歐素英

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華南不同類(lèi)型熱帶風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)下珠江口表層懸沙分布趨勢(shì)

歐素英1, 2

1. 中山大學(xué)海洋工程與技術(shù)學(xué)院河口海岸研究所, 廣東 廣州 510275; 2. 河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510275

本文利用1949—2014年的華南熱帶風(fēng)暴數(shù)據(jù)和1960—2014年珠江入海流量等, 統(tǒng)計(jì)分析風(fēng)暴作用期間珠江口的風(fēng)強(qiáng)迫和珠江入海水沙強(qiáng)迫特征, 結(jié)果表明, 熱帶風(fēng)暴對(duì)珠江口的風(fēng)強(qiáng)迫和水沙強(qiáng)迫因臺(tái)風(fēng)距珠江口的距離、強(qiáng)度等因素的影響有顯著差異。依據(jù)水沙及風(fēng)強(qiáng)迫的強(qiáng)度, 將熱帶風(fēng)暴對(duì)珠江口的影響簡(jiǎn)單分成四類(lèi): 中風(fēng)中水沙驅(qū)動(dòng)型、中風(fēng)高水沙驅(qū)動(dòng)型、強(qiáng)風(fēng)中水沙驅(qū)動(dòng)型及強(qiáng)風(fēng)高水沙驅(qū)動(dòng)型。利用MODIS (moderate-resolution imaging spectroradiometer)一級(jí)數(shù)據(jù)和已建立的珠江口表層懸沙指數(shù)反演模型, 挑選2002—2010年風(fēng)暴影響期間無(wú)云天氣的MODIS影像, 反演珠江口懸沙分布, 分析表層懸沙對(duì)四種不同來(lái)水來(lái)沙及風(fēng)強(qiáng)迫型風(fēng)暴的響應(yīng)特征。結(jié)果顯示, 中風(fēng)中水沙型風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)下, 珠江口整體含沙量偏低, 其懸沙擴(kuò)散及時(shí)間變化受控于潮流的強(qiáng)弱; 中風(fēng)高水沙型風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)下, 八大口門(mén)特別是磨刀門(mén)淺灘、伶仃洋西灘的含沙量高于其他海域, 其高含沙水體向南偏西方向擴(kuò)散輸運(yùn); 強(qiáng)風(fēng)中水沙風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)下, 河口表層懸沙分布及擴(kuò)散受主導(dǎo)風(fēng)向的影響, 在強(qiáng)東北風(fēng)驅(qū)動(dòng)下, 伶仃洋西側(cè)淺灘含沙量因臺(tái)風(fēng)浪的掀沙作用高于灣內(nèi)大部分海域, 高含沙水體向西南側(cè)擴(kuò)散; 強(qiáng)風(fēng)高水沙風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)下珠江河口灣含沙量偏高, 水體一片渾濁, 河口懸沙隨偏南風(fēng)驅(qū)動(dòng)下的沿岸流向東側(cè)輸運(yùn)、擴(kuò)散。

懸沙分布; 熱帶風(fēng)暴; 徑流; 風(fēng)強(qiáng)迫; MODIS; 珠江口

熱帶風(fēng)暴(或臺(tái)風(fēng))作為一種極端事件, 其持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng), 但臺(tái)風(fēng)伴隨的強(qiáng)風(fēng)、暴雨對(duì)河口動(dòng)力、沉積和生態(tài)環(huán)境的影響極為巨大。比如臺(tái)風(fēng)對(duì)河口的風(fēng)力強(qiáng)迫、臺(tái)風(fēng)驅(qū)動(dòng)形成的風(fēng)生環(huán)流、臺(tái)風(fēng)對(duì)河口環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響或改變、強(qiáng)風(fēng)(浪)導(dǎo)致海底泥沙再懸浮而引起河口含沙量驟增, 以及高含沙水體輸運(yùn)擴(kuò)散方向的變化等等(Wren et al, 2005; Gong et al, 2007, 2009)。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水引起的巨量流域水沙在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)河流匯入河口及陸架, 而這種突變式的、臺(tái)風(fēng)所引起的水沙強(qiáng)迫對(duì)河口及陸架的水體分層和混合、鹽度變化、環(huán)流和懸沙分布也都產(chǎn)生了巨大的影響。比如颶風(fēng)促使法國(guó)Apalachicola Bay泥沙大量懸浮, 颶風(fēng)期間, 海域懸沙含量平均增大2倍, 最大增大3倍以上(Chen et al, 2009)。Rhone河臺(tái)風(fēng)期間入海流量增大, 懸浮物質(zhì)的濃度也明顯增高, 羽的擴(kuò)展范圍也明顯增大(Naudin et al, 1997)。

然而, 整個(gè)河口環(huán)境對(duì)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴的響應(yīng)研究常因惡劣天氣下觀測(cè)資料的缺乏而無(wú)法深入。近30年來(lái), 長(zhǎng)序列、大范圍的海洋水色遙感數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于河口陸架區(qū)水體懸沙、營(yíng)養(yǎng)鹽、葉綠素的擴(kuò)散及分布研究。如采用AVHHR、seaWIFS等水色遙感數(shù)據(jù), 分析Columbia河、Amazon河的沖淡水羽或懸沙羽的時(shí)、空變化特征(Walker, 1996; Thomas et al, 2006; Lihan et al, 2008; Molleri et al, 2010); 采用分辨率高的MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)遙感數(shù)據(jù)反演計(jì)算, 研究風(fēng)暴、強(qiáng)降雨期間河口懸沙羽的空間分布及時(shí)間演變特征, 對(duì)懸沙羽的影響因素進(jìn)行分析探討, 認(rèn)為徑流量和風(fēng)應(yīng)力是影響懸沙羽分布演變的最主要因子(Lahet et al, 2010; Shi et al, 2010; Petus et al, 2014; Moreira et al, 2013)。

