大型淺水湖泊太湖波浪特征及其對(duì)風(fēng)場(chǎng)的敏感性分析*

許遐禎，陶蓉茵，趙巧華＊＊，吳挺峰

(1:江蘇省氣候中心，南京210008)

(2:南京信息工程大學(xué)遙感學(xué)院，南京210044)

(3:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京210008)

淺水湖泊是我國(guó)東部沿海與長(zhǎng)江中、下游地區(qū)比較普遍的主要湖泊類型［1］，強(qiáng)烈的水動(dòng)力作用是導(dǎo)致淺水湖泊水-沉積物界面不穩(wěn)定、再懸浮和營(yíng)養(yǎng)鹽內(nèi)源釋放，生長(zhǎng)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生物數(shù)量變化、光學(xué)的吸收、衰減等物理、化學(xué)、生物過(guò)程的最主要驅(qū)動(dòng)力.在淺水湖泊中，底泥懸浮的主要能量來(lái)自波浪作用［1］，湖流的作用幾乎可以忽略［2-5］.因此，解析淺水湖泊的波浪特征是研究水動(dòng)力過(guò)程的重要方面.太湖平均深度不到2m，屬典型淺水湖泊［6］.其地處東南季風(fēng)氣候區(qū)，盛行風(fēng)向夏季為東南風(fēng)，冬季為西北風(fēng)［7］.太湖的風(fēng)浪擾動(dòng)作用強(qiáng)烈，動(dòng)力過(guò)程導(dǎo)致的沉積物再懸浮對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響很大［1］.目前，對(duì)太湖波浪的研究主要是由太湖局部測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)而縱觀整個(gè)太湖波浪的空間分布，根據(jù)羅瀲蔥等［8］的研究，分別基于在太湖個(gè)別測(cè)點(diǎn)利用波浪儀所觀測(cè)的數(shù)次波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)太湖的波浪要素的計(jì)算發(fā)現(xiàn)了淺水湖泊中的波浪特性及分布;另外利用室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型對(duì)波浪進(jìn)行研究［9］;同時(shí)，學(xué)者們也曾由計(jì)算得到的波浪要素以FFT方法求算風(fēng)浪頻譜［10］.這些結(jié)果為了解太湖波浪要素的分布及其風(fēng)浪譜的認(rèn)識(shí)提供了依據(jù)，但是僅由部分觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)得到的太湖波浪特征必定受區(qū)域邊界的影響，其結(jié)論是否適合整個(gè)太湖區(qū)域還有待研究.

相較于基于觀測(cè)和經(jīng)驗(yàn)公式上的波浪研究，數(shù)值模擬在波浪的能量輸入、耗散、波與波之間的相互作用等機(jī)理上更為精細(xì)地描述了波浪過(guò)程，波浪數(shù)值預(yù)報(bào)已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用階段.學(xué)者們也曾采用第三代淺水波浪模型模擬太湖波高波周期等波浪要素的空間分布［11］，反映了太湖波浪的生消動(dòng)態(tài)過(guò)程并結(jié)合湖流三維模型，尋求太湖湖流對(duì)波浪的影響［12］.這些研究對(duì)探求太湖波浪數(shù)值模擬成果有一定意義，但是在不同風(fēng)向、風(fēng)速條件下，太湖波浪的生成與傳播，以及波浪模式SWAN得到的太湖波浪分布到底如何還鮮有研究.

盡管基于動(dòng)譜平衡方程的SWAN模型對(duì)波浪的繞射效應(yīng)模擬不理想，而且模擬不能計(jì)算出波生流，但是卻適用于湖泊風(fēng)浪預(yù)報(bào).通過(guò)以波浪線性理論及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料對(duì)SWAN模型進(jìn)行驗(yàn)證表明，第三代淺水波浪模型SWAN能準(zhǔn)確合理地模擬復(fù)雜的潮流、地形、風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下的波浪場(chǎng)［13］.該模式適用于風(fēng)浪、涌浪及混合浪的預(yù)報(bào)，能夠模擬水底地形和流場(chǎng)的變化引起的波浪折射、淺化，逆流時(shí)波浪的反射和破碎，波浪遇到障礙物的透射及阻礙，波浪增水，能預(yù)報(bào)計(jì)算域內(nèi)波高、波周期、波長(zhǎng)、波陡、波浪行進(jìn)方向、能量耗散和單位水面所受波力等重要參數(shù).

