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辐射沙洲海域潮汐不对称对岸线变化的响应

钱沛 冯曦 冯卫兵 张蔚

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辐射沙洲海域潮汐不对称对岸线变化的响应

    作者简介: 钱 沛(1995—),男,江苏海门人,硕士研究生,主要从事河口海岸动力学研究。E-mail:jshmqp@yeah.net.
    通讯作者: 冯 曦(E-mail:xifeng@hhu.edu.cn); 
  • 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51709091);江苏省自然科学基金资助项目(BK20170874);中央高校基金资助项目(2017B005)
  • 中图分类号: P731.23

Response of tidal asymmetry to coastline changes in radial sand ridges sea area

    Corresponding author: FENG Xi, xifeng@hhu.edu.cn;
  • 摘要: 基于Delft3D建立辐射沙洲海域平面二维潮流数值模型,并与实测潮位流速进行验证,保证了计算精度。分别对1984年和2014年岸线条件下辐射沙洲海域的潮汐不对称性进行了研究。结果表明,辐射沙洲海域潮波变形显著,大部分区域涨潮历时小于落潮历时。近岸地区潮波变形在岸线变化后明显减弱。浅滩和深槽处涨落潮流速相对大小不同。岸线变化使得该海域涨潮占优的特性越发显著。通过分析烂沙洋水道及西洋水道的潮汐不对称性,分别探讨了岸线变化对两个潮波系统的影响特征。岸线变化对传入辐射沙洲南部水域的东海前进波的影响为:大潮期涨落潮潮高不对称性在岸线变化前后差别大,偏度在岸线变化后略微增加。岸线变化对传入辐射沙洲北部水域的黄海旋转潮波的影响为:偏度在岸线变化后增加明显,造成潮汐不对称的主要分潮组合可能发生改变。
  • 图  1  站点分布及网格划分

    Figure  1.  Distribution of stations and mesh generation

    图  2  潮位验证

    Figure  2.  Tidal level verification

    图  3  潮流验证

    Figure  3.  Validation of tidal current velocity

    图  4  1984和2014岸线情况下分潮振幅比和相位差分布

    Figure  4.  Amplitude ratio and phase difference distribution of tidal components under 1984 and 2014 coastline conditions

    图  5  1984和2014岸线情况下纵向分潮流振幅比和相位差分布

    Figure  5.  Amplitude ratio and phase difference distribution of the longitudinal velocity of tidal components in 1984 and 2014

    图  6  烂沙洋水道和西洋水道大小潮期间各点的水位历时曲线

    Figure  6.  Water level diachronic curve at each point in the Lanshayang and Xiyang channels during spring or neap tide

    图  7  烂沙洋水道各点各类潮高差

    Figure  7.  Difference of tidal height in the Lanshayang channel

    图  8  西洋水道各点各类潮高差

    Figure  8.  Difference of tidal height in the Xiyang channel

    图  9  烂沙洋水道和西洋水道偏度沿程变化

    Figure  9.  Changes of skewness along the Lanshayang and Xiyang channels

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-01
  • 网络出版日期:  2020-05-15

辐射沙洲海域潮汐不对称对岸线变化的响应

    通讯作者: 冯曦, xifeng@hhu.edu.cn
    作者简介: 钱 沛(1995—),男,江苏海门人,硕士研究生,主要从事河口海岸动力学研究。E-mail:jshmqp@yeah.net
  • 1. 海岸灾害及防护教育部重点实验室(河海大学),江苏 南京 210098
  • 2. 河海大学 港口海岸与近海工程学院,江苏 南京 210098

摘要: 基于Delft3D建立辐射沙洲海域平面二维潮流数值模型,并与实测潮位流速进行验证,保证了计算精度。分别对1984年和2014年岸线条件下辐射沙洲海域的潮汐不对称性进行了研究。结果表明,辐射沙洲海域潮波变形显著,大部分区域涨潮历时小于落潮历时。近岸地区潮波变形在岸线变化后明显减弱。浅滩和深槽处涨落潮流速相对大小不同。岸线变化使得该海域涨潮占优的特性越发显著。通过分析烂沙洋水道及西洋水道的潮汐不对称性,分别探讨了岸线变化对两个潮波系统的影响特征。岸线变化对传入辐射沙洲南部水域的东海前进波的影响为:大潮期涨落潮潮高不对称性在岸线变化前后差别大,偏度在岸线变化后略微增加。岸线变化对传入辐射沙洲北部水域的黄海旋转潮波的影响为:偏度在岸线变化后增加明显,造成潮汐不对称的主要分潮组合可能发生改变。

