0709號臺風影響下粵東后江灣海灘地形動力過程研究

于吉濤，丁圓婷，程璜鑫，陳子燊

(1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000; 2.中國地質大學(武漢) 環(huán)境學院，湖北 武漢 430074;3.中國地質大學(武漢)藝術與傳媒學院，湖北 武漢 430074；4.中山大學 地理科學與規(guī)劃學院，廣東 廣州 510275)

0709號臺風影響下粵東后江灣海灘地形動力過程研究

于吉濤1，2，丁圓婷1，程璜鑫3，陳子燊4*

(1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000; 2.中國地質大學(武漢) 環(huán)境學院，湖北 武漢 430074;3.中國地質大學(武漢)藝術與傳媒學院，湖北 武漢 430074；4.中山大學 地理科學與規(guī)劃學院，廣東 廣州 510275)

基于0709號臺風“圣帕”影響下粵東后江灣的現(xiàn)場實測海灘前濱地形資料和水動力、風等資料，采用典型相關分析方法識別了臺風影響下海灘前濱地形不同的變化過程，揭示了這些不同變化過程的主要控制因子，并嘗試給出了物理解釋。研究結果表明：(1)臺風影響下海灘前濱地形的主要變化過程是水上灘肩被破壞—水下岸坡略有堆積—水下沙壩泥沙向海搬運，控制這一過程的主要動力因子是風速東向量、最大波高和碎波尺度參數(shù)；(2)海灘前濱地形的次要變化過程是海灘前濱泥沙向海搬運而形成水下沙壩，控制這一過程的主要動力因子是最大波周期和海灘地下水位；(3)海灘前濱地形也表現(xiàn)出前濱上部地帶堆積、下部侵蝕的變化過程，控制這一過程的主要動力因子是沿岸流、海灘地下水位和最大波高。這些研究結果進一步揭示了臺風影響下海灘前濱地形動力過程是由多個不同的地形-動力過程耦合作用而組成。

地形動力過程；海灘；臺風；典型相關分析

1 引言

海灘演變涉及波浪、潮汐、風等動力因素在不同時空尺度下的地形動力過程。因此，海灘地形與動力是泥沙粒度、破波波候(包括波高和周期)、潮差和主要地形單元的函數(shù)[1]。偶爾發(fā)生的風暴、颶風和熱帶氣旋形成的極端事件在短時間內也會對海灘地形動力過程產(chǎn)生巨大影響，導致嚴重的侵蝕、波浪越頂和海灘系統(tǒng)的不穩(wěn)定，產(chǎn)生災難性的后果[2—6]。通常，具有較大波高的風暴能夠造成更大的危害，而其他風暴特征如風暴持續(xù)時間、方向、峰波周期和水位(潮汐和浪涌)也發(fā)揮了重要的作用。許多研究指出，海灘對風暴的響應是海灘類型和風暴特征的函數(shù)[7]。

常況下，近岸波浪與海灘剖面響應之間的關系本身就是一個高度復雜的現(xiàn)象，因為其中包含了不同時空尺度下不同的過程[8—9]。除非在明確的情況下只有幾個過程控制海灘剖面的響應(如物理模型)，否則很難用簡單的、確定性的方程或模型來研究波浪與海灘剖面之間的關系[10]，這就需要借助更高級的統(tǒng)計模型，以識別數(shù)據(jù)中的模式并將其與物理過程聯(lián)系起來。有關研究人員使用典型相關分析(Canonical Correlation Analysis，CCA)，研究了海灘剖面與波浪之間的關系，得到了較好的結果[10—12]。但是目前，研究海灘剖面變化與波浪之間的關系只是取得了有限的進步，究其原因是在大部分研究中缺乏時間上密集的同步海灘地形和近岸波浪數(shù)據(jù)[12—13]，進而限制了CCA法的應用。

在風暴(臺風)影響下，海灘地形與動力因子之間的關系更加復雜，近岸數(shù)據(jù)的獲取更加困難，國內外研究中鮮見風暴(臺風)作用下海灘地形與波浪、潮汐、風等多個動力因素同步觀測數(shù)據(jù)。本文將基于0709號臺風影響下粵東后江灣現(xiàn)場實測海灘前濱地形數(shù)據(jù)和波浪、潮汐、風等動力數(shù)據(jù)，拓展CCA法的應用，將常況下海灘剖面與近岸波浪之間的關系研究拓展至極端波況下海灘剖面與近岸波浪、潮汐、風等多個動力因素之間的關系研究，識別臺風影響下海灘前濱地形不同的變化過程；通過研究海灘前濱剖面不同部位與近岸動力因子之間的關系，揭示海灘前濱地形變化不同變化過程的主要控制因子，并嘗試給出物理解釋，研究成果將有助于認識、理解華南砂質海灘時空演變特征與侵蝕機制。

