夏季風(fēng)下的太湖風(fēng)場(chǎng)-流場(chǎng)野外觀測(cè)研究

丁文浩,秦伯強(qiáng),吳挺峰,王 汗,3,許王辰,4

(1.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049; 3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

太湖(湖心坐標(biāo):31.167°N, 120.151°E)位于長(zhǎng)江三角洲地區(qū),水位3.0 m時(shí),水面面積為2 338.1 km2,是我國(guó)第三大淡水湖[1],也是一個(gè)典型的大型淺水湖泊。20世紀(jì)末以來(lái),太湖水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日漸突出,引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-6]。研究表明,湖流引起的物質(zhì)遷移,是影響水體富營(yíng)養(yǎng)化在不同湖區(qū)分布的重要物理因素[7-9]。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布Fig.1 Distribution of monitoring sites

多年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太湖湖流進(jìn)行了廣泛研究,其中主要研究方式包括野外觀測(cè)和數(shù)值模擬。1960年,中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所主持了太湖野外調(diào)查,對(duì)太湖湖流進(jìn)行了為期25 d的野外觀測(cè),最早獲得夏季風(fēng)下太湖水域的流場(chǎng)分布狀況[10]。受野外觀測(cè)條件限制,對(duì)太湖湖流的野外觀測(cè)多集中在某一片區(qū)。1998年,秦伯強(qiáng)等[11]利用聲學(xué)多普勒測(cè)流剖面儀(ADCP)在梅梁灣湖進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間野外定點(diǎn)監(jiān)測(cè),掌握了夏季風(fēng)下梅梁灣的湖流特征。2016年,王建威等[12]對(duì)太湖風(fēng)生流的垂向切變規(guī)律開(kāi)展了觀測(cè)研究。另外,國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)太湖湖流展開(kāi)了模擬研究[13-21]。但是針對(duì)全湖區(qū)域的實(shí)地觀測(cè)尚未有開(kāi)展。野外觀測(cè)數(shù)據(jù)的不足,嚴(yán)重限制了人們對(duì)自然條件下太湖湖流的認(rèn)知。

本文研究開(kāi)展于2015年7月14日至8月15日,選取6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(圖1)分別放置一臺(tái)聲學(xué)多普勒測(cè)流剖面儀(ADCP)進(jìn)行三維流速的高頻(30 min/次)測(cè)定,結(jié)合上方山 (SFS)、太湖站(THZ)、平臺(tái)山(PTS)和竺山灣(ZSW)氣象站的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù),多方位觀測(cè)氣象場(chǎng)和流場(chǎng),旨在研究太湖夏季風(fēng)場(chǎng)特征,分析對(duì)應(yīng)風(fēng)場(chǎng)背景下的湖流特征,以及整個(gè)太湖夏季風(fēng)與流場(chǎng)之間的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取與站點(diǎn)分布

在綜合太湖形狀、風(fēng)場(chǎng)預(yù)估、以及前人對(duì)湖流研究等條件的基礎(chǔ)上,進(jìn)行觀測(cè)點(diǎn)布置。采用型號(hào)為Vaisala氣象變速器WXT520風(fēng)速風(fēng)向儀觀測(cè)風(fēng)場(chǎng),采樣頻率為5 min/次。采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)觀測(cè)流場(chǎng),座底式觀測(cè),除去儀器高(17 cm)和盲區(qū)(30 cm),從底層至表層,每層40 cm,設(shè)置9層(最終有效數(shù)據(jù)為6層,定義最下層為下層,下層向上第3層為中層,最上層為上層),采樣頻率30 min/次。實(shí)現(xiàn)氣象場(chǎng)和流場(chǎng)的定點(diǎn)、同步觀測(cè)。