English Abstract

  • 潮汐不对称是指涨落潮历时之间的差异,其成因是潮波自外海向近岸传播时,水深、径流等因素使得潮波能量发生消减,进而导致潮波变形。这种变形对泥沙运动、地形变化及物质迁移有着重要影响。在半日潮海区,外海对称的M2分潮波与其在近岸产生的M4,M6等倍潮波叠加后发生变形,呈现不对称形式[1-2]。通常用振幅比(M4/M2)描述潮波变形程度,用相对相位(2M2- M4)描述不对称特性[3-4]。Friedrichs等[5]利用上述指标对河口的潮汐和潮流不对称现象作了定量研究。Blanton等[6]在研究不同类型河口时增加了对M6分潮的分析。在全日潮海区,K1,O1等分潮取代M2,M4等分潮在潮汐运动中占主要作用,半日潮海区的研究方法不再适用。Ranasinghe等[7]采用概率分布和频谱方法研究了K1,O1,M2和M4分潮间的能量迁移。Elgar等[8-9]利用统计学中的“偏度”和“不对称度”对潮汐和潮流不对称现象进行了研究。Song等[10]基于Nidzieko的研究,进一步阐明了潮汐不对称的计算方法,并对全球多个站的潮汐不对称性进行了研究。童朝锋等[11]基于偏度和复分析方法,对海南红塘湾的潮汐不对称现象做了研究。李谊纯[12]基于偏度的概念,探讨了潮流不对称与推移质泥沙净输运的关系。

    江苏省海岸线长,水动力条件复杂,近几十年来,辐射沙洲区域的大规模围垦深刻改变了该区域的地形和岸线,海岸线的向海延伸也势必会给辐射沙洲区域水动力特性带来影响。针对辐射沙洲海域围垦对该海域水动力环境的影响,一些学者做了相关研究。陈可锋等[13]基于历史资料研究了江苏海岸的演变过程并复现了不同时期海岸线的位置,同时通过对南黄海区域数值模拟发现该区域岸线变化对潮波影响巨大,潮汐振幅的最大变化值发生在辐射沙洲海域;张弛等[14]以探讨江苏近海围垦工程对周围水动力特性的影响为研究目标,对技术路线及预期成果作了具体阐述;张长宽等[15]探讨了潮滩的大规模开发利用对近岸水动力条件及生态环境的影响,同时提出了相应的环境保护措施;刘晓东等[16]基于环境流体力学代码EFDC对条子泥围垦前后潮流场进行了三维数值模拟并探讨了围垦对周边海域水动力环境的影响;张松等[17]采用大小网格嵌套的二维数值模型,探讨了江苏辐射沙洲海域围垦前后潮流及悬沙特性的变化。

    综上所述,目前针对辐射沙洲区域岸线变化导致的周边海域水动力环境变化的研究主要集中在围垦前后潮位和潮流场的变化,对该海域岸线变化对潮汐不对称的影响特征分析尚待进一步研究。

    • 采用Delft3D模型系统(版本:4.03.01),该模型采用了贴体的正交曲线网格,相较于矩形网格能更平滑地描述河口海岸边界,减小离散误差;在垂向上采用σ坐标,能够较好地拟合复杂的海底地形。

