梁偉強 王永紅

半遮蔽型海灘剖面長期時空演化過程的經(jīng)驗正交函數(shù)分析*

梁偉強 王永紅①

(中國海洋大學海洋地球科學學院 海底科學與探測技術教育部重點實驗室 青島 266100)

半遮蔽型海灘由于一側海岬的差異作用而影響海灘的演變過程。本文以青島石老人海水浴場海灘為例, 基于對3條典型剖面連續(xù)11年現(xiàn)場監(jiān)測的高程數(shù)據(jù), 利用經(jīng)驗正交函數(shù)(empirical orthogonal function, EOF)分析方法將該海灘各剖面高程數(shù)據(jù)組成的原始距平矩陣依次分解為相應的空間和時間特征函數(shù), 分析了石老人海灘的形態(tài)演化特征、蝕淤趨勢及驅動因素, 并采用方差總占比超過77%的前3個經(jīng)驗正交函數(shù)來反映此類海灘的基本演化情況, 分別為: 表征長時間尺度砂質海灘灘面最主要蝕淤變化趨勢的第一模態(tài)、表征季節(jié)性蝕淤變化及其引起的灘肩剖面形成增長或削弱消亡的第二模態(tài)和表征人類活動、偶發(fā)因素或海岸地形等引起的具有隨機性的不規(guī)律蝕淤變化的第三模態(tài)。結果表明: 11年來石老人海灘經(jīng)歷了三個階段, 第一階段為平穩(wěn)期(2009年1月—2011年7月), 第二階段為突變期(2011年7月—2012年9月), 該階段之后至今, 是第三階段的平穩(wěn)期(2012年9月—2019年12月)。海灘剖面在自然和人類活動影響下的高程變化范圍在0.1—2.0 m范圍內(nèi)。波浪是影響該海灘形態(tài)演化的最主要水動力因素, 岬角對半遮蔽型海灘的差異庇護作用導致不同位置的剖面演化存在差異。高頻率臺風的影響、海平面階段性升高并長期保持較高水平導致了遠離岬角的開放岸段存在明顯階段性調(diào)整, 剖面灘肩寬度減少約30 m, 岬灣內(nèi)部剖面則相對穩(wěn)定, 目前海灘剖面形態(tài)在第二階段突變期后達到了新的穩(wěn)定狀態(tài)。

石老人砂質海灘; 海岸蝕淤; 時空演化; 半遮蔽型海灘; 經(jīng)驗正交函數(shù)

海灘地形演變是浪、潮、風等動力因素與海灘沉積物相互影響的結果(Rosen, 1978; Chen, 1995; 陳子燊等, 1993; 陳子燊等, 2010; Burvingt2017)。海灘類型劃分標準多樣, 根據(jù)海岸地貌劃分常見有開闊型海灘、半遮蔽型海灘和岬灣海灘(Shenoi, 1987; Larson, 1995)。半遮蔽型海灘屬于過渡類型且分布十分普遍, 其形成和演化通常受一側岬角和另一側開放的水動力條件等因素共同影響, 具有較為顯著的空間演化差異, 主要表現(xiàn)為靠近岬角的海灘形態(tài)總體趨于穩(wěn)定, 而處于開放區(qū)域的海灘則表現(xiàn)出較為明顯的侵蝕現(xiàn)象(Schwarzer, 2003; 于吉濤等, 2011; Aouiche2016)。因此, 對半遮蔽型海灘沉積過程、時空演化及影響因素的準確判別有利于海灘資源的利用和保護。