2 研究區(qū)概況與臺風情況

研究區(qū)位于粵東碣石灣西南的岬間海灣——后江灣(圖1)，灣口向東偏南方向開敞，海岸地形由海灣西南的遮浪角和東北部的施公寮兩個基巖岬角和連接兩者的海成沙堤構成。該海灣主要位于潮間帶的前濱區(qū)，岸灘寬約50～60 m，灘肩、灘角與陡灘面是前濱地形的主要特征。據(jù)當?shù)睾Ｑ笳鹃L期觀測結果，灣口外開闊海區(qū)平均波高約1.3 m，平均周期4.6 s；風速、風向及波向變化都較大。海區(qū)潮汐為不正規(guī)日潮混合潮類型，平均潮差小于1 m，屬波控弱潮海岸[14]。

0709號臺風“圣帕”是2007年最強的一個臺風，也是近年來強度最強的臺風之一，并為臺灣、福建及浙江帶來嚴重損失。其形成過程與路徑(圖2)為：一個低壓區(qū)于2007年8月12日在馬尼拉以東約1 600 km增強為一個熱帶低氣壓，初時向西南偏西移動；8月13日凌晨增強為熱帶風暴，日本氣象廳將其命名為“圣帕”，當晚迅速增強為強熱帶風暴；8月14日進一步增強為臺風?！笆ヅ痢痹鰪姙榕_風后于8月15日轉向西北偏西移動，8月16日下午轉向西北偏北移動。臺風“圣帕”于當晚達到顛峰程度，每小時風速高達200 km，同時“圣帕”亦出現(xiàn)擁有雙重眼壁并進一步逼近臺灣?！笆ヅ痢庇?007年8月18日凌晨減弱為強臺風，5時40分前后在中國臺灣花蓮秀姑巒溪口附近沿海登陸?！笆ヅ痢贝┰脚_灣及臺灣海峽，并于8月19日凌晨減弱為強熱帶風暴。當日早上在福建泉州市登陸并減弱為熱帶風暴，當晚進一步減弱為熱帶低氣壓，8月20日清晨減弱為一個低壓區(qū)。“圣帕”臺風對本文研究區(qū)的影響時間為2007年8月14-17日。

圖2 臺風“圣帕”路徑圖Fig.2 The typhoon “Sepat” track

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)

3.1.1 海灘剖面數(shù)據(jù)

現(xiàn)場觀測自2007年8月12日14時至21日18時，共221 h。在海灘上布設兩條觀測剖面A與剖面B(見圖1)。剖面A布設7根鐵樁(a1～a7)，剖面B布設8根鐵樁(b1～b8)，鐵樁間距為4 m，向陸側大致到高潮時波浪最大上沖處，向海側至平均水下約1 m處，包括了整個海灘前濱區(qū)域。剖面A靠岸一側有人工石堆攔沙堤。對剖面上各樁點高度變化進行晝夜連續(xù)觀測，時間間隔為1 h，剖面A與剖面B分別連續(xù)測量221次，剖面形態(tài)如圖3所示。由剖面A與剖面B的布設位置可知(見圖1)，剖面A的地形變化除了遭受入射波作用之外，還受到其右側人工石堆攔沙堤的影響。本文關注的是自然條件下海灘前濱地形的演變，故選用剖面B所觀測的剖面數(shù)據(jù)。

圖3 實測剖面A、B的形態(tài)圖Fig.3 Shapes of the observed profiles A and B

3.1.2 近岸動力數(shù)據(jù)與預處理

在現(xiàn)場剖面觀測期間，同時在水下沙壩海側斜坡和岸側的凹槽內(見圖1)分別安置一部美國InterOcean公司生產(chǎn)的S4ADW型測波儀采集波浪數(shù)據(jù)，采樣頻率為2 Hz。對觀測期間的波浪數(shù)據(jù)進行處理，得到221 h逐時的最大波高H和最大波周期T(圖4)；并于剖面B的右側挖一探井，井底安置DIK-610A-CI水位計記錄海灘地下水位，采樣間隔為1 min，海灘地下水位的變化將指示潮汐的作用過程。對觀測期間的海灘地下水位數(shù)據(jù)進行處理，得到221 h逐時的地下水位數(shù)據(jù)ζ(圖4)；現(xiàn)場同步獲取的風速的數(shù)據(jù)W(圖4)，對221 h風速的數(shù)據(jù)進行預處理，分解為風速東分量Wu和風速北分量Wv(圖5)。風速東分量Wu指示近岸沿岸流的作用過程，風速北分量Wv指示近岸離岸流的作用過程。