      本文模拟范围东西横跨119°~123°E,南北覆盖31°~37°N,囊括了整个中国南黄海区域(图1),该区域东部有一段两端接岸的弧形海洋开边界,为了提高模拟精准度,将其细分为19段,其余的北、西和南边界都为陆地边界。考虑到外海区域工程建设少、水深测图较少且资料更新慢的特点,尽可能多地搜集了外海水深资料,并利用ETOPO全球地形数据集进行补充,在近岸地区则分别采用1984年及2014年前后的实测水深数据,初始水深地形如图1(a)所示。模型采用曲线正交网格,为了更好地拟合南黄海海域复杂的海岸线边界和海底地形,对近岸区域的网格进行了加密,网格分辨率由海向岸增大,最高网格分辨率为500 m,最低为4.5 km,共有45 539个网格节点,垂向上设置1个σ层,模型的时间步长为60 s。采用潮位控制驱动模型,计算时给定开边界不同节点处的潮位值,节点处的潮位值可由日本潮汐预报软件NAOTIDE获得并插值代入模型进行计算。该潮汐预报软件同化了T/P卫星高度计和东亚地区沿岸验潮站观测资料,精度较高。模型采用冷启动方式,假设开始时海洋是静止的,初始条件为在所有计算节点上的水位值都为0,因此预留了2个月的冷启动的加速时间,以避免由于冷启动和静止假设带来的误差,模型每隔1 h输出1个数据。

      图  1  站点分布及网格划分

      Figure 1.  Distribution of stations and mesh generation

      辐射沙洲海域岸线在1984—2014年间变迁较为剧烈,因此选择2个典型时期(1984年和2014年)的岸线作为研究对象,且均利用2013年11月1日至2014年12月31日的潮位数据作为开边界条件。其中2014年的岸线数据可从Google Earth Pro中较为准确地提取,但该软件提供的1984年岸线并不清晰,故从美国地质勘查局USGS的网站(https://earthexplorer.usgs.gov)上选取Landsat 4-5 TM C1 Level-1 数据集,并筛除了云量较多的图片,最终选取6张卫图,WRS2坐标下的Path(条带号)自北向南分别为119,119,120,120,119和118,对应的Row(行编号)分别为34,35,35,36,37和38,最后将带有坐标信息的卫图导入到Google Earth Pro中,形成图像叠加层覆盖原先不清晰的区域,并提取图片中的岸线坐标信息。

    • 本文尽可能地收集了多个潮位站的潮位数据,这些测站由北向南覆盖了大部分南黄海的海岸线,测站位置如图1(a)所示,从北至南依次为连云港、响水、大丰、洋口港、蛎蚜山,其中洋口港的实测资料来自中心站,其余4个测站由河海大学建立。考虑到辐射沙洲海域2014年和2016年的岸线基本一致,本文分别利用河海大学各测站2014年的潮位数据,和洋口港2016年的数据进行模型的验证。同时对辐射沙洲海域的蛎蚜山站增加1组2007年的潮位验证,与流速验证保持时间同步。

      将江苏沿海5个测站的水位数据与模型输出结果进行比对(图2),比对时间段为2007年1月1日至2007年1月19日、2014年2月11日至2014年3月1日及2016年2月11日至2016年3月1日。结果显示除连云港大潮期间模拟值偏大外,其余测站相位拟合很好,潮位相关系数均较高,其中蛎蚜山潮位相关系数最低,为0.97,其他测站均接近于1。

      图  2  潮位验证

      Figure 2.  Tidal level verification

    • 本文还对潮流流速进行了验证。鉴于只有2007年1月相关测站冬季水文流速观测资料(数据资料来源于FENG[18]),流速测站的位置如图1(b)所示,模拟时间段为2006年6月1日至2007年1月31日,并提取2007年1月的流速资料进行验证(图3)。其中Y12,Y13,R23三个测站为大潮时期(2007年1月4日)流速,流速较大;Y9,R20,R24三个测站为小潮时期(2007年1月11日)流速,流速较小。从图3中可以看出,6个测站的流速流向均模拟较好。

      图  3  潮流验证

      Figure 3.  Validation of tidal current velocity

    • 辐射沙洲海域属于半日潮海区,由此可引入Friedrichs和Aubrey[19]定义的M4/M2振幅比和2M2-M4相对相位参数:

      $$ {A_{\rm r}} = {a_{{\rm M_4}}}/{a_{{\rm M_2}}} $$ (1)
      $$ {G_{\rm r}} = 2{g_{{\rm M_2}}} - {g_{{\rm M_4}}} $$ (2)