本文基于太湖實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，全湖采用空間均勻風(fēng)場(chǎng)，通過(guò)第三代淺水波浪模式SWAN，分析太湖風(fēng)浪譜時(shí)空分布特征，并結(jié)合敏感性試驗(yàn)探討其可能形成機(jī)制及原因.以期為大型淺水湖泊(太湖)風(fēng)浪過(guò)程提供理論依據(jù)，為解決由水動(dòng)力導(dǎo)致的沉積物再懸浮物和營(yíng)養(yǎng)鹽內(nèi)源釋放過(guò)程提供幫助.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

風(fēng)速、風(fēng)向觀測(cè)站位于太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站(31°25'8″N，120°12'48″E)，于2010年10月1日5∶00時(shí)至10月5日0∶00時(shí)逐時(shí)記錄風(fēng)速、風(fēng)向，全湖采用此觀測(cè)的近地面10 m風(fēng)場(chǎng)為氣象驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，并將此風(fēng)場(chǎng)分解至笛卡爾坐標(biāo)系的x軸、y軸之上，表現(xiàn)形式為U10、V10.

式中，WD代表站點(diǎn)測(cè)得的風(fēng)向，WS代表站點(diǎn)測(cè)得的風(fēng)速.

波浪觀測(cè)使用多普勒流速儀Argonaut，觀測(cè)站位于太湖站棧橋附近(31°25'8″N，120°12'48″E)，距岸200 m左右，于2010年10月3日5∶00時(shí)至10月4日19∶00時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，得到有效波高及譜峰周期.

1.2 波要素

太湖波浪源多為不規(guī)則波，遠(yuǎn)非嚴(yán)格的周期性運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程.在得自一固定點(diǎn)相對(duì)于時(shí)間的波面記錄上，波浪周期可定義為相鄰兩上跨(或下跨)零點(diǎn)間的時(shí)間長(zhǎng)度，也可定義為相鄰兩顯著波峰間的時(shí)間長(zhǎng)度.這樣得到的周期，都是長(zhǎng)短不齊的，但是以這兩種方法得到的周期平均值相等，該周期稱為平均波周期(T)［14］:

式中，ti為第i個(gè)波的周期，n為參與計(jì)算的波的個(gè)數(shù).2π與平均波周期的比值稱為平均波頻率(f)，表示為f=2π/T.

有效波高亦稱1/3大波，將連續(xù)觀測(cè)到的波高從大到小進(jìn)行排列，從最大值起，連續(xù)將總數(shù)的前1/3個(gè)大波相加，再取平均值即得有效波高.

1.3 第三代淺水波浪模式SWAN

1.3.1動(dòng)譜平衡方程 SWAN模型不是以二維能譜密度而是以二維動(dòng)譜密度表示隨機(jī)波，因在流場(chǎng)中，動(dòng)譜密度守恒，而能譜密度不守恒，動(dòng)譜密度N(σ，θ)為能譜密度E(σ，θ)與相對(duì)頻率σ之比.在直角坐標(biāo)系下，動(dòng)譜平衡方程表示為［15］:

方程左邊第一項(xiàng)為N隨時(shí)間的變化率，第二項(xiàng)和第三項(xiàng)表示N在地理空間坐標(biāo)系x、y方向上的傳播，第四項(xiàng)表示流和水深變化引起的N在相對(duì)頻率空間σ的變化，第五項(xiàng)表示N在譜分布方向θ空間的傳播.方程右邊S表示能量源項(xiàng)，包括風(fēng)能輸入、波與波之間非線性相互作用和由于底摩擦、白浪、破碎等引起的能量損耗.Cx、Cy、Cσ和 Cθ分別代表在 x、y、σ 和 θ空間的波浪傳播速度.

