任劍波 , 何 青 沈 健, 徐 凡 郭磊城 謝衛(wèi)明 朱 磊

(1. 華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室, 上海 200241; 2. 杭州紹逸環(huán)境技術(shù)有限公司, 浙江 杭州310007; 3. 美國威廉瑪麗學(xué)院 弗吉尼亞海洋研究所, 美國 弗吉尼亞州 23062; 4. 中山大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510275)

長江口地處太平洋西岸, 每年 7—9月份, 都會受到臺風(fēng)襲擊, 平均每年有 2～3個臺風(fēng)對長江口及其鄰近海域產(chǎn)生影響, 最多時一年可達(dá)5～6個[1]。臺風(fēng)引起的狂風(fēng)巨浪, 常常造成沿海風(fēng)暴潮、河口海岸侵蝕和航道驟淤, 據(jù)統(tǒng)計, 每年風(fēng)暴潮造成的經(jīng)濟損失高達(dá)上百億元, 臺風(fēng)引起的航道驟淤量為 200萬～800萬m3, 占航道年回淤總量的貢獻(xiàn)率最大可達(dá)50%[2],歷史上曾出現(xiàn)一次臺風(fēng)使北槽航道全線淤淺 0.5 m的記錄[3]。

一般認(rèn)為遠(yuǎn)區(qū)臺風(fēng)與長江口的距離遠(yuǎn)超七級風(fēng)圈半徑, 不會對長江口水動力和泥沙運動產(chǎn)生影響,如遠(yuǎn)區(qū)臺風(fēng)0207號“卡奴”、0215號“鹿莎”和0217號“杰拉華”。然而, 根據(jù)賈曉[4]、孔令雙[5]等研究成果可知, 2012年遠(yuǎn)臺風(fēng)區(qū)“三巴”造成北槽深水航道近200萬m3的驟淤量, 其影響已經(jīng)超過部分登陸型和近海型臺風(fēng), 如“鹿莎”和登陸型臺風(fēng)“森拉克”的疊加淤積量僅為190萬m3[2], 1323號臺風(fēng)“菲特”期間造成的淤積量僅為166萬m3[5]。這些數(shù)據(jù)表明遠(yuǎn)區(qū)臺風(fēng)對長江口的動力場和泥沙運動的影響也是不容忽視的。

本文從波浪運動的角度, 研究了遠(yuǎn)區(qū)臺風(fēng)對長江口波浪動力的作用機制。采用美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)的FNL風(fēng)場和臺風(fēng)模型風(fēng)場生成的融合風(fēng)場, 利用第三代波浪模式 SWAN對“三巴”臺風(fēng)期間的長江口波浪場進(jìn)行了模擬反演, 利用定點觀測資料和JASON-2衛(wèi)星高度計資料對模型進(jìn)行了驗證, 計算了遠(yuǎn)區(qū)臺風(fēng)“三巴”對長江口波浪場和波能耗散的影響, 從波浪切應(yīng)力和泥沙侵蝕能力的角度研究了泥沙侵蝕率分布規(guī)律, 有助于了解遠(yuǎn)區(qū)臺風(fēng)期間長江口泥沙運動和地貌演變的規(guī)律。

1 研究區(qū)域

1.1 長江口

長江口面臨東海(圖 1), 受徑流、潮汐和波浪的共同作用, 是典型的高濁度河口。上游來水豐沛, 年徑流總量為 9.034×108m3, 徑流量在年內(nèi)呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化, 5—10月為洪季, 占全年徑流量的71.7%。長江口平均潮差為2.7 m, 受地形約束, 潮流多為往復(fù)流, 垂線平均流速變化范圍為1.0～2.0 m/s。

圖1 模型計算區(qū)域、觀測站位和臺風(fēng)路徑圖Fig. 1 Numerical model domain, locations of wind and wave gauging station, and path of typhoon “Sanba”