海灘剖面形態(tài)監(jiān)測是研究海灘地形演變的有效直接手段, 這種連續(xù)監(jiān)測可以反映岸灘侵蝕淤積的趨勢或程度(戴志軍等, 2001; 岳保靜等, 2017; Lemke, 2017; Nagasawa, 2018)。經(jīng)驗正交函數(shù)(empirical orthogonal function, EOF)分析是目前能有效提取海灘演變數(shù)據(jù)中主要模態(tài)和時空演變信息的一種多元統(tǒng)計分析方法(陳子燊, 2000; 李志龍等, 2004; 陳子燊等, 2007; 李志強等, 2008; Choi2020)。利用常規(guī)EOF方法分析海灘剖面的小、中尺度過程較為普遍(Larson, 1999; 夏非等, 2009), 例如Lemke等(2017)使用該方法對2009年美國新澤西州朗布蘭奇海灘養(yǎng)護后2—6月的形態(tài)演變進行了短期研究, 發(fā)現(xiàn)前三個模態(tài)分別為反射性和耗散性海灘狀態(tài)之間的季節(jié)性過渡、海灘內(nèi)的坡度平衡以及沉積物的沿岸輸移, 可解釋海灘養(yǎng)護后剖面適應性變化的90％以上。戴志軍等(2001)利用1999年7—8月共37天的寮咀口海灘剖面的短期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行EOF分析, 提取了表征海灘剖面主要變化過程的特征函數(shù), 將海灘短期演化過程分為前濱蝕積模式、灘肩頂?shù)倪M退模式和臺風后海灘恢復模式; 岳保靜等(2018)對山東半島煙臺和日照2個海灘2012年11月—2015年11月夏冬兩季剖面監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析, 采用占比超過90%的四個模態(tài)對海岸地貌和沉積特征差異進行對比, 四個模態(tài)分別是灘面變化、風浪季節(jié)性控制下的剖面變化、偶發(fā)因素和人為因素造成的地貌變化。近年來國外針對海灘長期蝕淤演化的研究逐漸增多, 例如Miller等(2007a, 2007b)使用EOF方法分析了1987—2007年澳大利亞、北美洲地區(qū)8個海灘的剖面變化特征, 第一模態(tài)代表波浪季節(jié)變化下的灘面周期性侵淤, 第二模態(tài)與厄爾尼諾現(xiàn)象等極端條件關聯(lián)密切剖面變化; Karunarathna等(2012)分析了澳大利亞納拉比恩海灘1987—2005年19 a間的海灘剖面演化, 進行了海灘的年代際、年度間和年度內(nèi)蝕淤特征研究, 第一模態(tài)表明前濱是沙灘演化過程中變化最活躍的區(qū)域, 第二模態(tài)反映了海灘季節(jié)性的變化; Hoang等(2019)使用EOF方法分析2011年日本仙臺海嘯發(fā)生前后約7 a內(nèi)海灘剖面的演化過程, 認為第一模態(tài)代表沉積物的沿岸輸移, 海嘯發(fā)生前后兩個階段內(nèi)浪潮控制為主剖面變化的第二模態(tài)貢獻率增大4倍, 但在此后海灘形態(tài)逐漸恢復, 甚至接近海嘯前的水平。這些研究成果為沙灘動態(tài)的研究提供了理論基礎, 驗證了利用EOF方法精確識別海灘剖面長時間尺度演化特征的可行性。石老人海灘是一個半遮蔽型的砂質海灘, 近年來對其進行了較多沉積地貌方面的研究, 例如粒度的季節(jié)變化(王永紅等, 2012; 馬瑩, 2014), 海灘重金屬污染(Wang, 2017), 海灘地貌變化(馮哲等, 2016), 是一個研究較為成熟的海灘, 在對石老人海灘剖面演化的研究中雖然探索了海灘的演化周期(馮哲等, 2016), 但并未深入探討海灘剖面的變化機理以及剖面在垂向上的變化深度。本文利用11 a (2009—2019年)重復實測剖面數(shù)據(jù)的優(yōu)勢, 針對石老人海水浴場半遮蔽海灘在長期近岸水動力作用下形成的海灘剖面特征, 采用EOF分解獲得海灘變化的主要模態(tài), 從長時間尺度探討此類海灘剖面的蝕淤情況及海灘垂向的擾動變化過程, 進而分析海灘演變的主要趨勢和影響因素, 為沙灘資源的保護規(guī)劃提供理論指導。

1 研究區(qū)概況

石老人海灘位于山東半島東南沿海, 地理坐標為(36°05'N, 120°27'E), 整體走向約為NE—SW, 長約2.15 km, 高潮線以上平均寬度130 m, 面積約1.9×105m2, 平均坡度約2.4%, 東北部發(fā)育花崗巖性質的基巖岬角, 形成典型的半遮蔽型砂質海灘(圖1)。研究區(qū)全年高頻率風向為SE、N、NNW向, 均速5.5 m/s, 具有十分顯著的季節(jié)差異, 春夏常見SE向風, 秋冬以N—NW向風占優(yōu)。研究區(qū)波浪以風浪為主, 季節(jié)性變化較為明顯。冬季多為WNW—NNW向, 其中NW向頻率為18%; 春季多出現(xiàn)E、ESE向風浪; 夏季風浪多為ES向; 秋季NW向風浪最多, 頻率為10%。涌浪出現(xiàn)頻率為67%, 夏季可達88%, 以SE向的涌浪最多。石老人附近海域平均波高為0.7 m, 冬季風浪為主, 偏北向, 平均波高0.5 m, 夏季涌浪占優(yōu), 偏南向, 平均波高0.9 m, 全年總體以風浪為主, 以波高不超過1.5 m的中小型波浪最為普遍, 頻率為95.37%, 臺風造成的風暴潮出現(xiàn)頻率以WN向最高。近海海域具有正規(guī)半日潮特征, 大潮平均潮差3.42 m, 小潮為1.77 m, 平均潮差2.8 m (中國海灣志編纂委員會, 1993; 馮哲等, 2016)。漲潮流速普遍大于落潮流速(于乾, 2014), 且沿岸流系與岸線走線基本平行, 屬于自東向西逆時針流向的黃海沿岸流(馮哲等, 2016)。

2 研究資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與預處理

為了解石老人海灘形態(tài)的演變特征, 于2009—2019年連續(xù)11年共進行57次有效實地監(jiān)測, 一般每年的1、3、5、7、9與11月進行6次測量, 11 a間正常應有66次測量數(shù)據(jù), 但是由于相關部門的維護管理和臺風等原因, 缺乏2009年7和9月、2010年1月、2010年7和11月、2011年1和3月、2012年1月、2019年5月的數(shù)據(jù), 最終實際獲得57次測量的171條剖面數(shù)據(jù)。實地監(jiān)測主要進行海灘剖面地形高程監(jiān)測、地貌調(diào)查, 按照海灘實際地貌狀況確定3條與岸線基本垂直的典型剖面并分別由陸向海開展定期測量, 根據(jù)現(xiàn)場條件選取固定位置為測量起點, 使用GPS定位以確保歷次測量的統(tǒng)一和準確。采用Leika TC-208全站儀測量由后濱起點測至低潮線, 每次根據(jù)潮汐資料選在最低潮或近最低潮時開展測量, 此時灘面出露寬度較大, 利于地貌變化的精確記錄。為便于對比研究, 各剖面高程數(shù)據(jù)為相對高程, 以固定起點為高程和離岸距離的相對零點。各剖面基本信息見表1。

圖1 研究區(qū)地理位置、剖面分布及水文氣象資料(中國海灣志編纂委員會, 1993)