圖4 實測的波高、周期、碎波尺度參數(shù)、風速、風向、海灘地下水位過程Fig.4 Observed field wave heights，periods，surf scaling parameters，wind speed，wind direction and beach waver tables

圖5 221 h連續(xù)時序風速東分量Wu和風速北分量WvFig.5 Eastern component Wu and northern component Wv of the wind speed within 221 hours

3.1.3 碎波尺度參數(shù)

Guza和Inman認為波能對海灘作用的強度可通過海灘反射性與碎波類型來表征，通過實驗室和理論調查，提出了描述碎波帶破波類型的參數(shù)——碎波尺度參數(shù)(surf scalling parameter)[15]：

(1)

式中，ai為破波振幅，ω為入射波頻率(ω=2π/T，T為周期)，g為重力加速度，β為海灘坡度。根據(jù)這一公式，破波類型可被劃分為激破波(εs<2.5)、塌破波和卷破波(2.5<εs<20)和溢破波(εs>20)。Wright和Short通過對澳大利亞不同海灘和碎波帶環(huán)境進行了現(xiàn)場研究，將海灘狀態(tài)與碎波尺度參數(shù)聯(lián)系起來，采用碎波尺度參數(shù)來表征海灘對入射波的反射性，判別海灘的水動力特征，識別出海灘狀態(tài)的兩種極端狀況：完全消散型和高度反射型。他們提出：反射型海灘(εs<2.5)、中間狀態(tài)海灘(2.5<εs<20)和消散型海灘(εs>20)[16]。已有的研究指出，消散型海灘更常見于風暴作用下的風浪環(huán)境中，波高大、周期短的風暴浪作用于極細砂海灘[17—20]。本文引入這一參數(shù)，識別臺風作用下海灘類型的變化，通過同步測量的海灘坡度數(shù)據(jù)與波浪數(shù)據(jù)，得到221 h逐時的碎波尺度參數(shù)εs(見圖4)。

3.2 研究方法

典型相關分析是研究兩組變量之間相關關系的一種多元統(tǒng)計方法，由Hotelling于1936在社會學中提出[21]。這一方法在海岸演變方面最早的應用是Larson等調查波浪和剖面響應之間的關系研究[10]。隨后，Horrillo-Caraballo和Reeve使用CCA法研究了英國南部海岸Christchurch Bay的卵石-沙混合型海灘和美國東海岸北卡羅萊納州沙質海灘，通過海灘剖面與波高分布之間顯著相關性，提出CCA方法可用來預測海灘剖面[12]。另外，Rózyński也使用CCA法研究了多列沿岸沙壩的演變形式和它們之間的相互作用[22]。在目前海岸演變與預測方面依然更多偏重統(tǒng)計方法的背景下，CCA法作為一種高級的統(tǒng)計方法，可以確定兩個數(shù)據(jù)組的主要模式和其中的關系，因此可以更好的揭示海灘演變的過程與主要的控制因子。主要計算過程為：設有變量場X、變量場Y分別由p個空間地形高程點，q個海灘動力因子構成，樣本容量為N。對兩組要素分別加以標準化處理，然后分別尋找X和Y中諸個變量的線性組合

(2)

(3)

式中，Ui,Vj稱作典型變量，要求它們有如下性質：

(1)所有的Ui或Vj之間彼此正交；

(3)各Ui或Vj的均值都為0，方差都為1。

典型相關分析的優(yōu)越之處在于分析上述兩個線性組合中各項組合系數(shù)(可視為該項變量的權重系數(shù))絕對值的大小和正負號可以揭示各項典型變量的物理意義。對所得典型相關系數(shù)采用巴特萊特(Bartlett)關于大樣本的χ2檢驗，顯著水平取α=0.05，當經(jīng)χ2檢驗求得的統(tǒng)計量P小于α值時，該典型變量顯著[23]。

本文聚焦于臺風影響下海灘前濱剖面地形與近岸動力因子之間的相互關系，那么剖面B的8個固定樁點(b1～b8)為剖面地形高程組x1～x8(X變量組)；基于前文獲得的波浪、海灘地下水位、風的數(shù)據(jù)，首先通過對各波列組的偏度、峰度、波高和周期、入射波頻帶波高、入射波頻帶周期、長重力頻帶波高、長重力頻帶周期、沿岸流分量、垂岸流分量、波能、波能流、海灘潛水位等近岸動力因子做常態(tài)相關分析，最終選取最大波高y1、最大波周期y2、風速東分量y3、風速北分量y4、海灘地下水位y5和海灘碎波尺度參數(shù)y66個近岸動力因子，組成海灘動力因子組(Y變量組)；X、Y組樣本數(shù)N等于221(逐時過程)。

