大風(fēng)影響下的萊州灣西岸單站底層泥沙輸運(yùn)特征分析

李海 ，萬(wàn)凱，宋新，宋德海 ，王楠，鮑獻(xiàn)文

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過(guò)程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；3.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；4.國(guó)家海洋局北海海洋工程勘察研究院，山東 青島 266061；5.濰坊市海洋發(fā)展研究院，山東 濰坊 261100)

1 引言

海洋泥沙在海洋動(dòng)力學(xué)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮著重要的作用，以懸浮泥沙為主的海域可通過(guò)輸運(yùn)、沉降和再懸浮過(guò)程對(duì)周圍海底地形地貌和泥沙組成產(chǎn)生影響。另外，由于泥沙顆粒物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽和污染物的吸附/解吸附作用，泥沙遷移亦會(huì)影響整個(gè)海域的生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程。近岸泥沙輸運(yùn)的機(jī)制研究表明，泥沙輸運(yùn)與粒徑大小、海流流速、海底切應(yīng)力大小等因素相關(guān)，易受波浪、潮流和外部風(fēng)場(chǎng)條件的影響，故不同海域的泥沙輸運(yùn)呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)[1-2]。

在渤海近岸地區(qū)，懸浮泥沙受水動(dòng)力影響很大，一般情況下受潮流作用控制，但泥沙長(zhǎng)期輸運(yùn)與多種因素相關(guān)。有關(guān)于渤海泥沙輸運(yùn)的周期性變化和通量分解研究已有一定的成果，如龐重光和于煒[3]對(duì)2000-2004 年渤海表層懸沙的衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交分解，發(fā)現(xiàn)了懸沙濃度（Suspended Sediment Concentration,SSC）存在年際和半年變化的顯著周期。王海龍等[4]基于ECOMSED 模型研究分析認(rèn)為，潮流作用下渤海大部分海域表層SSC 較低，且呈現(xiàn)明顯的半日潮周期特征，潮流決定了近岸泥沙的空間分布特征。劉波等[5]發(fā)現(xiàn)萊州灣龍口附近海域潮致余流對(duì)于懸沙輸運(yùn)的貢獻(xiàn)較大，在時(shí)間上以12～16 h 的變化周期為主。

國(guó)內(nèi)外的最新研究表明，風(fēng)暴是渤海泥沙輸運(yùn)的主導(dǎo)因素之一，特別是在冬季，東亞季風(fēng)較強(qiáng)，由強(qiáng)流作用導(dǎo)致的沉積物再懸浮和泥沙輸運(yùn)易受到強(qiáng)風(fēng)浪的影響，強(qiáng)烈的垂直混合在弱層結(jié)的條件下使得沉積物再懸浮，SSC 升高[6]。同時(shí)，除了風(fēng)的強(qiáng)弱，水深也是影響再懸浮和輸運(yùn)情況的重要因素。渤海海峽南部較淺區(qū)域的表層SSC 顯著大于北部，在南北不對(duì)稱的大風(fēng)再懸浮情況和交換流作用下，流出的海峽沉積物通量大于流入通量[7]。在2017 年2 月秦皇島海域的觀測(cè)中記錄了一次風(fēng)速大于14 m/s、持續(xù)時(shí)間大于6 h 的風(fēng)暴事件，沉積物再懸浮分為湍流控制的再懸浮過(guò)程和底層切應(yīng)力控制的再懸浮過(guò)程，前者導(dǎo)致底層SSC 呈脈沖式增大，后者將其擴(kuò)散到水體中上層[8]。

前人研究重點(diǎn)探討了泥沙在渤海及渤、黃海間的再懸浮和輸運(yùn)[6-10]，而聚焦于萊州灣的研究較少，且主要為SSC 的季節(jié)性變化和年際變化，往往忽略了更短周期的影響因素。基于此，本文擬采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD）、希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang Transform,HHT）和小波分析法對(duì)萊州灣底層泥沙的小尺度特征進(jìn)行分析，并探究大風(fēng)過(guò)程的影響，從而進(jìn)一步認(rèn)識(shí)萊州灣海域泥沙輸運(yùn)量的變化情況，同時(shí)為研究區(qū)域海岸工程建設(shè)與防護(hù)、科學(xué)管理與利用等提供參考，為海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