注: N: 南向; E: 東向; W: 西向; S: 南向; PMB: 剖面B; PMC: 剖面C; PMD: 剖面D

表1 各剖面基本情況

Tab.1 Basic information of the sections

數(shù)據(jù)處理過程: 為保證各剖面歷年地形數(shù)據(jù)的相對統(tǒng)一, 在數(shù)據(jù)預處理過程中將3條剖面數(shù)據(jù)分別控制在280、220和200 m范圍內(nèi)。其中個別年份的PMC(剖面C)測量長度不足200 m, 例如PMC 2014年5月和2016年6月共2次的測量數(shù)據(jù)使用Origin進行了向海方向10 m的外延。由于向海方向的剖面較為平坦, 因此不影響剖面數(shù)據(jù)的分析和計算。每條剖面的測量站點約為25—30個, 但為了得到等間距矩陣, 利用Origin 2018將實測數(shù)據(jù)以10 m等間距進行線性插值, 從而分別得到28、22、20個剖面高程數(shù)據(jù), 與時間參數(shù)分別組成28×57、22×57和20×57三個矩陣, 分別進行距平化預處理后計算空間協(xié)方差。

2.2 海灘灘肩寬度測量及計算

實地測量時根據(jù)海灘各剖面的形態(tài)特征, 確定各剖面的灘肩發(fā)育情況及位置。由于PMD(剖面D)灘肩發(fā)育不明顯, 只有監(jiān)測后期才出現(xiàn)發(fā)育程度較低的灘肩, 本文在后期數(shù)據(jù)處理過程中分別計算2009—2019年PMB(剖面B)、PMC的灘肩寬度(海灘剖面測量起點向海延伸至灘肩頂位置的距離), 進一步探討11 a來灘肩寬度的演化趨勢, 并以此來輔助分析各剖面蝕淤變化的基本情況。

2.3 經(jīng)驗正交函數(shù)

EOF可處理初始數(shù)據(jù)并進行多元統(tǒng)計分析(郭鳳霞等, 2012), 使用Matlab 2019a運行數(shù)據(jù)的處理和計算, 有效提取其中的基本空間模態(tài)及其時間特征參數(shù)。該方法最初應用于氣象領域, 后被證明可精確分析砂質海灘剖面變化(Winant, 1975), 并逐漸應用于海灘剖面時域演化的研究。EOF以線性特征系統(tǒng)為數(shù)學基礎, 具有展開收斂快的優(yōu)點, 可以在不破壞數(shù)據(jù)關聯(lián)的情況下集中大量信息, 并對其主要結構特征加以反映。它是一種壓縮型剖面演化研究方法(于吉濤等, 2015), 對空間上的因子進行分析時沒有固定的展開形式(Larson, 2003)。海灘剖面高程的經(jīng)驗正交函數(shù)如下:

其中,X表征時間內(nèi)的剖面高程,α()表征時間模態(tài),V表征空間模態(tài),為常數(shù), 本文表示測量次數(shù)57。

EOF計算流程: (1)將剖面高程點均值化, 計算空間協(xié)方差矩陣; (2)根據(jù)雅可比旋轉法獲得實對稱矩陣的特征值和特征向量(戴志軍等, 2001); (3)按降序將特征值排序, 根據(jù)最大的若干特征值提取剖面數(shù)據(jù)方差占比較高(一般為90%左右)的空間模態(tài)和時間模態(tài), 占比極小的特征函數(shù)視為殘余不予討論(戴志軍等, 2001; 曹惠美等, 2015; 岳保靜等, 2016)。

3 結果與分析

3.1 海灘整體變化特征

灘肩寬度在一定程度上可以反映海灘的蝕淤調(diào)整情況, 從而指示近岸水動力等因素的強弱程度。根據(jù)灘肩寬度的年際演化情況, 總體上可將PMB和PMC分為三個演化階段, 不同階段的剖面形態(tài)存在明顯差異, 平均灘肩寬度存在明顯差異, 即1>2>3(1: 第一階段灘肩寬度,2: 第二階段灘肩寬度,3: 第三階段灘肩寬度)(圖2), 這代表了灘肩在三個演化階段產(chǎn)生明顯的向岸推移。PMD在上述三個階段內(nèi)并沒有表現(xiàn)出與PMC、PMD一致的顯著變化, 前期剖面形態(tài)總體較為穩(wěn)定, 沒有灘肩發(fā)育, 后期有較窄的灘肩發(fā)育。

第一階段為平穩(wěn)期(2009年1月—2011年7月), 該階段內(nèi)PMB灘肩寬度相對穩(wěn)定, 基本保持在140—160 m范圍內(nèi), PMC灘肩發(fā)生了極為微弱的侵蝕, 逐漸縮減了10 m左右, 但總體保持穩(wěn)定的水平; 第二階段為突變期(2011年7月—2012年9月), 該階段內(nèi)各剖面灘肩寬度驟減, PMB從173 m縮減至118 m, 共減少了55 m, PMC從53 m縮減至37 m, 共減少了16 m, 變化幅度十分顯著; 該階段之后, 開始逐漸進入第三階段的平穩(wěn)期(2012年9月—2019年12月), 該階段變化幅度總體較小, 各剖面的灘肩僅發(fā)生輕微季節(jié)性消長, 除個別月份以外灘肩變化量一般不超過5 m。