4 結果與分析

典型相關分析結果如表1和圖6。表1顯示前4個典型變量累計總方差達到98.04%，統(tǒng)計量P值小于顯著水平0.05，屬于顯著典型變量。從圖6也可以看出，前4個典型特征變量所對應的Ui、Vj之間相關系數(shù)較強(i=1，2，…，8；j=1，2，…，6)，典型相關系數(shù)r1～r4介于0.406 5～0.854 2。結果與具體分析如下：

(1)由表1可得出第1典型變量占總方差的39.74%，U1與V1的典型相關系數(shù)r1為0.854 2，說明海灘前濱剖面地形變化與近岸動力因子之間具有高度的相關關系。由表2、表3可知所對應的第1對標準化的典型變量的線性組合為：

U1=-0.873 2x1-0.497 2x2+0.003 7x3+

0.091 7x4+0.175 7x5-0.064 8x6-

0.520 9x7-0.619 3x8，

(4)

圖6 6個典型相關變量時間過程Fig.6 Temporal processes of six canonical correlation variables

表1 6個典型變量的特征值、相關系數(shù)和統(tǒng)計P值

Tab.1 Eigenvalues，correlation coefficients and statistic values of six canonical correlation variables

典型變量特征值占總方差百分比%典型相關系數(shù)P值10 729639 740 85420 000020 679637 020 82440 000030 225312 270 47470 000040 16539 000 40650 000150 03241 760 18010 456860 00360 200 05970 8591

表2 4個顯著典型相關變量和8個剖面高程點之間的相關系數(shù)

表3 4個顯著典型相關變量和6個近岸動力因子之間的相關系數(shù)

V1=0.827 2y1-0.264 1y2-0.887 8y3-

0.009 6y4+0.498 9y5+0.605 9y6，

(5)

由式(4)、(5)可知，第1典型變量與樁點b1、b2呈負相關，與樁點b3、b4、b5呈正相關，與樁點b6、b7、b8又呈負相關，對照圖3可得出在臺風作用下，海灘水上地形(灘肩破壞)發(fā)生侵蝕，沿岸坡向水下搬運，使岸坡區(qū)域略有堆積，從水上搬運的泥沙將在岸坡下部形成水下沙壩，并向海側搬運而發(fā)生侵蝕，這是海灘前濱剖面地形變化的主要模式。整個過程體現(xiàn)了臺風作用下海灘前濱地帶的侵蝕過程，反之當臺風過后，整個地帶又會經(jīng)歷相反的過程向陸搬運泥沙而重塑海灘。其中，第1典型變量與海灘前濱剖面樁點b1、b8關系更加緊密(相關系數(shù)分別為-0.873 2和-0.619 3)，都呈負相關關系，體現(xiàn)了臺風作用下對這兩個地帶的擾動更強，共同指示了臺風作用下海灘遭受侵蝕的事實。

第1典型變量與近岸動力因子最大波高y1、海灘地下水位y5和海灘碎波尺度參數(shù)y6呈正相關，與最大波周期y2、風速東分量y3和風速北分量y4呈負相關。其中相關關系顯著的3個近岸動力因子分別為風速東向量y3、最大波高y1、碎波尺度參數(shù)y6，說明這3個動力因子對海灘前濱剖面地形變化主要模式的控制。第1典型變量與風速東向量y3關系最密切，相關系數(shù)為-0.887 8，風速東向量指示了近岸區(qū)域的離岸流情況，且該動力因子與海灘前濱剖面變動最強烈的b1、b8樁點呈正相關關系。結合圖5，在臺風影響本海區(qū)期間(即開始觀測后約40～120 h)，風速東分量Wu為負值，因此實際上在臺風影響期間風速東向量指示了向岸流，且為表面向岸流，底部則為離岸流[24]，而導致前濱剖面樁點b1、b8處的泥沙向海搬運。第1典型變量與入射波最大波高的相關系數(shù)為0.827 2，但這一動力因子與海灘前濱剖面變動最強烈的b1、b8樁點呈負相關關系，指示了隨著臺風大浪所致的波浪增水，波能的增加(如圖4最大波高H的變化情況)，波浪越頂而導致樁點b1較大的侵蝕；波高增高，破波點更加向海側，崩破波擾動樁點b8地帶的泥沙，在底部離岸流作用下向海搬運。由圖4、圖5，向岸流與最大波高之間相關性顯著，反映了臺風致風浪環(huán)境下，波高增高，波能增加，而致沿岸流的增強。第1典型變量與海灘碎波尺度參數(shù)y6的相關關系較顯著，相關系數(shù)為0.605 99，這一因子與海灘前濱剖面變動最強烈的b1、b8樁點呈負相關關系，反映了隨海灘碎波尺度參數(shù)的增加(如圖4碎波尺度參數(shù)εs的變化情況)，同樣反映了海灘前濱水上和水下發(fā)生泥沙離岸搬運的事實。實際上，正是由于臺風作用期間海灘泥沙向海搬運才導致海灘碎波尺度參數(shù)的增加，海灘更加消散。這一現(xiàn)象已被Wright和Short[25]、Short[1]所證實。