2 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)介紹

萊州灣是渤海三大海灣之一，位于山東半島北部，總面積約6 967 km2，水深在10～20 m，以不規(guī)則半日潮為主。由于其海岸線較長(zhǎng)，在東部形成若干個(gè)較小的港灣，有黃河、小清河等多條河流入海[11]（圖1）。萊州灣營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)物含量較高，漁業(yè)資源物產(chǎn)豐富，同時(shí)河流攜帶泥沙入海使得萊州灣擁有較高的泥沙含量。近幾十年來(lái)，由于海岸工程建設(shè)、海水養(yǎng)殖設(shè)施修建、沿岸挖沙以及河流中上游大中型水庫(kù)修建等人為因素的影響，入海輸沙量減少，海岸受到了不同程度的侵蝕[12]。

圖1 研究區(qū)域水深、連續(xù)站和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)站位Fig.1 Bathymetry map of the study area and the location of the measurement site and wind data site

課題組于2018 年10 月21 日至11 月6 日期間在萊州灣西部的C1 站（37.48°N，119.10° E，水深約5.5 m）進(jìn)行了為期半個(gè)月的底基三腳架觀測(cè)（圖1），獲得了水位、潮流、波浪和懸浮泥沙濃度等數(shù)據(jù)。觀測(cè)時(shí)兩臺(tái)ADCP（Nortek Aquadopp 2 MHz）探頭盲區(qū)為0.3 m，垂直分層單元0.1 m，仰視ADCP 實(shí)際測(cè)量距海底2.1 m至海面的流速剖面，俯視ADCP 實(shí)際測(cè)量距離海底0.02 m 到0.62 m 的流速剖面；一臺(tái)Nortek ADV 用于測(cè)量單點(diǎn)流速并用于湍動(dòng)能計(jì)算；一臺(tái)RBR TD-WAVE用于獲取水位和波浪數(shù)據(jù)；在支架的不同位置固定兩個(gè)Seapoint OBS 濁度計(jì)用于測(cè)量水體濁度（NTU），測(cè)量?jī)x器的設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表1。此外，本文中的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用了歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的ERA-Interim 數(shù)據(jù)，其每天提供4 個(gè)時(shí)刻（00：00，06：00，12：00，18：00）的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.125°×0.125°，取距離C1 站最近的位置37.50°N，119.13°E。

表1 測(cè)量?jī)x器設(shè)置Table 1 Settings of observation instruments

3 研究方法和數(shù)據(jù)處理

3.1 單寬輸沙率和凈輸沙量

同期在2018 年10 月21 日和10 月30 日采集了海底近OBS 處的水樣，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室抽濾、烘干、稱重，獲取了SSC 數(shù)據(jù)。通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)OBS 測(cè)量的46 組濁度數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到了濁度轉(zhuǎn)換為泥沙濃度的關(guān)系式為

兩者擬合的決定系數(shù)R2=0.88，表明兩者具有較好的線性擬合關(guān)系，將上式應(yīng)用到連續(xù)觀測(cè)的濁度數(shù)據(jù)中得到SSC。取兩個(gè)深度（距海底0.28 m 和1.02 m）的SSC 平均值作為底層SSC，利用俯視ADCP 測(cè)量的底層有效流速剖面（距海底0.02～0.62 m）做垂線平均作為當(dāng)前時(shí)刻底層水體的流速，底層單寬輸沙率可表示為

式中，z為距海底高度；SSC(z,t)為t時(shí)刻距底z層的泥沙濃度；u(z,t)為t時(shí)刻距底z層的流速u、v；F(t)為t時(shí)刻的單寬輸沙率，單位為kg/(m·s)；C(t)和U(t)分別為垂線平均的泥沙濃度和流速u、v；H為底層水體厚度。將單寬輸沙率進(jìn)行時(shí)間積分，得到站點(diǎn)在觀測(cè)時(shí)間段的底層凈輸沙量：

式中，T為整個(gè)觀測(cè)時(shí)間段。

3.2 Hilbert-Huang 變換和邊際譜

Hilbert-Huang 變換是一種信號(hào)時(shí)頻分析方法，將1998 年Huang 等[13]提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）方法和Hilbert 變換相結(jié)合。EEMD 是EMD 的改進(jìn)方案，用于分析非線性、非平穩(wěn)的時(shí)間序列。它把一個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)分解為有限個(gè)不同時(shí)間尺度的振蕩分量，通過(guò)在原數(shù)據(jù)中加入適當(dāng)大小的白噪聲來(lái)模擬多次觀測(cè)的情景，經(jīng)多次計(jì)算后作集合平均[14]。具體過(guò)程如下：