各剖面11 a來垂向高程也產(chǎn)生了一定的變化, 其中, PMB處于頻繁的變動中, 形態(tài)變動幅度相對于其他兩個剖面較大, 灘肩頂以上部分垂向變化幅度較小, 為0.1—0.7 m; 高潮線附近垂向高程變化幅度較大, 為0.5—2.0 m。水下岸坡的變化幅度為0.3—1.0 m, 各剖面變動最大的區(qū)域大致處于灘肩頂?shù)狡骄叱本€以下的灘面上部, 變動最小的區(qū)域位于灘肩頂以上。而PMC的變化幅度在三個部位變化程度相當, 為0.2—0.7 m, 是三個剖面變化幅度最小的地方。PMD的變化幅度在三個部位變化程度相當, 為0.3—1.0 m, 維持在較小的范圍內(nèi)。

3.2 剖面形態(tài)演化特征

采用EOF對青島石老人海灘3條典型剖面2009—2019年監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分解, 從時間和空間兩個角度得出海灘長期演化的主要模態(tài)并對其時域演化特征展開分析, 其中, 空間模態(tài)表征海灘形態(tài)的區(qū)域變化, 時間模態(tài)代表地形變化的時間演化特征。EOF分析結果顯示各剖面前3個空間特征值累計方差在77%—91%范圍內(nèi)(表2), 這三組模態(tài)的線性組合足以反映原始矩陣的主要特征和剖面的基本變化趨勢。

3.2.1 第一模態(tài) 空間模態(tài)中極值對應變化幅度最大的位置, 零點則對應變化極不顯著的區(qū)域, 泥沙在零點兩側呈現(xiàn)反相變化趨勢, 分別向岸或離岸運動, 并因此產(chǎn)生淤積和侵蝕區(qū)域, 以灘面沖刷帶附近區(qū)域變化最為明顯(于吉濤等, 2015; 朱士兵等, 2019)。PMB、PMC和PMD的第一模態(tài)方差占比分別為71.69%、47.15%和56.64%, 代表了海灘剖面最主要的蝕淤演化趨勢, 這一模態(tài)以灘面附近沖刷區(qū)域的最大波動為主要特征, 表征了灘面沉積物在長期波浪、潮汐等因素影響下的向岸或離岸輸移以及由此造成的灘形演化模式。由第一空間模態(tài)(1)可知, 三個剖面距平值相對較小且基本為正值, 只有PMB在75—125 m區(qū)間出現(xiàn)極值較大的負值, 這說明三個剖面的主要蝕淤特征表現(xiàn)為較穩(wěn)定的淤積, 只有剖面B的對應區(qū)域表現(xiàn)為較弱的侵蝕狀態(tài)。PMB第一模態(tài)指示了71.69%的變化情況, 在0—75 m區(qū)域內(nèi)空間模態(tài)距平值為正值但接近0 (圖3a), 對應剖面后濱區(qū)域, 說明PMB后濱范圍表現(xiàn)為較弱程度的穩(wěn)定淤積, 75—125 m區(qū)間內(nèi)距平值為負, 但極值相對較小, 對應剖面灘肩頂區(qū)域, 說明PMB灘肩存在微弱的泥沙侵蝕沖刷現(xiàn)象, 75和125 m處存在臨界點故而相對穩(wěn)定, 兩側分別對應了淤積和流失兩種截然不同的過程, 即灘肩區(qū)域泥沙被沖刷并向兩側流失。顯著變化出現(xiàn)于離岸距離110—160 m區(qū)間內(nèi), 對應灘肩頂至平均大潮高潮線區(qū)域, 125—280 m區(qū)間內(nèi)距平值為正且逐漸增大, 剖面淤積程度逐漸增強, 至離岸160 m達到正極大峰值, 對應平均高潮線以下的灘面上部, 說明此處泥沙淤積最為明顯。隨著離岸距離的繼續(xù)增加, 距平值逐漸降低并維持在較為穩(wěn)定的范圍, 泥沙穩(wěn)定淤積但程度相對較弱。PMC第一模態(tài)指示了47.15%的變化情況, 在0—25 m處空間模態(tài)距平值雖為負值但十分趨近于0(圖3-c), 對應剖面后濱區(qū)域, 說明此區(qū)域沒有發(fā)生明顯的侵蝕; 從25 m處開始距平值均為正值, 且顯著變化出現(xiàn)在離岸25—100 m范圍內(nèi), 指示了灘肩至前濱的淤積量逐漸增加, 表現(xiàn)出灘肩頂至碎波帶剖面變動漸強的特點, 反映了泥沙沿剖面的橫向往復運動, 這是剖面演化的典型特征。從離岸100 m向更遠處的前濱第一空間模態(tài)基本穩(wěn)定在較大的正值范圍內(nèi), 說明此區(qū)域泥沙淤積最為明顯且程度相對接近, PMC未表現(xiàn)出泥沙侵蝕的現(xiàn)象。PMD第一模態(tài)指示了56.64%的變化情況, 空間模態(tài)距平值均為正值且變化幅度不大(圖3e), 表現(xiàn)為整個海灘剖面的穩(wěn)定淤積。從離岸20 m處開始表現(xiàn)出緩慢增加的趨勢, 說明該剖面前濱存在穩(wěn)定的淤積過程, 且隨著離岸距離的增加淤積作用逐漸明顯。因此, 各剖面第一模態(tài)均以灘面附近的沖刷區(qū)域變化較大為最主要特征, 是以潮間帶灘面區(qū)域沉積物蝕淤演化為明顯特征的海灘主要變化趨勢。

圖2 研究區(qū)2009—2019年各剖面形態(tài)演化

注:1: 第一階段平均灘肩寬度,2: 第二階段平均灘肩寬度,3: 第三階段平均灘肩寬度

表2 EOF分析各剖面特征函數(shù)及貢獻率

Tab.2 EOF analysis of the characteristic functions and contribution rates of the sections