1.3.2 源匯項(xiàng)的處理 1)波能量輸入、損耗項(xiàng):風(fēng)能輸入使用共振機(jī)制和反饋機(jī)制來(lái)描述，相應(yīng)的源函數(shù)表示為線性增長(zhǎng)和指數(shù)增長(zhǎng)兩部分之和.底摩擦采用Madsen等［16］由渦粘理論得到的底摩擦模型.波浪在向淺水域行進(jìn)時(shí)，由于水深變淺導(dǎo)致破碎，基于Miche等［17］的準(zhǔn)則，Battjes等［17］根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)資料，認(rèn)為在淺水域，對(duì)于不同類型的地貌，隨機(jī)波的最大破碎波高Hm與水深d的關(guān)系可表示為:Hm=γd，γ取0.73為破碎系數(shù).白浪損耗根據(jù)Hasselmann等［18］提出的脈動(dòng)平均模型進(jìn)行計(jì)算.

2)波與波之間非線性相互作用:深水情形下，四相波與波非線性相互作用起主要作用，譜能由譜峰處向低頻轉(zhuǎn)移(使得峰頻變小)和高頻轉(zhuǎn)移(高頻處能量由于白浪而耗散掉).在淺水域，三相波與波之間非線性相互作用是主要影響因素，能量由低頻向高頻處轉(zhuǎn)移.在SWAN模型中，四相波-波相互作用采用Hasselmann等提出的離散相互作用近似法(DIA)［18］計(jì)算.在三相波相互作用的計(jì)算中，每個(gè)譜方向上均采用Eldeberky的集合三相近似模型(LTA)［19］，它由Eldeberky等［19］的離散三相近似模型改進(jìn)而得.

2 結(jié)果與分析

2.1 太湖波浪數(shù)值模擬與驗(yàn)證

SWAN模式以U10、V10風(fēng)場(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，全湖采用實(shí)際風(fēng)場(chǎng).將太湖劃分為155×140個(gè)網(wǎng)格，x、y方向上計(jì)算域長(zhǎng)度均為69 km.模式物理過(guò)程考慮底摩擦效應(yīng)、白浪損耗和非線性波-波之間相互作用等耗散機(jī)制.計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為15 min，計(jì)算結(jié)果每一小時(shí)輸出一次.

選取梅梁灣棧橋觀測(cè)的2010年10月3日5∶00時(shí)至10月4日19∶00時(shí)共39個(gè)時(shí)次的有效波高和譜峰周期與模擬結(jié)果進(jìn)行比較.結(jié)果表明，模擬的有效波高與實(shí)測(cè)波高變化趨勢(shì)基本一致(圖1)，相對(duì)誤差范圍為0～50%，平均相對(duì)誤差為16.6%.在模擬初期，實(shí)測(cè)值與模擬值誤差較大，隨著模擬時(shí)間的推移，風(fēng)浪場(chǎng)逐漸形成，模擬值與實(shí)測(cè)值越來(lái)越接近.譜峰周期的相對(duì)誤差在0.1%～16.5%之間，平均相對(duì)誤差為5.5%，其模擬的變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)譜峰周期也很接近.誤差來(lái)源可能是:其一，由于全湖采用的是空間均勻風(fēng)場(chǎng)，與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)有一定的誤差，對(duì)于在阻擋物較多的狹長(zhǎng)水域以及灣內(nèi)，以此空間均勻風(fēng)場(chǎng)帶來(lái)的誤差影響就會(huì)大些;其二，由于觀測(cè)點(diǎn)離湖岸較近，波浪觀測(cè)誤差可能較大;其三，由于本文所采用的風(fēng)場(chǎng)是逐時(shí)的，與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間分辨率有一定的差距.但總的來(lái)說(shuō)，SWAN模式能夠適用于太湖，能夠較好地模擬太湖的波浪場(chǎng).

圖1 有效波高與譜峰周期與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.1 Comparison of the observation and simulation peak wave frequencies

2.2 太湖風(fēng)浪譜的時(shí)空特征分析

為了分析太湖風(fēng)浪譜的時(shí)間、空間特征，在竺山灣(1#)、梅梁灣(2#)、貢湖灣(3#)、西山島附近(4#、5#、6#)、胥口灣(7#)、東太湖(8#)以及湖心區(qū)(9#、10#、11#)共選擇 11 個(gè)點(diǎn)位，分析波浪頻、譜隨時(shí)間和空間的變化特征.2.2.1太湖絕對(duì)頻率的空間分布特征 模擬時(shí)間段內(nèi)太湖風(fēng)速風(fēng)向保持不斷變化(圖2).基本上，風(fēng)向以東北、西北以及西南向?yàn)橹?選擇10月 2日 0∶00時(shí)、3日 22∶00時(shí)、4日12∶00時(shí)相應(yīng)典型的風(fēng)向，探討不同風(fēng)向條件下，太湖絕對(duì)頻率的空間分布.