珠江河口是世界上最復(fù)雜的河口之一, 河網(wǎng)縱橫, 八口入海, 且由伶仃洋、黃茅海河口灣和磨刀門(mén)河口等復(fù)合而成, 如圖1所示。因其毗鄰南海北部, 是熱帶風(fēng)暴的高發(fā)區(qū), 西太平洋、南海形成的熱帶風(fēng)暴于每年的4—10月侵襲或影響珠江流域及河口地區(qū)(圖1)。由于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度及登陸位置的差異, 臺(tái)風(fēng)為珠江河口帶來(lái)不同強(qiáng)度的水沙輸入及風(fēng)力強(qiáng)迫(風(fēng)生流及風(fēng)浪等), 驅(qū)動(dòng)形成不同的懸沙分布形態(tài)。本文擬采用1949—2014年的華南熱帶風(fēng)暴和珠江入海流量等數(shù)據(jù), 從統(tǒng)計(jì)角度分析華南熱帶風(fēng)暴對(duì)珠江河口海域施加的風(fēng)力強(qiáng)迫及河流入海水沙強(qiáng)迫特征, 結(jié)合朱樊等(2015)已建立的珠江河口懸沙反演模型, 選擇2002—2012年風(fēng)暴前后、良好天氣狀況的MODIS圖像, 反演珠江河口表層含沙量, 初步探討不同熱帶風(fēng)暴影響下珠江口表層懸沙的響應(yīng)特征。

圖1 臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑及珠江口概化圖

1 數(shù)據(jù)及處理

1.1 臺(tái)風(fēng)統(tǒng)計(jì)

珠江河口地處南海北部, 受臺(tái)風(fēng)影響顯著。根據(jù)1949—2011年臺(tái)風(fēng)統(tǒng)計(jì)資料(Ying et al, 2014), 登陸華南海岸的臺(tái)風(fēng)主要來(lái)自西太平洋, 其次是菲律賓以西的南海。臺(tái)風(fēng)主要從三條路徑登陸廣東沿海, 且分別在粵西沿海、珠江口、粵東沿海三個(gè)主要岸段登陸(圖1)。自1949—2011年間, 平均每年約12個(gè)熱帶氣旋(包括臺(tái)風(fēng))影響珠江口; 20世紀(jì)50年代中期、70年代初期臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)多、強(qiáng)度(中心最大風(fēng)速)大; 1980年至2011年, 熱帶氣旋出現(xiàn)次數(shù)偏少, 平均每年有10個(gè)臺(tái)風(fēng)影響珠江口。近10年時(shí)間, 從東向西移動(dòng)并登陸華南海岸的臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)頻率最高, 約30次; 從南向北在海南、粵東、粵西登陸的熱帶風(fēng)暴約為12次; 10年間珠江口東側(cè)有7次熱帶風(fēng)暴于香港、汕尾之間登陸。

1.2 MODIS遙感數(shù)據(jù)及懸沙反演模型

本文采用逐日MODIS一級(jí)數(shù)據(jù), 包含250m分辨率的第一、二波段數(shù)據(jù)和500m分辨率的第3至第7波段數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)宇航局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的官方網(wǎng)站數(shù)據(jù)中心。利用遙感圖像處理軟件ENVI對(duì)MODIS一級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理, 把圖像的投影方式轉(zhuǎn)換成UTM-WGS84投影, 同時(shí)去除衛(wèi)星掃描成像時(shí)的蝴蝶結(jié)效應(yīng); 剪裁研究區(qū)域圖像, 本次研究剪裁范圍為 111°50′—115°10′E, 21°30′—23°00′N(xiāo)之間的廣大區(qū)域。采用ENVI自帶的FLAASH軟件進(jìn)行大氣矯正, 消除大氣影響帶來(lái)的誤差, 用ROItool和Masking掩蓋陸地及云層影響區(qū)域, 以獲取地物所有波段的真實(shí)反射率。

由于MODIS高分辨率遙感數(shù)據(jù)自2002年才開(kāi)始, 本文采用2002—2012年的臺(tái)風(fēng)和遙感數(shù)據(jù), 基于臺(tái)風(fēng)發(fā)生的時(shí)間, 挑選2002—2010年間臺(tái)風(fēng)爆發(fā)前后無(wú)云天氣下的MODIS影像進(jìn)行預(yù)處理和大氣校正, 得到MODIS影像的第一波段和第4波段的離水反射率。同時(shí), 采用朱樊等(2015)建立的表層懸沙濃度(suspended sediment concentration, SSC)與第一波段離水反射率()的指數(shù)回歸模型, SSC = 0.0091e21.039b, 來(lái)反演珠江口的懸沙空間分布。

1.3 強(qiáng)迫風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)

本文采用2002—2010年時(shí)間分辨率為6h、空間分辨率為0.5°×0.5°的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis, http://rda.ucar.edu/pub/cfsr.html)數(shù)據(jù); 摘選珠江河口范圍(113°—114°E, 21°30′—22°30′N(xiāo))共6個(gè)點(diǎn)(圖1)的風(fēng)速序列進(jìn)行處理和分析。珠江河口地處副熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 全年受季風(fēng)控制, 夏季盛行偏南風(fēng), 冬季盛行東北風(fēng), 夏、秋季還受熱帶氣旋、副熱帶高壓等天氣系統(tǒng)的影響。根據(jù)風(fēng)場(chǎng)資料統(tǒng)計(jì), 2002—2010年, 珠江口出現(xiàn)頻率最高的為東北風(fēng), 高達(dá)40%, 其次是東風(fēng)和西南風(fēng)。超過(guò)20m·s–1的最大風(fēng)速一般出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)期間。2002—2010年, 6h風(fēng)速大于10m·s–1的強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)頻率約為14%, 低于4m·s–1風(fēng)速出現(xiàn)頻率接近20%。