圖3 石老人海灘各剖面的空間特征函數(shù)和時間系數(shù)

第一時間模態(tài)對應的是長時間尺度內(nèi)的海灘主要蝕淤變化趨勢, PMB第一時間模態(tài)(1)隨時間持續(xù)周期性地波動, 總體上呈減小趨勢(圖3b), 表示剖面各時間段內(nèi)淤積量并不相等, 但從長時間尺度來看是存在侵蝕的, 該剖面第一時間模態(tài)展現(xiàn)了較為明顯的階段特征, 2009年至2011年下半年第一時間系數(shù)變化不大, 穩(wěn)定在1.5—2.0范圍內(nèi), 從2011年下半年至2012年底, 第一時間系數(shù)下滑顯著, 說明這一階段內(nèi)PMB經(jīng)歷了十分明顯的侵蝕作用, 從2013年開始, 第一時間系數(shù)整體達到相對穩(wěn)定, 只有極個別月份表現(xiàn)出了較大的突變, 主要表現(xiàn)為季節(jié)性的增減, 表明海灘形態(tài)變化再次趨于穩(wěn)定。這種顯著的階段性演化特征與前文的灘肩寬度分析和第一空間模態(tài)分析結果是高度一致的; PMC和PMD剖面第一時間模態(tài)(1)同樣隨時間周期性的波動, 波動幅度較大且未表現(xiàn)出階段性的演化規(guī)律, 時間系數(shù)增大和減小趨勢交替出現(xiàn)(圖3d—3f), 表示此模態(tài)的時間過程是周期性交替淤積和侵蝕。

3.2.2 第二模態(tài) 三個剖面的第二空間模態(tài)(2)距平值有正有負, 表明海灘既有淤積又有侵蝕。PMB第二空間模態(tài)指示了該剖面10.04%的變化情況(圖3a), 離岸0—70 m的后濱區(qū)域幅值為正, 期間有多次波動, 表明泥沙淤積的程度不同, 其中正極大值出現(xiàn)在離岸140 m處, 對應于剖面的灘肩向海側, 說明該處是海灘剖面變化最大的區(qū)間。在離岸170 m處平均高潮線向海附近區(qū)域為臨界節(jié)點, 兩側蝕淤關系相反, 170—280 m幅值為負, 表明前濱下部主要存在泥沙沖刷與侵蝕。PMC第二空間模態(tài)指示了該剖面19.49%的變化(圖3c), 在離岸20、42和105 m處存在節(jié)點, 0—20 m為負值, 對應泥沙侵蝕, 20—42 m區(qū)間為正值, 表明該區(qū)域存在泥沙淤積, 其中離岸42 m處對應灘肩頂位置, 指示灘肩泥沙存在向岸輸移的情況。從離岸42—105 m, 振幅為負值, 且70 m處出現(xiàn)負極大值, 表明平均高潮線以下一定范圍灘面存在十分明顯的侵蝕現(xiàn)象, 且70 m處的沖刷侵蝕最為強烈, 從105 m開始到離岸220 m前濱區(qū)域的幅值均為較小正值且相對穩(wěn)定, 說明前濱存在微弱且穩(wěn)定連續(xù)的淤積。PMD第二空間模態(tài)指示了該剖面18.74%的變化, 在離岸95 m處存在節(jié)點(圖3e), 0—95 m范圍內(nèi)普遍為負值, 且由20 m處的負極大值逐漸趨向于零, 說明離岸20 m的后濱區(qū)域侵蝕最為強烈, 隨著離岸距離的增加侵蝕程度逐步減弱, 至離岸95 m前濱上部區(qū)域蝕淤關系發(fā)生轉變, 泥沙轉為向海搬運的運動, 至前濱離岸約170 m處達到正極大值, 淤積程度最為明顯, 隨后時間的推移最終慢慢趨于穩(wěn)定, 這種現(xiàn)象可能是灘肩剖面向沙壩剖面的轉換。上述變化主要由地形和水動力作用引起, 受地形和水動力影響, 海灘前濱帶的泥沙運動活躍, 灘面下部至平均低潮位泥沙向岸移動, 導致灘肩剖面的增長, 反之則導致灘肩剖面的削弱。因此, 第二模態(tài)反映了海灘泥沙在動力作用下的季節(jié)性向岸或離岸運移, 以及由此造成的灘肩剖面的增長或削弱, 實測剖面地形時也可以觀察到這個現(xiàn)象, 第二模態(tài)分別指示了各剖面10.04%、19.49%和18.74%的變化。

從第二時間模態(tài)可以看出, 各剖面2均呈現(xiàn)為十分顯著的周期性變化(圖3b—3f)。各剖面每年的第二時間模態(tài)距平值普遍為夏大冬小, 夏季剖面明顯存在程度不一的淤積過程, 靠近最大高潮線的部位淤積, 形成灘肩, 冬季遭受沖刷逐漸削弱甚至消失, 具有明顯的夏淤冬蝕特征。因此可以推測, 第二時間模態(tài)所代表的具有周期性特征的動力過程受季節(jié)性波浪影響較為顯著, 由此指示了剖面泥沙向、離岸運動的周期性季節(jié)旋回, 即冬蝕夏淤, 這種模態(tài)以灘肩區(qū)域的季節(jié)性蝕淤為主要特征, 與前文對第二空間模態(tài)分析所認為的灘肩剖面反復消長相對應。