圖2 太湖逐時(shí)風(fēng)速風(fēng)向Fig.2 Time series of wind of Lake Taihu

雖然在不同的風(fēng)向條件下，但是在上風(fēng)向區(qū)的絕對(duì)頻率絕大部分大于下風(fēng)向區(qū)域(圖3).風(fēng)是引起波浪的主要驅(qū)動(dòng)力，上風(fēng)向區(qū)域較下風(fēng)向區(qū)總是先受到風(fēng)驅(qū)動(dòng)作用，而風(fēng)是在不斷變化的，下風(fēng)向區(qū)域波浪的成長(zhǎng)較上風(fēng)向區(qū)發(fā)達(dá)，因此其攜帶的能量較大，絕對(duì)頻率較小.同時(shí)波浪的成長(zhǎng)受到風(fēng)區(qū)風(fēng)時(shí)的影響，再加上水深的作用，在湖心區(qū)這樣的開(kāi)闊水域，波浪成長(zhǎng)比梅梁灣、貢湖灣、竺山灣等灣區(qū)發(fā)達(dá)，因此較為開(kāi)闊水域的絕對(duì)頻率自然要比其他水域低些.然而，由于實(shí)際風(fēng)場(chǎng)總是在不斷變更，可能波浪還沒(méi)有完成成長(zhǎng)，風(fēng)速、風(fēng)向已經(jīng)改變，那么湖區(qū)的頻率分布會(huì)出現(xiàn)一定的延遲現(xiàn)象，例如4日12∶00時(shí)，可以看出此時(shí)之前的若干時(shí)次主要是西北風(fēng)，分布在太湖西北沿岸的絕對(duì)頻率還是較高.為此，以11個(gè)選取點(diǎn)為例，對(duì)各個(gè)選取點(diǎn)的能量密度譜在其波的傳播方向上進(jìn)行積分，并對(duì)積分值求其時(shí)間平均(圖4).

所有樣點(diǎn)絕對(duì)頻率主要集中在中高頻率段，0.45～0.80 Hz(圖4)，這也反映了就全太湖而言，絕對(duì)頻率集中在中高頻率段，與海洋上集中在低頻段相比存在明顯區(qū)別.太湖是大型淺水湖泊，水深平均不到2 m，且模擬時(shí)間段內(nèi)最大風(fēng)速不超過(guò)10 m/s，其產(chǎn)生的波浪自然與高能量的海浪相比差異明顯.

處于灣區(qū)內(nèi)的1#、2#、3#、8#的能量密度基本上在(1～8)×10－5m2/Hz左右，而位于開(kāi)闊水域及附近的4#、9#、10#、11#的能量密度都大于2×10－5m2/Hz.由于開(kāi)闊水域的阻擋物較少，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度較灣區(qū)內(nèi)大，其水深也比灣區(qū)內(nèi)大的多，在此條件下有利于波浪的成長(zhǎng)，自然波浪成長(zhǎng)較發(fā)達(dá)，攜帶的能量也高.同時(shí)，能量密度較高的相應(yīng)其絕對(duì)頻率較低，即由開(kāi)闊水域向?yàn)硡^(qū)內(nèi)分析，隨著能量密度的增長(zhǎng)，絕對(duì)頻率向低頻偏移.6#點(diǎn)位于西山島東南面狹長(zhǎng)的水域內(nèi)，鄰山阻擋作用較大，比灣區(qū)內(nèi)其受風(fēng)區(qū)限制更大，且水深較淺(圖5)，那么波浪的能量密度處于整個(gè)湖區(qū)最低，比灣區(qū)內(nèi)、開(kāi)闊水域的低一個(gè)數(shù)量級(jí).

2.2.2 太湖頻譜的變化特征 選擇灣區(qū)內(nèi)1#、8#點(diǎn)，西山島附近狹長(zhǎng)水域內(nèi)6#點(diǎn)，以及湖心區(qū)10#點(diǎn)4個(gè)相對(duì)典型水域分析太湖2010年10月2日0∶00時(shí)、3日22∶00時(shí)、4日12∶00時(shí)的頻譜空間變化規(guī)律.