長江口波浪以風(fēng)浪為主, 波浪方向變化具有明顯的季節(jié)性, 夏季以 ESE—SSE向浪為主, 冬季以NW—N向浪為主。長江口引水船站多年平均波高為0.9 m, 平均周期為3.8 s[6]。同時, 涌浪也時有出現(xiàn),冬季以東北向涌浪最多, 春、夏、秋三季以E向涌浪為主, 最大波高常發(fā)生在臺風(fēng)期間, 海面呈現(xiàn)風(fēng)浪和涌浪二者共存的混合浪, 最大浪高可達(dá)6 m, 波浪周期可達(dá) 5～6 s。

1.2 1216號臺風(fēng)“三巴”

2012年16號臺風(fēng)“三巴”是典型的遠(yuǎn)區(qū)臺風(fēng), 臺風(fēng)中心距離長江口最小距離約580 km(圖1), 遠(yuǎn)大于七級風(fēng)圈半徑?！叭汀庇?月11日8時在菲律賓以東洋面生成, 次日14時加強為強熱帶風(fēng)暴, 20時迅速發(fā)展為臺風(fēng), 中心氣壓達(dá) 965 hPa, 近中心最大風(fēng)力13級(38 m/s), 13日17時進(jìn)一步發(fā)展為超強臺風(fēng), 14日8時臺風(fēng)中心到達(dá)釣魚島東南方向洋面上,近中心最低氣壓達(dá)915 hPa, 近中心最大風(fēng)速達(dá)17級以上(60 m/s)。16日臺風(fēng)進(jìn)入東中國海, 移速明顯加快, 此后臺風(fēng)持續(xù)向北移動, 17日登陸韓國南部。受臺風(fēng)影響, 長江口、杭州灣和浙江中北部沿海均有7～9級大風(fēng)和大浪。

2 研究方法

2.1 臺風(fēng)氣壓場和風(fēng)場模型

波浪由臺風(fēng)風(fēng)場作用下產(chǎn)生和發(fā)展的, 波浪模擬的精度取決于氣壓場和風(fēng)場的精度。研究表明, 在臺風(fēng)中心附近, 臺風(fēng)模型風(fēng)場能夠較好的反映內(nèi)部風(fēng)場特征, 在外圍區(qū)域, 由于同時受到其他天氣系統(tǒng)的影響, 模型風(fēng)場往往不能很好的描述外圍風(fēng)場特征。本文采用美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)的FNL風(fēng)場和臺風(fēng)模型風(fēng)場兩者的融合風(fēng)場。FNL資料匯總了全球資料同化分析系統(tǒng)及其他大量的觀測資料和衛(wèi)星反演資料, 空間分辨率為 1°×1°, 時間間隔為6 h。臺風(fēng)模型風(fēng)場由梯度風(fēng)場和移動風(fēng)場組成,王喜年[7]經(jīng)大量研究認(rèn)為(1)—(6)式能夠比較真實描述東海氣壓場和臺風(fēng)風(fēng)場。

當(dāng) 2R≤r≤∞:

式中, C1、C2是經(jīng)驗常數(shù), θ是流入角, ρa是空氣密度,f是科氏力參數(shù), P為氣壓值, P∞為外圍氣壓, P0為中心氣壓, r是計算點距離臺風(fēng)中心距離, R為最大風(fēng)速半徑, Wx、Wy分別為臺風(fēng)風(fēng)速在x、y方向上的分量,Vdx、Vdy為臺風(fēng)移動速度在x、y方向上的分量。

融合風(fēng)場能夠有效解決NCEP/FNL資料在臺風(fēng)中心附近風(fēng)速偏小和模型風(fēng)場的外圍風(fēng)場準(zhǔn)確度不高的缺點。兩種風(fēng)場通過下式[8]進(jìn)行融合:

式中, VM為臺風(fēng)模型風(fēng)場計算風(fēng)速, VQ為NCEP/FNL風(fēng)場, r為網(wǎng)格點與臺風(fēng)中心的距離, e, c為系數(shù), R為最大風(fēng)速半徑, 由下式[9]計算:

2.2 波浪模型SWAN

SWAN模式(Version 41.31)是由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)開發(fā)的第三代海浪預(yù)測模式[10], 采用基于Euler近似的二維波作用量N(σ, θ)平衡方程描述隨機波浪場, 模式中考慮了風(fēng)能輸入、白帽耗散、底摩擦、三波、四波非線性相互作用, 以及波浪遇水工構(gòu)筑物的傳播、反射和繞射等物理過程, 被廣泛用于近岸、湖泊、河口等水域。SWAN曾被多次應(yīng)用在長江口海域[11]。其控制方程為:

式中, N(σ, θ)為波作用量密度, N(σ, θ)=E(σ, θ)/σ, σ為相對頻率, θ為波向。方程中第一項表示波作用量N隨時間的變化率, 第二、三項表示在地理空間 x、y方向上以速度 Cx、Cy的傳播, 第四項在頻率空間 σ的傳播, 第五項表示在譜分布方向 θ空間的傳播。S表示能量源匯項, 包括模式采用全隱式有限差分格式離散控制方程。

風(fēng)能輸入是波浪模式中的源項, 采用Phillips提出的共振機制和Miles提出的反饋機制進(jìn)行描述, 前者適用于風(fēng)浪的發(fā)生和初始階段, 后者適用于風(fēng)浪成長的主要階段。風(fēng)拖曳系數(shù)CD根據(jù)下式[10]計算:

波浪傳播過程中的能量耗散主要包括白帽耗散、底摩擦耗能、深度誘導(dǎo)波破碎和波—波非線性作用。白帽破碎是波浪在深水區(qū)域占主要地位的能量耗散過程, 采用 Hasselmann提出的基于脈沖原理的模式描述, 在中等深度和淺水水域, 采用經(jīng)驗性的 JONSWAP公式描述底摩擦對波浪能量的耗散作用。模型中同時考慮了波-波相互作用。

SWAN模型計算區(qū)域包括東海、黃海、渤海(圖1),采用正交曲線網(wǎng)格進(jìn)行空間離散, 網(wǎng)格呈扇形結(jié)構(gòu)設(shè)計, 扇心取在長江口, 網(wǎng)格步長從扇心至扇緣逐漸增大, 長江口網(wǎng)格步長約為200～300 m, 邊界處步長約9 000 m, 能夠同時兼顧大區(qū)域模擬和高空間分辨率的要求。計算時間段為“三巴”臺風(fēng)期間, 2012年9月12日—9月18日。頻率空間起止范圍為0.035～1.5 Hz, 分24個頻段, 方向空間起止范圍為0°～360°,分辨率為15°。

2.3 模型驗證

風(fēng)場和波浪場模型驗證采用“三巴”臺風(fēng)期間長江口風(fēng)況觀測站(牛皮礁站, 長期站)和波浪觀測站(底座式觀測站, 位于橫沙淺灘)資料(圖1), 由于受到臺風(fēng)期間強烈的水沙運動影響, 底座式觀測站波浪資料有效時間段為2012年9月12日—9月16日。為進(jìn)一步評估模型的合理性和準(zhǔn)確性, 同時收集了JASON-2衛(wèi)星高度計的風(fēng)和有效波高資料。JSAON-2衛(wèi)星高度計是T/P和JASON-1高度計的延續(xù), 于2008年6月發(fā)射升空, 重訪周期10天, 波高測量精度0.5 m, 風(fēng)速精度1.5 m/s。“三巴”臺風(fēng)期間, JASON-2的第154周期240軌道正好經(jīng)過計算區(qū)域, 時間為9月15日11時48分—50分(GMT), 共計112個觀測點(圖1)。

驗證結(jié)果表明, 模型計算結(jié)果與實測資料在相位和極值上均較為符合, 風(fēng)場和波浪模型能夠準(zhǔn)確的重現(xiàn)臺風(fēng)期間風(fēng)和波浪過程(圖2)。