      式中:$ {a_{{\rm M_4}}} $$ {a_{{\rm M_2}}} $分别为M4和M2分潮的振幅;$ {g_{{\rm M_4}}} $$ {g_{{\rm M_2}}} $分别为M4和M2分潮的相位迟角。$ {A_\rm r} > 0.01 $表明潮波发生较为显著的变形;$ {G_\rm r} $则反映潮汐不对称中涨潮和落潮之间的优势关系,通过潮位分潮相位差和流速分潮相位差的组合关系可以判定特定水域是涨潮占优还是落潮占优,具体分类见文献[19]。

      通过对潮汐分潮进行相关运算,得到如图4所示的辐射沙洲海域基于1984年和2014年海岸线的潮汐分潮振幅比和分潮相位差的空间分布。如图4(a),整个辐射沙洲海域的分潮振幅比较大,经统计分析,86%以上区域的分潮振幅比均超过0.01的标准,说明辐射沙洲海域中潮波发生了显著变形,具有M2相对较弱或M4相对较强的特点。同时从分潮振幅比的空间分布情况不难看出,岸线变化前,辐射沙洲近岸地区的潮波发生了严重变形,这种现象在弶港北部近海水域尤为明显,某些地区振幅比甚至达到0.9,相对来说,弶港南部近海水域发生严重变形的潮波区域范围就小得多,这可能和弶港北部近岸地区滩涂分布广泛有关。此外,在这些潮波变形剧烈的地区,分潮振幅比呈现出交错分布的态势,这也与辐射沙洲海域复杂多变的地形特征相吻合。近几十年的人类围垦活动使得该海域岸线不断向海推进,尤以弶港及其北部地区为最,如图4(b)所示。整体上来看,该海域的潮波变形仍很显著,局部来看,近岸地区的潮波变形程度在岸线变化前后发生了明显的变化。在弶港及其北部近岸区域,除了湾口部分仍有较大的振幅比存在,其余部分的振幅比均小于0.1,在弶港南部近岸区域仍有较大的振幅比出现,但其范围相对岸线变化之前有所减小,这主要是该区域围垦活动相对较少导致的。

      图  4  1984和2014岸线情况下分潮振幅比和相位差分布

      Figure 4.  Amplitude ratio and phase difference distribution of tidal components under 1984 and 2014 coastline conditions

      本文除给出分潮相关参数的空间分布情况,还进一步分析给出了纵向分潮流振幅比和相位差分布,如图5所示。考虑到潮波变形一般是相对于波形而言的,所以潮位振幅比更能反应潮波变形的程度,而分潮流振幅比反映的是流速过程曲线的变形程度,其对泥沙等物质的输运过程有某种程度的影响[19]。由图5(a)(b)可见,分潮流振幅比的分布与上述分潮振幅比的分布差别较大,且其分布与辐射沙洲地形较为贴合,水深浅的地方,分潮流振幅比相对较大,说明分潮流振幅比的分布与水下地形密切相关。涨潮占优的不对称性使涨潮时输沙量大于落潮时输沙量,使悬沙向上游输送[20],结合辐射沙洲顶部冲刷和根部淤积的趋势,可推测泥沙是由振幅比相对小的外海净输运至振幅比相对大的近岸,最终数值上趋于一致,达到一种动态平衡。对比岸线变化前后的分潮流振幅比分布图可以发现,随着岸线的向海侵入,近岸出现较大振幅比的区域逐渐消退,但烂沙洋通道附近某沙脊的振幅比不降反升,且有明显的接岸趋势,说明未来不短的时间内仍有大量的泥沙输运至该区域,这对于后续的围垦活动有一定的参考价值。

      图  5  1984和2014岸线情况下纵向分潮流振幅比和相位差分布

      Figure 5.  Amplitude ratio and phase difference distribution of the longitudinal velocity of tidal components in 1984 and 2014

