量为主,大部分为涌浪成分。S3站位T1、T2内以高频波浪为主,风浪的占比较大,这也解释了S3站位波向的变化范围大于其他两个站位。
表5 谱峰值能量法分析的3个站位波浪类型

Tab.5 Employing wave energy spectrum statistics to discriminate wave types at the three stations

站位 潮周期 谱峰频率/Hz 谱峰值能量/(m2·s) PM谱峰值能量/(m2·s) 比值 波浪成分
S1 T1 0.12/0.22① 0.220/0.015 7.125/0.162 <1/<1 涌浪
T2 0.16/0.31 0.072/0.025 1.367/0.049 <1/<1 涌浪
T3 0.15/0.34 0.098/0.022 1.887/0.003 <1/>1 涌浪/风浪
S2 T1 0.27/0.35 0.011/0.017 0.103/0.026 <1/<1 涌浪
T2 0.14/0.28 0.015/0.069 2.369/0.081 <1/<1 涌浪
T3 0.16/0.31 0.032/0.023 1.300/0.049 <1/<1 涌浪
S3 T1 0.11/0.38 0.004/0.144 10.379/0.020 <1/>1 涌浪/风浪
T2 0.16/0.33 0.024/0.091 1.518/0.038 <1/>1 涌浪/风浪
T3 0.16/0.39 0.086/0.045 1.172/0.016 <1/>1 涌浪/风浪

①“/”两侧分别为低频侧和高频侧数据。

研究区域内盛行偏北风,对于南汇南滩S2站位来说是离岸风,基本没有风浪产生的可能,但此处海域开阔易受到远处传来的低频涌浪影响,观测期间的涌浪波向为东南向。东南向涌浪也可进入NW—SE向延伸的南槽影响南汇东滩,同时因南槽江面有一定宽度,对于S1和S3站位来说,北向风是有一定的风区存在的,因此会形成局地风浪作用。S3站位因处于河口内侧,涌浪显著消减,局地风浪的影响占比增加。

4.2 涨、落潮过程中波浪参数的差异

通过对波浪参数(表3)的分析可知,3个站位涨潮期间的有效波高和波轨流速均大于落潮期间。除S3站位T2外,其余潮周期内涨潮期间平均周期均小于落潮期间。除S3站位T1和T2外,其余潮周期内涨潮期间平均跨零周期均小于落潮期间。由有效波高和波轨流速的变化规律图(图6、图8)可知,在一个潮周期内潮汐对波浪参数的调制作用特别明显,在水位最高时,有效波高和波轨流速也达到较大值。由于研究区涨潮历时通常比落潮历时短,导致涨潮期间平均水深略大于落潮期间的平均水深,这是导致涨潮期间平均有效波高和波轨流速比落潮期间大的主要因素。另外,涨潮流方向与波向较为一致(见表2),为顺流状态,而落潮过程为逆流状态,这也是导致波浪衰减的原因之一。可见,潮水位和潮流流向是影响潮滩波浪参数的两个重要因素,对其关系进行量化还需要利用数值模拟、物理模型等方法做更深入的探讨。

4.3 潮滩有效波高的影响因素

潮滩属于浅水环境(水深小于3 m),波浪在潮滩上向岸传播时,随着水深的减小,底部摩擦耗能增加,导致波高逐渐减小。为了深入了解水深与有效波高的关系,需要对水深与有效波高进行定量化分析。
观测期间水深与有效波高的相关性是不断变化的,且涨潮和落潮期间两者的相关性也不同(图12)。就站位而言,S1站位涨、落潮时有效波高与水深的拟合最好, S3站位两者的拟合最差,这可能与两站位的岸滩坡度的差异较大有关,坡度较大时两者的拟合效果较好[18]。就涨、落潮而言,S2和S3站位涨潮期间水深与有效波高的拟合较落潮期间好,而S1站位落潮期间拟合较好,3个站位整个潮周期内有效波高与水深的拟合均较差。
图12 3个站位有效波高与水深的拟合关系

Fig.12 Fitting relationships between significant wave heights and water depths at the three stations

由此可见,波浪的有效波高不仅受到潮汐水位的制约,还受到风况、潮流的流速及流向、潮滩地形等其他因素的影响。已有研究[16]表明,向岸风、较大的岸滩坡度、水深较大等有利因素更有利于波浪的生长。

4.4 波轨流速的影响因素

通过对波轨流速的变化趋势进行分析(图8)可知,在涨潮初期出现较大值主要与波浪的浅水效应有关,因水极浅导致波浪与滩面的摩擦阻力较大。此外,在转流时期,波轨流速往往会达到谷值而后增加,在转流过后达到第二次峰值。波轨流速峰值的出现与潮汐水位达到最大有关,同时也可能与转流相关,但是这一结论需要更多证据,也是本研究下一步需要深化的方向。
通过对波轨流速(ubr)和潮流流速(u)的比值变化研究(图13)发现,只有在转向时刻的前后,波轨流速大于潮流流速,在其余时间内,潮流流速均大于波轨流速。这是因为在涨潮期间潮流流速逐渐减小,在转流时期,潮流流速几乎为0,而落潮期间潮流流速又会增加。而波轨流速在全潮范围来看小于潮流流速,且变化幅度不大。由于波轨流速在潮流转向时处于主导地位(大于潮流流速),而波轨流速是引起沉积物再悬浮的重要因素,因此应该着重研究潮流转向前后波浪对沉积物再悬浮的影响。
图13 3个站位波轨流速与潮流流速比值的变化特征