圖2 實測值和模型計算值對比圖Fig. 2 Comparison of observation data and numerical model results

2.4 波浪切應(yīng)力和泥沙侵蝕率

底部切應(yīng)力常被用來研究泥沙侵蝕的動力機制[12-13], 侵蝕能力隨著切應(yīng)力增大而增強, 當(dāng)波浪產(chǎn)生的切應(yīng)力(τw)超過泥沙臨界起動應(yīng)力時, 泥沙發(fā)生再懸浮, 海床發(fā)生侵蝕。波浪產(chǎn)生的底部切應(yīng)力(τw)由式(11)計算:

式中, ρ是海水密度, fw是波浪摩阻系數(shù), uw為底部最大軌道流速, Aw(=uwT/2π)為底部波浪水質(zhì)點最大位移, T為底部波浪周期, ks(=2.5d50)為Nikuradse粗糙高度, d50為泥沙中值粒徑。

泥沙侵蝕率 E和侵蝕能量 Eflux可通過下式[14]計算:

式中, M=5×10-5kg/(m2·s)[15]為侵蝕率系數(shù), τcri=0.5 Pa[15]為長江口平均臨界起動應(yīng)力, Eflux[kg/(m2·s)]和[kg/(m2·s)]分別為臺風(fēng)影響期間T時間內(nèi)總的侵蝕通量和平均侵蝕率。

3 結(jié)果與討論

3.1 波浪動力場

圖3為2012年9月16日14: 00臺風(fēng)中心位于長江口東南側(cè)650 km處時的瞬時風(fēng)場和有效波高分布。臺風(fēng)風(fēng)場呈“氣旋型”分布, 臺風(fēng)行進(jìn)方向的右側(cè)風(fēng)場大于左側(cè)風(fēng)場, 最大風(fēng)速可達(dá)45～55 m/s。受“氣旋型”風(fēng)場影響, 波浪場也呈現(xiàn)“氣旋型”分布,臺風(fēng)中心附近波高最大, 最大有效波高可達(dá)13～15 m,右側(cè)波高大于左側(cè)。長江口受NE—N風(fēng)控制, 風(fēng)速為15～18 m/s, 有效波高為 1～2 m。

圖3 2012年9月16日14時, 計算海域臺風(fēng)風(fēng)場和風(fēng)速分布、有效波高和波向分布Fig. 3 Spatial distribution of wind speed and wind vector, significant wave height and wave vector at 14: 00 on Sep. 16, 2012

“三巴”臺風(fēng)產(chǎn)生的波浪由NE—N方向傳入長江口, 有效波高Hsig在20 m以深水域與等深線分布基本平行(圖 4), 但等波高線走向與波浪傳播方向并不完全垂直, 進(jìn)入長江口水域后, 由于水深淺化效應(yīng), 波向逐步偏轉(zhuǎn)與等深線垂直。由于波浪傳播過程中能量的衰減, 有效波高由10 m等深線的3 m衰減為5 m等深線的2 m。橫沙淺灘和北堤向東側(cè)海域外凸的地形在一定程度上阻擋了波浪向西側(cè)傳播, 波高衰減幅度相對較大, 等波高線密度加大, 表明波浪在行經(jīng)橫沙淺灘和北堤向東側(cè)海域時發(fā)生了較多的能量衰減。波浪經(jīng)北堤繞射后繼續(xù)向北港、南槽等水域傳播。在崇明東灘、橫沙淺灘及九段沙淺灘,因水深較淺且灘面寬廣, 底摩擦力耗能顯著, 有效波高逐步衰減為0.5～1.5 m。波長的分布與有效波高相似, 波浪進(jìn)入長江口后, 波長發(fā)生衰減, 由-20 m等深線處的40 m減小為5 m等深線處的20 m。

