丁文浩,秦伯強,吳挺峰,王 汗,3,許王辰,4

(1.中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇 南京 210008;2.中國科學院大學資源與環(huán)境學院,北京 100049; 3.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098; 4.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院,江蘇 徐州 221116)

太湖(湖心坐標:31.167°N, 120.151°E)位于長江三角洲地區(qū),水位3.0 m時,水面面積為2 338.1 km2,是我國第三大淡水湖[1],也是一個典型的大型淺水湖泊。20世紀末以來,太湖水體富營養(yǎng)化問題日漸突出,引起國內(nèi)外學者的廣泛關注[2-6]。研究表明,湖流引起的物質(zhì)遷移,是影響水體富營養(yǎng)化在不同湖區(qū)分布的重要物理因素[7-9]。

圖1 監(jiān)測點位分布Fig.1 Distribution of monitoring sites

多年來,國內(nèi)外學者對太湖湖流進行了廣泛研究,其中主要研究方式包括野外觀測和數(shù)值模擬。1960年,中國科學院南京地理與湖泊研究所主持了太湖野外調(diào)查,對太湖湖流進行了為期25 d的野外觀測,最早獲得夏季風下太湖水域的流場分布狀況[10]。受野外觀測條件限制,對太湖湖流的野外觀測多集中在某一片區(qū)。1998年,秦伯強等[11]利用聲學多普勒測流剖面儀(ADCP)在梅梁灣湖進行長時間野外定點監(jiān)測,掌握了夏季風下梅梁灣的湖流特征。2016年,王建威等[12]對太湖風生流的垂向切變規(guī)律開展了觀測研究。另外,國內(nèi)諸多學者對太湖湖流展開了模擬研究[13-21]。但是針對全湖區(qū)域的實地觀測尚未有開展。野外觀測數(shù)據(jù)的不足,嚴重限制了人們對自然條件下太湖湖流的認知。

本文研究開展于2015年7月14日至8月15日,選取6個觀測點(圖1)分別放置一臺聲學多普勒測流剖面儀(ADCP)進行三維流速的高頻(30 min/次)測定,結(jié)合上方山 (SFS)、太湖站(THZ)、平臺山(PTS)和竺山灣(ZSW)氣象站的風場數(shù)據(jù),多方位觀測氣象場和流場,旨在研究太湖夏季風場特征,分析對應風場背景下的湖流特征,以及整個太湖夏季風與流場之間的關系。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取與站點分布

在綜合太湖形狀、風場預估、以及前人對湖流研究等條件的基礎上,進行觀測點布置。采用型號為Vaisala氣象變速器WXT520風速風向儀觀測風場,采樣頻率為5 min/次。采用聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)觀測流場,座底式觀測,除去儀器高(17 cm)和盲區(qū)(30 cm),從底層至表層,每層40 cm,設置9層(最終有效數(shù)據(jù)為6層,定義最下層為下層,下層向上第3層為中層,最上層為上層),采樣頻率30 min/次。實現(xiàn)氣象場和流場的定點、同步觀測。

1.2 數(shù)據(jù)分析與處理

本文在數(shù)據(jù)分析方面主要采用風玫瑰圖統(tǒng)計和時序風場、流場統(tǒng)計方法。對觀測的風場、流場數(shù)據(jù)進行分級分方向處理。根據(jù)時序的相關性,通過同步角度差和方向差分析4個氣象站點風場之間的相關性;同時,分析不同湖區(qū)湖流的上、中、下3層湖流的變化狀態(tài),以揭示觀測期間全湖風場和流場的特征。利用以上分析結(jié)果,分級(主要以速度為標準)分析不同風場背景下各個湖區(qū)流場的響應狀況,進而揭示整個觀測期間的湖流狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 風場特征

圖2 4個氣象站的風玫瑰圖Fig.2 Wind roses from 4 meteorological stations

由圖2可知,觀測期間的風場具有以南風為主導風向的夏季風特征,4個氣象站中偏南風分別占72.94%、67.60%、77.5%和80.31%,其中東南風比率最大。SFS、THZ、ZSW、PTS觀測到4 m/s以上風速分別占43.20%,30.69%,47.13%和47.84%,其中偏南風比率分別為89.41%、73.50%、80.98%和93.49%。

