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! 第!"卷!第##期! 中 国 海 洋 大 学 学 报 $%#"年##月 &'()*+),-.*,6)0- !"! ##"# %78!%"# $$%#" 09 :; 潮流和风浪对海底边界层剪切应力和 悬浮物浓度影响的观测研究 " 赵盖博#!边昌伟$!徐景平8!!"" ! #;中国海洋大学海洋地球科学学院$山东 青岛 $<<#%%% 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室$山东 青岛 $<<#%%% $; 南方科技大学海洋科学与工程系$广东 深圳 =#7%==% 8; 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室$山东 青岛 $<<%%%" !; 摘!要#潮流和风浪是浅海底边界层沉积物再悬浮和垂向输运的主要动力$对底剪切应力和悬浮物浓度有显著影响&本文 基于$%#7年$月$8日!8月$日在山东半岛东侧进行的一次原位座底连续观测$利用高频点式流速仪! -+2"和浊度计 ! (>( ?41"的观测结果定量研究了潮流和风浪对底剪切应力和悬浮物浓度的影响&结果表明#在弱风浪情况下$底剪切应 力跟潮流流速的平方显著相关&但是在强风浪海况下!有效波高大于 #@"$底剪切应力受控于风浪的影响&潮流通过平 流输运作用和局地再悬浮作用影响悬浮物浓度分布$而波浪主要通过局地再悬浮影响悬浮物浓度&定量研究潮流和风浪 对底边界层剪切应力和悬浮物浓度的影响有助于认识沉积动力过程$进而优化目前沉积物输运模型中的参数化方案$达到 定量预测沉积物输运过程的目的& 关键词#!潮流%风浪%底剪切应力%悬浮物浓度 中图法分类号!!&A8#; $!!!!!文献标志码#!-!!!!!文章编号#!#9$> )-0,G N DO ?PQ F$R1K F DO ?& F DO;-S F Q T HU V WHX9 SU G Q N YU V Y Q U UN DHU W U Q DH Q HU Q H F@Q D VC 9D C Q D V Y N V F 9DF DV G Q Z K);&Q Y F 9H F C N T9 S*C Q N D1D F : Q Y U F V S,G F D N$ J9 V V 9@J9WDH N Y N Q YWDH Q YV G QF D S T W Q D C Q U9 SV F H N TC W Y Y Q D V UN DH[F DH[N : Q U( X9 XT X $%#"$!"! ##"#78 ? "#; !!黄河是中国入海大河中含沙浓度最高的河流$多 '年(#)& 黄 年平均结果显示黄河泥沙入海量高达 #%"V 河泥沙在渤海和黄海的输运机制和源汇过程等问题一 直受到科学家的关注$但是在黄河泥沙入海后的再分 () 配问题上至今仍有很大争论&尤其是 ]F T T F@ND等 $ 首 先发现了山东半岛东南存在水下沉积体$在随后的研 究中认为沉积体的物质来自黄河泥沙并把它称为山东 () 水下三角洲(8?!)&. F W 等 = 通过综合分析鲁北海域的 $ 个钻孔和约#A%%E@ 浅层地震测线解释了山东水下三 角洲的成因& 针对本区域这一输运体系$国内外学者 通过钻孔沉积物分析+地球物理测线剖面解析+数值模 拟等方法开展了大量研究(( ?41"和一台 流速剖面仪 ! (+)P9 Y E69 Y U Q<%%E6\-+,&"$用以 观测高频流速+浊度以及有效波高等$来换算底边界层 历了 一 场 较 强 的 偏 北 风 大 风 过 程$风 速 最 大 达 到 #< _!$@' U&图$! J"中的有效波高结果来源于座底三脚 湍混合强度+悬浮物浓度+水体流速和波浪状况& 其中 -+2 以脉冲方式进行流速! !$ "$ # "采样$脉冲间隔为 #G$每次采样#%@F D$采样频率为 8$6\$采样体积位 于距离海底A#C@ 处% (>( ?41 每隔 #%U记录一次浊 度数据$采 样 点 距 离 海 底 ##( ?41 的测量点位于海底边界层中的常应 力层内$切应力不随深度变化& 8!