3.2.3 第三模態(tài) 各剖面第三模態(tài)方差占比分別為8.58%、10.56%和10.05%, 這分別指示了三個剖面8.58%、10.56%和10.05%的變化情況, 由圖5—圖7可知第三空間模態(tài)3變動幅度較大, 極可能是人為因素、突發(fā)狀況和岬角的遮蔽效應等次要因素引起的蝕淤變化, 例如人類活動、排水口泄洪、臺風及其引起的風暴浪潮等偶發(fā)因素。第三時間模態(tài)(3)未見顯著的周期變化特征, 具有典型的隨機性和偶然性, 指示的是人類活動、極端氣候等為主的偶然動力或排水口影響引起的灘面短期變化, 此過程偶發(fā)性較高且無明顯規(guī)律, 因此方差占比相對比較小。據(jù)石老人海域氣象資料, 極端天氣主要集中于當?shù)厍锒竟?jié), 主要通過顯著影響波浪等動力條件并引起輸砂瞬時改變, 進而促使剖面地形的突發(fā)變化; 同時, 石老人砂質海灘作為當?shù)匾?guī)模較大的海水浴場, 兩側設有兩處排水口, 浴場游客人為擾動較為頻繁, 管理部門會進行不定期維護, 這也是第三時間模態(tài)缺乏規(guī)律性特征的一個因素。

4 討論

4.1 影響海灘剖面差異性變化的因素

4.1.1 波浪控制了海灘剖面的季節(jié)性變化 石老人海域浪潮作用指數(shù)值為1.38(馮哲等, 2016), 其中=2.5/(1/10平均波高;平均潮差),>1為浪控型,<1為潮控型,≈1為過渡型(崔金瑞等, 1992), 因而石老人海灘屬于浪控為主的海岸, 石老人海灘三個剖面第一特征函數(shù)以平均大潮高潮線附近的灘面沖刷區(qū)域波動最大為最主要特征。該區(qū)近海波浪冬季多為WNW—NNW向的離岸浪(圖1)對海灘的建設作用相對較小; 春季多出現(xiàn)E、ESE向風浪; 夏季風浪多為ES向; 秋季NW向風浪最多(圖1)是對海灘建設作用最為明顯的波浪類型。當波浪到達石老人海灘近海時, 灣內(nèi)海灘由于岬角的遮蔽作用相對穩(wěn)定, 未受遮蔽的海灘沖蝕作用增加, 造成PMB的強烈變化, 灘面是變化強度最大的區(qū)域。同時, 2009—2011年年均波高在1.1—1.2 m (馮哲等, 2016), 2011—2012年變化不大, 約在1.1 m附近, 至2012年以后波高隨著海平面的上升有所下降, 但還是浮動在1.0 m附近, 在這種新的動力環(huán)境下, 海灘產(chǎn)生相應的平衡響應, 逐漸處于新的穩(wěn)定階段。

4.1.2 海平面變化和臺風控制了海灘剖面的突變 根據(jù)EOF時間模態(tài)展現(xiàn)出的演化規(guī)律, 由于岬角的遮蔽作用, PMD變化不大, PMB和PMC在2011—2012年間為突變階段, 演化階段與海平面階段性上升具有較高的時間一致性。國家海洋信息中心監(jiān)測資料顯示石老人海灘近海(黃海海域)海平面在1980年以來總體上呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的大趨勢(王慧等, 2018)。據(jù)《2019年中國海平面公報》海平面監(jiān)測顯示, 1980—2019年黃海海平面的平均上升速率為3.2 mm/a, 海平面變化是一個緩慢的過程, 通常引起波浪潮汐的變化, 并導致海灘對新的水動力條件產(chǎn)生平衡響應(李廣雪等, 2013)。2009—2011年期間,海平面上升幅度相對較小, 年均變化速率小于10 mm/a, 在2011—2012年間, 海平面上升的年際速率達到53 mm/a, 2012—2019年的海平面凈增長幅度較小, 年際平均上升速率僅為5 mm/a左右(圖4), 2011—2012年間的上升速率明顯大于其他時間段, 是1980年以來黃海海平面上升速率最快的一年, 因此這段時間海平面的大幅上升可以引起波浪潮的顯著變化, 從而打破了研究區(qū)此前水動力環(huán)境的平衡狀態(tài), 擴大了波浪、潮汐和風暴潮的影響范圍。浪、潮等水動力因素會隨之在短期內(nèi)發(fā)生顯著變化(Neshaei, 2017), 致使海灘遭受侵蝕并發(fā)生形態(tài)的突變, 岸線和灘肩后移。2012年以后, 海平面達到比之前更高的程度并在這個新的狀態(tài)下長期保持相對穩(wěn)定或小幅度波動, 導致研究區(qū)海域的水動力條件顯著變化后沒有調(diào)整回原來的平衡狀態(tài), 最終在新的平衡狀態(tài)下保持相對穩(wěn)定, 這個過程對應了PMB和PMC經(jīng)歷“平穩(wěn)—突變—平穩(wěn)”三個階段的演化。在其他海灘的研究中, 也發(fā)現(xiàn)海平面變化對于海灘剖面形態(tài)的重要影響, 例如Abessolo 等(2020)在西非海灘對海平面上升引起的海灘響應進行了研究, 分析表明海平面的階段性變化會導致海灘形態(tài)產(chǎn)生與之對應的變化, 從而強調(diào)了海灘形態(tài)對海平面變化的積極適應性; Nidhinarangkoon等(2020)對泰國芭提雅旅游海灘進行了類似的分析, 研究同樣表明了在海平面變化的大背景下海灘形態(tài)會隨著海平面的變化產(chǎn)生適應性的演化。