（1）將正態(tài)分布的白噪聲ω(t) 加到原始單寬輸沙率信號(hào)F(t)中，則總信號(hào)為

（2）將加入白噪聲的信號(hào)作為一個(gè)整體，然后進(jìn)行EMD 分解，具體可以表示為

式中，imf(i)為單次分解得到的第i個(gè)分量，Res 為殘差項(xiàng)；

（3）重復(fù)步驟（1）和（2），每次加入新的正態(tài)分布白噪聲序列，重復(fù)次數(shù)為N次；

（4）在添加N次白噪聲后，對(duì)每一個(gè)imf 分量作集成平均處理，使得白噪聲相互抵消，得到最終的EEMD分解結(jié)果：

式中，IMF(i)和Res 分別為N次平均后的第i個(gè)分量和殘差項(xiàng)。將EEMD 分解后得到的每個(gè)IMF 分量做Hilbert 變換，得到相應(yīng)的Hilbert 譜H(ω,t)。對(duì)于離散信號(hào)來(lái)說(shuō)，邊際譜表示信號(hào)中某一頻率在各個(gè)時(shí)刻的幅值之和，對(duì)H(ω,t)進(jìn)行時(shí)間積分可得到Hilbert 邊際譜：

式中，h(ω,t)代表邊際譜，ω為瞬時(shí)頻率，t為時(shí)間，T為整個(gè)觀測(cè)時(shí)間段。

3.3 顯著性檢驗(yàn)

在引入白噪聲對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行EEMD 分解后通常要對(duì)固有模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function，IMF)分量進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，目的是分析白噪聲對(duì)分解結(jié)果的影響，也有助于對(duì)IMF 分量物理意義的判斷。采用IMF能量譜密度周期的分布規(guī)律分析其顯著性[15-16]，第k個(gè)IMF 分量的能量譜密度為

式中，m為IMF 序列的長(zhǎng)度，IMFk(j)表示第k個(gè)分量的第j個(gè)數(shù)據(jù)。以蒙特卡洛法對(duì)白噪聲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到與平均周期的關(guān)系如下：

白噪聲能量譜分布的置信區(qū)間表達(dá)式為

式中，α代表顯著性水平。

3.4 交叉小波分析法

交叉小波分析法是以小波變換為基礎(chǔ)，用于處理變量之間周期和能量關(guān)系的方法，廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理領(lǐng)域[17]。定義任意兩個(gè)時(shí)間序列X(t)和Y(t)，則它們的交叉小波功率譜（XWT）為

式中，a為尺度伸縮參數(shù)，τ為時(shí)間平移參數(shù)，CX(a,τ)為序列X(t)的小波變換系數(shù)，為序列Y(t)小波變換系數(shù)的復(fù)共軛。

交叉小波譜（WTC）可用相干性大小來(lái)表征，反映兩個(gè)時(shí)間序列在時(shí)頻空間的相干程度，表達(dá)式為：

式中，S為平滑算子。

3.5 湍動(dòng)能計(jì)算

湍動(dòng)能（TKE）由距離海底0.34 m 的ADV 測(cè)量并計(jì)算所得，3 個(gè)方向的流速可表示為：

4 結(jié)果分析

4.1 流速和泥沙濃度變化

圖2 為U分量、V分量的剖面和底層流速，變化范圍為-0.5～0.5 m/s?？傮w上看，流速U分量大于V分量，觀測(cè)期間最大水深在6 m 左右，平均水深為5.55 m，水位和流速變化呈現(xiàn)了不規(guī)則半日潮的特征。在每個(gè)潮周期內(nèi)，漲落潮流呈現(xiàn)明顯的往復(fù)流特征，主軸方向?yàn)闁|西向。圖2c 和圖2d 顯示了ADCP 及ADV所測(cè)底層流速的對(duì)比，測(cè)量深度分別為距海底0.32 m和0.34 m，ADV 所測(cè)流速由于進(jìn)行了脈沖平均而更加平滑，兩者的結(jié)果具有一致性。

圖2 ADCP 觀測(cè)的流速剖面U 分量（a）和V 分量（b），ADV 觀測(cè)的近底層流速U 分量（c）和V 分量（d）及臨近層位的ADCP 觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.2 The ADCP measured U-component (a) and V-component (b) of the velocity profile,and the ADV measured U-component (c) and V-component (d) of the near-bottom velocity and corresponding ADCP measurement