分析与讨论 !五星标注的站位为本文研究站位&图中虚线为研究海区水深 !单位# @"$黑色实线为山东水下三角洲厚度分布 (#A)&4GQU V N V F 9DT NJQ T Q HJX V GQY Q HU V N YF UW U Q HF DV G F UZ N Q Y;4G QH9 V V Q HT F DQF UV G QF U 9JN V G9 SV GQ Z U V WHXN Y Q N! 1D F V#@"$N DHV G QJ T N C EU 9 T F HT F DQF UV GQV G F C EDQ U UH F U V Y F JW ? " V F 9D9 SV GQ3GN DH9DOWDH Q Y[N V Q YH Q T V N; 8; # 潮流对底剪切应力的作用 观测站位的底剪切应力! ! "由 -+2 高频流速数据 ! $ $ & 计算得到$计算公式为# c! $# $" d! c" $# $" !b" 槡! ,.-代表系综雷诺平均! 其中# #%@F D平均"$ ! $$ " $$ #$ 和大面观测站位!黑点"分布图 分别为 '01 方向!东西+南北和垂直方向"的流速脉动 分量% " 为水体密度& / F #!4G QH F U V Y F JW V F 9D9 S@9 9 Y F DOU V N V F 9D U! Y Q HU V N YN DH O; " ! " Y Q HH9 V UN DHV Y N D U Q C VU V N V F 9D UJ T N C EH9 V U 理论上$潮流流速大小!% "的平方跟潮致剪切应 力成正比&如图8! N"所示$观测期间的底剪切应力随 图#!连续座底观测站位!红色五星和红点" $!观测结果 图$ 所示为观测站位在观测期间的气象+水文和 流速大小变化而变化$但是在两次强风浪期间$底剪切 应力会急剧升高&平均流速的平方与底剪切应力的线 性拟合结果!见图 8! J""表明底剪切应力跟 % $ 相关 性较差! _!7e % $ d% _%8!$ &b% _=A"& 这是 !V9VNTb$ ##期 赵盖博$等#潮流和风浪对海底边界层剪切应力和悬浮物浓度影响的观测研究 7= 由于在强风浪过程中$底剪切应力不再直接受控于潮 流流速$浪致剪切应力可能起主导作用 !见图 8! N""& 力进行拟合!见图!! N""& 结果显示$在弱风浪期间$底 $结合 剪切应力与潮流流速的相关系数较高 ! &b% _7 "" 为了区分潮流和风浪对底剪切应力的影响$我们按照 $ 可认为底剪切应 3&33显著相关性检验结果! _% # <" 'b% 力受潮流流速控制$ 二者显著相关$ 其拟合关系式为# 图$所示的三种风浪强度过程分别对 % $ 和底剪切应 !图中阴影区域为观测经历的两次强风浪过程&4GQU " G N H Q HN Y Q N UN Y Q9J U Q Y : Q HHW Y F DOV[9U V Y 9DO[F DH[N : Q U; 图$!观测站位气象+水文和悬浮物浓度时间序列! N"风速与风向! J"有效波高! C" !$ "$ # 方向平均流速! H"悬浮物浓度 / F $!4G QV F@QU Q Y F Q U9 S@Q V Q 9 Y 9 T 9O F C N T$GXH Y 9 T 9O F C N TN DHU W U Q DH Q HU Q H F@Q D VC 9D C Q D V Y N V F 9D ! N"[F DHU Q Q HN DHH F Y Q C V F 9D O; Z Z ! J"Q S S Q C V F : Q[N : QG Q F V! C"N : Q Y N Q: Q T 9 C F V S!$"N DH# ! H"U W U Q DH Q HU Q H F@Q D VC 9D C Q D V Y N V F 9D OG O X9 Z 图8!! N"观测期间平均流速的平方!