1.2 數(shù)據(jù)分析與處理

本文在數(shù)據(jù)分析方面主要采用風(fēng)玫瑰圖統(tǒng)計(jì)和時(shí)序風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)統(tǒng)計(jì)方法。對(duì)觀測(cè)的風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)分方向處理。根據(jù)時(shí)序的相關(guān)性,通過(guò)同步角度差和方向差分析4個(gè)氣象站點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)之間的相關(guān)性;同時(shí),分析不同湖區(qū)湖流的上、中、下3層湖流的變化狀態(tài),以揭示觀測(cè)期間全湖風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)的特征。利用以上分析結(jié)果,分級(jí)(主要以速度為標(biāo)準(zhǔn))分析不同風(fēng)場(chǎng)背景下各個(gè)湖區(qū)流場(chǎng)的響應(yīng)狀況,進(jìn)而揭示整個(gè)觀測(cè)期間的湖流狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)場(chǎng)特征

圖2 4個(gè)氣象站的風(fēng)玫瑰圖Fig.2 Wind roses from 4 meteorological stations

由圖2可知,觀測(cè)期間的風(fēng)場(chǎng)具有以南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向的夏季風(fēng)特征,4個(gè)氣象站中偏南風(fēng)分別占72.94%、67.60%、77.5%和80.31%,其中東南風(fēng)比率最大。SFS、THZ、ZSW、PTS觀測(cè)到4 m/s以上風(fēng)速分別占43.20%,30.69%,47.13%和47.84%,其中偏南風(fēng)比率分別為89.41%、73.50%、80.98%和93.49%。

分析4個(gè)氣象站的風(fēng)場(chǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)可知,觀測(cè)期間太湖周?chē)L(fēng)場(chǎng)分布具有區(qū)域相對(duì)均勻性和全局不均勻性。在風(fēng)向方面,THZ、ZSW、PTS這3個(gè)站點(diǎn)之間,出現(xiàn)風(fēng)速越小風(fēng)場(chǎng)越不均勻的變化趨勢(shì)。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)4 m/s,3個(gè)地區(qū)出現(xiàn)風(fēng)向偏差小于22.5°的概率在75%左右,偏差小于45°的概率在90%左右,表明這3個(gè)地區(qū)之間的風(fēng)向具有一定程度不均勻性;當(dāng)風(fēng)速小于4 m/s時(shí),不均勻性較為顯著,3個(gè)地區(qū)出現(xiàn)風(fēng)向偏差小于22.5°的概率下降到65%左右,偏差小于45°的概率在85%左右,其中2 m/s以下的部分分別占40%和60%,表明風(fēng)速對(duì)風(fēng)場(chǎng)的均勻性具有一定的影響。從另一方面,風(fēng)向之間差別在67.5°內(nèi)的時(shí)段,除風(fēng)速小于2 m/s,其他風(fēng)速條件下比率均高于90%。另外,SFS站的風(fēng)向與上述3個(gè)站點(diǎn)的風(fēng)向之間呈現(xiàn)出較為明顯的偏離(圖3虛線部分),存在20°左右的固定偏差,且隨著風(fēng)速增加角度偏差越大,當(dāng)?shù)氐匦螌?duì)這一現(xiàn)象具有一定的影響。當(dāng)風(fēng)向差逐漸擴(kuò)大,SFS與其他站點(diǎn)的差別比率逐漸縮小。以上規(guī)律表明,在風(fēng)向方面,不同點(diǎn)位風(fēng)場(chǎng)之間具有一定的均勻性,在風(fēng)速較小的情況下,均勻性較差;在風(fēng)速超過(guò)4 m/s時(shí),局地地形會(huì)對(duì)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生固定性的影響,如SFS站的風(fēng)向偏離其他3個(gè)站點(diǎn)22.5°～45°。

圖3 同時(shí)刻站點(diǎn)間風(fēng)向角度差比率Fig.3 Rate of wind direction differences between stations at the same time