分析4個氣象站的風場時序數(shù)據(jù)可知,觀測期間太湖周圍風場分布具有區(qū)域相對均勻性和全局不均勻性。在風向方面,THZ、ZSW、PTS這3個站點之間,出現(xiàn)風速越小風場越不均勻的變化趨勢。當風速超過4 m/s,3個地區(qū)出現(xiàn)風向偏差小于22.5°的概率在75%左右,偏差小于45°的概率在90%左右,表明這3個地區(qū)之間的風向具有一定程度不均勻性;當風速小于4 m/s時,不均勻性較為顯著,3個地區(qū)出現(xiàn)風向偏差小于22.5°的概率下降到65%左右,偏差小于45°的概率在85%左右,其中2 m/s以下的部分分別占40%和60%,表明風速對風場的均勻性具有一定的影響。從另一方面,風向之間差別在67.5°內(nèi)的時段,除風速小于2 m/s,其他風速條件下比率均高于90%。另外,SFS站的風向與上述3個站點的風向之間呈現(xiàn)出較為明顯的偏離(圖3虛線部分),存在20°左右的固定偏差,且隨著風速增加角度偏差越大,當?shù)氐匦螌@一現(xiàn)象具有一定的影響。當風向差逐漸擴大,SFS與其他站點的差別比率逐漸縮小。以上規(guī)律表明,在風向方面,不同點位風場之間具有一定的均勻性,在風速較小的情況下,均勻性較差;在風速超過4 m/s時,局地地形會對風場產(chǎn)生固定性的影響,如SFS站的風向偏離其他3個站點22.5°～45°。

圖3 同時刻站點間風向角度差比率Fig.3 Rate of wind direction differences between stations at the same time

2.2 流場特征

6個觀測點位流速小于10 cm/s的整體比率在90%以上,上層流速大于10 cm/s的比率較高(5%以上)。各個點位及其對應的不同水層流速的分布不盡相同:SW1流速大于10 cm/s的比率相對較大,且上層比率最大;SW3上、中、下層流速分布比較均勻;SW4和SW5上層流速大于10 cm/s的比率較大,上層與中、下層有較大分異;SW7的3層水流速度比率差異較大,上層流速大于10 cm/s的比率高于中層,中層高于下層,同時大于10 cm/s流速的比率均較大;SW8出現(xiàn)下層流速大于10 cm/s的比率大于上、中層的情況,但比率均比較小,最大比率不到3%。

在流向方面,如圖4所示,各站點可分為有穩(wěn)定主導流向 (SW1、SW5)和主導流向不明顯 (SW3、SW4、SW7、SW8)2種類型。有穩(wěn)定主導流向的站點中,SW1主導東向流(SE、ESE、E、ENE、NE),上、中、下層東向流比率分別為58.8%、57.4%、56.0%,上、中、下層主導流向相對一致;SW5主導北向流(NW、NNW、N、NNE、NE),上、中、下層北向流比率分別為54.0%、62.5%、59.7%,上層北偏東,中、下層北偏西。主導流向不明顯的站點中,SW3上、下層主流向不一致,上層主導西北向(NW、WNW,22.4%)和東向流(E、ENE、ESE,25.2%),下層主導西北向(WNW、NW、NNW,28.1%)和西南向(SW、SSW,23.3%);SW4上層以東南向(SSE、SE、ESE,30.2%)為主,中、下層以西北向為主(NNW、NW、W、WNW,中層:35.5%,下層:42.4%),上層與中、下層湖流差異比較明顯;SW7上層以東北向(NNE、NE、ENE,27.5%)和西南向(SW、WSW,18.2%)流為主,下層以東南向(E、ESE,16.8%)和北向(N、NNE、NNW,24.9%)為主,中層作為過渡層,以西向(SW、W、WSW,24.3%)和北向(N、NNE,22.4%)為主;SW8上層流場較弱,流向不穩(wěn),中、下層流場發(fā)育,流速超過上層湖流,流向以向西北向(中層:50.5%,下層:50.0%)為主。