Fig.13 Variations in the ratio of wave orbit velocity and tidal flow velocity at the three stations

4.5 波浪谱变化的影响因素

波高减小过程中潮水位的变化对波浪谱的影响最大。这是因为随着水位的减小,波浪发生破碎,能量不断衰减,且能量的耗散形式从宽频域向窄频域转换,谱宽度逐渐增大,这与李志强 等[32]在粤东后江湾近岸观测到的波浪在向岸传播过程中的变化趋势相似。除此之外,地形也对波浪谱的变化产生了较大的影响。在S1和S3站位潮滩的坡度较小(图1b),波浪频谱以双峰谱为主。在S2站位潮滩坡度较大,波浪成分主要为涌浪,因此波浪谱的形状比较复杂,且出现了多峰震荡的现象(图9b)。
在S2站位T1内和S3站位T1和T3内均出现了峰频由低频向高频转移的现象,究其原因,可能受到水深和地形的综合影响。有研究表明[33-34]浅水区存在着非共振三组成波耦合作用,波浪谱的低频与谱的峰频或高频谱峰之间存在着倍频、多倍频和差频关系,因此峰频能量有可能存在转移的过程,而且潮汐水位调制与岸滩地形的相互作用使得三组成波间的非线性相互作用更加复杂;任剑波 等[35]也提出低频波更易受到底摩擦作用而趋于饱和,谱平衡域由低频域向高频域扩展。
由图9可知,S2站位的峰频能量最低,S1站位的最高。底床摩阻损失、渗透损失等是导致近岸浅水区波能耗散的主要原因,而潮滩坡度和表层沉积物粒度是影响底摩阻耗能、渗透耗能的重要因素[34]。S2站位所在潮滩坡度最大,波浪与潮滩底部的摩擦较大,摩擦耗能也最大;其表层沉积物平均粒径最大,渗透性也较高,因此渗透耗能也较大。S1站位所在潮滩滩面坡度较小,波浪向岸传播的过程中与潮滩底部的摩擦较小,摩擦耗能最小;其表层沉积物平均粒径最小,渗透性较低,因此渗透耗能较小。

5 结论

本文通过对南汇潮滩3个站位布放的ADV获得的流速及水压数据进行反演,获得了水深、波浪特征参数和波浪谱参数,研究了其在观测期间的变化规律,并进行了统计分析、波谱分析、拟合分析,根据PM谱法进行了风浪、涌浪的分离,并对各波浪特征参数的影响因素进行了分析,得到以下主要结论。
1) 3个站位所在滩面涨、落潮不对称现象明显,落潮历时均大于涨潮历时。S1站位所在滩面平均水深最小,潮流为旋转流特征;S2站位所在滩面平均水深最大,潮流为往复流特征;S3站位所在滩面平均水深介于上述两个站位之间,潮流为往复流特征。
2) 在观测期间,3个站位常浪向均位于SE向,这与地形向东南面敞开密切相关。3个站位涨潮阶段平均有效波高均大于落潮阶段,S1站点处全潮阶段波浪的平均有效波高最大,S3站点次之,S2站点最小。3个站位波浪的平均周期和平均跨零周期的变化趋势相同,平均周期稍大于平均跨零周期。3个站位的波轨流速均在涨潮初期达到最大值,在转流过程中或结束后存在谷值或峰值,但谷值和峰值出现的时间有所差异。
3) S1站位有效波高与水深的拟合最好,S3站位最差,且各站位在涨、落潮期间的拟合效果也不同。说明波浪的有效波高不仅受到潮汐水位的制约,还受到风况、潮流的流速及流向、潮滩地形等其他因素的影响。波轨流速的大小受到浅水效应和转流的影响,且只在转流时期波轨流速是大于潮流流速的。
4) 波高最大时刻的波浪频谱多为双峰谱。利用PM谱法进行波浪分离:S2站位为涌浪;S1站位是以涌浪为主的混合浪;S3站位是以风浪为主的混合浪。这是因为在偏北风影响下,S2站位的风浪影响可忽略不计,以来自开阔外海的涌浪为主;S1和S3站位位于长江口南槽内,江面有一定宽度促成风浪增长,形成涌浪和风浪的混合浪。由此可见,东南向涌浪不仅可以影响开阔的南汇南滩,而且可进入NW—SE向延伸的南槽影响南汇东滩。
5) 在落潮过程中,随着潮水位的降低,能量不断衰减,且能量的耗散形式从宽频域向窄频域转换,谱宽度逐渐增大,S1站位3个潮周期和S2站位T2和T3内峰频均位于低频一侧,S2站位T1、S3站位T1和T3内峰频由低频向高频侧转移,S3站位T2内峰频始终位于高频一侧。S2站位因潮滩坡度和沉积物粒径最大,底摩阻和渗透耗能也最大,因此峰值能量最小;S1站位潮滩坡度较小,沉积物粒径最小,所以底摩阻和渗透耗能最小,峰值能量最大。

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