在常規(guī)天氣下, 長江口波浪主要為風(fēng)浪, 周期一般為3～4 s。在臺風(fēng)期間, 長江口波浪場受到涌浪的影響, 表現(xiàn)為風(fēng)浪、涌浪共存的混合浪形式, 涌浪的傳入使波浪周期顯著增大, 表明波浪能量的增強。長江口外 10 m等深線水域波浪底部周期 Tb一般為7～9 s, 是常規(guī)天氣下波浪周期的 3～4倍, 波浪向上游水域傳播過程中, 由于能量耗散周期逐漸減小至5～7 s。

近底層最大軌道流速 Ubot的分布格局顯著區(qū)別于波高、波長和周期的分布, 與相對水深有關(guān)。在水深大于30 m的東側(cè)水域, 波高和周期較大, 但水深大于波浪有效作用深度, 波浪無法作用到海底, 最大軌道流速一般不超過0.2 m/s。在水深小于30 m以淺水域, 存在兩個最大軌道流速的顯著增大區(qū), 分別位于在橫沙淺灘東測和崇明東灘東側(cè)水域, 以及北槽口外海域, Ubot平均為0.8 m/s, 最大可達(dá)1.1 m/s。波浪在進(jìn)入北港、南槽等水域后, 由于底部摩擦力和波浪破碎耗能, Ubot逐步減小為0.1～0.2 m/s。Ubot為波浪底部軌道振幅 Aw與底部周期 Tb的比值, Ubot取決于 Hsig、Tb和 sinh-1kh, k 為波數(shù)(k=2π/λ), h 為水深。sinh-1kh的分布形態(tài)與 Ubot具有很強的一致性, 表明水深和波長的比值 h/λ決定了底層波浪流速的分布,也決定了底部泥沙再懸浮的分布格局, 當(dāng)水深一定時(h＜2λ), 波長(周期)越大, 底層流速越大, 因此長周期涌浪的傳入有利于增大底部流速。

波浪引起的底部切應(yīng)力分布與 Ubot分布格局相似, 橫沙淺灘東測和崇明東灘東側(cè)5～10 m水域是高切應(yīng)力分布區(qū)(3～6 Pa), 北槽口外水域切應(yīng)力可達(dá)3～4 Pa, 均遠(yuǎn)大于泥沙臨界起動切應(yīng)力0.5 Pa[15]。

3.2 波浪能量耗散

圖4 2012年9月16日14時, 長江口及鄰近海域波浪有效波高、波長、底部周期、底部軌道流速、sinh-1kh和底部切應(yīng)力分布Fig. 4 Spatial distribution of significant wave height, wave length, wave period near the bottom, wave orbital velocity, sinh-1kh,and wave-induced shear stress at 14: 00 on Sep. 16, 2012

波浪能量耗散是風(fēng)-波浪能量平衡的三大機制之一, 由白帽破碎、底摩擦耗能和水深誘導(dǎo)的破碎耗能三部分組成[11], 對波浪動力場的空間分布起著重要作用。在深水區(qū)域, 波浪在風(fēng)能持續(xù)輸入下不斷成長,波高增大, 波面變陡, 當(dāng)波陡超過極限波陡時波浪發(fā)生破碎, 波浪成長受到限制。白帽破碎引起的能量耗散量由臺風(fēng)中心的 60 W/m2向近岸逐漸遞減為約1 W/m2, 在30 m以深水域, 白帽破碎占總耗散能量的 80%以上, 因此其是維持深水區(qū)波浪能量平衡和限制波高成長的主要機制, 決定了波高, 波長和周期等波浪要素的分布格局。在長江口橫沙東灘和崇明東灘東側(cè)5～10 m水域, 白帽破碎耗散為0.1～1.1 W/m2,占比 8%～30%。底摩擦耗能是波浪引起的底部水質(zhì)點運動與海底發(fā)生摩擦作用產(chǎn)生的, 其分布趨勢與白帽破碎耗能相反, 從臺風(fēng)中心向四周緩慢增大,在20 m以深水域耗能量不超過0.1 W/m2。當(dāng)波浪傳播到水深較淺的長江口時, 波浪和海底的相互作用開始增強, 波浪底部軌道流速逐漸增大, 底摩擦耗能逐漸占據(jù)主導(dǎo), 特別是橫沙東灘和崇明東灘東側(cè)2.5～10 m水域, 底摩擦耗能在1.0～1.8 W/m2, 占總耗能的30%～50%。同時, 由于水深變淺導(dǎo)致波高增大,當(dāng)波高超過最大波高Hm(=γh, γ=0.8為破碎系數(shù)[10], h為水深)時, 橫沙東灘和崇明東灘以東5 m等深線附近波浪發(fā)生破碎, 耗能量為2.0～3.5 W/m2, 占總耗能的 50%～60%。因此, 底摩擦耗能和水深誘導(dǎo)的破碎耗能是導(dǎo)致長江口橫沙東灘和崇明東灘波高減小的主要因素。