觀測(cè)期間的風(fēng)矢量如圖3a 所示，總體上東西分量大于南北分量，而在其他時(shí)間段以偏南風(fēng)為主。由于潮流流速相對(duì)較大，為探究風(fēng)對(duì)于海流的作用，特別是表層流對(duì)于風(fēng)的響應(yīng)，將余流做33 h 低通濾波以消除潮流的影響。圖3b 和圖3c 中不同的高值區(qū)體現(xiàn)了風(fēng)場(chǎng)對(duì)于海流的作用強(qiáng)度和范圍，流速大小隨著風(fēng)速的增加而增加，流向取決于風(fēng)向。高值區(qū)大多位于水體上層，影響深度大約為距海底5 m 左右，從時(shí)間上看，V分量的高值區(qū)更多，受風(fēng)影響的時(shí)間大于U分量；從強(qiáng)度上看，在風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下，兩者的最大流速相近，U、V分量分別為0.15 m/s 和0.11 m/s。圖3d顯示了觀測(cè)期間兩層SSC 的變化，下層略大于上層，弱風(fēng)時(shí)小于0.02 kg/m3，在10 月26-30 日，11 月4-6 日出現(xiàn)較強(qiáng)西北風(fēng)和東南風(fēng)的情況下，SSC 間歇式增長(zhǎng)，最大達(dá)0.25 kg/m3。同時(shí)，上下層SSC 在峰值處的差值隨之增大，表明在外界風(fēng)場(chǎng)的作用下出現(xiàn)了沉積物再懸浮現(xiàn)象。

圖3 風(fēng)矢量（a），亞潮頻率的流速剖面U 分量（b）、V 分量（c）和懸沙濃度（d）隨時(shí)間的變化Fig.3 Temporal variation of wind vector (a),U-component (b) and V-component (c) of the sub-tidal velocity profile,and suspended sediment concentration (d)

4.2 單寬輸沙率多尺度分析

圖4a 為東西方向和南北方向單寬輸沙率的時(shí)間序列，正值分別代表東向輸沙和北向輸沙，負(fù)值分別代表西向輸沙和南向輸沙，表征泥沙輸運(yùn)量的瞬時(shí)變化。如圖所示，平靜天氣下具有周期性的特征，主要受潮流影響，東西分量略大于南北分量，輸沙率均小于5×10-3kg/(m·s)，10 月26-30 日以及11 月5 日后受大風(fēng)影響，東西分量輸沙率出現(xiàn)間歇式增長(zhǎng)，其中西向輸沙率的最大值超過(guò)0.02 kg/(m·s)。南北分量輸沙率變化較小，在原有的周期上產(chǎn)生一定的高頻脈動(dòng)。定義當(dāng)前時(shí)刻的累積輸沙率為之前所有時(shí)刻單寬輸沙率之和，東西方向累積輸沙率在10 月26-28 日顯著增大，11 月5 日以后在波動(dòng)中減小，南北方向輸沙率則一直呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，最終兩個(gè)方向的累積輸沙率分別為0.26 kg/(m·s)和-0.50 kg/(m·s)（圖4b）。

圖4 單寬輸沙率（a）和累積輸沙率（b）隨時(shí)間的變化Fig.4 Temporal variation of the sediment transport rate (a) and cumulative sediment transport rate (b) within unit-width

為研究單寬輸沙率的多尺度特征，將兩個(gè)方向的時(shí)間序列進(jìn)行EEMD 分解，白噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為0.3，集合次數(shù)為100，分別得到9 個(gè)IMF 分量和1 個(gè)趨勢(shì)項(xiàng),各分量的平均周期和方差貢獻(xiàn)率如表2 所示。為了使得到的分量物理意義更加明確，基于潮周期和觀測(cè)時(shí)間對(duì)它們進(jìn)行尺度劃分，將平均周期約為1～7 h 的IMF 分量（IMF1、IMF2、IMF3）合并，記為高頻分量，代表風(fēng)浪和湍流作用下輸沙率的變化；將平均周期約為13 h 和25 h 的IMF 分量（IMF4、IMF5）合并，記為潮周期分量，表示主要由半日及全日潮流控制的輸沙率變化，因?yàn)樵摰匕肴粘碧卣黠@著，其方差貢獻(xiàn)率大于全日潮分量；將平均周期約為2～5 d 的IMF 分量（IMF6、IMF7）合并，記為低頻分量，主要受到小清河等河流徑流量變化和天氣尺度下水位低頻波動(dòng)的影響；將平均周期約為8～16 d 的IMF 分量（IMF8、IMF9）合并，記為長(zhǎng)周期分量，顯示了由于海水密度差異引起的定常流動(dòng)所導(dǎo)致的輸沙率變化。Res 保持不變（圖5）。

