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      長江口外海域懸沙濃度垂向剖面實用模型計算法

      2015-04-07 23:50:21施心慧

      施心慧

      摘要為了測定長江口外海域懸沙濃度,根據(jù)2006 年 8 月觀測數(shù)據(jù),以設(shè)定的反映懸沙分布特性的指標(biāo)變量——懸沙特征系數(shù)為基礎(chǔ),根據(jù)得出的分析結(jié)果測算出來不同的懸沙垂直分布結(jié)果,并與實際觀測的懸沙濃度進(jìn)行對比.通過完善提出的懸沙濃度垂向懸沙濃度剖面實用模型,根據(jù)實際資料反映出來的數(shù)據(jù)驗證模型的正確性和有效性,從而為由海表懸沙濃度推測水下懸沙濃度奠定基礎(chǔ).

      關(guān)鍵詞懸沙濃度;懸沙特征系數(shù);懸沙實用模型

      中圖分類號TV148+1文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號10002537(2015)01001205

      國內(nèi)外學(xué)者對懸沙及其濃度的測算有大量的研究[13],Einstein[4]是第一位系統(tǒng)地提出懸沙運動學(xué)理論的科學(xué)家,陳沈良[5]對杭州灣大中小潮懸沙濃度的變化規(guī)律進(jìn)行了分析,認(rèn)為懸沙濃度變化的主要影響因素是潮的周期流速變化和水位變化,其模型的計算結(jié)果與實測資料擬合較好.懸沙剖面的特征吸引大量學(xué)者進(jìn)行研究[614],獲得了具有參考價值的成果.本文提出懸沙特征系數(shù),這個指標(biāo)與已有文獻(xiàn)相比進(jìn)一步描畫出了懸沙分布的特性.作者通過觀測臺風(fēng)過境前后長江口外海域懸沙斷面層的特征得到懸沙特征系數(shù),建立了一種計算懸沙濃度垂向剖面的實用模型,并選取3個固定點位對這一模型的科學(xué)性和有效性進(jìn)行測試,結(jié)果表明此模型具有實用性,能為衛(wèi)星遙感資料獲取懸沙濃度剖面分布信息,實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測懸浮泥沙分布規(guī)律提供科學(xué)依據(jù).

      1泥沙數(shù)據(jù)的有效獲取

      在獲取泥沙數(shù)據(jù)的過程中,科學(xué)三號、金星二號科考船做出了巨大貢獻(xiàn).期間臺風(fēng)“桑美”襲擾我國,科考分為兩個階段,分別由科學(xué)三號和金星二號執(zhí)行航段任務(wù),這樣既躲避了臺風(fēng)侵襲又能有效獲得臺風(fēng)過境前后兩個階段的數(shù)據(jù),為下一步分析提供了可靠保障.

      “桑美”臺風(fēng)過境前(以下簡記為風(fēng)前)的第一航段使用“科學(xué)三號”科考船對南起30°N,北到32°30′N,西起122°15′E,東至123°30′E的海域進(jìn)行了調(diào)查,共設(shè)置6個緯度斷面進(jìn)行走航觀測,其中1號斷面位于30°N,2號斷面位于30°30′N,向北緯度每隔30′設(shè)一斷面,6號斷面在32°30′N.經(jīng)度上每個斷面間距15′設(shè)一站點,共6個站點,在此區(qū)域的懸沙濃度剖面觀測點共計33個,如圖1所示.

      “桑美”臺風(fēng)過境后的第二航段使用了“金星二號”科學(xué)考察船對南起30°30′N,北到31°30′N,從西至東經(jīng)歷了東經(jīng)122°至123°30′區(qū)間,并且設(shè)置5個進(jìn)行觀察的緯度斷面.其中在1號斷面的位置在30°30′N,依次向北緯度每隔15′設(shè)一斷面, 5號為31°30′N.在經(jīng)度方向上每個斷面每10′設(shè)置一個點,除去落在島嶼及管制區(qū)內(nèi)的站點,共35個觀測站進(jìn)行了懸沙濃度剖面的觀測,如圖2所示.第一航段還在3個站點進(jìn)行了25 h連續(xù)懸沙剖面濃度觀測,定點觀測站位分別是S1站(122°51.881′E, 32°0.187′N)位于觀測當(dāng)天長江口外混濁水的鋒面處,S3站( 122°29.932′E,31°15.261′N)是長江口外混濁水高濃度區(qū)的代表點,S2站(122°54.972′E,31°0.009′N)是混濁水域外側(cè)(東邊)較清水域的代表點.S1 站分別在5 m、10 m和27 m分別進(jìn)行表層、中層和深層觀測; 而S3站的觀測深度有所不同,分別設(shè)在 5 m,10 m,19 m處;S2 站的水深略深,深度分別設(shè)在 5 m,20 m,40 m處,3個站共獲得27個垂向剖面懸沙濃度觀測數(shù)據(jù).

      為取得合理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),海試中主要借助常規(guī)法和儀器法對垂向懸沙濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測.觀測懸沙濃度的常規(guī)方法是在實驗室經(jīng)過采水、過濾、烘干、稱量等步驟,獲得以mg/L為標(biāo)準(zhǔn)單位的懸沙濃度值,同時借助AAQ1183 水質(zhì)檢測儀的濁度探頭,將剖面的濁度觀測值記錄下來,再將濁度單位值與濃度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換,得出的數(shù)據(jù)就可以作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)使用.將在同一地點同一時刻獲得的懸沙濃度與在濁度儀探頭下獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后的數(shù)值建立對應(yīng)關(guān)系,便得到了每個觀測站點的垂向懸沙濃度資料,為繼續(xù)分析分布特征提供了依據(jù).