% $"与底剪切应力! !V9VNT"的时间序列 ! J"观测期间平均流速的平方!% $"与底剪切应力! !V9VNT"的拟合关系 $ / F 8!! N" 4G QV F@QU Q Y F Q U9 SV G QU N Y Q9 S@Q N D: Q T 9 C F V DHJ9 V V 9@U G Q N YU V Y Q U U! J"4G QS F V V F DO !V9VNT"! O; fW X !% "N $ Y Q T N V F 9D U G F Q V[Q Q DV G QU N Y Q9 S@Q N D: Q T 9 C F V DHV G QJ9 V V 9@U G Q N YU V Y Q U U! Y F DOV G Q9J U Q Y : N V F 9D N TZ Q Y F 9H !V9VNT"HW ZJ fW X !% "N 中!国!海!洋!大!学!学!报 7< $%#" 年 !紫色+蓝色和橙色分别代表第一次强风浪+弱风浪和第二次强风浪过程&&W Y T Q$J T W QNDH9 Y NDO QY Q Y Q U Q D VV GQS F Y U VU V Y 9DO[F DH[N : Q[Q NE[ F DH[N : Q Z Z " Q U Q C V F : Q T NDHU Q C 9DHU V Y 9DO[F DH[N : QZ Y 9 C Q U U Q U$Y Z X; 图!!! N"观测期间底剪切应力! J"观测期间平均流速的 !V9VNT"的时间序列和! 平方!% $"与底剪切应力! !V9VNT"的拟合关系 / F !!! N"4G QV F@QU Q Y F Q U9 SJ9 V V 9@U G Q N YU V Y Q U U! Y F DOV G Q9J U Q Y : N V F 9DN DH ! J"V G QS F V V F DO !V9VNT"HW O; $" ! ! " Y Q T N V F 9D U G F Q V[Q Q DV G QU N Y Q9 S@Q N D: Q T 9 C F V N DHV G QJ9 V V 9@U G Q N YU V Y Q U U !V9VNT ZJ fW X % ! _A#) % $ *% _%#<& #" !V9VNT(# 而在两次强风浪过程中$底剪切应力不仅受潮流 流速大 小 的 影 响$更 受 波 浪 波 轨 速 度 的 影 响$因 此 % $ 与底剪切应力相关性较差! _"%) % $ * !V9VNT($ % _%7=$ & (% _<7%!V9VNT (8 _<" ) % $ * % _#$%$ &( % _=""& 8; $ 风浪对底剪切应力的作用 强风浪期间的底剪切应力! !V9VNT "既包括波浪导致 的浪致剪切应力! ![N:Q "又包括潮流导致的潮致剪切应 力! !VFHQ "&如需量化风浪对底剪切应力的作用$需要 先将潮致剪切应力从总剪切应力中剔除& 在 8; # 节中$ 在第二次强风浪期间$最大浪致剪切应力远高于潮致 $ 在某些时刻! 如# 剪切应力&值得注意的是$ $ "!# 8 8G" 4*V F H Q模拟的潮流流速大于观测的流速$高估了潮致 剪切应力$导致浪致剪切应力在对应时刻为负值& 产 生误差的原因可能是潮流调和分析的时间不够长造成 模拟的潮流流速偏大$也可能是波流相互作用减弱了 潮流的能量&基于现有观测数据无法准确判断误差来 源$有待进一步进行研究& 风浪对底剪切应力的影响 可通过两次大风期间波轨速度的平方! !$[N:Q "与浪致剪 切应力的相关关系量化& 浅海的波轨速度是指在波浪 的影响下$水质点做椭圆形运动时的速度& 本文中观 量化了潮流流速和底剪切应力的关系 !