夏季太湖北岸的波浪組成及演變特征分析

趙巧華 徐嘉 王健健

摘要： 波浪是驅(qū)動大型淺水湖泊中水生生態(tài)系統(tǒng)演變的關(guān)鍵動力過程?；谔辈拷秴^(qū)的波浪方向譜、同期風(fēng)速、風(fēng)向的觀測資料，分析了波浪組成及其演變特征。結(jié)果表明：太湖北部近岸區(qū)的波浪頻率譜主要為單峰或雙峰型，屬于中高頻波;風(fēng)是波浪形成的主要驅(qū)動力，風(fēng)向（或周邊地形）對有效波高的調(diào)制作用可用三角函數(shù)定量表征;風(fēng)浪的有效波高、譜峰頻率及其平均方向與風(fēng)速、風(fēng)向的關(guān)系證實了太湖北部近岸區(qū)的波浪由涌浪和風(fēng)浪組成，且涌浪占比較高。岸界的反射作用提高了北部近岸區(qū)涌浪的比例;涌浪的有效波高隨耦合風(fēng)速（風(fēng)速、風(fēng)向的耦合）不僅呈e指數(shù)增長，而且有快、慢分化的現(xiàn)象。研究成果有助于提高大型淺水湖泊中近岸區(qū)波浪估算的精度，確保水生生態(tài)修復(fù)效應(yīng)。

關(guān) 鍵 詞： 波浪組成; 風(fēng)浪; 涌浪; 有效波高; 太湖

中圖法分類號： ?P642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.029

0 引 言

波浪不僅影響著航運，而且也影響水體中的生物-化學(xué)過程。波浪通常包含不同子波浪系統(tǒng)? [1-2] ：① 風(fēng)浪。它的能量主要通過水-氣共振或平行流的不穩(wěn)定性機制攝取于風(fēng)場，因而風(fēng)浪的生成、發(fā)展與風(fēng)場密切相關(guān)? [3-4] ;② 涌浪。當(dāng)風(fēng)浪離開風(fēng)的直接作用區(qū)域，或在風(fēng)的直接作用區(qū)域內(nèi)風(fēng)速突然減小或風(fēng)向驟然改變，岸界對風(fēng)浪的反射會使風(fēng)浪演變成涌浪，因而涌浪散布的區(qū)域大于風(fēng)的作用區(qū)域?？梢姡L(fēng)場與風(fēng)浪關(guān)系密切，而與涌浪的關(guān)系相對疏遠(yuǎn)? [5] 。

基于實驗室分析和野外觀測，逄勇等通過對波浪切應(yīng)力、臨界切應(yīng)力的估算，驗證了波浪與太湖懸浮物濃度、透明度的關(guān)系? [6] ，證實了波浪是大型淺水湖泊中沉積物再懸浮、營養(yǎng)鹽內(nèi)源釋放的主要驅(qū)動力? [3-4] ，進(jìn)而可能也是水華頻發(fā)，久治不愈? [7] 的關(guān)鍵原因之一。為此，諸多學(xué)者針對太湖的波浪要素（波高、周期等）進(jìn)行了大量的觀測和模擬分析，揭示了在開闊湖區(qū)波浪有效波高隨風(fēng)速呈e指數(shù)增長的規(guī)律? [4，8] 。但在近岸區(qū)，由于岸界的反射、湖底地形的摩擦及風(fēng)區(qū)變化等作用，風(fēng)速與有效波高的關(guān)系弱化? [8] ，使得近岸區(qū)波浪的特征和演變規(guī)律遠(yuǎn)比湖心區(qū)復(fù)雜。范成新等的研究成果顯示：在湖流的長期作用下，太湖的沉積物主要分布于近岸區(qū)域（尤其是西岸），湖心區(qū)的沉積物分布相對較薄? [9] ?？梢姡沂窘秴^(qū)的波浪特征及其演變規(guī)律對水生生態(tài)修復(fù)有重要意義。迄今為止，近岸區(qū)波浪與風(fēng)速之間的定量關(guān)系并未得到足夠的關(guān)注，導(dǎo)致其生態(tài)效應(yīng)常被忽略，進(jìn)而可能弱化了水生生態(tài)修復(fù)效果。