      2懸沙濃度垂向分布特征

      本文通過描述懸浮泥沙分布特性的量——懸沙特征系數(shù)(CCoSSC)來分析懸沙分布特征,即海水中懸沙底層濃度與表層濃度比值的對數(shù):

      CCoSSC=ln(S底/S表).(1)

      S底表示底層海水懸沙濃度,S表表示表層海水懸沙濃度,制作一個表示研究海域的10′×10′的網(wǎng)格點,將懸沙特征系數(shù)分別標(biāo)注到網(wǎng)格上,記為懸沙特征系數(shù)表(表1),具體區(qū)域為東經(jīng)1225°~123.5°, 北緯30.0°~325°.

      將表1中數(shù)據(jù)作圖(圖3),可知:總體來看,懸沙特征系數(shù)呈現(xiàn)向外逐漸變小但在近岸大的特點;研究海域南部(北緯30°~31°)其特征的數(shù)值基本上都大于1,其中在123°E, 30.5°N附近出現(xiàn)最大值;這片海域北部(32°N附近)有一個相對較低的區(qū)域,懸沙特征系數(shù)均小于1;北緯31°~315°為中間過渡帶.

      3實用模型的設(shè)計及其在長江口外海域的應(yīng)用

      根據(jù)泥沙擴散理論,對懸沙泥沙的垂向分布進(jìn)行計算:

      ln(Sv/Sv0)=-ω(y-y0)/εy.(2)

      其中,Sv為y處的懸沙濃度,Sv0為海床面y0處的懸沙濃度, ω為懸沙沉降速度,εy為垂向泥沙擴散系數(shù).由(2)式變化得到模型

      ln S=a+b·hr,hr=-y/H.(3)

      其中,hr為相對水深,S為懸沙濃度,H為海水的水深,a、b為回歸參數(shù).

      利用表1查出該海域某個地點相應(yīng)的數(shù)值,定出相對水深hr的參數(shù)b,同時通過衛(wèi)星遙感資料易獲得該點表層濃度值,故假設(shè)表層濃度已知,從而代入公式(3)便可確定另外一個參數(shù)a.如此,在a、b兩個回歸參數(shù)確定的情況下,即可利用公示(3)計算出某點所處水層的懸沙濃度的對數(shù)值.

      本文對幾十個航站點進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬,檢驗?zāi)P偷挠行?

      由于在計算懸沙濃度時衛(wèi)星云圖以及相關(guān)數(shù)據(jù)并非表現(xiàn)出絕對0 m的數(shù)值,因此計算中使用風(fēng)前風(fēng)后站點表層0~5 m觀測懸沙濃度平均值,應(yīng)該更接近實際的結(jié)果和真正的表層海水情況.根據(jù)表1確定臺風(fēng)過境前后各站點的懸沙特征系數(shù)值,然后計算風(fēng)前風(fēng)后站點表層0~5 m觀測懸沙濃度平均值,從而算出a和b值.然后由模型計算出該點整層水深的垂向懸沙剖面,最后與風(fēng)前風(fēng)后站點觀測資料進(jìn)行比較.

      首先對臺風(fēng)過境前的30多個站點按照上述辦法進(jìn)行測算,得到懸沙濃度觀測值與根據(jù)公式(3)得出的計算值,算出相對誤差和絕對誤差(表2).可以看出相對誤差只有0.144 4;絕對誤差極小,僅為1.420 8 mg/L,模型較為有效.

      使用同樣的方法對臺風(fēng)過境后35個站點計算風(fēng)后懸沙斷面觀測值與模型計算值之間的平均相對誤差和絕對誤差,如表3所示.可見風(fēng)后的相對誤差有所上升(0.243 3),但是絕對誤差略有下降(0.896 5),總體數(shù)據(jù)基本一致.這表明實用模型能夠應(yīng)用到此海域的研究中.

      使用同樣的方法對臺風(fēng)過境后35個站點計算風(fēng)后懸沙斷面觀測值與模型計算值之間的平均相對誤差和絕對誤差,如表3所示.可見風(fēng)后的相對誤差有所上升(0.243 3),但是絕對誤差略有下降(0.896 5),總體數(shù)據(jù)基本一致.這表明實用模型能夠應(yīng)用到此海域的研究中.

      根據(jù)表1得出相應(yīng)的S1,S2和S3處的數(shù)值,如果這3個點經(jīng)緯度不在表中的話,則取表中與其距離最近的值,并將模擬值與實測值進(jìn)行比較(見表5).結(jié)果誤差不超過10%,這說明可以用特征系數(shù)表計算懸沙濃度值,實用模型可以應(yīng)用于實際.

      5結(jié)論

      根據(jù)臺風(fēng)過境前后懸沙斷面的觀測資料數(shù)據(jù),得出了懸沙特征系數(shù).通過對臺風(fēng)過境前后各站點實測值與模擬值的比較,以及3定點回歸模型的比較,得出結(jié)論:實用模型能夠應(yīng)用于研究海域.如果想用衛(wèi)星圖片資料得到海域表層懸沙濃度,只需要設(shè)定其中一個參數(shù)a,然后利用懸沙特征系數(shù)表確定另一個參數(shù)b,即可計算本海域的懸沙濃度垂向剖面,由此可借助衛(wèi)星圖片資料比較容易地獲得表層懸沙濃度的信息.

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      (編輯王?。?

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