公式 ! #""& 因 此只需要确定风浪期间潮流流速的大小$就可以根据 测站位的波轨速度是基于 -+,& 测波模块测得的有效 波高+波周期和水深数据$利用 PF J Q Y Y[99H的 O和 3GQ 上述关系式计算出强风浪期间潮致剪切应力的大小& 需要注意的是$风浪和潮流的相互作用是非线性的$波 方法($#)计算得到& 图 T W Q"N DH V G QV F H N TC W Y Y Q D V: Q T 9 C F V *Y N DO Q"U F@W T N V Q H O; O X! X! * JX4 V F H QG N Y@9D F CN D N T U F UHW Y F DOV G Q9J U Q Y : N V F 9D N TZ Q Y F 9H X 图 T W Q"$" ! (Q H"N DHV 9 V N T! > T N C E": Q T 9 C F V F Q UHW Y F DO[Q N E[F DH[N : Q U O; O ! J"4G QV F@QU Q Y F Q U9 SV F H N TC W Y Y Q D V: Q T 9 C F V !."NDHU W U Q DH Q HU Q H F@Q D VC 9D C Q D V Y N V F 9D ! 33,"HW Y F DO[Q N E[F DH[N : Q U X! Z !黄线为公式! " 8"中所用的背景浓度值,,-%&4GQX Q T T 9[T F DQF UV G QJ N C EO Y 9WDHC 9D C Q D V Y N V F 9D ! ,,-%"W U Q HF DS 9 Y@W T N! 8"; 图7!弱风浪期间观测 33,!蓝色"与基于公式! 8"预测的 33,!红色"的对比 / F 7!,9@Z N Y F U 9D UJ Q V[Q Q D9J U Q Y : Q H33, ! > T W Q"N DHZ Y Q H F C V Q H33, ! (Q H"J N U Q H9DS 9 Y@W T N! 8"HW Y F DO[Q N E[F DH[N : Q U O; ##期 赵盖博$等#潮流和风浪对海底边界层剪切应力和悬浮物浓度影响的观测研究 8; ! 风浪对 33, 的影响 强风浪期间$除了上述潮流的平流输运和再悬浮 作用会对 33, 产生影响以外$风浪导致的剪切应力增 强也会导致 33, 升高& 为了量化强风浪期间风浪对 33, 的影响$需要先将潮流对 33, 的影响剔除& 这里 依然不考虑波流相互作用的影响$假定潮流和风浪对 33, 的影响是线性的&利用 4*V F H Q调和分析的潮流流 速和参数化公式 ! 8"计算强风浪期间潮流对 33, 的影 响$然后用强风浪过程中实测的 33, 减去潮致 33, 和 背景浓度即可得到浪致 33,!见图 "! N"$ "! J""& 结果 表明$在第一次强风浪过程中$潮流对 33, 分布的影响 要比波浪过程大$但是在第二次强风浪过程中$浪致剪 切应力 的 急 剧 升 高 造 成 了 大 量 沉 积 物 再 悬 浮$浪 致 33, 也就远高于对应时刻的潮致 33,& 为量化波轨速度与浪致 33, 的关系$本文将波轨 速度的平方 !!$[N:Q "与浪致 33, 做 线 性 拟 合 !见 图 " 7" 显分为两个阶段&通过跟波轨速度和浪致 33, 的时间 序列对比分析发现$在第一次强风浪过程中!见图 "! C" 中蓝点"和第二次强风浪过程的前 AG!图 "! C"中 黄 点"$波浪对 33, 的影响较小$浪致 33, 的参数化公式 为# ! ,,-[N:Q (#" _#)!$[N:Q *8 _$8& !" 而在第二次强风过程中 !图 "! C"中橙点 "$波浪对 33, 影响较大$浪致 33, 的参数化公式为# ! ,,-[N:Q (#8=)!$[N:Q *!= _"& =" 对比两 次 风 浪 过 程 可 以 发 现$当 波 轨 速 度 小 于 % _<@'U时$波浪对 33, 的影响较小 !公式 ! !""& 但是 当波轨速度达到 % _< @' U时$波浪导致的剪切应力急 剧升高$进而导致 33, 显著增大!公式! =""& 并且在强 风浪过程后期$波轨速度降到 % _<@'U以下时$强风浪 过程造成的高剪切应力和高 33, 也不会马上消失$而 是继续维持强风浪过程的影响& ! C""&拟合结果表明$波轨速度导致的 33, 的变化明 !