在相應(yīng)的風(fēng)向條件下，沿與風(fēng)向相反的方向上幾乎沒(méi)有能量的存在，絕大部分能量分布于沿風(fēng)向的方向上及附近(圖6).能量的分布基本上是對(duì)稱的，其形式與頻率有關(guān).對(duì)于不同的區(qū)域點(diǎn)，波向分布的跨度也不一樣，在灣區(qū)、西山島附近波傳播的方向較寬廣，以4日12∶00時(shí)為例，6#點(diǎn)波向在0～120°之間(本文中波向以笛卡爾坐標(biāo)下x軸為起始0°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)計(jì)算;此與圖5標(biāo)示的表示風(fēng)向的圓周刻度不同;波向0°對(duì)應(yīng)風(fēng)向90°)，1#、8#點(diǎn)波向在0～105°之間，而位于湖心區(qū)的10#點(diǎn)波向在0～90°之間分布.在水域較小的梅梁灣及西山島附近，由于此的風(fēng)向是偏西南向，波沿著與風(fēng)向一致的方向傳播，他們的地理位置在此時(shí)有利于波的傳播;而在開(kāi)闊水域，盡管其地理位置有利于波浪的傳播，但因水深較深，能量的傳播范圍就相對(duì)變小.

圖3 不同風(fēng)速風(fēng)向下太湖頻率的分布Fig.3 Distribution of frequency on the condition of different wind directions and speeds in Lake Taihu

從這四個(gè)區(qū)域點(diǎn)不同時(shí)間段的頻率分布來(lái)看，其絕對(duì)頻率分布于0.6～1.0 Hz之間，并且呈現(xiàn)出在灣區(qū)頻率高、開(kāi)闊水域區(qū)頻率低.能量譜的形式也隨著頻率分布不同而不同，對(duì)于同一個(gè)點(diǎn)位而言，當(dāng)譜峰頻率較高時(shí)，方向傳播較寬;反之較窄.

當(dāng)然，實(shí)際風(fēng)場(chǎng)不斷變化下的復(fù)雜情況下，導(dǎo)致能量譜的分布總有一定的時(shí)間延遲，例如6#點(diǎn)4日12∶00時(shí)的譜峰頻率比2日0∶00時(shí)的要低，但譜寬卻更寬.6#點(diǎn)水域的特殊地形條件加上風(fēng)場(chǎng)的變化，給波浪的成長(zhǎng)與傳播帶來(lái)更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)條件.

2.3 定常風(fēng)作用下太湖波浪數(shù)值模擬與敏感性分析

為了更加深入的了解太湖波浪時(shí)空變化規(guī)律，現(xiàn)以4、6、8 m/s不同風(fēng)速條件下，分別給定8種不同風(fēng)向(東、南、西、北、東南、東北、西南、西北)進(jìn)行SWAN波浪數(shù)值模擬得到頻譜(圖7、圖8)，并選取11個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果表明在開(kāi)闊水域，無(wú)論在何種風(fēng)向下，4、6、8 m/s風(fēng)速下產(chǎn)生的穩(wěn)定的頻譜譜形基本一致，能量密度譜最大值分別約為(2.4 ～17.0)×10－5、(0.9 ～6.5)×10－4、(2.1 ～14.0)×10－3m2/Hz.在灣區(qū)以及西山島附近的狹長(zhǎng)水域頻譜譜形差異較大，灣區(qū)在4、6、8 m/s風(fēng)速下產(chǎn)生的能量密度譜最大值約為(0.9 ～9.5)×10－5、(2.6 ～28.0)×10－5、(5.4 ～62.0)×10－5m2/Hz;西山島附近的能量密度譜最大值約為(1.6 ～5.5)× 10－5、(4.5 ～ 16.0)× 10－5、(1.1 ～3.1)×10－5m2/Hz.可見(jiàn)，在開(kāi)闊水域風(fēng)向?qū)︻l譜的影響較小，而在阻擋物較多的灣區(qū)及西山島附近，風(fēng)向的影響較大.為了說(shuō)明太湖頻譜隨風(fēng)速風(fēng)向的時(shí)空變化，選擇東南風(fēng)和西北風(fēng)兩個(gè)太湖盛行風(fēng)風(fēng)向進(jìn)行分析.