1.4 珠江入海水沙數(shù)據(jù)

珠江水系主要由西江、北江、東江水系組成, 基于西江馬口站、北江三水站、東江博羅站(圖1)1960—2010年的月平均流量數(shù)據(jù)和輸沙率的數(shù)據(jù)可知, 通過(guò)西江馬口站入海的流量和輸沙量最大, 約占三江總和的70%和71%, 其多年平均流量為6348m3·s?1, 輸沙率為721kg·s?1; 而通過(guò)三水站斷面入海的多年平均流量為1767m3·s?1, 輸沙率為187kg·s?1。珠江入海水沙具有典型的季節(jié)變化, 一般7月份流量最大, 1月份流量最小; 夏季通過(guò)馬口站、三水站、博羅站斷面進(jìn)行珠江河口區(qū)的懸沙量最高可達(dá)10000kg·s?1., 但冬季月平均輸沙率銳減到80kg·s?1。

但是, 臺(tái)風(fēng)是一種極端、偶然爆發(fā)的事件, 月平均流量及輸沙量并不能反映臺(tái)風(fēng)期間的來(lái)水來(lái)沙條件, 因此本文收集2002—2010年臺(tái)風(fēng)盛行前后的日平均流量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。圖2為2000年洪水期馬口站、三水站、博羅站的日平均流量與輸沙量的關(guān)系曲線, 從中可以看出, 沖積河流的輸沙量隨流量的增大而增大, 兩者有顯著的正相關(guān)關(guān)系, 相關(guān)指數(shù)(2)達(dá)到0.65~0.79, 可通過(guò)顯著水平為10–6的置信度檢驗(yàn)。因此, 本文所采用的日平均輸沙量由圖2中的統(tǒng)計(jì)關(guān)系進(jìn)行推算。

2 結(jié)果與分析

2.1 臺(tái)風(fēng)對(duì)珠江口的風(fēng)強(qiáng)迫及水沙強(qiáng)迫

臺(tái)風(fēng)到珠江口的距離以臺(tái)風(fēng)的位置到灣口點(diǎn)(113°42′E, 22°30′N(xiāo)) 來(lái)進(jìn)行計(jì)算?；?002—2010年珠江河口區(qū)6個(gè)位置(圖1)、時(shí)間間隔為6h的風(fēng)速序列統(tǒng)計(jì), 發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)對(duì)珠江口的風(fēng)強(qiáng)迫與臺(tái)風(fēng)到珠江口的距離關(guān)系明顯, 不同位置的臺(tái)風(fēng)對(duì)珠江口施加的風(fēng)強(qiáng)迫不同。臺(tái)風(fēng)距珠江口的300~400km范圍內(nèi)(包括粵東、粵西)活動(dòng), 珠江口風(fēng)速大于10.8m·s–1的出現(xiàn)頻率為25%~35%; 臺(tái)風(fēng)距珠江口的100km范圍內(nèi)活動(dòng)時(shí), 珠江口強(qiáng)風(fēng)(風(fēng)速大于10.8m·s–1)出現(xiàn)頻率為33%~38%; 而熱帶風(fēng)暴在粵東距珠江口200km以?xún)?nèi)活動(dòng)時(shí), 強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)頻率達(dá)到40%。熱帶風(fēng)暴在距離珠江口600~800km活動(dòng)時(shí), 珠江口出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)的概率低, 約為3%~4%。臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)粵西時(shí), 珠江口的常風(fēng)向和強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镋—SE(圖3a); 于珠江口(200km范圍)活動(dòng)時(shí), 常風(fēng)向和強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镾向(圖3b)。但于粵東距離珠江口0~200km的范圍內(nèi)活動(dòng)時(shí), 珠江口的常風(fēng)向和強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镾W—W、NE向, 如圖3c所示; 臺(tái)風(fēng)于珠江口東側(cè), 距珠江口200~400km范圍內(nèi)活動(dòng)時(shí), 珠江口主要由E—NE向風(fēng)控制, 如圖3d。