就大型淺水湖泊而言，依據(jù)波浪的產(chǎn)生機制和演化規(guī)律分離近岸區(qū)的波浪組成（風(fēng)浪和涌浪），揭示近岸區(qū)波浪的特征和演變規(guī)律，提高近岸區(qū)波浪參數(shù)的估算精度，有利于水生生態(tài)系統(tǒng)的精準(zhǔn)修復(fù)。由于太湖是典型的大型淺水湖泊，它對氣象場的響應(yīng)迅速，因而其中波浪通常屬于中高頻波? [10] ，與風(fēng)浪頻率較為接近，增加了分離風(fēng)浪、涌浪的難度。本文擬基于太湖近岸區(qū)的波浪方向譜，結(jié)合同期風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，探究波浪的組成和演變特征，為太湖水生生態(tài)修復(fù)奠定基礎(chǔ)。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

太湖是典型的大型淺水湖泊，面積為2 338 km? 2 ，平均水深不超過2 m。波浪的觀測點位于中國科學(xué)院太湖生態(tài)系統(tǒng)試驗站的棧橋頭（見圖1）。

本文所用資料的觀測時段為2018年8月21日17：00至9月4日05：00。

利用MIDASDWR方向波浪儀觀測波高、波周期等參數(shù)，測定頻率為8 kHz，每30 min觀測一次，觀測時間持續(xù)10 min。

同期的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院太湖生態(tài)系統(tǒng)試驗站的觀測資料。風(fēng)場的觀測頻率為逐小時，其中正北風(fēng)向為0（rad），按順勢針方向旋轉(zhuǎn)，正南風(fēng)向為π（rad）。

為了研究風(fēng)場對波浪的影響規(guī)律，選取整點的波浪方向譜數(shù)據(jù)和風(fēng)速、風(fēng)向資料。

1.2 波浪分離方法

波浪是局地風(fēng)浪和涌浪的綜合，其能量是不同方向、不同頻率的波浪分量的總和。本文采用Hanson 和Phillips? [2] 介紹的方法實現(xiàn)波浪分離。 H，F(xiàn)，Θ 分別表示有效波高、譜峰頻率及其平均方向，并用下標(biāo) w，ww，sw 分別表征觀測波浪（綜合波浪）、風(fēng)浪和涌浪。

1.3 非線性分位擬合

由于有效波高是刻畫波浪能量的關(guān)鍵參數(shù)，是風(fēng)速、風(fēng)向等因子的綜合反映，在近岸區(qū)，風(fēng)向?qū)Σɡ说挠绊懹葹橥怀?，但對它的定量描述卻一直未能得到有效的解決。為此，本文依據(jù)有效波高對風(fēng)向的敏感特征，采用分位擬合的方式定量表征風(fēng)向?qū)τ行Рǜ叩挠绊憽?/p>

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)場及有效波高的特征

圖2（a）描述了有效波高的時序變化。該時序變化包含了3個主要過程（各子圖中均已標(biāo)注）：① 時段為8月23日00：00至8月24日12：00，有效波高呈現(xiàn)三峰狀，中峰最強，且右肩峰強于左肩峰（簡稱Ⅰ過程）;② 時段為8月30日03：00至8月31日23：00，同樣也存在三峰，右峰最強且窄（簡稱Ⅱ過程）;③ 時段為9月3日10：00至9月4日05：00，基本呈兩峰（簡稱Ⅲ過程）。整個觀測時段內(nèi)，最大有效波高為 0.26 ?dBar左右，平均為0.056 dBar。

從10 km高處風(fēng)速（ U ??10 ）的時序變化來看，平均風(fēng)速為3 m/s，最大風(fēng)速為5.8 m/s（見圖2（b））。在該時段，受臺風(fēng)（蘇力）外圍的影響，風(fēng)速偏大。隨著臺風(fēng)逐漸靠近蘇南及隨后遠(yuǎn)離、消亡過程中，風(fēng)速整體偏大。與有效波高的過程相對應(yīng)，每個過程的波高峰值均對應(yīng)風(fēng)速的峰值，但風(fēng)速的峰值大小并不能完全對應(yīng)波高峰值的強弱，如Ⅲ過程對應(yīng)的風(fēng)速顯著小于前兩個過程，但波浪峰值卻最強?？梢姡L(fēng)速是影響波高的關(guān)鍵因子之一。