圖5 2012年9月16日14時, 長江口及鄰近海域波浪總能量耗散、白帽破碎能量耗能、底部摩擦能量耗能、水深誘導(dǎo)能量耗散Fig. 5 Spatial distribution of total energy dissipation, whitecapping dissipation, bottom friction dissipation, and depth-induced dissipation in the CJE and adjacent sea at 14: 00 on Sep. 16, 2012

3.3 波浪譜特征變化

圖6 為2012年9月15日14時至17日06時波浪觀測站的頻譜圖。15日14時, “三巴”發(fā)展成為超強臺風(fēng), 臺風(fēng)中心最大風(fēng)速55 m/s。長江口開始受到臺風(fēng)風(fēng)場影響, 觀測站風(fēng)速呈現(xiàn)顯著增大趨勢,根據(jù)頻譜圖可知, 15日14時觀測站頻譜類型為單峰型, 譜峰能量約10 000 J/(m2·Hz), 譜峰頻率為0.17 Hz,對應(yīng)的譜峰周期為5.9 s。15日22時至16日06時, 隨著臺風(fēng)的北移, 臺風(fēng)中心與長江口的距離逐漸減小為 700 km, 譜形進(jìn)一步變窄, 譜峰能量顯著增大且更加集中, 譜峰頻率從0.15 Hz(對應(yīng)周期為6.7 s)向低頻區(qū)域0.13 Hz(對應(yīng)周期為7.7 s)移動。14時, 譜峰能量達(dá)到最大值28 778 J/(m2·Hz), 譜形尖而窄, 譜峰頻率為0.12 Hz, 對應(yīng)周期為8.4 s。14時至22時,譜形變寬, 譜峰能量逐步降低, 但譜峰頻率仍向低頻區(qū)域移動(0.11 Hz, 對應(yīng)周期為9.1 s)。17日06時,臺風(fēng)在韓國登陸前夕, 觀測站譜形呈現(xiàn)雙峰型, 譜峰頻率分別為0.12 Hz(周期8.4 s)和0.25 Hz(周期4.0 s),表明存在兩個相互獨立的波浪系統(tǒng), 根據(jù)波浪系統(tǒng)識別法(JP方法), 譜峰之間的“波谷”可以視作兩個波浪系統(tǒng)的分割頻率, 小于分割頻率0.19 Hz的波浪系統(tǒng)為涌浪, 大于0.19 Hz的為風(fēng)浪。第一個波浪系統(tǒng)譜峰頻率為 0.11 Hz, 屬涌浪系統(tǒng), 第二個譜峰頻率為0.25 Hz, 對應(yīng)周期為4 s, 與長江口引水船站多年平均周期相近, 為風(fēng)浪系統(tǒng)。

圖6 2012年9月15日14: 00至17日06: 00波浪觀測站的波浪譜變化過程Fig. 6 The variation of wave frequency spectrum from 14: 00 on Sep. 15 to 06: 00 on 17, 2012

以上分析表明, 2012年15日14時至16日22時,波浪譜形為單峰譜, 譜峰頻率從0.17 Hz逐漸減小至0.11 Hz, 譜峰能量更加集中, 說明波浪場以涌浪為主導(dǎo)。隨后, 由于臺風(fēng)強度減弱, 波浪場表現(xiàn)為涌浪略占優(yōu)勢的混合浪。