圖4 各區(qū)域點(diǎn)方向積分上的時(shí)間平均能量密度譜Fig.4 The wave spectrum of integral of wave direction in each time

2.3.1 一定風(fēng)速下頻譜的空間變化規(guī)律 無(wú)論是東南風(fēng)還是西南風(fēng)的持續(xù)作用，在相同的風(fēng)速條件下，灣區(qū)以及西山島附近總是比湖心區(qū)先穩(wěn)定，例如梅梁灣、西山島附近4 m/s風(fēng)速時(shí)第7個(gè)時(shí)次已經(jīng)基本穩(wěn)定(每?jī)蓚€(gè)時(shí)次間相隔0.5 h)，湖心區(qū)則在第17個(gè)時(shí)次才穩(wěn)定下來(lái).顯然，在不同水域由于風(fēng)場(chǎng)的變化帶來(lái)的波浪的時(shí)間延遲不同.風(fēng)開(kāi)始吹于水表面時(shí)，水體表面出現(xiàn)震蕩產(chǎn)生波浪，其絕對(duì)頻率也由剛開(kāi)始的高頻波逐步向低頻波發(fā)展，最后穩(wěn)定在一個(gè)頻率段附近.但是太湖的復(fù)雜地形條件，各水域最終波浪發(fā)達(dá)程度不一樣，穩(wěn)定的絕對(duì)頻率也不同.東南風(fēng)向下，以梅梁灣1#、西山島附近6#及湖心10#為例，4 m/s時(shí)，1#點(diǎn)穩(wěn)定的譜峰頻率在 0.765 Hz，6#點(diǎn)穩(wěn)定的譜峰頻率在 0.675 Hz，10#點(diǎn)穩(wěn)定的譜峰頻率在0.51 Hz，10#點(diǎn)波浪比1#、6#點(diǎn)發(fā)達(dá)，能量密度大.依次 6 m/s與 8 m/s時(shí)，穩(wěn)定的譜峰頻率分別在 0.45～0.70 Hz、0.34 ～0.60 Hz之間，并且10#點(diǎn)的譜峰頻率總比 1#、6#的要低，攜帶能量較大.總的來(lái)說(shuō)，就全湖而言，其頻率還是集中在0.4～0.8 Hz左右的中高頻段，并且湖心區(qū)穩(wěn)定的譜峰頻率在0.342～0.585 Hz之間，而灣區(qū)及西山島附近狹長(zhǎng)水域穩(wěn)定的譜峰頻率在0.447～0.765 Hz之間.在西北風(fēng)向下，也可以得到類似的結(jié)論.

圖5 太湖水深分布Fig.5 Water depth of Lake Taihu

2.3.2不同風(fēng)速下同一分布點(diǎn)頻譜的時(shí)間變化規(guī)律 對(duì)于太湖中同一水域點(diǎn)而言，風(fēng)浪譜與風(fēng)時(shí)、風(fēng)速、風(fēng)向等因素有關(guān).以湖中心10#點(diǎn)為例，東南風(fēng)向時(shí)，4、6、8 m/s風(fēng)速下波浪穩(wěn)定的時(shí)間約在第17、13、9個(gè)時(shí)次，即8 m/s時(shí)穩(wěn)定的時(shí)間約是4 m/s時(shí)的2倍，可見(jiàn)風(fēng)速越大，太湖波浪穩(wěn)定的越快.隨著風(fēng)速的增加，穩(wěn)定之后的能量密度也隨之增加.同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在4 m/s時(shí)的第一個(gè)時(shí)次，能量還在成長(zhǎng)中;6 m/s的第一個(gè)時(shí)次依然是成長(zhǎng)中;而到了8 m/s的第一個(gè)時(shí)次，波浪就已經(jīng)達(dá)到了此時(shí)能量的峰值.這充分說(shuō)明了風(fēng)速的增長(zhǎng)有利于波浪的成長(zhǎng).另外，4、6、8 m/s風(fēng)速下的譜峰頻率依次是 0.51、0.45、0.34 Hz，譜峰頻率隨著風(fēng)速的增大而沿低頻推移.對(duì)于東南風(fēng)向下的1#、6#來(lái)講，當(dāng)風(fēng)速由4 m/s增加到8 m/s時(shí)，譜峰頻率分別由0.765、0.675 Hz減小到0.585、0.510 Hz.因此，太湖頻率隨著風(fēng)速的增大而減小，在湖心區(qū)譜峰頻率最小不低于0.340 Hz，在灣區(qū)以及狹長(zhǎng)水域地帶其譜峰頻率不低于0.447 Hz.