圖4 觀測時段內(nèi)各點位的不同分層流向比率Fig.4 Rates of wind directions in different layers from different stations

2.3 風場與流場之間的關系

2.3.1 特征風場的選取與分析

根據(jù)風速和風向的特征,分別選取7月20—22日、8月1—3日、8月7—9日3段3日連續(xù)相對穩(wěn)定風場,作為低風速、中風速和高風速的代表,研究不同風速的穩(wěn)定風場下,風場與湖流之間的作用關系。3個時段中4氣象站點的風速、風向狀況如圖5所示。

根據(jù)3個氣象時段的特征,分析了它們的參數(shù)特征,見表1。

圖5 觀測期間典型時段風場Fig.5 Wind conditions during three typical periods of monitoring stage

表1 特征時段的風場參數(shù)

2.3.2 特征風場下的湖流特征

考慮風場直接作用在水體表面,對上層水流影響較大,選取3個特征風場背景下的上層流速,分析風場對湖流作用。由圖6可知,各站點上層流速比率過程線隨著風速增加,比率峰值逐漸偏向大流速段。如SW3,低風速階段,湖流流速比率隨著流速增加而逐漸減小,比率峰值出現(xiàn)在0～2 cm/s流速段;中風速階段,湖流流速比率隨著流速增加先增加后逐漸減小,其比率峰值出現(xiàn)在2～4 cm/s流速段;在高風速階段,湖流流速比率隨流速增加先增加后減小,比率峰值出現(xiàn)在6～8 cm/s流速段。這表明上層流速隨著風速的增加,高流速的湖流比率增加,即風速的加大,直接導致上層流速增加。

圖6 不同風場下上層湖流流速比率分布Fig.6 Rate distribution of velocity in upper layers of different stations

綜合各個站點不同風場下的湖流狀況,可以看出湖流的分布與風場的變化有關。風速較大的情況下,西部湖區(qū)形成較為穩(wěn)定的逆時針環(huán)流;風速較小的情況下,西部環(huán)流不明顯,多出現(xiàn)上下分層的湖流,在站點SW4、SW3和SW7表現(xiàn)明顯。

觀測數(shù)據(jù)分析出的結(jié)果,反映了太湖實際流場分布狀態(tài)。多數(shù)時間,太湖風場風力較小且不穩(wěn)定,無以形成穩(wěn)定環(huán)流,這在一定程度上增加了湖泊內(nèi)部流場的復雜性,為確定各個湖區(qū)湖流運動狀態(tài)增加了難度。從另一個角度看,在低風速條件下,雖然無法形成穩(wěn)定環(huán)流,但在某些區(qū)域上層流相對穩(wěn)定,在時段平均風速低于2.0 m/s的小風情況下,藍藻更容易在水體表面積聚[22],上層湖流的流動狀態(tài),對于藍藻堆積區(qū)的預測具有重要作用。在時段平均風速為中高風速條件下,藍藻在表層的積聚效應不明顯,并隨穩(wěn)定湖流遷移,使藍藻進行重新分布。因而,風場在弱風與強風之間轉(zhuǎn)變的階段是藍藻重新分布的關鍵時期,后期的風速、風向?qū)τ谒{藻堆積區(qū)域的形成具有關鍵性的作用。

3 結(jié) 論

a. 太湖風場的分布具有不均勻性,表現(xiàn)在風向偏差和風速偏差,這種不均勻性隨著風速變小而更加顯著。

b. 流場方面,太湖在多數(shù)時間流速小于10 cm/s(本研究比率超過90%)。

c. 流場在不同風場下變化較大,風生流特征顯著。在風速的不同階段,湖流流速以及湖流分布均差別較大。在低風速(時段平均風速小于3.8 m/s)情況下,上、下層湖流流速、流向分異顯著,在高風速(時段平均風速大于6.7 m/s)情況下,西部湖區(qū)發(fā)展為逆時針環(huán)流,流向分異較小。