(2)由表1可得出第2典型變量占總方差的37.02%，U2與V2的典型相關系數(shù)r2為0.824 4，同樣說明了海灘前濱剖面地形變化與近岸動力因子之間具有高度的相關關系。由表2、表3可知所對應的第2對標準化的典型變量的線性組合為：

U2=-0.325 6x1-0.166 4x2-0.481 3x3-

0.670 2x4-0.960 5x5-0.884 5x6-

0.158 4x7+0.493 6x8，

(6)

V2=0.175 5y1+0.743 1y2+0.319 1y3-

0.368 0y4+0.565 0y5-0.421 0y6，

(7)

由式(6)、(7)可知，第2典型變量與樁點b1～b7都呈負相關，與樁點b8呈正相關，指示了在近岸動力因子作用下海灘前濱泥沙向海搬運而形成水下沙壩的過程，這是海灘前濱剖面地形變化的次要模式。其中，第2典型變量與樁點b4、b5、b6關系密切(相關系數(shù)分別為-0.670 2、-0.960 5和-0.884 5)，尤其與樁點b5的相關系數(shù)高達-0.960 5，反映了近岸動力因子對海灘岸坡底部的強烈沖刷(沖刷成凹槽)。

第2典型變量與近岸動力因子最大波高y1、最大波周期y2、風速東分量y3、海灘地下水位y5呈正相關關系，與風速北分量y4和碎波尺度參數(shù)y6呈負相關關系。其中，第2典型變量與海岸動力因子組中的最大波周期(相關系數(shù)為0.743 1)和海灘地下水位(相關系數(shù)為0.565 0)這兩個因子關系密切。最大波周期與樁點b1～b7都呈負相關關系，指示了隨著波浪周期的增加，海灘前濱遭受更大的侵蝕。但實際情況是，在風暴致風浪環(huán)境中，波高大、周期短(如圖4最大波周期T的變化情況)的風暴浪作用于消散型海灘，但為何發(fā)生了海灘前濱的強烈侵蝕？這一“矛盾”的自然現(xiàn)象早已引起研究人員的關注，并促進了近岸長重力波(波浪周期界于20～200 s)變化的研究。相關研究指出，入射波能在暴風浪時，內碎波帶內的波能變化與正常海況相同，暴風浪只是使入射波浪(周期小于20 s)的破波波高增大，破波點向海側轉移，破波帶范圍加大[26—29]。在消散型海灘上，長重力波頻段的波能在總波能中占據(jù)主導地位[27]。Short指出，在風暴作用下，波能增加，并向長重力波頻轉移，表現(xiàn)為岸線處的波浪增水與減水[1]。其中樁點b5變動最為強烈的原因，正是在這種長重力頻帶周期波浪作用下，海灘底部才造成更大的侵蝕[14]。海灘地下水位對海灘前濱剖面地形變化的次要模式的影響與最大波周期比較相似，同樣樁點b1～b7呈負相關關系，海灘地下水位的變動指示了潮汐對海灘前濱剖面地形的影響。潮汐水位波動可拓展入射波對海灘前濱地形(b1～b7)的影響，尤其是臺風作用下會導致海岸發(fā)生更大的波浪增水，抬升海灘地下水位。落潮階段海灘地下水面向海傾斜，從海灘內抬升的地下水位中滲出的水量將加強后退流對前濱地形的沖刷強度，尤其在樁點b5處，使泥沙向海搬運。

(3)第3典型變量占總方差的12.27%，U3與V3的典型相關系數(shù)r3為0.474 7，相關關系較顯著。由表2、表3可知所對應的第3對標準化的典型變量的線性組合為：

U3=0.186 1x1+0.652 3x2+0.352 0x3-

0.326 4x4-0.036 8x5-0.129 0x6-

0.610 6x7-0.492 7x8，

(8)

V3=-0.500 6y1-0.333 8y2+0.061 1y3-

0.691 2y4+0.523 3y5+0.292 5y6，

(9)

由式(8)、(9)可知，第3典型變量與樁點b1、b2、b3呈正相關，與樁點b4～b8呈負相關，指示了在近岸動力因子作用下，海灘前濱上部堆積、下部侵蝕的過程。其中第3典型變量與樁點b2、b7關系密切，但與樁點b2呈正相關關系，相關系數(shù)為0.652 3；而與樁點b7呈負相關關系，相關系數(shù)為-0.612 6。