      分潮振幅比主要反映潮波变形的程度,而相位差可以反映不对称特性。图4(c)图4(d)反映了岸线变化前后分潮相位差的分布情况。该海域大部分区域的分潮相位差分布在0°~180°,表明该海域涨潮历时小于落潮历时,注意到东南部分区域分潮相位差在180°~360°,并在岸线变化前后有较大区别,可能是该处复杂的地形条件导致了这一现象,但总体上来看,辐射沙洲海域的涨潮历时小于落潮历时。图5(c)(d)反映了岸线变化前后分潮流相位差的分布情况。岸线变化前,近岸区域相位差分布在0°~90°,说明该区域涨潮流速大于落潮流速,同时可以发现该区域分潮相位差分布在0°~180°,表明涨潮历时短于落潮历时,依据前文的判别标准,该区域属于涨潮占优型。岸线变化后,近岸区域涨潮流速大于落潮流速的现象不是很明显,甚至出现了相反的情况。浅滩处的分潮流相位差分布在270°~90°,涨潮流速大于落潮流速,而深槽中的分潮流相位差分布在120°~180°,落潮流速大于涨潮流速。同时还可以发现,岸线的变化导致涨潮流速大于落潮流速的区域有所增加,表明该海域涨潮占优的特性越发显著。

    • 辐射沙洲主要受东海前进潮波和黄海旋转潮波两系统辐聚的影响,辐射沙脊群南翼烂沙洋水道及北翼西洋水道的相关变化在一定程度上反映东海前进波与黄海旋转潮波的相关变化特征。选取烂沙洋及西洋水道各自沿程10个点进行分析,具体位置如图1(c)所示。图6展示了岸线变化前烂沙洋及西洋水道大、小潮期间各点的水位历时曲线,可以发现烂沙洋水道潮差自西向东递减,西洋水道潮差自南向北递减,这可能是靠近辐射沙洲根部的区域水深较小,远离根部的区域水深较大导致的。同时可以发现无论是大潮还是小潮时期,各水道涨落潮潮高都有着一定的不对称性。大潮期间,烂沙洋水道相邻两个低潮之间的日不等性较为明显,而相邻两个高潮之间的日不等性很不明显,西洋水道相邻两个低潮和高潮之间的日不等性均较为明显;小潮期间,各水道高、低潮的日不等性均有所增加。

      图  6  烂沙洋水道和西洋水道大小潮期间各点的水位历时曲线

      Figure 6.  Water level diachronic curve at each point in the Lanshayang and Xiyang channels during spring or neap tide

      为了量化涨落潮潮高的不对称性,分别统计了烂沙洋及西洋水道各自10个点处大、小潮期间的各类潮高差,由图7可以发现岸线变化对烂沙洋水道潮高不对称性的沿程变化趋势影响不大,但对数值上的影响较大。岸线变化后,大潮期间的潮高不对称性受到较大影响,高潮与低低潮之间的潮高差有所减小且越往外海减小的趋势越不明显,高潮与高低潮之间的潮高差有所增加且越往外海增加的趋势越不明显。相对来说,岸线变化对小潮期间的潮高不对称性的影响较弱,无论是近岸还是外海处的点,潮高差的变化幅度都较小。由图8可以发现,岸线变化对西洋水道沿程各点潮高不对称性的影响较弱,无论是大潮还是小潮期间,潮高差的沿程变化趋势及数值大小均无明显变化。

      图  7  烂沙洋水道各点各类潮高差

      Figure 7.  Difference of tidal height in the Lanshayang channel

      图  8  西洋水道各点各类潮高差

      Figure 8.  Difference of tidal height in the Xiyang channel

      上面较为详细地阐述了岸线变化对烂沙洋及西洋水道各自沿程10个点处的潮高不对称性产生的影响,下面进一步对这些位置处的涨落潮历时不对称性开展研究,采用Song等[10]偏度统计的方法对其进行分析,这种方法不仅能量化潮汐不对称性而且能给出造成这种不对称性的主要分潮组合:

      $$\gamma \equiv \frac{{{\mu _{\rm{3}}}}}{{{\sigma ^{\rm{3}}}}} = \frac{{E[{{(\zeta {\rm{ - }}\bar \zeta )}^3}]}}{{{{(E[{{(\zeta {\rm{ - }}\bar \zeta )}^2}])}^{3/2}}}}$$ (3)