圖5 單寬輸沙率EEMD 分解重構(gòu)結(jié)果Fig.5 The reconstructed intrinsic mode functions of the EEMD on unit-width sediment transport rate

表2 單寬輸沙率EEMD 分解各IMF 分量平均周期和方差貢獻(xiàn)率Table 2 The period and variance contribution rate of each IMF of the EEMD decomposition on unit-width sediment transport rate

上述重構(gòu)分量的平均周期逐漸增大，平均幅值依次減小，在不同尺度的分量中仍可觀察到大風(fēng)對(duì)于單寬輸沙率的影響。在10 月26-30 日，11 月3 日以后各分量的振幅明顯增大，隨著平均周期增加，引起的振幅依次減小，表明風(fēng)輸入的能量對(duì)于單寬輸沙率不同頻率的變化均有促進(jìn)作用，效果上高頻大于低頻。另外，低頻和長(zhǎng)周期的南北分量中出現(xiàn)了明顯的振幅不對(duì)稱現(xiàn)象，這是亞潮尺度下的流速變化和沉積物再懸浮差異共同作用的結(jié)果。Res 顯示在該時(shí)間段內(nèi)輸沙率的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為西向輸沙和南向輸沙，其中南北方向Res 的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了23.11%，是原序列的重要組成部分。在4 個(gè)分量中，東西方向高頻分量的方差貢獻(xiàn)率最大，南北方向潮周期分量的方差貢獻(xiàn)率最大，分別代表各自單寬輸沙率的顯著變化，低頻和長(zhǎng)周期分量方差貢獻(xiàn)率均較小，周期尺度特征較弱。

分別取式（10）中α=0.01、0.05、0.2 作各分量的顯著性檢驗(yàn)（圖6），橫縱坐標(biāo)分別為平均歸一化能量的自然對(duì)數(shù)（lnE）和平均周期的自然對(duì)數(shù)（lnT），若分量在置信度曲線之上，則表明其通過(guò)了該置信水平下的顯著性檢驗(yàn)。東西方向高頻分量、潮周期分量通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)，高頻分量能量較高，與方差貢獻(xiàn)率對(duì)應(yīng)，并印證了其顯著性，低頻分量和長(zhǎng)周期分量也通過(guò)了80%顯著性檢驗(yàn)，二者所含物理意義相對(duì)略低；南北方向4 個(gè)分量均通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)，在對(duì)原信號(hào)的分解過(guò)程中，白噪聲經(jīng)過(guò)多次平均后，其影響較小。

圖6 東西方向（a）、南北方向（b）各分量顯著性檢驗(yàn)Fig.6 Significance test of each component in east-west direction (a) and north-south direction (b)

4.3 大風(fēng)影響下的單寬輸沙率時(shí)頻變化

將兩個(gè)方向原始的9 個(gè)IMF 分量分別進(jìn)行Hilbert 變換，將實(shí)數(shù)信號(hào)變換成解析信號(hào)，把一維信號(hào)變成二維復(fù)平面上的信號(hào)，得到Hilbert 時(shí)頻譜（圖7b，圖7c），用于分析輸沙率在不同時(shí)間尺度上所具有的能量，圖中顏色代表能量，顏色越深表示信號(hào)在該時(shí)刻該周期的能量越大。在觀測(cè)期間，最大風(fēng)速為12 m/s，平均風(fēng)速為5.5 m/s，將風(fēng)速大于8 m/s 稱作大風(fēng)過(guò)程（圖7a）。圖7d 和圖7e 分別為有效波高和距海底0.34 m處的湍動(dòng)能變化，有效波高最大達(dá)到0.73 m；湍動(dòng)能在風(fēng)的影響下超過(guò)20 cm2/s2。從圖7 中可以看到，單寬輸沙率的時(shí)頻變化與有效波高、湍動(dòng)能變化并不是一一對(duì)應(yīng)的。相對(duì)來(lái)說(shuō)，湍動(dòng)能的相位變化與單寬輸沙率較為相符。

圖7 風(fēng)速（a），東西方向（b）和南北方向（c）單寬輸沙率的Hilbert 譜，有效波高（d）和湍動(dòng)能（e）隨時(shí)間的變化Fig.7 Temporal variation of the wind speed (a),Hilbert spectrum of east-west (b) and north-south (c) unit-width sediment transport rate,significant wave height (d),and turbulent kinetic energy (e)