3.4 波浪引起的泥沙侵蝕率

圖 7為“三巴”臺風(fēng)影響期間長江口波浪平均侵蝕率, 及其與潮流平均侵蝕率[13]的比值α分布。橫沙淺灘東測和崇明東灘東側(cè)5～10 m等深線之間的水域, 以及北槽口外 10～20 m等深線海域是泥沙侵蝕率最大的水域, 平均侵蝕率分別為1.5×10-4kg/(m2·s)和0.8×10-4kg/(m2·s), 表明該水域泥沙極度容易波浪侵蝕作用。橫沙淺灘東測和崇明東灘東側(cè)5～10 m等深線水域, α值在5～12之間, 最大可以達(dá)到200, 平均值為 15, 發(fā)生在橫沙淺灘東側(cè)測 10 m等深線水域。北槽口外10～20 m等深線海域α值在1.1～1.8, 平均為 1.3。以上結(jié)果表明, 臺風(fēng)浪造成的侵蝕作用是潮流侵蝕作用的15倍, 這與Ren[16]在江蘇沿岸觀測到的結(jié)果基本一致, 可見臺風(fēng)浪在泥沙侵蝕和河口地貌塑造中的重要作用。

為進(jìn)一步研究遠(yuǎn)區(qū)臺風(fēng)對長江口泥沙侵蝕的影響, 本文分別計算了不同臺風(fēng)強度條件下泥沙侵蝕分布, 在不改變“三巴”臺風(fēng)參數(shù)如路徑、氣壓場和移動速度的基礎(chǔ)上, 將其風(fēng)場乘上一個系數(shù) β表示不同的臺風(fēng)強度, 如β=0.6表示臺風(fēng)強度為“三巴”臺風(fēng)的 60%。不同臺風(fēng)強度下長江口泥沙侵蝕率和風(fēng)速過程見圖8。

當(dāng)β=0.6時, 長江口平均風(fēng)速為7.5 m/s, 最大風(fēng)速為10 m/s, 風(fēng)速＞8 m/s的持續(xù)時間為35 h, 泥沙侵蝕區(qū)域主要發(fā)生在橫沙淺灘和崇明東灘水域, 平均侵蝕率為 0.8×10-5kg/(m2·s), 其他水域沒有發(fā)生侵蝕。當(dāng)臺風(fēng)強度增大到β=0.7時, 長江口最大風(fēng)速為12 m/s, 風(fēng)速＞8 m/s的持續(xù)時間為45 h, 平均侵蝕率增大為1.5×10-5kg/(m2·s), 橫沙淺灘和崇明東灘水域連接成一片。當(dāng)β=0.8和0.9時, 最大風(fēng)速為15 m/s,風(fēng)速＞8 m/s的持續(xù)時間為60 h, 橫沙淺灘和崇明東灘水域和北槽口外水域均發(fā)生侵蝕, 前者平均侵蝕率增大為 10.0×10-5kg/(m2·s), 后者平均侵蝕率為3.0×10-5kg/(m2·s)。因此, 如果以長江口風(fēng)速(或有效波高)作為是否發(fā)生侵蝕的指示因子, 當(dāng)最大風(fēng)速＜10 m/s, 長江口水域基本不會發(fā)生強侵蝕, 當(dāng)風(fēng)速＞10 m/s, 橫沙淺灘和崇明東灘水域以及北槽口外水域是最容易發(fā)生泥沙侵蝕的區(qū)域。結(jié)合計算的波浪觀測站最大風(fēng)速和最大有效波高關(guān)系(圖 9)可知, 當(dāng)有效波高＞1.2 m時, 水下三角洲前沿水域開始發(fā)生波浪侵蝕。