圖2 西江馬口站、北江三水站、東江博羅站的日平均輸沙量QS與日平均流量Q的相關(guān)關(guān)系

在華南海域登陸的熱帶風(fēng)暴爆發(fā)頻繁, 且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng), 可造成珠江流域大范圍降水, 導(dǎo)致珠江入海水沙暴增。如1967年8月8號(hào)至9月5號(hào)近一個(gè)月內(nèi), 有7次熱帶低壓、臺(tái)風(fēng)和熱帶風(fēng)暴影響珠江口或珠江流域, 高要站入海洪水量超過(guò)20000m3·s?1, 持續(xù)時(shí)間近1個(gè)月。但并不是華南所有臺(tái)風(fēng)都能導(dǎo)致珠江來(lái)水來(lái)沙暴增, 部分臺(tái)風(fēng)盛行期間, 因?yàn)榕_(tái)風(fēng)路徑偏離珠江流域等原因, 流域降水量很小; 以馬口站、三水站及博羅站臺(tái)風(fēng)期間(包括臺(tái)風(fēng)前后3天)的日平均流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 計(jì)算每次臺(tái)風(fēng)所引起的各站最大日平均流量, 統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn), 華南約32%的臺(tái)風(fēng)對(duì)西江流域降水及入海徑流量影響極少, 臺(tái)風(fēng)期間西江馬口站的最大日平均流量甚至低于多年平均流量, 高達(dá)48%的臺(tái)風(fēng)無(wú)法引起北江流域及東江流域的洪水, 三水站和博羅站最大日平均流量都小于其多年平均流量。1965至2011年, 可引起珠江流域爆發(fā)不同程度洪水的臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)頻率相對(duì)較低, 比如引起西江、北江和東江流域入海流量超過(guò)23055、4457和2763m3·s?1的臺(tái)風(fēng)都僅為10%左右。經(jīng)過(guò)華南海域并在其他地方登陸的臺(tái)風(fēng), 引起珠江流域爆發(fā)洪水的概率更低, 臺(tái)風(fēng)在遠(yuǎn)離珠江口600~700km以外的區(qū)域活動(dòng)時(shí), 珠江流量超過(guò)十年一遇流量的出現(xiàn)概率低于2%。

以MODIS 衛(wèi)星開(kāi)始運(yùn)行的2002年為起點(diǎn), 統(tǒng)計(jì)2002—2011年熱帶風(fēng)暴期間, 珠江口海域的最大風(fēng)強(qiáng)迫及水沙強(qiáng)迫(以馬口、三水、博羅站入海流量和代表珠江來(lái)水來(lái)沙條件), 結(jié)果如圖4所示, 從中可發(fā)現(xiàn)近10年內(nèi)不同強(qiáng)度、不同地點(diǎn)登陸的臺(tái)風(fēng)對(duì)珠江口施加的風(fēng)強(qiáng)迫及入海流量差異極大, 最大風(fēng)速在6~23m·s–1之間、珠江入海最大流量在3000~58000m3·s?1之間變化。而在不同的水沙強(qiáng)迫及風(fēng)強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)下珠江口懸沙的搬運(yùn)、沉降及再懸浮過(guò)程有所差異, 導(dǎo)致懸沙的空間分布形態(tài)的不同; 但在一定范圍的水沙強(qiáng)迫及相同類(lèi)型的風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下, 表層懸沙擴(kuò)散趨勢(shì)具有一定的相似性。從熱帶風(fēng)暴施加于珠江口的風(fēng)強(qiáng)迫及水沙強(qiáng)迫出發(fā), 以珠江三年一遇入海流量(18000m3·s?1)及6級(jí)強(qiáng)風(fēng)(10.8m·s–1)為分界線, 簡(jiǎn)單將影響珠江口的華南熱帶風(fēng)暴分成4類(lèi)以代表不同強(qiáng)弱的風(fēng)強(qiáng)迫和珠江入海水沙強(qiáng)迫。從圖4中可知, Ⅰ類(lèi)風(fēng)暴對(duì)珠江口的水沙強(qiáng)迫和風(fēng)強(qiáng)迫都稍大于其年平均強(qiáng)迫, 有時(shí)甚至小于年平均值, 可定義為中風(fēng)中水沙強(qiáng)迫型風(fēng)暴; Ⅱ類(lèi)風(fēng)暴, 對(duì)珠江口的風(fēng)強(qiáng)迫稍大于夏季平均值(5.8m·s–1), 但帶入珠江口的水沙量高, 基于臺(tái)風(fēng)對(duì)珠江河口水沙和風(fēng)強(qiáng)迫的相對(duì)強(qiáng)弱, 可定義為中風(fēng)高水沙型風(fēng)暴; Ⅲ類(lèi)風(fēng)暴對(duì)河口的風(fēng)強(qiáng)迫大于水沙強(qiáng)迫, 此時(shí), 風(fēng)對(duì)河口的影響將明顯突出, 為強(qiáng)風(fēng)中水沙型風(fēng)暴。對(duì)于珠江河口而言, Ⅳ類(lèi)風(fēng)暴既有強(qiáng)勁的風(fēng)力強(qiáng)迫, 也帶來(lái)極巨大的流域水沙, 對(duì)珠江河口環(huán)境的影響最為巨大, 稱(chēng)為強(qiáng)風(fēng)高水沙型風(fēng)暴。

圖3 2002—2010年臺(tái)風(fēng)位于粵西并距珠江口200~400km(a)及0~200km(b)時(shí)及粵東登陸臺(tái)風(fēng)距河口0~200km(c) 及200~400km(d)時(shí)的珠江口風(fēng)玫瑰圖

圖4 2002—2011年間臺(tái)風(fēng)期間珠江口的入海流量及風(fēng)強(qiáng)迫條件

2.2 珠江河口懸沙分布對(duì)不同驅(qū)動(dòng)類(lèi)型風(fēng)暴的響應(yīng)

河口的懸沙擴(kuò)散及分布受上游來(lái)水來(lái)沙條件、河口灣潮汐潮流、風(fēng)及波浪動(dòng)力的影響并表現(xiàn)出不同的分布特征。熱帶風(fēng)暴主要通過(guò)改變流域的來(lái)水來(lái)沙量及河口的風(fēng)強(qiáng)迫條件來(lái)影響河口懸沙的搬運(yùn)、沉降及再懸浮過(guò)程, 進(jìn)而影響河口的懸沙分布特征。由于大部分熱帶風(fēng)暴期間珠江口天氣狀況較為惡劣, 陰雨天為主, 云層厚, MODIS數(shù)據(jù)不適用。本文僅挑選出少量的熱帶風(fēng)暴初始期或中后期的MODIS影像來(lái)進(jìn)行空間分布趨勢(shì)分析。表1為4種不同水沙和風(fēng)強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)下的珠江河口MODIS影像, 其中影像對(duì)應(yīng)的河口潮汐條件來(lái)自于T_tide (Pawlowicz et al, 2002)的調(diào)和預(yù)報(bào)。利用朱樊等(2015)建立的指數(shù)回歸模型, 進(jìn)行珠江河口懸沙的反演, 得到4種水沙和風(fēng)強(qiáng)迫下的懸沙空間分布, 下面將對(duì)4種風(fēng)及水沙強(qiáng)迫類(lèi)型下(4種風(fēng)暴水文組合)的懸沙擴(kuò)散分布進(jìn)行具體分析。