第3典型變量與近岸動力因子最大波高y1、最大波周期y2、風速北分量y4呈負相關關系，與風速東分量y3、海灘地下水位y5、碎波尺度參數(shù)y6呈正相關關系。其中，第3典型變量與風速北向量、海灘地下水位和最大波高關系等動力因子關系密切。第3典型變量與風速北向量呈負相關關系，相關系數(shù)為-0.691 2。風速北向量指示了近岸泥沙的沿岸流搬運，這一動力因子與海灘前濱上部區(qū)域(b1～b3)呈負相關關系，與海灘前濱下部區(qū)域(b4～b8)呈正相關關系，反映了在沿岸流加強情況下(如圖5風速北分量Wv的變化情況)海灘前濱上部將發(fā)生侵蝕，下部淤積。沿岸流作為碎波帶內與岸線平行的水體流動，流速可達到1.5 m/s而使泥沙輸運，它們與海灘長期侵蝕和海港、潮汐通道變淺有關[30]。沿岸流不僅取決于入射波，也取決于風和潮汐。有關研究指出，在強風沿岸吹刮的情況下，風對沿岸流的作用力的確很顯著，尤其是坡度較緩的海灘上[31-32]。第3典型變量與海灘地下水位呈正相關關系，相關系數(shù)為0.523 3，這一動力因子與海灘前濱上部區(qū)域(b1～b3)呈正相關關系，與海灘前濱下部區(qū)域(b4～b8)呈負相關關系，體現(xiàn)了漲潮過程對海灘前濱地形的影響。漲潮時，海灘地下水位向岸傾斜，上沖流攜帶的部分流量滲入海灘內部使得上沖流作用強度減弱，海灘前濱上部地形趨于加積。第3典型變量與最大波高的關系較緊密，相關系數(shù)為-0.500 6，這一動力因子與海灘前濱上部區(qū)域(b1～b3)呈負相關關系，與海灘前濱下部區(qū)域(b4～b8)呈正相關關系，反映了臺風作用下海灘前濱上部侵蝕而下部淤積的情況，與第1典型變量中最大波高所控制的前濱地形變化過程明顯不同，進一步佐證了海灘地形動力過程是一個復雜的非線性耦合機制。

(4)第4典型變量占總方差的9.00%，U4與V4的典型相關系數(shù)r4為0.406 5，相關關系較顯著。由表2、表3可知所對應的第4對標準化的典型變量的線性組合為：

U4=-0.151 1x1+0.225 0x2+0.225 7x3-

0.198 1x4+0.183 9x5+0.071 0x6-

0.183 4x7+0.317 9x8，

(10)

V4=-0.075 6y1-0.168 0y2-0.020 2y3+

0.606 6y4+0.362 0y5+0.171 0y6，

(11)

由式(10)、(11)可知，第4典型變量與剖面各高程點的相關系數(shù)都不大，最大相關系數(shù)的絕對值僅為0.32，與樁點b1、b4、b7呈負相關關系，與樁點b2、b3、b5、b6、b8呈正相關關系。而第4典型變量與風速北分量呈正相關關系，相關系數(shù)的絕對值大于0.6，盡管統(tǒng)計檢驗結果表明第4典型變量屬于高置信水平的顯著典型變量，但沿岸流增強如何導致海灘前濱剖面地形發(fā)生侵蝕—淤積—侵蝕—淤積—侵蝕—淤積這樣的過程，從海岸地形動力過程的角度難以給出較明確的解釋。

5 結論

本文基于0709號臺風“圣帕”影響下粵東后江灣的現(xiàn)場實測海灘前濱地形資料和水動力、風等因子資料，采用典型相關分析海灘前濱剖面不同部位與近岸動力因子之間的關系，識別出臺風影響下海灘前濱地形不同的變化過程，揭示了這些變化過程不同的控制因子，并給出了物理解釋，得到如下的結論：

(1)臺風影響下后江灣海灘前濱地形的主要變化過程是水上灘肩被破壞—水下岸坡略有堆積—水下沙壩泥沙向海搬運；控制這一地形變化過程的主要動力因子是風速東向量、最大波高和碎波尺度參數(shù)。實測臺風影響下風速東向量方向為向岸，實為表面向岸流，底部為離岸流。臺風影響下近岸增水，波高增高，波能增加，加強了向岸流，波浪越頂作用于海灘前濱水上地帶，破波點向海移動，崩破波擾動水下岸坡海側地帶泥沙，在底部離岸流的作用下，使這兩個地帶發(fā)生侵蝕。海灘碎波尺度參數(shù)則是上述兩個動力因子作用的結果，而導致臺風影響下海灘更加消散。