2.2 流場(chǎng)特征

6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位流速小于10 cm/s的整體比率在90%以上,上層流速大于10 cm/s的比率較高(5%以上)。各個(gè)點(diǎn)位及其對(duì)應(yīng)的不同水層流速的分布不盡相同:SW1流速大于10 cm/s的比率相對(duì)較大,且上層比率最大;SW3上、中、下層流速分布比較均勻;SW4和SW5上層流速大于10 cm/s的比率較大,上層與中、下層有較大分異;SW7的3層水流速度比率差異較大,上層流速大于10 cm/s的比率高于中層,中層高于下層,同時(shí)大于10 cm/s流速的比率均較大;SW8出現(xiàn)下層流速大于10 cm/s的比率大于上、中層的情況,但比率均比較小,最大比率不到3%。

在流向方面,如圖4所示,各站點(diǎn)可分為有穩(wěn)定主導(dǎo)流向 (SW1、SW5)和主導(dǎo)流向不明顯 (SW3、SW4、SW7、SW8)2種類(lèi)型。有穩(wěn)定主導(dǎo)流向的站點(diǎn)中,SW1主導(dǎo)東向流(SE、ESE、E、ENE、NE),上、中、下層?xùn)|向流比率分別為58.8%、57.4%、56.0%,上、中、下層主導(dǎo)流向相對(duì)一致;SW5主導(dǎo)北向流(NW、NNW、N、NNE、NE),上、中、下層北向流比率分別為54.0%、62.5%、59.7%,上層北偏東,中、下層北偏西。主導(dǎo)流向不明顯的站點(diǎn)中,SW3上、下層主流向不一致,上層主導(dǎo)西北向(NW、WNW,22.4%)和東向流(E、ENE、ESE,25.2%),下層主導(dǎo)西北向(WNW、NW、NNW,28.1%)和西南向(SW、SSW,23.3%);SW4上層以東南向(SSE、SE、ESE,30.2%)為主,中、下層以西北向?yàn)橹?NNW、NW、W、WNW,中層:35.5%,下層:42.4%),上層與中、下層湖流差異比較明顯;SW7上層以東北向(NNE、NE、ENE,27.5%)和西南向(SW、WSW,18.2%)流為主,下層以東南向(E、ESE,16.8%)和北向(N、NNE、NNW,24.9%)為主,中層作為過(guò)渡層,以西向(SW、W、WSW,24.3%)和北向(N、NNE,22.4%)為主;SW8上層流場(chǎng)較弱,流向不穩(wěn),中、下層流場(chǎng)發(fā)育,流速超過(guò)上層湖流,流向以向西北向(中層:50.5%,下層:50.0%)為主。

圖4 觀測(cè)時(shí)段內(nèi)各點(diǎn)位的不同分層流向比率Fig.4 Rates of wind directions in different layers from different stations

2.3 風(fēng)場(chǎng)與流場(chǎng)之間的關(guān)系

2.3.1 特征風(fēng)場(chǎng)的選取與分析

根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向的特征,分別選取7月20—22日、8月1—3日、8月7—9日3段3日連續(xù)相對(duì)穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng),作為低風(fēng)速、中風(fēng)速和高風(fēng)速的代表,研究不同風(fēng)速的穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng)下,風(fēng)場(chǎng)與湖流之間的作用關(guān)系。3個(gè)時(shí)段中4氣象站點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向狀況如圖5所示。

根據(jù)3個(gè)氣象時(shí)段的特征,分析了它們的參數(shù)特征,見(jiàn)表1。

圖5 觀測(cè)期間典型時(shí)段風(fēng)場(chǎng)Fig.5 Wind conditions during three typical periods of monitoring stage

表1 特征時(shí)段的風(fēng)場(chǎng)參數(shù)