表1 熱帶風(fēng)暴前后的MODIS影像及環(huán)境條件

2.2.1 中風(fēng)中水沙強(qiáng)迫型(Ⅰ型)風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)下的珠江口懸沙分布

2005年7月28—31日, 天鷹(Washi)臺(tái)風(fēng)在海南登陸并向西北方向運(yùn)動(dòng), 偏離珠江流域, 其移動(dòng)路徑如圖1所示。2005年7月31日—8月3日, 珠江流域總?cè)牒Ａ髁吭?400~9200m3·s?1, 基于流量與含沙量的關(guān)系(圖2)估算, 珠江流域進(jìn)入珠江河口區(qū)的沙量約為610~850kg·s?1。臺(tái)風(fēng)期間及后期, 珠江流域?qū)涌趨^(qū)的來(lái)水來(lái)沙強(qiáng)迫僅接近于年平均值; 同時(shí), 臺(tái)風(fēng)期間, 作用于珠江口的最大風(fēng)速不超過(guò)9.3m·s?1(表1)。臺(tái)風(fēng)過(guò)后, MODIS影像的前三天(2005年8月1—3日)珠江口風(fēng)場(chǎng)統(tǒng)計(jì), 結(jié)果如圖5a所示, 珠江口的最大風(fēng)速不超過(guò)9m·s?1, 以4.0~6.0m·s?1的風(fēng)速出現(xiàn)頻率最高, 主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾W向。對(duì)于河口灣上部淺灘, SW向風(fēng)的風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度較長(zhǎng), 所引起的風(fēng)浪相對(duì)較大, 對(duì)河口灣上部淺灘的泥沙再懸浮影響相對(duì)明顯。但此類(lèi)從海南登陸的臺(tái)風(fēng), 登陸后向西偏離珠江流域移動(dòng), 流域受臺(tái)風(fēng)的影響弱, 降水小, 珠江入海水沙低。同時(shí), 由于臺(tái)風(fēng)中心距離珠江口超過(guò)500km, 臺(tái)風(fēng)期間珠江口的風(fēng)速都未有顯著增加, 臺(tái)風(fēng)對(duì)珠江口的風(fēng)強(qiáng)迫較弱。在SW風(fēng)和相對(duì)低水沙強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)下, 落潮期間珠江河口水體上層含沙量空間擴(kuò)散及分布如圖5b所示。珠江河口大部分水域的含沙量低, 僅八大口門(mén)附近及河口灣上部淺灘含沙量相對(duì)較高, 約在0.05~0.12kg·m?3, 特別是承接蕉門(mén)、洪奇門(mén)、橫門(mén)水沙的西灘含沙量最高, 西槽、東槽及河口灣外含沙量都低于0.05kg·m?3?？陂T(mén)外含沙量較高的水體隨落潮流向河口灣外方向(即向南或東南方向擴(kuò)散), 如圖5b。

圖5 天鷹臺(tái)風(fēng)后2005年8月1—3日的驅(qū)動(dòng)風(fēng)玫瑰圖(a)及3日中風(fēng)中水沙驅(qū)動(dòng)下的珠江口落潮懸沙分布(b) Q為珠江流量，下同

Fig. 5 The spatial distribution of surface SSC (b) in PRE under Typhoon Washi with dominated SW wind (a) at ebb tide on August 3, 2005, where the wind data and Pearl River dischargeof three days before the imaging (b) were used

2.2.2 中風(fēng)高水沙強(qiáng)迫型(Ⅱ型)風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)下的珠江口懸沙分布

2006年7月24日至8月11日, 華南海域持續(xù)經(jīng)歷了臺(tái)風(fēng)格美(Kaemi)、派比安(Prapiroon)、寶霞(Bopha), 如格美臺(tái)風(fēng)(移動(dòng)路徑見(jiàn)圖1), 登陸后熱帶風(fēng)暴從東向西貫穿整個(gè)珠江流域, 引起珠江流域特別是東江流域大規(guī)模降水, 博羅站入海流量超過(guò)3900m3·s?1(表1)。寶霞臺(tái)風(fēng)過(guò)后, MODIS影像前3日(8月12—14日)珠江口風(fēng)玫瑰圖如圖6a, 珠江河口僅持續(xù)受到風(fēng)速為4~7m·s?1的E—ENE風(fēng)的作用。但珠江流域的入海水沙大, 從8月11日入海流量的32000m3·s?1, 8月14日的入海流量為25000m3·s?1, 懸移質(zhì)輸沙量9000~ 13000kg·s?1。大量的來(lái)水來(lái)沙通過(guò)八大口門(mén)進(jìn)入河口灣, 導(dǎo)致八大口門(mén)附近的含沙量高, 表層含沙量超過(guò)0.15kg·m?3, 特別是虎門(mén)口, 因東江流域的暴雨攜帶大量的水沙注入虎門(mén)水道, 造成水體表層含沙量超過(guò)0.2kg·m?3, 且高含沙水體向南擴(kuò)散, 導(dǎo)致內(nèi)伶仃洋河口灣東側(cè)含沙量整體偏高, 如圖6b。在E—ENE風(fēng)的作用下, 珠江口西側(cè)淺灘的風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度相對(duì)較大, 風(fēng)浪對(duì)淺灘泥沙的再懸浮較明顯, 珠江河口西側(cè)淺灘如伶仃洋西側(cè)的含沙量較圖5b有明顯增加。MODIS影像期間, 珠江口正處于漲潮階段, 在漲潮流的作用下, 圖6b中灣外低含沙量的水體向?yàn)硟?nèi)侵入, 伶仃洋、黃茅海河口灣的高含沙水體在漲潮流的抑制作用下向?yàn)硟?nèi)收縮。在E—ENE風(fēng)及沖淡水的驅(qū)動(dòng)下, 磨刀門(mén)口外渾濁水體向西側(cè)擴(kuò)散、輸運(yùn)趨勢(shì)明顯(圖6b)。