從觀測時段開始至8月26日18：00，風(fēng)向均偏北，包含了Ⅰ過程（見圖2（b））。Ⅰ過程中左峰對應(yīng)的風(fēng)速大于最強的中峰所對應(yīng)的風(fēng)速;與此類似，8月24日 20：00 至8月26日06：00的風(fēng)速略大于Ⅰ過程對應(yīng)的風(fēng)速，但有效波高基本呈最低值（0.02～0.03 dBar左右），約為Ⅰ過程有效波高的1/10。二者之間的細(xì)微差別說明北風(fēng)或東北風(fēng)對有效波高影響偏弱，而西北風(fēng)的影響明顯（見圖2（b））;Ⅱ過程的西南風(fēng)、東南風(fēng)對有效波高影響差別較小。結(jié)合觀測點的周邊地形可以發(fā)現(xiàn)，北風(fēng)或東北風(fēng)（含東風(fēng)）的吹程最小，波浪從風(fēng)場中獲得的能量最小，進(jìn)而說明該風(fēng)向?qū)τ行Рǜ哂绊戇h(yuǎn)小于西北風(fēng)和偏南風(fēng)?？梢?，風(fēng)向是影響有效波高的另一關(guān)鍵因素。

2.2 波能頻譜特征、風(fēng)速與有效波高的關(guān)系

波能的頻譜時間序列刻畫了不同頻率（ f ）的波能隨時間的變化規(guī)律，圖3中色階表示波能頻率譜 （ S（f） ） 的對數(shù)值。為了便于比較，在圖3中標(biāo)注了波浪時序變化的3個主要過程。最大波能基本分布于0.5 Hz的頻率附近，而且可以看到在Ⅰ過程至Ⅱ過程過渡期間還有2個相對弱的過程（見圖3）。結(jié)合波能分布和風(fēng)矢量變化可以發(fā)現(xiàn)，東北風(fēng)階段所對應(yīng)的波能很弱（見圖2～3）;除位于0.5 Hz的波能主峰外，某些時段（如Ⅲ過程）位于高頻（1.0 Hz附近）處也呈現(xiàn)了次峰：如I過程的中峰及右肩峰;Ⅱ過程中最強的右峰;Ⅲ過程中的兩峰;在Ⅰ、Ⅲ過程中的更低頻率處，隱約呈現(xiàn)了弱波能分布（見圖3）。結(jié)合風(fēng)速、風(fēng)向的分布特征（見圖2）可知，風(fēng)速、風(fēng)向是影響波能頻率譜呈雙峰分布的關(guān)鍵因素。

2.3 風(fēng)向?qū)τ行Рǜ叩挠绊?/p>

水體波浪的能量主要來源于風(fēng)場，其中風(fēng)區(qū)的長短是波能從風(fēng)場中獲取能量多少的關(guān)鍵。本文的觀測站點位于太湖北部近岸區(qū)，使得周邊地形對風(fēng)區(qū)的影響遠(yuǎn)強于湖心區(qū)，可見風(fēng)向是通過影響風(fēng)區(qū)的方式修正風(fēng)速對波浪的驅(qū)動效應(yīng)。有效波高是定量表征波能的關(guān)鍵參數(shù)，也是波浪對多因子（風(fēng)速、風(fēng)浪狀態(tài)、水深等）的綜合響應(yīng)。因而可通過非線性高分位回歸擬合法? [11] 篩選出對風(fēng)向最為敏感的有效波高樣本，進(jìn)而定量描述風(fēng)向?qū)τ行Рǜ叩挠绊憽?/p>

由于采樣點位于梅梁灣和貢湖灣連接處的北部近岸區(qū)，靠近太湖東岸（見圖1），從正北向（0 rad）開始，隨順時針旋轉(zhuǎn)，即風(fēng)向轉(zhuǎn)向東，由于周邊地形作用使得風(fēng)區(qū)逐漸變短，導(dǎo)致風(fēng)能轉(zhuǎn)化為波能減弱，隨著風(fēng)向的持續(xù)增大，其風(fēng)區(qū)又逐步延長，風(fēng)向的限制作用減弱，一直持續(xù)到西北向，風(fēng)向的限制作用才再次逐漸顯現(xiàn)出來?？梢婏L(fēng)向?qū)︼L(fēng)區(qū)的影響與角度密切相關(guān)，且呈周期性，為此采用三角函數(shù)的高分位法（95%）擬合有效波高隨風(fēng)向的變化，擬合函數(shù)形式為