2.3.2 特征風(fēng)場(chǎng)下的湖流特征

考慮風(fēng)場(chǎng)直接作用在水體表面,對(duì)上層水流影響較大,選取3個(gè)特征風(fēng)場(chǎng)背景下的上層流速,分析風(fēng)場(chǎng)對(duì)湖流作用。由圖6可知,各站點(diǎn)上層流速比率過(guò)程線隨著風(fēng)速增加,比率峰值逐漸偏向大流速段。如SW3,低風(fēng)速階段,湖流流速比率隨著流速增加而逐漸減小,比率峰值出現(xiàn)在0～2 cm/s流速段;中風(fēng)速階段,湖流流速比率隨著流速增加先增加后逐漸減小,其比率峰值出現(xiàn)在2～4 cm/s流速段;在高風(fēng)速階段,湖流流速比率隨流速增加先增加后減小,比率峰值出現(xiàn)在6～8 cm/s流速段。這表明上層流速隨著風(fēng)速的增加,高流速的湖流比率增加,即風(fēng)速的加大,直接導(dǎo)致上層流速增加。

圖6 不同風(fēng)場(chǎng)下上層湖流流速比率分布Fig.6 Rate distribution of velocity in upper layers of different stations

綜合各個(gè)站點(diǎn)不同風(fēng)場(chǎng)下的湖流狀況,可以看出湖流的分布與風(fēng)場(chǎng)的變化有關(guān)。風(fēng)速較大的情況下,西部湖區(qū)形成較為穩(wěn)定的逆時(shí)針環(huán)流;風(fēng)速較小的情況下,西部環(huán)流不明顯,多出現(xiàn)上下分層的湖流,在站點(diǎn)SW4、SW3和SW7表現(xiàn)明顯。

觀測(cè)數(shù)據(jù)分析出的結(jié)果,反映了太湖實(shí)際流場(chǎng)分布狀態(tài)。多數(shù)時(shí)間,太湖風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力較小且不穩(wěn)定,無(wú)以形成穩(wěn)定環(huán)流,這在一定程度上增加了湖泊內(nèi)部流場(chǎng)的復(fù)雜性,為確定各個(gè)湖區(qū)湖流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)增加了難度。從另一個(gè)角度看,在低風(fēng)速條件下,雖然無(wú)法形成穩(wěn)定環(huán)流,但在某些區(qū)域上層流相對(duì)穩(wěn)定,在時(shí)段平均風(fēng)速低于2.0 m/s的小風(fēng)情況下,藍(lán)藻更容易在水體表面積聚[22],上層湖流的流動(dòng)狀態(tài),對(duì)于藍(lán)藻堆積區(qū)的預(yù)測(cè)具有重要作用。在時(shí)段平均風(fēng)速為中高風(fēng)速條件下,藍(lán)藻在表層的積聚效應(yīng)不明顯,并隨穩(wěn)定湖流遷移,使藍(lán)藻進(jìn)行重新分布。因而,風(fēng)場(chǎng)在弱風(fēng)與強(qiáng)風(fēng)之間轉(zhuǎn)變的階段是藍(lán)藻重新分布的關(guān)鍵時(shí)期,后期的風(fēng)速、風(fēng)向?qū)τ谒{(lán)藻堆積區(qū)域的形成具有關(guān)鍵性的作用。

3 結(jié) 論

a. 太湖風(fēng)場(chǎng)的分布具有不均勻性,表現(xiàn)在風(fēng)向偏差和風(fēng)速偏差,這種不均勻性隨著風(fēng)速變小而更加顯著。

b. 流場(chǎng)方面,太湖在多數(shù)時(shí)間流速小于10 cm/s(本研究比率超過(guò)90%)。

c. 流場(chǎng)在不同風(fēng)場(chǎng)下變化較大,風(fēng)生流特征顯著。在風(fēng)速的不同階段,湖流流速以及湖流分布均差別較大。在低風(fēng)速(時(shí)段平均風(fēng)速小于3.8 m/s)情況下,上、下層湖流流速、流向分異顯著,在高風(fēng)速(時(shí)段平均風(fēng)速大于6.7 m/s)情況下,西部湖區(qū)發(fā)展為逆時(shí)針環(huán)流,流向分異較小。