圖6 寶霞臺(tái)風(fēng)后2006年8月14日中風(fēng)高水沙驅(qū)動(dòng)下珠江口表層漲潮懸沙分布a為12—14日的驅(qū)動(dòng)風(fēng)玫瑰圖, b為懸沙分布, 箭頭代表八大口門(mén)水沙輸運(yùn)方向及分水分沙強(qiáng)度的差異

2.2.3 強(qiáng)風(fēng)中水沙強(qiáng)迫型(Ⅲ型)風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)下的珠江口懸沙分布

2006年5月15日, 五級(jí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)珍珠(Chanchu)在珠江口東側(cè)、南海北部陸架上形成(圖1), 中心風(fēng)速高達(dá)50m·s?1以上。臺(tái)風(fēng)初期(5月13—14日), 珠江口海域盛行NE~ENE向風(fēng), 6小時(shí)平均的風(fēng)速最大超過(guò)10m·s?1, 且強(qiáng)風(fēng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(圖7a), 對(duì)珠江河口含沙量的影響見(jiàn)圖7b。由于臺(tái)風(fēng)運(yùn)行路徑最終偏離南海北部, 對(duì)珠江流域的影響較弱, 臺(tái)風(fēng)初期珠江流域尚未出現(xiàn)明顯降水, 統(tǒng)計(jì)MODIS影像前三日即5月13—15日的珠江入海流量, 約在8000~9000m3·s?1左右, 珠江入海懸移質(zhì)沙量約為610~850kg·s?1。因此Chanchu臺(tái)風(fēng)主要通過(guò)改變珠江河口的風(fēng)強(qiáng)迫條件及風(fēng)生波浪條件來(lái)影響河口的懸沙分布。臺(tái)風(fēng)作用下, 風(fēng)生波浪是河口松散的粉砂、粘土沉積物再懸浮的主要?jiǎng)恿χ?。珠江口外及河口灣?nèi)大、小島嶼眾多, 河口灣內(nèi)涌浪小, 純涌浪更少, 主要以風(fēng)浪為主(楊干然等, 1987)。河口灣內(nèi)不同位置風(fēng)浪的大小受控于風(fēng)向及該風(fēng)向在河口灣內(nèi)的風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度。對(duì)于珠江河口東側(cè), N、NE、E向離岸風(fēng)對(duì)應(yīng)的有效風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度最短, 所產(chǎn)生的風(fēng)浪最小, 但對(duì)于河口西側(cè), 偏N及偏E風(fēng)的風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度較大, 所產(chǎn)生的風(fēng)浪相對(duì)最強(qiáng)。因而N—ENE向強(qiáng)風(fēng)對(duì)伶仃洋河口灣西側(cè)的影響遠(yuǎn)強(qiáng)于東側(cè), 臺(tái)風(fēng)浪對(duì)西側(cè)淺灘泥沙的再懸浮能力強(qiáng), 導(dǎo)致伶仃洋整個(gè)西側(cè)水體含沙量明顯高于東側(cè)。由圖7b中可知, 伶仃洋、黃茅海西側(cè)淺灘含沙量高, 西槽、東槽及東灘含沙量低, 橫向差異明顯; 磨刀門(mén)口外含沙量整體偏高。在偏東北風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下, 珠江口外會(huì)形成一股向粵西方向運(yùn)動(dòng)的沿岸流, 河口沖淡水隨之向粵西方向擴(kuò)展, 羽狀流加強(qiáng)了粵西向沿岸流的強(qiáng)度(Ou et al, 2009)。在西南向流動(dòng)的作用下, 河口灣外懸沙向東側(cè)擴(kuò)散受到抑制, 懸沙隨沿岸流向西南側(cè)擴(kuò)散、輸運(yùn)(圖7)。

圖7 珍珠臺(tái)風(fēng)期間2006年5月12—14日的驅(qū)動(dòng)風(fēng)玫瑰圖(a)及14日強(qiáng)風(fēng)中水沙驅(qū)動(dòng)下的珠江口表層落潮懸沙含量分布(b)

2.2.4 強(qiáng)風(fēng)高水沙強(qiáng)迫型(Ⅳ型)風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)下的珠江口懸沙分布趨勢(shì)