圖4 研究區(qū)海域海平面長期變化情況

在偶發(fā)因素方面, 從時間模態(tài)來看, 在風暴潮發(fā)生之后海灘形態(tài)會發(fā)生急劇變化并在一定時間內(nèi)進行調(diào)整。根據(jù)中國氣象臺臺風網(wǎng)氣象記錄可知, 2009—2019年11年內(nèi)該海域過境臺風共發(fā)生13次(表3), 僅2011—2012年約1年的時間就發(fā)生了5次, 占本文觀測期間過境總數(shù)1/3以上, 其余年份年均過境次數(shù)僅有1.1次左右(周良勇等, 2013)。馮哲等(2016)曾針對該海灘進行了剖面形態(tài)連續(xù)演化的研究, 結果顯示研究海灘在臺風過境之后的灘肩寬度和單寬體積均存在明顯的減小, 在過境之后的一段時期內(nèi)開始逐漸回調(diào), 在2011—2012年這一期間內(nèi), 該海域遭受臺風影響十分頻繁, 導致海灘剖面形態(tài)產(chǎn)生了連續(xù)的沖蝕響應, 剖面單寬體積和灘肩寬度在這一階段存在階段性的大幅度下降, 單寬體積減小約14.9—98.2 m3, 最大減小幅度可達98.2 m3左右, 灘肩寬度減小約5—30 m, 最大縮減約30 m, 這與本文時間模態(tài)曲線所顯示的趨勢基本一致。因而偶發(fā)臺風過境之后會破壞海灘原有的平衡狀態(tài)并對其形態(tài)產(chǎn)生較大的影響, 加上同期海平面的變化, 導致了與前文時空模態(tài)相吻合的形態(tài)突變, 使得海灘無法恢復到原來的平衡狀態(tài)。

4.2 半遮蔽海灘剖面變化差異和新穩(wěn)定狀態(tài)

石老人海灘11 a內(nèi)發(fā)生長時間尺度的海灘剖面時空演化, 海灘不同位置蝕淤程度存在異同, 石老人海灘EOF空間模態(tài)分析顯示(圖3), PMB的局部沖刷主要集中在最大高潮線以下的灘面, 該區(qū)域垂向變化幅度較大, PMC和PMD的灘面處都有少量穩(wěn)定的淤積, 灘肩寬度變化尺度相對PMB而言較小(圖2), 這種空間尺度的蝕淤差異極易受岸線地形地貌因素的影響。與之類似, 國外學者研究了非洲摩洛哥阿加迪爾灣半遮蔽型海灘在2014年1月至2014年3月的8次風暴和相應水動力共同作用下的形態(tài)演變及空間差異(Aouiche, 2016), 結果顯示處于阿加迪爾灣岬角遮蔽區(qū)域的北部岸段在該期間內(nèi)遭受的侵蝕程度相對較低, 海灘沉積物凈虧損約占原先21%, 而處于相對開放區(qū)域的南部岸段, 受岬角遮蔽作用較為微弱, 海灘沉積物凈虧損約74%, 具有十分典型的空間差異。最終, 海灘在恢復過程中逐漸適應了新的水動力條件, 在此后達到了新的平衡狀態(tài)。

表3 2009—2019年期間影響青島海域的臺風

Tab.3 Typhoons affecting Qingdao waters from 2009 to 2019

經(jīng)過11 a的演化, 由于岬角的半遮蔽效應, 岬角附近的海灘部分變化不是很明顯。遠離岬角的海灘部分變化較為強烈, 但是目前仍然沒有恢復到原來的形態(tài), 尚不能確定將來是否會恢復到原來的形態(tài)。根據(jù)海平面和波浪的變化, 海平面在2009—2019年呈現(xiàn)階段性上升趨勢, 2011—2012年上升十分顯著, 速率可達53 mm/a, 遠大于前后兩個階段。同樣的, 2009—2011年年均波高在1.1—1.2 m之間(馮哲等, 2016), 2011—2012年變化不大, 約在1.1 m附近, 至2012年以后波高隨著海平面的上升有所下降, 但還是浮動在1.0 m附近。目前隨著動力調(diào)整和海平面的變化, 石老人海灘剖面可能會在這種新的動力環(huán)境下產(chǎn)生了新的適應模式, 在一段時間保持目前的剖面形態(tài)。

4.3 自然和人類活動下的海灘垂向擾動深度

海灘變化受到自然因素和人類活動的共同作用, 但是一般對于海灘的垂向擾動深度不夠明確。海水浴場海灘表面經(jīng)常遭受游客的擾動, 且當?shù)毓芾聿块T每年會在海灘表面進行篩沙工作, 從而導致灘面沉積物的松散程度增大, 抗侵蝕能力明顯降低, 泥沙易被波浪或風暴潮攜帶流失。其次, 靠近岬角的剖面除了受到遮蔽作用, 礫石普遍較多, 游客密度和人類擾動相對較小, 而遠離岬角的剖面灘寬沙細且游客密集, 這也可能是導致EOF空間模特分析顯示的各剖面灘面區(qū)域泥沙垂向蝕淤程度存在差異的一個因素。此外, 石老人海水浴場在開發(fā)過程中, 濱海道路、廣場及其他設施的修建侵占了部分沙灘后濱, 在這一定程度上破壞了沙灘地貌的完整性, 降低了海灘本身的動態(tài)補給能力?？傮w來說, 經(jīng)過長達11 a的監(jiān)測, 在自然和人類活動的共同作用下, 海灘的垂向變化為0.1—2.0 m, 變化幅度最小區(qū)域在灘肩, 為0.1—0.7 m; 最大變化位置在平均高潮線以下灘面區(qū)域, 幅度可達2.0 m。遠離岬角剖面變化幅度較大, 為0.3—2.0 m, 岬角附近剖面僅為0.2—1.0 m。