H w（W d）=a sin （bW d+c）+d （1）

式中： W d為風(fēng)向，a，b，c，d 為常數(shù)。

通過高分位的方法篩選出有效波高對風(fēng)向敏感的樣本，采用三角函數(shù)形式擬合有效波高對風(fēng)向的依賴，擬合效果良好（見圖4），說明三角函數(shù)可以定量表征風(fēng)向?qū)τ行Рǜ叩挠绊憽?/p>

2.4 風(fēng)場與有效波高的關(guān)系

依據(jù)波浪的組成及其形成機制可知：風(fēng)浪是由局地風(fēng)場通過摩擦引起的不穩(wěn)定或共振方式形成的，因而風(fēng)浪的有效波高必定與風(fēng)速呈現(xiàn)密切的相關(guān)性，但涌浪通常與局地風(fēng)場無顯著相關(guān)性。

采用指數(shù)函數(shù)形式? [3] 對綜合波浪的有效波高（ H? w? ）與風(fēng)速進(jìn)行擬合， H? w? 與風(fēng)速之間的確定系數(shù)為0.04，說明二者之間無顯著的相關(guān)性，可見除風(fēng)速外，另有其他因子影響風(fēng)速與有效波高關(guān)系。此類因素主要有兩種：① 風(fēng)向影響風(fēng)區(qū)的長短，進(jìn)而調(diào)制風(fēng)能轉(zhuǎn)化波能，從而降低了有效波高對風(fēng)速的依賴;② 波浪中的風(fēng)浪、涌浪與風(fēng)速的關(guān)系差異顯著，因而波浪中涌浪的比例是影響有效波高與風(fēng)速關(guān)系的另一關(guān)鍵因子。

為此，采用風(fēng)向?qū)Σǜ叩恼{(diào)制形式定量表征耦合風(fēng)向的風(fēng)速 W? sd? （簡稱耦合風(fēng)速）：

W? sd =U? 10 [a sin （bW d+c）+d]/（a+d）

進(jìn)而利用e指數(shù)函數(shù)形式擬合 H? w 隨W? sd? 的變化，發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)性得到顯著的升高，其決定關(guān)系 R? 2? 為0.45（見圖5（a））。風(fēng)速、耦合風(fēng)速分別與 H? w? 相關(guān)性的差別說明風(fēng)向是影響波浪關(guān)鍵要素，風(fēng)場為波浪能量的主要來源; W? sd? 可以有效表征風(fēng)向、風(fēng)速的耦合。

為了探究耦合風(fēng)速對北部近岸區(qū)波浪組成比例的影響，選擇 W? sd? 大于2 m/s的樣本與對應(yīng)的有效波高進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二者之間的關(guān)系急劇下降（見圖5（b））：結(jié)合風(fēng)向的調(diào)制作用， W? sd 越大，風(fēng)場對波浪的驅(qū)動效應(yīng)增強，綜合波浪可能受到邊界反射等影響增大，涌浪的比例增加，進(jìn)而導(dǎo)致其與局地W? sd 相關(guān)性急劇減弱?？梢姡ɡ酥邪擞坷?W? sd 與H? w 的相關(guān)性及其隨W? sd 的變化證實了隨著W? sd? 的增大，涌浪比例升高。

2.5? 風(fēng)浪有效波高、平均頻率及平均方向的特征

風(fēng)場是太湖波浪產(chǎn)生的主要驅(qū)動力，使得波浪中涌浪比例提高，因而通過比較耦合風(fēng)速 （W? sd ）與風(fēng)浪的有效波高（H? ww ）、風(fēng)浪的譜峰頻率（F? ww ）及風(fēng)浪的平均波向（Θ? ww ） 的相關(guān)性，探究太湖北部近岸區(qū)的波浪組成特征，驗證波浪分離方法的有效性。