2008年6月18~27日, 臺(tái)風(fēng)風(fēng)神(Fengshen)形成并逐漸正面登陸珠江口區(qū)域。受風(fēng)神環(huán)流影響, 粵東海面、珠江口外海面、珠江三角洲南部和粵東沿海8級(jí)陣風(fēng)和9級(jí)大風(fēng), 粵東、粵北和珠江三角洲有暴雨, 局部大暴雨, 其中珠江三角洲南部有暴雨到大暴雨。同時(shí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)神形成前, 珠江流域特別是西、北江流域發(fā)生特大的“08.6”洪水, 即2008年6 月7—17日, 受持續(xù)強(qiáng)降雨影響, 西江干流控制站高要水文站16 日8 時(shí)洪峰流量47200m3·s?1。北江干流石角水文站15日23時(shí)洪峰最大流量14600m3·s?1。珠江三角洲馬口水文站16 日9 時(shí)洪峰流量46800m3·s?1; 三水水文站16 日10 時(shí)洪峰流量15200m3·s?1。強(qiáng)風(fēng)伴隨持續(xù)洪水流量同時(shí)作用于珠江河口, 對(duì)珠江河口環(huán)境的影響最大, 極大地影響到珠江河口的來(lái)水來(lái)沙、泥沙懸浮及泥沙輸運(yùn)過(guò)程, 顯著影響珠江河口的懸沙分布特征。

統(tǒng)計(jì)6月18—20日的風(fēng)玫瑰圖(圖8a), 此時(shí), 臺(tái)風(fēng)風(fēng)神尚未進(jìn)入南海, 珠江口陣風(fēng)已超過(guò)6~8級(jí), 持續(xù)風(fēng)速超過(guò)6m·s?1, 最大風(fēng)速超過(guò)12m·s?1, 珠江河口盛行SSW—SSE風(fēng), MODIS影像當(dāng)日(6月20日)珠江口風(fēng)速7.5~10.8m·s?1; MODIS影像前三日(6月18—20日), 珠江流域入海流量高達(dá)42000~ 52000m3·s?1, 懸移質(zhì)輸沙量高達(dá)46700~56500kg·s?1; 在如此高水沙及強(qiáng)ESE—S風(fēng)(圖8a)驅(qū)動(dòng)下, 整個(gè)珠江河口含沙量高, 水體含沙量超過(guò)0.2kg·m?3(圖8b)。

與臺(tái)風(fēng)風(fēng)神相似, 2006年7月17—19日的臺(tái)風(fēng)碧利斯(Bilis)對(duì)珠江河口的影響也極為顯著。2006年7月, 臺(tái)風(fēng)碧利斯從臺(tái)灣、福建登陸后, 異常地由東向西橫穿整個(gè)珠江流域, 持續(xù)造成粵北、粵東的部分市縣日雨量超歷史記錄, 廣東出現(xiàn)了超百年一遇的暴雨降水過(guò)程。珠江入海水沙暴增, 7月19日14時(shí)馬口站出現(xiàn)洪峰流量37200m3·s?1, 三水站洪峰流量12700m3·s?1。MODIS影像(圖9b)前三天的風(fēng)玫瑰圖(圖9a)顯示, 珠江口持續(xù)受到強(qiáng)S—SSW向風(fēng)的驅(qū)動(dòng), 最大風(fēng)速超過(guò)12m·s?1。因此大量的上游來(lái)水來(lái)沙及強(qiáng)SSE—SSW風(fēng)對(duì)淺灘的掀沙作用, 使得珠江河口區(qū)域含沙量高, 河口含沙量普遍大于0.2kg·m?3, 整個(gè)珠江河口區(qū)域一片渾濁。強(qiáng)S—SW向風(fēng)的持續(xù)驅(qū)動(dòng)下, 珠江河口外易形成一股向東側(cè)運(yùn)動(dòng)的沿岸流, 巨量沖淡水隨之向東擴(kuò)展, 而沖淡水羽流進(jìn)一步加強(qiáng)了東向沿岸流動(dòng)(Ou et al, 2009), 因此河口高含沙水體在粵東向沿岸流及向東擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)的羽狀流的搬運(yùn)下向東、東南方向擴(kuò)散(圖8b、9b)。

圖8 風(fēng)神臺(tái)風(fēng)前期2008年6月18—20日驅(qū)動(dòng)風(fēng)玫瑰圖(a)及20日強(qiáng)風(fēng)高水沙驅(qū)動(dòng)下珠江口落潮懸沙分布(b)

圖9 碧利斯臺(tái)風(fēng)后2006年7月19—21日驅(qū)動(dòng)風(fēng)玫瑰圖(a)及21日強(qiáng)風(fēng)高水沙驅(qū)動(dòng)下落潮階段珠江口懸沙分布(b)