5 結論

EOF時空模態(tài)分析顯示, 各剖面第一模態(tài)方差代表了長時間尺度內(nèi)最主要的蝕淤變化趨勢。遠離岬角剖面的第一模態(tài)方差占比約為71%左右, 表示剖面此類變化幅度最大, 靠近岬角剖面的第一模態(tài)方差占比約為50%左右, 表示剖面此類變化幅度相對較小。第二模態(tài)表征短期季節(jié)性蝕淤變化及其引起的灘肩剖面形成增長或削弱消亡, 遠離岬角剖面的第二模態(tài)方差占比約為10%左右, 表示剖面的此類變化相對較小, 靠近岬角剖面的第二模態(tài)方差占比約為19%左右, 表示近岬角剖面此類變化幅度相對遠者更加明顯; 第三模態(tài)表征人類活動、偶發(fā)因素或海岸地形等引起的不規(guī)律蝕淤變化, 遠離岬角剖面的第一模態(tài)方差占比僅約為8%左右, 表示剖面此類變化幅度略小, 靠近岬角剖面的第一模態(tài)方差占比約為10%左右, 表示剖面此類變化略大。

剖面形態(tài)變化最大的區(qū)域主要位于平均高潮線以下的灘面, 時間模態(tài)分析顯示剖面形態(tài)變化存在平衡(2009—2011年)—突變(2011—2012年)—穩(wěn)定(2012—2019年)三個演化階段。波浪是控制石老人砂質海灘演化趨勢的最主要因素, 第一階段海平面相對平穩(wěn), 海灘變化較為微弱; 第二階段海平面顯著升高且風暴潮頻繁發(fā)生, 引起了海灘剖面突變; 第三階段海平面穩(wěn)定在較高水平, 海灘遭受侵蝕后適應了新的動力條件并達到穩(wěn)定, 但并未恢復原先狀態(tài)。另外人為因素也會使砂質海灘表面沉積物變得松散而影響海灘的侵蝕作用。

各剖面11 a來均存在連續(xù)的形態(tài)演化且變化幅度不一, 遠離岬角剖面最終灘肩位置向陸推移, 寬度縮減約30 m。岬角附近剖面變化幅度相對較小, 存在較為穩(wěn)定的淤積現(xiàn)象。在垂向變化方面, 遠離岬角的剖面變化幅度較大, 為0.3—2.0 m, 岬角附近剖面為0.2—1.0 m。這是因為隨著岬角距離的增大, 岬角對遠離岬角的剖面的遮蔽效果降低造成的。變動最大的區(qū)域大致處于灘肩頂?shù)狡骄叱本€以下的灘面上部, 變動最小的區(qū)域位于灘肩。

致謝 海灘剖面實地監(jiān)測由研究生王興、鄭謙、袁忠鵬、唐懷能、黃暢、彭錦、Abiola John Wrigh、王凱偉等人連續(xù)共同高質量完成, 在此表示誠摯謝意。感謝各位審稿人提出的寶貴意見, 使本文的質量獲得極大的提高。

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EMPIRICAL ORTHOGONAL FUNCTION ANALYSIS OF THE LONG-TERM SPATIOTEMPORAL EVOLUTION OF A SEMI-SHELTERED BEACH

LIANG Wei-Qiang, WANG Yong-Hong

(Key Laboratory of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Ministry of Education, College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The evolution of a semi-sheltered beach is affected by the headland on one side. The morphological evolution characteristics, erosion and deposition trend, and driving factors of Shilaoren Beach in Qingdao, Shandong, was analyzed as an example based on elevation data monitored for 11 consecutive years at 3 typical sections. By using the Empirical Orthogonal Function (EOF) analysis method, the original anomaly matrix of the elevation data was decomposed into corresponding spatial and temporal characteristic functions, and the morphological evolution, erosion and deposition trends, and the driving factors were examined. More than 77% of the total variance of first three empirical orthogonal function was used to reflect the basic evolution of the beach. The first mode represented the most important erosion and deposition trend of sandy beach surface on a long time scale. The second mode indicated the seasonal erosion and deposition change and the growth or decay of the beach shoulder formation caused by seasonal deposition and erosion. The third mode reflected the irregular erosion and deposition change caused by human activities, accidental factors, or coastal topography. Results show that in the past 11 years, Shilaoren Beach has experienced three stages: the first stage is the stable period (January 2009 to July 2011), the second stage is the sudden change period (July 2011 to September 2012), and afterward was the third stage, a new stable period (September 2012 to December 2019). The average elevation variation range of the beach in the past 11 years was 0.1—2.0 m, which was affected by natural and human activities. Wave was the most important hydrodynamic factor of the morphologic evolution of the beach. Different sheltering effect of headland on semi-sheltered beach led to evolutional difference at different sections under the impact of typhoon and the resultant temporal sea level rise that stayed quite a long time. During typhoon events, the open shore section away from the headland was significantly adjusted and the width of section shoulder was reduced by about 30 m, while the headland inside the bay remained relatively stable. At present, the beach morphology is in a new stable state after the sudden change period.

Shilaoren Beach; coastal erosion and deposition; spatiotemporal evolution; semi-sheltered beach; empirical orthogonal function (EOF)

* 國家重點研發(fā)計劃項目，2016YFC0402602號; 國家自然科學基金項目，41376054號, 41176039號, 41410304022號。梁偉強，碩士研究生，E-mail: 1596761796@qq.com

王永紅，博士生導師，教授，E-mail: yonghongw@ouc.edu.cn

2021-01-05，

2021-03-10

P736.21

10.11693/hyhz20210100002