著重研究3 個(gè)大風(fēng)過(guò)程，每個(gè)過(guò)程分為增長(zhǎng)期（圖7 中紅色矩形方框）和衰減期（圖7 中綠色矩形方框）。增長(zhǎng)期的最大風(fēng)速均大于8 m/s：10 月24 日06:00 至26 日06:00，風(fēng)速?gòu)? m/s 增加至12 m/s；10 月28 日00:00 至06:00，風(fēng)速?gòu)?.8 m/s 增加至9.6 m/s；11 月4 日00:00 到18:00，風(fēng)速?gòu)? m/s 增加至9 m/s。在增長(zhǎng)期內(nèi)，有效波高變化不明顯，第一個(gè)增長(zhǎng)期內(nèi)湍動(dòng)能有略微的上升趨勢(shì)，其他兩個(gè)增長(zhǎng)期內(nèi)無(wú)明顯變化，而單寬輸沙率時(shí)頻分布幾乎保持不變。在衰減期內(nèi)，風(fēng)速緩慢減小并趨于穩(wěn)定，波高和湍動(dòng)能達(dá)到極值，單寬輸沙率0～0.5 h-1頻段的能量增強(qiáng)，并且出現(xiàn)相對(duì)高頻的變化，周期為1 h 左右。第一個(gè)大風(fēng)過(guò)程盡管達(dá)到了觀測(cè)期間的最大風(fēng)速，但由于跨度最大、風(fēng)速梯度最小，只有波高變化較為明顯，而湍動(dòng)能規(guī)律性較差，輸沙率也僅僅表現(xiàn)為潮周期和高頻能量加強(qiáng)。也可能是由于前兩個(gè)大風(fēng)過(guò)程時(shí)間間隔很短，第一次大風(fēng)過(guò)程的影響會(huì)部分體現(xiàn)在第二次中。

為反映單寬輸沙率的實(shí)際頻率成分，探究其在大風(fēng)影響下的顯著周期。依據(jù)式（7）得到兩個(gè)方向的單寬輸沙率的邊際譜如圖8 所示，可以看到幅值較大的部分都集中在相對(duì)低頻的頻段，其中東西方向最大幅值的頻率為0.075 h-1，即觀測(cè)期間單寬輸沙率變化的顯著頻率，對(duì)應(yīng)的顯著周期約為13.3 h，與半日潮周期相符。南北方向高幅值頻段為0～0.09 h-1，體現(xiàn)了11 h以上的顯著變化周期，包含了更多亞潮尺度的變化，流速U分量的潮信號(hào)強(qiáng)于V分量。

圖8 東西方向（a）和南北方向（b）單寬輸沙率的邊際譜Fig.8 The marginal spectrum of the east-west (a) and north-south (b) sediment transport within unit-width

4.4 風(fēng)速與單寬輸沙率的交叉小波分析

時(shí)頻分析的結(jié)果顯示，單寬輸沙率在大風(fēng)作用下會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的周期性變化，且與風(fēng)速的變化在時(shí)間上并不是同步的。為定量化兩者的相位關(guān)系，接下來(lái)通過(guò)交叉小波分析研究風(fēng)速和單寬輸沙率在時(shí)頻空間內(nèi)的相干性。圖9 為風(fēng)場(chǎng)的東西和南北分量分別與該方向單寬輸沙率的交叉小波功率譜和小波相干譜，圖中黑色的錐形細(xì)實(shí)線為小波影響錐（COI）區(qū)域，內(nèi)部黑色粗實(shí)線區(qū)域通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)，這里采用紅噪聲作為背景譜。交叉小波功率譜顏色代表時(shí)域內(nèi)的頻率強(qiáng)度，小波相干譜顏色為在該頻率上二者之間的相干性強(qiáng)弱，箭頭方向表示二者之間的相位關(guān)系，向右為正相位關(guān)系，向左為負(fù)相位關(guān)系。

圖9 東西方向（a，b）和南北方向（c，d）單寬輸沙率與風(fēng)速的交叉小波功率譜（a，c）和小波相干譜（b，d）Fig.9 The cross-wavelet power spectrum (a,c) and wavelet coherence spectrum (b,d) between east-west (a,b) and north-south (c,d) unitwidth sediment transport rate and wind speed

