大型浅水湖泊近岸波浪的风、涌分离及其演化机制 ——以太湖为例

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波浪是浅水湖泊(尤其是近岸底泥集中区)沉积物再悬浮的主要动力因子。太湖是典型的大型浅水湖泊,本文以太湖近岸区波浪为研究对象,探究其特征及其演变规律,为揭示太湖蓝藻水华暴发机制和水体富营养化防治提供帮助。太湖近岸波浪包含风浪与涌浪,它们的形成机制、外部特征、生态效应均有明显差异。本文基于2018年春、夏、秋三季的太湖近岸波浪及风场资料,利用基于二维方向谱的风涌分离算法(2D分离法),实现太湖近岸波浪的分离,并通过有效波高(外部特征)、波浪谱(内在结构)分析风场作用下近岸波浪的演化机制,结论如下:实测波浪特征:(1)风场(风向、风速)是影响波浪有效波高的关键因素,三角函数可以表征风向对波浪的定量影响;(2)风值(耦合风向的风速)与实测波浪有效波高呈弱相关,这与风浪、风场息息相关的特征不符,表明近岸区波浪含有一定比例的涌浪;(3)风向突然改变时混合波浪能量呈明显的多峰分布,混合浪结构发生明显变化。波浪分离算法实现、验证与结果分析:(1)通过实例验证得到2D分离法适用于太湖近岸波浪;(2)整个观测时段内,分离后风浪有效波高与风值的相关性较分离前有明显提高,风浪平均方向与风向呈显著线性关系,证实风场为波浪的关键驱动因素。风场作用下近岸区风、涌、混合浪的演化机制:(1)风向对风浪影响显著,风速对风浪的影响受风向制约;(2)风浪有效波高随风值以e指数增大,增速随风速先增后减,在风速>6m/s时增速放缓,可能源于大风速时底部摩擦、白帽破碎等方式导致的能量耗散;(3)向岸风作用下涌浪的出现频率高、强度大,其有效波高与风值呈较弱正相关,可能是反射波浪携带风场信息的原因;离岸风作用下涌浪与局地风场关系不佳,系远距离风浪传播而成,其出现频率低、强度弱可以源于风场偏弱、底部摩擦和水深诱导的波浪破碎;(4)涌浪有效波高随风值以e指数呈快变、缓变两趋势增长,可能产生于岸界反射导致的波浪叠加差异;(5)太湖平均涌浪指数为0.176,即混合浪总体由风浪主导,当风向为0~90°时平均涌浪指数为0.65,混合浪由涌浪主导,这与离岸风下风浪偏弱有关;(6)风向突然改变会抑制风浪发展,有助于低频涌浪的形成,由此解释了实测波浪能量在风向突变时呈多峰分布的现象。
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