3 結(jié)論

夏季, 華南海域包括珠江河口區(qū)是強(qiáng)熱帶風(fēng)暴影響極為頻繁的海域, 熱帶氣旋帶來(lái)的惡劣天氣(大風(fēng)、強(qiáng)降水)使研究者對(duì)極端事件作用下整個(gè)珠江河口區(qū)懸沙的擴(kuò)散分布等缺乏明確的空間概念。本文結(jié)合臺(tái)風(fēng)對(duì)珠江口的入海水沙強(qiáng)迫和風(fēng)強(qiáng)迫的統(tǒng)計(jì), 摘選臺(tái)風(fēng)前后無(wú)云天氣下具有較高時(shí)間和空間分辨率的MODIS遙感數(shù)據(jù), 利用朱樊等(2015)建立的表層懸沙指數(shù)反演模型, 反演不同水沙強(qiáng)迫和風(fēng)強(qiáng)迫下的珠江口表層懸沙分布。結(jié)果表明, 熱帶風(fēng)暴對(duì)珠江口的風(fēng)強(qiáng)迫和水沙強(qiáng)迫因臺(tái)風(fēng)距珠江口的距離及強(qiáng)度等因素的影響有明顯差異, 可簡(jiǎn)單歸納為中風(fēng)中水沙驅(qū)動(dòng)型、中風(fēng)高水沙驅(qū)動(dòng)型、強(qiáng)風(fēng)中水沙驅(qū)動(dòng)型及強(qiáng)風(fēng)高水沙驅(qū)動(dòng)型。中風(fēng)中水沙型熱帶風(fēng)暴對(duì)珠江口的影響較小, 珠江口整體含沙量偏低, 近口門(mén)位置含沙量高于其他海域, 其懸沙擴(kuò)散及時(shí)間變化受控于潮流的強(qiáng)弱。中風(fēng)高水沙型熱帶風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)下, 八大口門(mén)特別是磨刀門(mén)淺灘、伶仃洋西灘的含沙量高于其他海域, 其高含沙水體向南偏西方向擴(kuò)散輸運(yùn)。強(qiáng)風(fēng)中水沙型熱帶風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)下, 河口的懸沙分布及擴(kuò)散受主導(dǎo)風(fēng)向的影響, 在強(qiáng)NE風(fēng)驅(qū)動(dòng)下, 伶仃洋西側(cè)淺灘含沙量因風(fēng)浪的掀沙作用高于灣內(nèi)大部分海域, 高含沙水體向西南側(cè)擴(kuò)散。強(qiáng)風(fēng)高水沙熱帶風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)下珠江口的響應(yīng)最為強(qiáng)烈, 珠江河口灣含沙量偏高, 水體一片渾濁, 河口懸沙可隨偏南風(fēng)驅(qū)動(dòng)下的沿岸流向東側(cè)輸運(yùn)、擴(kuò)散。

需要說(shuō)明的是, MODIS影像反映的僅是漲落潮階段某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的信息, 漲落潮流的時(shí)間變化同樣影響著河口懸沙的分布, 本文基于MODIS影像反演的、部分時(shí)段的懸沙分布并不能從河流水沙強(qiáng)迫和風(fēng)強(qiáng)迫中分離出潮流的影響, 同時(shí)利用MODIS影像也無(wú)法對(duì)影響河口懸沙含量的各種泥沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程如再懸浮、輸運(yùn)及沉降過(guò)程進(jìn)行深入研究。其次, 簡(jiǎn)單將強(qiáng)風(fēng)暴影響下水沙強(qiáng)迫和風(fēng)強(qiáng)迫分成4類(lèi)來(lái)分析并不能完全代表強(qiáng)熱帶風(fēng)暴對(duì)懸沙空間分布的影響, 懸沙擴(kuò)散的范圍也會(huì)隨水沙和風(fēng)強(qiáng)迫的強(qiáng)弱而變動(dòng)。因此, 后期需結(jié)合三維水沙數(shù)學(xué)模型, 進(jìn)一步從過(guò)程、機(jī)理等方面來(lái)研究珠江河口懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)對(duì)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴的響應(yīng)。

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Surface suspended sediment distribution of Pearl River estuary under tropical storms with different wind and river discharge forcing

OU Suying1, 2

1. Institute of Estuarine and Coastal Research, School of Marine Engineering and Technology, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China; 2. State-Province Joint Engineering Laboratory of Estuarine Hydraulic Technology, Guangzhou 510275, China

In this study, the data of tropical storms, CFSR gridded wind during 1949~2014, and Pearl River discharge were used to analyze wind forcing and runoff forcing on the Pearl River estuary (PRE) under tropical storm. The results show that the wind and runoff forcing varied with location and strength of the storm, and can be classified into four types: storm I with medium wind and runoff forcing on PRE, storm II with medium wind and high runoff forcing, storm III with strong wind and medium wind, and storm IV with strong wind and high runoff forcing. According to the selected moderate-resolution imaging spectroradiometer (MODIS) imaging with fine and no cloudy during tropical storms in South China, existing empirical formula between the water reflectance of MODIS band 1 and suspended sediment concentration (SSC) was used to retrieve the surface SSC in the PRE during storms, and the corresponding spatial diffusion of SSC was studied. We find that under four types of storms with different wind and runoff forcing, the responses of SSC in the PRE were different. The SSC was low under storm I, and suspended sediment diffusion was mostly controlled by tidal current. Under storm II, the higher SSC was shown in the Modaomen Estuary shoal and Lingdingyang west shoal than the other areas, which was mostly transported southwesterly. Under storm III, the distribution and diffusion of suspended sediment were influenced by the dominant storm wind, so that under strong NE wind, Lingdingyang west shoal sediment was resuspended by relatively larger waves for the largest wind fetch in the Lingdingyang estuary, higher SSC was presented and transported to the southwest under longshore current. The response of the PRE to storm IV was that the water body was muddy and the SSC was high in the whole PRE than under normal condition; and under southerly storm wind, the high SSC was diffused to the east

suspended sediment distribution; tropical storm; river discharge; wind forcing; MODIS; Pearl River estuary

P333.4; TV148

A

1009-5470(2019)03-0022-10

10.11978/2018092

2018-09-10;

2018-12-20。林強(qiáng)編輯

國(guó)家自然科學(xué)基金(41106015); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0402600)

歐素英(1974—), 女, 湖南省祁陽(yáng)縣人, 博士, 主要從事河口海岸水文、動(dòng)力、沉積過(guò)程研究。E-mail: ousuying@mail.sysu.edu.cn

2018-09-10;

2018-12-20. Editor: LIN Qiang

National Natural Science Foundation of China (41106015); National Key Research and Development Program of China (2016YFC0402600)

OU Suying, E-mail: ousuying@mail.sysu.edu.cn