(2)臺風影響下后江灣海灘前濱地形的次要變化過程是海灘前濱泥沙向海搬運而形成水下沙壩?？刂七@一地形變化過程的主要動力因子是最大波周期和海灘地下水位，增加的波浪周期實際上是長重力波對這一過程的直接控制；臺風影響下，岸線波浪增水抬升地下水位，落潮階段加強的后退流也加強了這一過程。

(3)臺風影響下后江灣海灘前濱地形的變化過程也表現(xiàn)出前濱上部地帶堆積、下部侵蝕的變化過程?？刂七@一地形變化過程的主要動力因子是沿岸流、海灘地下水位和最大波高。沿岸流對這一過程主要是通過沿岸流所致泥沙的沿岸輸運；海灘地下水位主要是通過漲潮時的上沖流對這一過程進行控制。最大波高又一次對這一過程進行作用，佐證了海灘地形動力過程是一個復雜的非線性耦合機制。

(4)上述3條結論進一步揭示了臺風影響下海灘前濱地形動力過程是由多個不同的地形—動力過程耦合作用而組成。同時，也表明CCA法是理解海岸地形動力過程較好的研究方法。

[1] Short A D. The role of wave height，period，slope，tide range and embaymentisation in beach classification: a review[J]. Revista Chilena de Historia Natural，1996，69: 589-604．

[2] Birkemeier W A. The effects of the coastal storm on beaches in North Carolina and New Jersey[J]. Shore and Beach，1979，47: 7-15．

[3] Dolan R，Davis R E. Coastal storm hazards[J]. Journal of Coastal Research，1994，SI(12): 103-114．

[4] Lee G H，Nicholls R J，Birkemeier W A. Storm-driven variability of the beach-nearshore profile at Duck，North Carolina，USA，1981-1991[J]. Marine Geology，1998，148(3/4): 163-177．

[5] Forbes D L，Parks G S，Manson G K，et al. Storms and shoreline retreat in the southern Gulf of St. Lawrence[J]. Marine Geology，2004，210: 169-204．

[6] Karunarathna H，Pender D，Ranasinghe R，et al. The effects of storm clustering on beach profile variability[J]. Marine Geology，2014，348：103-112．

[7] Qi H S，Cai F，Lei G，et al. The response of three main beach types to tropical storms in South China[J]. Marine Geology，2010，275: 244-254．

[8] De Vriend H J. Mathematical modelling and large-scale coastal behavior: Part 1. Physical processes[J]. Journal of Hydraulics Research，1991，29(6): 727-740．

[9] Larson M，Kraus N C. Prediction of cross-shore sediment transport at different spatial and temporal scales[J]. Marine Geology，1995，126(1/4): 111-127．

[10] Larson M，Capobianco M，Hanson H. Relationship between beach profiles and waves at Duck，North Carolina，determined by canonical correlation analysis[J]. Marine Geology，2000，163(1/4): 275-288．

[11] Horrillo-Caraballo J M，Reeve D E. An investigation of the link between beach morphology and wave climate at Duck，North Carolina，USA[J]. Journal of Flood Risk Management，2008，1(2): 110-122．

[12] Horrillo-Caraballo J M，Reeve D E. An investigation of the performance of a data-driven model on sand and shingle beaches[J]. Marine Geology，2010，274(1/4): 120-135．

[13] Hansen J E，Barnard P L. The observed relationship between wave conditions and beach response，Ocean Beach，San Francisco，CA[J]. Journal of Coastal Research，2009，SI(56): 1771-1775．

[14] 陳子燊，李志龍，陳建耀，等. 常波況下前濱剖面地形動力過程分析[J]. 海洋通報，2007，26(3): 12-18.

Chen Zishen，Li Zhilong，Chen Jianyao，et al. Analysis on Morphodynamic processes of foreshore profile under normal wave conditions[J]. Marine Science Bulletin，2007，26(3): 12-18．

[15] Guza R T，Inman D L. Edge waves and beach cusps[J]. Journal of Geophysical Research，1975，80(21): 2997-3012．

[16] Wright L D，Short A D. Morphodynamic of beaches and surf zones in Australia[M]// Komar P D. Handbook of Coastal Processes and Erosion. Florida: CRC Press，1983: 35-64．

[17] Short A D. Beach systems of the central Netherlands coast: Processes，morphology and structural impacts in a storm diven multi-bar system[J]. Marine Geology，1992，107(1/4): 103-137．

[18] Short A D. Multiple offshore bars and standing waves[J]. Journal of Geophysical Research，1975，80: 3838-3840．

[19] Aagaard T. Infragravity waves and nearshore bars in protected，strom-dominated coastal environments[J]. Marine Geology，1990，194(1/4): 181-203．

[20] Bowman D，Goldsmith V. Bar morphology of dissipative beaches: an empirical model[J]. Marine Geology，1983，51(1/4): 15-33．