圖7 2012年9月15日—9月17日, 臺風(fēng)浪引起的平均侵蝕率分布, 以及波致侵蝕率和潮流平均侵蝕率之比Fig. 7 Spatial distribution of wave-induced averaged erosion rates, and ratio of wave-induced averaged erosion rates to that of tide-induced ones from Sep. 15 to 17, 2012

圖8 不同臺風(fēng)強度β下, 波浪引起的平均侵蝕率分布Fig. 8 Wave-induced averaged erosion rates under different strength of remote typhoon

圖9 波浪觀測站最大風(fēng)速和最大有效波高關(guān)系圖Fig. 9 The relationship between maximum wind speed and significant wave height

3.5 風(fēng)浪和涌浪的侵蝕機制

由式(11)和(12)整理可得式(15), 底部切應(yīng)力τw與近底層最大軌道流速uw、底部波浪周期T的關(guān)系如圖10所示, 底部切應(yīng)力τw隨近底層最大軌道流速uw(式 16[10])增大而增大(圖 10a), 且增幅遠(yuǎn)大于因周期增大而減小的幅度,和E(σ,θ)呈正相關(guān), 當(dāng)波長大于約10 m時,隨波長增大呈現(xiàn)直線增大趨勢(圖10b)。式(15)—式(18)表明波浪周期越大, 則波長越大, 底部切應(yīng)力越大; 波浪能量密度越大, 則底部切應(yīng)力越大。涌浪從外海向近岸傳播過程中, 由于波-波相互作用, 能量由高頻向低頻轉(zhuǎn)換,涌浪的周期(波長)逐漸增大, 能量更加集中(圖 6),因此涌浪引起的底部切應(yīng)力大于風(fēng)浪, 涌浪引起的泥沙侵蝕能力強于風(fēng)浪。

式中h=6.5 m, 為波浪觀測站水深,k=2π/λ, 為波數(shù),λ為波長,E(σ,θ)為能量密度。

圖10 底部切應(yīng)力(τw)和近底層最大軌道流速uw、底部波浪周期T關(guān)系圖Fig. 10 The relationship between orbital velocity and wave period near bottom

4 結(jié)論

本文圍繞陸架遠(yuǎn)區(qū)臺風(fēng)對河口波浪動力場影響的研究命題, 利用第三代波浪模式 SWAN對臺風(fēng)期間長江口波浪動力的時空分布進(jìn)行了模擬, 模型風(fēng)場采用美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)的FNL風(fēng)場和臺風(fēng)模型風(fēng)場生成的融合風(fēng)場, 利用定點觀測資料和 JASON-2衛(wèi)星高度計資料對模型進(jìn)行了驗證, 結(jié)果表明: (1)波浪模型能夠重現(xiàn)計算域內(nèi)風(fēng)場和波浪場的時空分布特征; (2)在深水區(qū), 白帽破碎是維持波浪能量平衡和限制波高成長的主要機制, 在淺水區(qū), 底摩擦耗能和水深誘導(dǎo)的破碎耗能是導(dǎo)致近岸水域波高減小的主要原因; (3)波浪產(chǎn)生的切應(yīng)力分布格局與相對水深有關(guān), 切應(yīng)力增大由涌浪主導(dǎo), 涌浪由外海向近岸傳播過程中, 周期和波長逐漸增大,近底層軌道流速增大, 能量密度趨于集中, 是波浪底部切應(yīng)力增大的主要原因; (4)與河口相距數(shù)百公里的遠(yuǎn)區(qū)臺風(fēng)仍然能夠?qū)﹂L江口波浪動力場產(chǎn)生明顯影響, 水下三角洲前緣是最容易受到波浪作用的區(qū)域。

臺風(fēng)期間, 長江口的動力過程是非常復(fù)雜的,徑流、潮流、風(fēng)生流和波浪相互作用, 波流耦合作用對泥沙的再懸浮和輸移具有重要影響, 本文主要從波浪動力場角度, 研究泥沙侵蝕率分布, 對于波流共同作用下的泥沙輸運, 有待在下一步的工作中完善。