圖6 不同風(fēng)向條件下個(gè)別點(diǎn)位的波方向譜(單位:m2/Hz)Fig.6 Wave direction spectrum of several stations on the condition of different wind directions

在西北風(fēng)下，10#點(diǎn)的能量密度稍比東南風(fēng)時(shí)大些，其譜形還是基本一致的.而位于梅梁灣的1#點(diǎn)，其譜形差異稍微大些.在東南風(fēng)的6、8 m/s時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)類似雙峰的譜形，其雙峰較西北風(fēng)時(shí)明顯.其原因可能是由于1#點(diǎn)位于沿岸附近，風(fēng)產(chǎn)生的波浪遇到岸邊反射，反射波與風(fēng)浪波疊加，出現(xiàn)了此時(shí)的雙峰，風(fēng)速越大雙峰越明顯.由于風(fēng)向的改變，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度也隨之改變，產(chǎn)生反射波的幾率也隨之變化.另外，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度的改變使其產(chǎn)生的波浪能量不同，在沿岸帶，即使風(fēng)速大小相同，但不同的風(fēng)向所產(chǎn)生的波浪大小也是不同，即離岸風(fēng)時(shí)波浪小，向岸風(fēng)時(shí)波浪大［11］.因此在西北風(fēng)、東南風(fēng)向下1#點(diǎn)的譜形會(huì)有所差異，而湖心區(qū)風(fēng)向的改變對(duì)其風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度的變化幾乎沒(méi)有影響.可見(jiàn)，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度對(duì)風(fēng)浪譜譜形有重要的意義.

圖7 東南風(fēng)向持續(xù)作用下的頻譜Fig.7 The frequency spectrum by the sustained action with southeast wind

3 結(jié)論

結(jié)合實(shí)際風(fēng)場(chǎng)資料，利用第三代淺水波浪模式SWAN模擬了太湖的波浪情況，并與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行比對(duì)，表明SWAN模式能夠很好的模擬太湖波浪，然后對(duì)模擬輸出結(jié)果風(fēng)浪譜進(jìn)行分析，得到以下幾個(gè)結(jié)論:

1)太湖波浪的絕對(duì)頻率集中在中高頻率段，頻率范圍0.45～1.00 Hz，上風(fēng)向區(qū)頻率大于下風(fēng)向區(qū);能量密度在開(kāi)闊水域最大，其次是灣區(qū)，西山到附近的狹長(zhǎng)水域最小.

2)風(fēng)向與波向具有高度的一致性，能量集中在沿風(fēng)向方向上.能量分布與頻率有關(guān)，譜峰頻率較高，其方向譜越寬，反之越窄.

太湖地形復(fù)雜，波浪成長(zhǎng)與傳播受到風(fēng)時(shí)、風(fēng)區(qū)、水深等因素的影響，因此進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果表明:

1)同一風(fēng)速下，太湖不同區(qū)域波浪成長(zhǎng)穩(wěn)定時(shí)間不同，灣區(qū)、西山島附近較開(kāi)闊水域先穩(wěn)定;湖心區(qū)穩(wěn)定的譜峰頻率在0.342～0.585 Hz之間，而灣區(qū)及西山島附近狹長(zhǎng)水域穩(wěn)定的譜峰頻率在0.447～0.765 Hz之間.

圖8 西北風(fēng)向持續(xù)作用下的頻譜Fig.8 The frequency spectrum by the sustained action with northwest wind

2)同一區(qū)域內(nèi)，隨著風(fēng)速增大，8 m/s時(shí)穩(wěn)定的時(shí)間約是4 m/s時(shí)的2倍，且相應(yīng)的譜峰頻率沿低頻推移，在湖心區(qū)譜峰頻率最小不低于0.340 Hz，在灣區(qū)以及狹長(zhǎng)水域地帶其譜峰頻率不低于0.447 Hz;風(fēng)向的改變對(duì)灣區(qū)及西山島附近狹長(zhǎng)水域的頻譜譜形影響較大.

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