北部近岸區(qū)波浪的 H? ww 隨W? sd? 的變化與湖心區(qū)基本一致，即二者之間呈現(xiàn)e的負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其決定系數(shù)（ R?? 2 ）為0.65（見圖6（a））;當(dāng) W? sd 大于2 ?m/s ，W? sd? 與相應(yīng)的 H? ww? 的決定系數(shù)（ R? 2? ）略有降低，其值為0.62（見圖6（b））。

通過比較 W? sd 與H? ww 、W? sd 與H? ww? 的關(guān)系變化（見圖5～6），可以發(fā)現(xiàn)太湖北部近岸區(qū)波浪對耦合風(fēng)速的響應(yīng)迅速，風(fēng)場是太湖波浪的關(guān)鍵驅(qū)動因子;岸線的反射等作用使得北部近岸波浪中包含一定比例的涌浪，且涌浪的比例隨耦合風(fēng)速的增大而提高，從而使得當(dāng) W? sd? 大于2 m/s時， W? sd 和H w 的相關(guān)關(guān)系急劇下降;同樣條件下，風(fēng)浪的有效波高 （H? ww ）和W? sd? 的相關(guān)關(guān)系證明分離出的風(fēng)浪中基本未受涌浪污染。波浪分離方法切實可行，且適用于太湖北部近岸區(qū)。

風(fēng)浪的平均頻率（ F? ww? ）為1.37 Hz，最大為2.23 Hz，最小為0.42 Hz，并隨 W? sd? 的增大呈現(xiàn)遞減的趨勢（見圖7）。通常波浪的能量主要集中于波峰; F? ww? 遠(yuǎn)大于波浪的譜峰頻率，是對快變風(fēng)場特征的響應(yīng)? [12] 。通常風(fēng)浪的能量直接獲取于風(fēng)場，獲取的能量一方面彌補于高頻處的能量耗散（湍流、波浪破碎等）;另一方面通過非線性作用向低頻傳輸，促進(jìn)波浪的發(fā)展，使得其頻率降低。誠然，當(dāng)從風(fēng)場中獲取的能量不足，低頻處的能量同樣補充高頻處能量損耗，導(dǎo)致波浪的減弱甚至消亡。因而， F? ww 隨W? sd? 的變化也從側(cè)面證實了波浪分離的有效性。

風(fēng)浪是由風(fēng)直接驅(qū)動產(chǎn)生的，對風(fēng)場的響應(yīng)迅速，因而其波長相對較短，平均方向也與風(fēng)場方向較為接近。觀測點離岸界較近，且岸界基本圍繞在觀測點的正北到東南方向（見圖1），因而在岸界對波浪的反射作用下，觀測波浪中涌浪比例提高。波浪方向與風(fēng)場方向接近反向，因而從正北到東南方向，波浪方向與風(fēng)場基本成負(fù)相關(guān);隨著風(fēng)向角度的繼續(xù)增大，岸界離觀測點的距離逐漸加大，岸界對風(fēng)浪的反射作用基本消失，涌浪比例偏低，因而觀測的綜合波浪方向與風(fēng)向接近，二者呈正相關(guān)（見圖8（a））。從風(fēng)浪平均方向與風(fēng)向關(guān)系來看，二者呈線性關(guān)系，其決定系數(shù)為0.57，絕大部分樣本均圍繞在擬合直線周圍（見圖8（b）），但也存在少量的樣本偏離該直線。這些少量樣本對應(yīng)的風(fēng)向在正北（0 rad）附近，波浪方向也接近2π rad（見圖8（b）），其中0 rad和2π rad的方向?qū)嶋H上是圍繞在正北向附近，說明上述樣本的風(fēng)向和風(fēng)浪的平均方向也呈線性關(guān)系，即分離出的風(fēng)浪平均方向與風(fēng)向基本一致，這也證實了波浪分離方法適用于北岸區(qū)?？傊瑥娘L(fēng)場與風(fēng)浪的譜峰頻率、平均方向及有效波高的關(guān)系3個方面，證實了耦合風(fēng)速為波浪的關(guān)鍵驅(qū)動因素，岸界的反射作用造成北部近岸區(qū)波浪中含有較高比例的涌浪，同時也從風(fēng)浪方向、頻率等方面證實了波浪分離的方法適用于太湖。