[21] Hotelling H. Relations between two sets of variants[J]. Biometrika，1936，28(3/4): 321-377．

[22] Rózyński G. Data-driven modelling of multiple longshore bar evolution and interactions[J]. Coastal Engineering，2003，48 (3): 151-170．

[23] 魏鳳英. 現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷預測技術[M]. 北京: 氣象出版社，1999．

Wei Fengying. Modern Climatic Statistical Diagnosis and Prediction Technology[M]. Beijing: China Meteorological Press，1999．

[24] Dean R G. Heuristic models of sand transport in the surf zone[C]//Proceeding of Conference on Engineering Dynamics in the Surfzone. New York,Soc of Civ Eng，1973: 208-214．

[25] Wright L D，Short A D. Morphodynamic variability of surf zones and beaches: A synthesis[J]. Marine Geology，1984，56(1/4): 93-118．

[26] Homan R A. Infragravity Energy in the Surf Zone[J]. Journal of Geophysical Research，1981，86(C7): 6442-6450．

[27] Gaza R T，Thornton E B. Swash Oscillations on a Natural Beach[J]. Journal of Geophysical Research，1982，87(C1): 483-491．

[28] Holman R A，Sallenger A H. Setup and Swash on a Natural Beach[J]. Journal of Geophysical Research，1985，90(C1): 945-953．

[29] Holman R A. Extreme value statistics for wave run-up on a natural beach[J]. Coastal Engineering，1986(9): 527-544．

[30] Short A D. Handbook of Beach and Shoreface Morphodynamics[M]. John Wiley & Sons，LTD，1999: 94-96．

[31] Nummedal D，F(xiàn)inley R J. Wind-generated longshore currents[C]//Proceedings 16th International Conference on Coastal Engineering. ASCE，1978: 1428-1438．

[32] Whitford D J，Thornton E B. Comparison of wind and wave forcing of longshore currents[J]. Continental Shelf Research，1993，13(3):1205-1218．

Study on beach morphodynamic processes of Houjiang Wan in East Guangdong under the influence of the typhoon (No. 0709)

Yu Jitao1，2，Ding Yuanting1，Cheng Huangxin3，Chen Zishen4

(1.SchoolofSurveyingandLandInformationEngineering，HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo454000，China; 2.SchoolofEnvironmentalStudies，ChinaUniversityofGeoscience(Wuhan)，Wuhan430074，China; 3.ArtsandMediaSchool,ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074,China;4.GeographyandPlanningSchool，SunYat-senUniversity，Guangzhou510275，China)

Based on the foreshore topography，water dynamics and wind data on Houjiangwan beach in East Guangdong，this paper used the method of canonical correlation analysis to identify different morphodynamic foreshore processes under the influence of the typhoon “Sepat” (No. 0709)，and revealed some primary dynamic factors controlling these foreshore processes and attempted to present the physical interpretations. The analytical results included that (1) the primary foreshore process consisted of the eroded subaerial zone with the destroyed berm，the slightly depositional submarine slope zone and the bar zone with sediment movement offshore，and the process was controlled by several factors such as the eastern component of the wind speed，the maximum wave heights and the surf scaling parameter; (2) the secondary terrain process was the formation of submarine bar due to the sediment being transported from the foreshore to offshore，and the process was dominated by two dynamic factors such as the maximum wave periods and the beach underground water levels; and (3) the foreshore morphology was also characterized by the accumulation of the upper zone and the erosion of the lower zone of the foreshore，and the process was controlled by the following factors，i.e.，the longshore currents，the beach underground water levels and the maximum wave heights. Finally，this study proposed that the morphodynamic processes of the foreshore are coupled by many different morphological and dynamic processes．

morphodynamic processes; foreshore; typhoon; canonical correlation analysis

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.05.008

2014-03-19；

2014-09-05。

國家自然科學基金資助項目(41301005)；中國博士后科學基金資助項目(2014M552118)。

于吉濤(1981—)，男，山東省威海市人，博士，講師，研究方向為自然地理學。E-mail：ddyjt@163.com

*通信作者：陳子燊，教授，從事海岸環(huán)境演變與工程應用研究。E-mail：eesczs@mail.sysu.edu.cn

P737.1

A

0253-4193(2015)05-0076-11

于吉濤，丁圓婷，程璜鑫，等. 0709號臺風影響下粵東后江灣海灘地形動力過程研究[J]. 海洋學報，2015，37(5)：76-86，

Yu Jitao，Ding Yuanting，Cheng Huangxin，et al. Study on beach morphodynamic processes of Houjiang Wan in east Guangdong under the influence of the typhoon (No. 0709)[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(5)：76-86，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.05.008