蓝色点和黄色点代表波轨速度小于% _<@' U$橙色点代表波轨速度大于 % _<@' U&> T WQZ9 F D V UNDHX Q T T 9[Z9 F D V UY Q Y Q U Q D VV GQ[N : Q9 Y J F V N T: Q T 9 C F V U Z XF " T Q U UV GN D% _<@' U$9 Y NDO QZ9 F D V UY Q Y Q U Q D VV GQ[N : Q9 Y J F V N T: Q T 9 C F V UO Y Q N V Q YV GN D% _<@'U; Z XF 图"!! N"第一次强风浪过程中潮致悬浮物浓度! 33,*V F H Q$含背景浓度"和浪致悬浮物浓度! 33,*[N : Q" ! J"第二次强风浪过程中潮致悬浮物浓度! 33,*V F H Q$含背景浓度"和浪致悬浮物浓度! 33,*[N : Q" $ ! C"两次强风浪期间波轨速度的平方! 33,*[N : Q"的拟合关系 ![N:Q "和浪致悬浮物浓度! / F "!4G QV F H Q ? F DHW C Q H33, ! 33,*V F H Q$F D C T WH F DOJ N C EO Y 9WDHC 9D C Q D V Y N V F 9D"N DH[N : Q ? F DHW C Q H33, ! 33,*[N : Q"HW Y F DO O; ! N"V G QS F Y U VU V Y 9DO[F DH[N : QZ Y 9 C Q U UN DH ! J"V G QU Q C 9DHU V Y 9DO[F DH[N : QZ Y 9 C Q U U! C"4G QS F V V F DOY Q T N V F 9D U G F Z : Q ? F DHW C Q H33, ! 33,*[N : Q" J Q V[Q Q DV G QU N Y Q9 S[N : Q9 Y J F V N T: Q T 9 C F V !$[N:Q "NDH[N fW X! !!结语 本文基于山东半岛东侧进行的一次原位座底连续 观测定量研究了潮流和风浪对底边界层底剪切应力和 悬浮物浓度的影响& 研究结果表明#在弱风浪条件下$ 潮流 流 速 大 小 直 接 控 制 底 边 界 层 剪 切 应 力 !!V9VNT ( # _A#) % $ *% _%#<"%但是在强风浪海况下 !有效波 高大于 # @"$底剪切应力受控于风浪的影响 ! ![N:Q ( 8 _7!)!$[N:Q +% _%#$"&潮流通过平流输运作用和局地 再悬浮作用影响 33, 分布 !,,-"0& (,,-% *! ).) $ 而 /,,-! *").)/,,-" * ! !$ *"$")/,,-YQUWUZQDH " 波浪主要通过局地再悬浮影响 33,!,,-[N:Q ($7 _!) 中!国!海!洋!大!学!学!报 "% !$[N:Q*8 _78! ![N:Q $% _<@' U"% ,,-[N:Q(#8<)!$[N:Q* !< _%$! ![N:Q #% _<@' U""&本研究获得的底边界层潮 流和风浪对水动力和沉积物输运影响的参数化公式有 助于我们定量地认识底边界层的沉积动力过程$为定 $%#" 年 ( #$)!.WK$hF N 9/.$PN DOR6$Q VN T;-DW@Q Y F C N TU V WHX9 SV Y ND U Y V Z9 HXD N@F C UNDHU Q N U 9D N T: N Y F NJ F T F V SV GQ5Q T T 9[( F : Q YU Q H F@Q D VF D X9 K);'U V WN Y F D Q$,9 N U V N TN DH3GQ T S3 C F ? V G Q>9GN FN DH5Q T T 9[U Q N U( Q D C Q$$%##$"=! #"#8" ? =#; ( #8)!