2.6 涌浪特征及其與耦合風(fēng)速的關(guān)系

波浪平均方向和風(fēng)向的關(guān)系證明北部近岸區(qū)的波浪組成中包含了涌浪，為此有必要探究涌浪的特征及其對耦合風(fēng)速的響應(yīng)規(guī)律。

圖9描述了涌浪的有效波高 H? sw 隨W? sd? 的變化，該圖呈現(xiàn)了兩典型特征：① ?H? sw 隨W? sd? 呈快速升高（簡稱快變趨勢）;② ?H? sw 隨W? sd? 呈緩慢增加（簡稱緩變趨勢）。為此，采用e指數(shù)形式的分位擬合，分位數(shù)分別為85%和35%，擬合效果良好。快變趨勢可能是由于風(fēng)向偏西南，即觀測點波浪受岸界反射疊加作用最強，隨耦合風(fēng)速的增大，岸界反射造成的疊加效應(yīng)增強，使得 H? sw 隨W? sd? 快速增長。當(dāng)風(fēng)向偏東或北時，岸界的反射作用對觀測點影響微弱，因而 H? sw 隨W? sd? 增長相對偏弱。另外，由于太湖涌浪頻率偏高，其涌浪傳播過程中的衰減也較低頻波快，因而反射傳輸路程越遠(yuǎn)，衰減越大，進(jìn)而凸顯快、慢變化趨勢的分化?？梢?，上述原因是導(dǎo)致 H? sw 隨W? sd? 呈增長趨勢分化的關(guān)鍵。

H? sw 和W? sd? 之間存在線性關(guān)系，兩者之間的 R?? 2 為 0.158 ，遠(yuǎn)低于 H? ww 、H w分別與W? sd? 的關(guān)系。盡管涌浪的產(chǎn)生機制導(dǎo)致涌浪與局地風(fēng)場難以存在顯著的相關(guān)性，但由于太湖的波浪主要由風(fēng)場驅(qū)動，風(fēng)場作用于水體表面的吹程較短，使得由于岸界反射等作用形成北部近岸區(qū)的涌浪頻率偏大，在一定程度上也攜帶了風(fēng)場的信息，所以 H? sw 和W? sd? 也存在弱相關(guān)性。

鑒于近岸區(qū)域波浪的生態(tài)意義極為重要，定量分析涌浪的比例有利于提高計算波浪切應(yīng)力的精度。 從 H? sw /H w 隨風(fēng)向的變化來看（見圖10），絕大部分? H? sw /H w? 的樣本均大于0.6。從其隨風(fēng)向分布來看，偏東風(fēng)的風(fēng)區(qū)較短，風(fēng)直接驅(qū)動產(chǎn)生的波浪很弱，因而波浪中涌浪占比接近于1。為此，在評價近岸區(qū)波浪的動力過程中，應(yīng)在風(fēng)浪上疊加基于耦合風(fēng)速估算的涌浪成分，提高估算波浪切應(yīng)力的精度。

3 討 論

太湖屬于典型的大型淺水湖泊，平均水深僅有 1.8 ?m。其譜峰頻率（0.5 Hz）遠(yuǎn)大于海洋的譜峰頻率（ 0.075 ?Hz）;波峰最大能量（0.001 m? 2 /Hz）遠(yuǎn)小于海洋的對應(yīng)值（2.5 m? 2 /Hz）? [13] 。在太湖北部開闊區(qū)域的波高隨風(fēng)速遵循e指數(shù)函數(shù)的形式，與本文中風(fēng)向?qū)τ行Рǜ叩挠绊懱卣飨辔呛?，但其參?shù)受周邊地形等因素的影響顯著? [8] 。與海洋相比，太湖水淺，加之面積不大，使得湖泊水體從風(fēng)場中獲取的能量較少，因而其波能遠(yuǎn)小于海洋。也正是因為水淺，使得波浪引發(fā)的切應(yīng)力可作用于湖底，成為導(dǎo)致底泥再懸浮、影響水生生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。