交叉小波功率譜顯示兩者共同的高能量區(qū)集中在大于潮周期的低頻部分，在該尺度下兩者具有較強(qiáng)的共振周期。關(guān)注通過(guò)顯著性校驗(yàn)的高值區(qū)域，主要位于風(fēng)速較強(qiáng)的時(shí)間段，東西方向?yàn)?8-30 日期間，南北方向在26-30 日期間，而11 月3 日之后的大風(fēng)階段由于邊緣效應(yīng)不予考慮。高值區(qū)內(nèi)箭頭指向表明東西方向上大風(fēng)提前輸沙率變化約1/4 個(gè)周期，南北方向上約為1/2 個(gè)周期。小波相干譜顯示相干性較強(qiáng)的周期較為散亂，大多位于高能量區(qū)上，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的相干時(shí)頻區(qū)域?yàn)榈皖l區(qū)，即在潮周期尺度和亞潮尺度上兩者相干性較強(qiáng)，箭頭所示的輸沙率滯后周期也與功率譜吻合。

5 討論

5.1 渤海泥沙輸運(yùn)的小尺度特征

海洋環(huán)境中，泥沙的垂向運(yùn)動(dòng)與水平輸運(yùn)受潮流、海浪、環(huán)流及溫鹽結(jié)構(gòu)等諸多因素影響[4]，不同周期尺度的熱動(dòng)力學(xué)條件綜合決定了當(dāng)?shù)氐哪嗌尺\(yùn)動(dòng)情況。渤海懸沙濃度的潮周期尺度研究顯示潮流輸沙難以進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送，往往沉積在近岸[4]，故從圖10 中可看到余流輸沙遠(yuǎn)大于潮輸沙，在所有分量中占主導(dǎo)地位，表明在比半月更長(zhǎng)的時(shí)間尺度下，泥沙輸運(yùn)的方向和大小主要取決于渤海的余流特征。從EEMD 分解的結(jié)果出發(fā)，發(fā)現(xiàn)在半月時(shí)間尺度下，1～7 h 的高頻振蕩在單寬輸沙率的變化中尤為突出，經(jīng)過(guò)顯著性校驗(yàn)后，可以排除白噪聲的干擾，可能是在落潮期間垂向湍流混合不均勻，垂向速度梯度比漲潮期間大，垂向切變不穩(wěn)定增強(qiáng)，泥沙濃度的高頻擾動(dòng)更加頻繁和劇烈所致[18]。另外，注意到方差貢獻(xiàn)率大小和邊際譜顯著周期不匹配（表2，圖8），表明在進(jìn)行時(shí)間積分后，落潮所導(dǎo)致的高頻振蕩信號(hào)和大風(fēng)的能量輸入影響減弱，因此輸沙率呈現(xiàn)明顯的潮周期尺度及亞潮尺度特征。

圖10 各分量及余流分量的凈輸沙量Fig.10 Net sediment transport of each component and Res

5.2 大風(fēng)過(guò)程對(duì)于渤海泥沙再懸浮及輸運(yùn)的影響

觀測(cè)站點(diǎn)底部表層沉積物為粉砂，中值粒徑為38.48 μm。通過(guò)LISST（C 型）激光粒度儀測(cè)得距海底0.9 m 處懸沙的中值粒徑為38.65 μm，該地的沉積物粒徑特征和懸沙粒徑特征類似，水體中的泥沙基本為局地再懸浮泥沙。渤海懸沙濃度的季節(jié)性變化主要取決于風(fēng)場(chǎng)等氣候因素，且懸沙濃度與風(fēng)速之間存在一定時(shí)間段的滯后相關(guān)[19]，而對(duì)于水深很淺的海域，風(fēng)浪和湍流會(huì)加劇沉積物再懸浮的發(fā)生，經(jīng)過(guò)垂向混合和擴(kuò)散過(guò)程后懸沙濃度增大。圖7 顯示，湍動(dòng)能在大風(fēng)成長(zhǎng)和衰弱過(guò)程中增強(qiáng)，而波浪則是在風(fēng)速達(dá)到峰值后迅速攀升，進(jìn)而共同增大了單寬輸沙率并影響其時(shí)頻分布特征，且輸沙率相對(duì)于風(fēng)速存在一定的滯后周期。根據(jù)崔廷偉等[20]基于遙感數(shù)據(jù)的研究，大風(fēng)過(guò)程可能在幾天內(nèi)改變渤海表層懸沙濃度的分布結(jié)構(gòu)，從HHT 時(shí)頻分析的結(jié)果來(lái)看，風(fēng)場(chǎng)對(duì)于輸沙率的周期性振蕩有顯著的促進(jìn)作用，若冬季發(fā)生范圍廣、強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的大風(fēng)事件，底層泥沙在強(qiáng)動(dòng)力作用下大面積再懸浮至表層，渤海表層懸沙濃度的分布結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變化。