      式中:$\zeta = \partial \eta /\partial t$$\eta $为潮位的时间序列;$\bar \zeta $$\zeta $的平均值;${\mu _{\rm{3}}}$为三阶中心矩;${\sigma ^{\rm{3}}}$为对偏度$\gamma $的无量纲化处理。若$\gamma > 0$说明涨潮历时小于落潮历时,表现为涨潮占优;若$\gamma < 0$说明涨潮历时大于落潮历时,表现为落潮占优。

      图9 (a)可以发现,烂沙洋水道沿程偏度自近岸向海由正逐渐转为负,相应地,潮汐不对称性由涨潮占优转为落潮占优,并且越往外海偏度减小的趋势越不明显。岸线的变化导致1和2号点的偏度有所减小,其余点的偏度有所增加,分界点大致在3号点处。同时经分析,岸线变化前后,造成该通道沿程潮汐不对称的主要分潮组合始终为MS4/M2/S2。由图9 (b)可以发现,西洋水道偏度自南向北呈现出先减小后增加的趋势,且始终为正值,说明西洋水道的潮汐不对称表现为涨潮占优。岸线变化使西洋水道各点的偏度均有所增加,涨潮占优的特性越发显著。岸线变化前,M2/O1/K1是造成4~7号点潮汐不对称的主要分潮组合,而MS4/M2/S2对剩余点的潮汐不对称贡献最大;岸线变化后,MS4/M2/S2成为造成全部点潮汐不对称的主要分潮组合。

      图  9  烂沙洋水道和西洋水道偏度沿程变化

      Figure 9.  Changes of skewness along the Lanshayang and Xiyang channels

    • 基于Delft3D模型系统模拟了南黄海辐射沙洲海域的潮汐状况,并与实测潮位流速数据进行比较验证,确保模型结果的可靠性。在此基础上,采用振幅比和相位差的概念对辐射沙洲海域的潮汐不对称进行了研究,分析了烂沙洋与西洋水道的潮高不对称性及基于偏度概念的涨落潮历时不对称性。

      研究表明,辐射沙洲海域分潮振幅比较大,潮波变形显著,且弶港北部近海水域较南部水域变形明显。近岸地区的分潮振幅比在岸线变化后明显减小,但总体上该海域的潮波变形仍然很显著;分潮流振幅比的分布与水下地形密切相关,对泥沙等物质的输运过程有一定程度的影响,泥沙是由分潮流振幅比相对小的外海输运至振幅比相对大的近岸;总体来看辐射沙洲海域涨潮历时小于落潮历时,浅滩处的涨潮流速大于落潮流速,而深槽处的涨潮流速小于落潮流速,岸线的变化使得该海域涨潮占优的特性越发显著。

      烂沙洋、西洋水道的涨落潮潮高不对称性各有特点,大潮期间,烂沙洋水道相邻两个低潮之间的日不等性较为明显,而相邻两个高潮之间的日不等性很不明显,西洋水道相邻两个低潮和高潮之间的日不等性均较为明显,小潮期间,各水道高、低潮的日不等性均有所增加。

      烂沙洋水道大潮期潮高不对称受岸线变化影响较大,小潮期潮高不对称受岸线变化影响较弱,西洋水道大、小潮期潮高不对称受岸线变化影响均较弱;烂沙洋水道沿程由涨潮占优转为落潮占优,且越往外海偏度减小的趋势越不明显,大部分点处的偏度在岸线变化后有所增加,造成该通道沿程潮汐不对称的主要分潮组合为MS4/M2/S2,西洋水道沿程始终呈涨潮占优,偏度自南向北先减小后增加,岸线变化使西洋水道各点偏度均有所增加,造成水道中间部分潮汐不对称的主要分潮组合由岸线变化前的M2/O1/K1转为岸线变化后的MS4/M2/S2

      综上,岸线变化对传入辐射沙洲南部水域的东海前进波的影响:大潮期涨落潮潮高不对称性在岸线变化前后差别大,偏度在岸线变化后有略微增加。岸线变化对传入辐射沙洲北部水域的黄海旋转潮波的影响:偏度在岸线变化后增加明显,造成潮汐不对称的主要分潮组合可能发生改变。

参考文献 (20)

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