太湖屬于典型的內(nèi)陸湖泊，風(fēng)速和風(fēng)向的耦合與綜合波浪有效波高的關(guān)系證實了風(fēng)速（尤其是耦合風(fēng)速）是太湖的主要驅(qū)動力。內(nèi)陸湖泊風(fēng)向變化顯著，風(fēng)區(qū)長度的空間變化明顯，使得風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Σɡ说尿?qū)動作用空間差異明顯，其中風(fēng)向通過三角函數(shù)的形式調(diào)制風(fēng)速對波浪起驅(qū)動作用。加上沿岸對波浪的反射等特征，導(dǎo)致波浪組成比例時空差異突出，因而近岸區(qū)的波浪特征遠(yuǎn)比開闊區(qū)復(fù)雜，且呈現(xiàn)出顯著的空間差異特征。

本文所用數(shù)據(jù)的觀測時段超過13 d，期間經(jīng)歷了完整的臺風(fēng)（蘇力）影響過程，其風(fēng)速變化范圍寬泛（見圖2（b））;風(fēng)向的變化也涵蓋了0～2π的范圍（見圖4），可見觀測到的波浪數(shù)據(jù)既體現(xiàn)了風(fēng)場（風(fēng)速、風(fēng)向）的驅(qū)動效應(yīng)，也包含了岸界的反射信息，甚至也反映了風(fēng)場與岸界的耦合效應(yīng)。因而，本文的數(shù)據(jù)涵蓋了風(fēng)場和波浪的多個過程及其演變規(guī)律（見圖2（a）及圖3），具有良好的代表性。

近岸區(qū)對波浪的反射作用會改變波浪的組成，提高涌浪的比例。這種改變效應(yīng)也受風(fēng)向及岸界的共同影響，因而近岸區(qū)的波浪中含涌浪比例很高，其比例最低大于0.6，最高大于0.9。由于在大型淺水湖泊中波浪對耦合風(fēng)速響應(yīng)迅速，加上近岸岸界反射作用使得涌浪在一定程度上攜帶了耦合風(fēng)速的信息，因而太湖中波浪與耦合風(fēng)速的關(guān)系較海洋中更為密切;但又和海洋一樣，波浪中包含了較高比例的涌浪，因而本次研究的進(jìn)展將提高近岸區(qū)波浪參數(shù)化方案的精度。

4 結(jié) 論

（1） 太湖北部近岸區(qū)波浪呈現(xiàn)中高頻特征，三角函數(shù)可以表征風(fēng)向?qū)Σɡ说亩坑绊憽?/p>

（2） 風(fēng)速（尤其是耦合風(fēng)速）是太湖波浪的主要驅(qū)動因素，該區(qū)波浪既包含風(fēng)浪，也包含涌浪，其中涌浪的占比較高，且隨風(fēng)向變化。

（3） 太湖北部近岸區(qū)的涌浪隨耦合風(fēng)速呈現(xiàn)快速和緩慢的e指數(shù)增長現(xiàn)象。

致 謝

感謝中國科學(xué)院太湖生態(tài)系統(tǒng)實驗站為本次研究提供相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)。

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（編輯：胡旭東）

Analysis on wave composition and evolution characteristics in northern coastal ?area of Taihu Lake in summer

ZHAO Qiaohua，XU Jia，WANG Jianjian

（ School of Hydrology and Water Resources，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China ）

Abstract：

Wave is the key dynamic process that drives the evolution of aquatic ecosystem in large shallow lakes.In this paper，the wave composition and its evolution characteristics were analyzed based on the observation data of wave direction spectrum，wind speed and wind direction in the northern coastal area of Taihu Lake.The results showed that the wave frequency spectrum in the near-shore area of northern Taihu Lake was mainly unimodal or bimodal，belonging to medium and high frequency wave.Wind is the main driving force for wave formation，and the modulation of wind direction or surrounding terrain on the significant wave height can be quantitatively characterized by trigonometric function.The relationship between the significant wave height，spectral peak frequency and its average direction of wind waves，and wind speed or direction confirmed that the wave in the northern coastal area of Taihu Lake were composed of surge and wind waves，and the surge proportion was relatively high.The reflection of the shoreline increased the surge proportion in the northern coastal area.The significant wave height of surge not only increased exponentially with the coupling wind speed （coupling of wind speed and wind direction），but also had the phenomenon of fast and slow differentiation.The research results can help to improve the accuracy of wave composition estimation in the near-shore area of large shallow lakes，and ensure the effect of aquatic ecological restoration.

Key words：

wave composition;wind wave;surge;significant wave height;Taihu Lake