> F N D, P$K F NDO P 3$MY Q N V J N V C G(K;-DQ IZ T 9 Y N V 9 Y Q T X @9H 量研究黄河泥沙向外海的输运过程以及山东水下三角 洲的形成提供科学参考& U V WHX9 SU Q H F@Q D VV Y ND U Y VU 9W Y C Q UNDHH Q U F V UF DV GQ>9GN F Z9 Z9 致谢!部分海上观测工作搭载了!东方红 $"号科考 船执行的黄渤海共享航次# 感谢中国海洋大学海洋地 ##"##%; #%%$'$%#8K,%%"##<; (Q U Q N Y C G ?*C Q ND U$$%#8$##7! ( #!)!程鹏$高抒;北黄海西部海底沉积物的粒度特征和净输运趋势 球科学学院王保铎老师和诸位同门在现场观测和室内 实验中提供的支持与帮助# 93;0Q VU Q H F@Q D VV Y ND U Y VZ N V V Q Y D U9: Q YV GQD9 Y V G ? ,G Q DO&$MN Z9 参考文献# ( #)!]F T T F@N DK+$]Q N H Q( 6;P9 Y T H ?[ F H QH Q T F : Q Y SY F : Q YU Q H F@Q D V X9 K);4GQK 9W Y D N T9 SMQ 9 T 9 ? $#; V 9V GQ9 C Q ND U( OX$#"78$"### ( $)!]F T T F@N DK+$hF D53$(Q D]'$Q VN T;]ND0 UF D S T WQ D C Q9DV GQQ ? T T 9[( F : ? Y 9 U F 9DN DHV Y N D U Y V9 SU Q H F@Q D VJX-U F N DY F : Q Y U#4GQ5Q Z9 Q Y! 6W NDOG Q"Q IN@Z T Q( K);MQ 9 T 9 ? A<$; OX$#"7A$"=#A=# T T 9[3Q N$NDH'N U V,G F DN3Q N( K); K 9W Y D N T9 SMQ 9ZGX U F C N T 3 Q N$5Q ( K);海洋与湖沼$$%%%$8#! <"#<%! ? <#=; [Q U V Q Y DX Q T T 9[ U Q N$JN U Q HWZ9DO Y N F DU F \ QV Y Q DHN D N T U F U( K); X <"#<%! ? <#=; *C Q ND9 T 9O F NQ V. F@D9 T 9O F N3 F D F C N$$%%%$8#! ( #=)!乔方利;中国区域海洋学.物理海洋学(]);北京#海洋出版社$ $%#$#7"; hF N 9/.;(Q F 9D N T*C Q N D9O Y NZGX9 S,G F D N3 Q N U ?&GX U F C N T*C Q N ? O D9 Y NZGX(]); >Q F F DO#,G F D N*C Q N D&Y Q U U$$%#$#7"; O B ( #<)!李家彪;中国区域海洋学.海洋地质学(]);北京#海洋出版社$ $%#$##$%; ( 8)!]F T T F@NDK+$hF D 5 3$&N Y E 5 -;3Q H F@Q D V UN DHU Q H F@Q D V N Y X . FK>;(Q F 9DN T*C Q ND9O Y NZGX9 S,G F DN3Q N U ?]N Y F DQ MQ 9 T 9OX O Y 9 C Q U U Q UF DV G Q5Q T T 9[N DH'N U V,G F DN3 Q N U( K); 3Q H F@Q D V N Y C F ? Z X/N $ # ? $!"; Q UF DV GQ-C V F : Q& T N V Q]N Y F D #"7" $88 O (]); >Q F F DO#,G F DN*C Q ND&Y Q U U$$%#$##$%; B ( ) $ #A !5NDOL3 . F WK&;-WD F Q5Q T T 9[( F : Q Y ? 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