5.3 泥沙輸運(yùn)主控機(jī)制

如圖10 所示，底層凈泥沙輸運(yùn)以東向和南向?yàn)橹?，總輸沙量分別為305.77 kg/m 和597.25 kg/m。經(jīng)過(guò)EEMD 分解得到的殘差項(xiàng)Res 已經(jīng)不具有明顯的周期性特征，故可以將其看作余流分量，則東西方向輸沙量從大到小依次為：余流分量、潮周期分量、低頻分量、高頻分量和長(zhǎng)周期分量；南北方向輸沙量從大到小依次為：余流分量、長(zhǎng)周期分量、潮周期分量、低頻分量和高頻分量。在觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)還是以余流輸沙為主，低頻分量和高頻分量輸沙量較小，另外，由于流速U分量的潮信號(hào)較強(qiáng)，其潮輸沙量?jī)H次于余流輸沙量。盡管各潮周期分量在不同潮周期對(duì)泥沙輸運(yùn)的貢獻(xiàn)值有差異（圖11），但在平靜天氣下，漲落潮泥沙輸運(yùn)量大體是對(duì)稱的，漲潮為西向和北向輸運(yùn)，落潮為東向和南向輸運(yùn)，導(dǎo)致整個(gè)全潮的凈輸沙量較低。在大風(fēng)影響下，第14、15、32、33 和34 潮周期內(nèi)輸沙量較高，是由于風(fēng)浪周期小于潮周期，風(fēng)浪掀起的泥沙濃度高值存續(xù)期往往短于潮周期，如風(fēng)浪掀沙出現(xiàn)在漲潮期間，則落潮期間風(fēng)浪產(chǎn)生的再懸浮泥沙大部分已經(jīng)沉降，這就會(huì)導(dǎo)致漲潮期間凈輸沙量增大，而落潮期間凈輸沙量基本不變；反之亦然。風(fēng)浪掀沙的相位與漲落潮相位的不一致破壞了漲落潮期間的原本輸沙量平衡，加劇了漲落潮輸沙不對(duì)稱，進(jìn)而增加了潮周期內(nèi)的凈輸沙量。

圖11 潮流分量漲潮、落潮和全潮凈輸沙量Fig.11 The net sediment transport of tide current component during each flood tide,ebb tide and full tide

6 結(jié)論

本文根據(jù)2018 年10 月21 日至11 月6 日萊州灣連續(xù)觀測(cè)站的泥沙數(shù)據(jù)，結(jié)合波浪、水位、流速，對(duì)底層單寬輸沙率進(jìn)行了EEMD 分解和HHT 變換，并探究了風(fēng)對(duì)其影響，具體結(jié)果如下。

（1）兩個(gè)方向EEMD 分解的重構(gòu)結(jié)果分別得到9 個(gè)IMF 分量和1 個(gè)趨勢(shì)項(xiàng)，根據(jù)其顯著周期，可進(jìn)一步分為高頻分量、潮周期分量、低頻分量和長(zhǎng)周期分量，趨勢(shì)項(xiàng)可看作余流分量。研究顯示單寬輸沙率的能量主要集中在高頻和潮周期分量，表明了高頻擾動(dòng)和潮流對(duì)于泥沙輸運(yùn)速率的影響較大。

（2）以HHT 變換對(duì)單寬輸沙率進(jìn)行時(shí)頻分析，風(fēng)的影響主要發(fā)生在風(fēng)速衰減期，風(fēng)浪和湍流使得輸沙率的0～0.5 h-1低頻特征的顯著性大大增強(qiáng)，并出現(xiàn)一定程度的弱高頻變化。小波分析顯示風(fēng)速和單寬輸沙率共同的高能量區(qū)及高相干區(qū)在低頻頻段，單寬輸沙率的變化滯后約1/4 至1/2 個(gè)周期。

（3）邊際譜通過(guò)對(duì)時(shí)間的積分弱化了高頻的擾動(dòng)和外界風(fēng)場(chǎng)的影響，受流速分量潮信號(hào)的強(qiáng)弱影響，單寬輸沙率的顯著周期為半日潮周期和亞潮周期。

（4）底層總泥沙輸運(yùn)表現(xiàn)為東向和南向輸沙，輸運(yùn)量分別為305.77 kg/m 和597.25 kg/m，浪潮頻率的差異導(dǎo)致泥沙輸運(yùn)量在大風(fēng)過(guò)程中出現(xiàn)顯著的漲落潮不對(duì)稱情況。