于吉濤，丁圓婷，程璜鑫，陳子燊

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

0709號(hào)臺(tái)風(fēng)影響下粵東后江灣海灘地形動(dòng)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(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074;3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)藝術(shù)與傳媒學(xué)院，湖北 武漢 430074；4.中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275)

基于0709號(hào)臺(tái)風(fēng)“圣帕”影響下粵東后江灣的現(xiàn)場實(shí)測海灘前濱地形資料和水動(dòng)力、風(fēng)等資料，采用典型相關(guān)分析方法識(shí)別了臺(tái)風(fēng)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(jié)果表明：(1)臺(tái)風(fēng)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(yùn)，控制這一過程的主要?jiǎng)恿σ蜃邮秋L(fēng)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(yùn)而形成水下沙壩，控制這一過程的主要?jiǎng)恿σ蜃邮亲畲蟛ㄖ芷诤秃┑叵滤唬?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?jiǎng)恿σ蜃邮茄匕读?、海灘地下水位和最大波高。這些研究結(jié)果進(jìn)一步揭示了臺(tái)風(fēng)影響下海灘前濱地形動(dòng)力過程是由多個(gè)不同的地形-動(dòng)力過程耦合作用而組成。

地形動(dòng)力過程；海灘；臺(tái)風(fēng)；典型相關(guān)分析

1 引言

海灘演變涉及波浪、潮汐、風(fēng)等動(dòng)力因素在不同時(shí)空尺度下的地形動(dòng)力過程。因此，海灘地形與動(dòng)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(fēng)暴、颶風(fēng)和熱帶氣旋形成的極端事件在短時(shí)間內(nèi)也會(huì)對(duì)海灘地形動(dòng)力過程產(chǎn)生巨大影響，導(dǎo)致嚴(yán)重的侵蝕、波浪越頂和海灘系統(tǒng)的不穩(wěn)定，產(chǎn)生災(zāi)難性的后果[2—6]。通常，具有較大波高的風(fēng)暴能夠造成更大的危害，而其他風(fēng)暴特征如風(fēng)暴持續(xù)時(shí)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(duì)風(fēng)暴的響應(yīng)是海灘類型和風(fēng)暴特征的函數(shù)[7]。

常況下，近岸波浪與海灘剖面響應(yīng)之間的關(guān)系本身就是一個(gè)高度復(fù)雜的現(xiàn)象，因?yàn)槠渲邪瞬煌瑫r(shí)空尺度下不同的過程[8—9]。除非在明確的情況下只有幾個(gè)過程控制海灘剖面的響應(yīng)(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(guān)系[10]，這就需要借助更高級(jí)的統(tǒng)計(jì)模型，以識(shí)別數(shù)據(jù)中的模式并將其與物理過程聯(lián)系起來。有關(guān)研究人員使用典型相關(guān)分析(Canonical Correlation Analysis，CCA)，研究了海灘剖面與波浪之間的關(guān)系，得到了較好的結(jié)果[10—12]。但是目前，研究海灘剖面變化與波浪之間的關(guān)系只是取得了有限的進(jìn)步，究其原因是在大部分研究中缺乏時(shí)間上密集的同步海灘地形和近岸波浪數(shù)據(jù)[12—13]，進(jìn)而限制了CCA法的應(yīng)用。

在風(fēng)暴(臺(tái)風(fēng))影響下，海灘地形與動(dòng)力因子之間的關(guān)系更加復(fù)雜，近岸數(shù)據(jù)的獲取更加困難，國內(nèi)外研究中鮮見風(fēng)暴(臺(tái)風(fēng))作用下海灘地形與波浪、潮汐、風(fēng)等多個(gè)動(dòng)力因素同步觀測數(shù)據(jù)。本文將基于0709號(hào)臺(tái)風(fēng)影響下粵東后江灣現(xiàn)場實(shí)測海灘前濱地形數(shù)據(jù)和波浪、潮汐、風(fēng)等動(dòng)力數(shù)據(jù)，拓展CCA法的應(yīng)用，將常況下海灘剖面與近岸波浪之間的關(guān)系研究拓展至極端波況下海灘剖面與近岸波浪、潮汐、風(fēng)等多個(gè)動(dòng)力因素之間的關(guān)系研究，識(shí)別臺(tái)風(fēng)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(dòng)力因子之間的關(guān)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(rèn)識(shí)、理解華南砂質(zhì)海灘時(shí)空演變特征與侵蝕機(jī)制。

2 研究區(qū)概況與臺(tái)風(fēng)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(gè)基巖岬角和連接兩者的海成沙堤構(gòu)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(dāng)?shù)睾Ｑ笳鹃L期觀測結(jié)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(fēng)速、風(fēng)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(hào)臺(tái)風(fēng)“圣帕”是2007年最強(qiáng)的一個(gè)臺(tái)風(fēng)，也是近年來強(qiáng)度最強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)之一，并為臺(tái)灣、福建及浙江帶來嚴(yán)重?fù)p失。其形成過程與路徑(圖2)為：一個(gè)低壓區(qū)于2007年8月12日在馬尼拉以東約1 600 km增強(qiáng)為一個(gè)熱帶低氣壓，初時(shí)向西南偏西移動(dòng)；8月13日凌晨增強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴，日本氣象廳將其命名為“圣帕”，當(dāng)晚迅速增強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴；8月14日進(jìn)一步增強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)?！笆ヅ痢痹鰪?qiáng)為臺(tái)風(fēng)后于8月15日轉(zhuǎn)向西北偏西移動(dòng)，8月16日下午轉(zhuǎn)向西北偏北移動(dòng)。臺(tái)風(fēng)“圣帕”于當(dāng)晚達(dá)到顛峰程度，每小時(shí)風(fēng)速高達(dá)200 km，同時(shí)“圣帕”亦出現(xiàn)擁有雙重眼壁并進(jìn)一步逼近臺(tái)灣。“圣帕”于2007年8月18日凌晨減弱為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，5時(shí)40分前后在中國臺(tái)灣花蓮秀姑巒溪口附近沿海登陸?！笆ヅ痢贝┰脚_(tái)灣及臺(tái)灣海峽，并于8月19日凌晨減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴。當(dāng)日早上在福建泉州市登陸并減弱為熱帶風(fēng)暴，當(dāng)晚進(jìn)一步減弱為熱帶低氣壓，8月20日清晨減弱為一個(gè)低壓區(qū)。“圣帕”臺(tái)風(fēng)對(duì)本文研究區(qū)的影響時(shí)間為2007年8月14-17日。

圖2 臺(tái)風(fēng)“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(shí)至21日18時(shí)，共221 h。在海灘上布設(shè)兩條觀測剖面A與剖面B(見圖1)。剖面A布設(shè)7根鐵樁(a1～a7)，剖面B布設(shè)8根鐵樁(b1～b8)，鐵樁間距為4 m，向陸側(cè)大致到高潮時(shí)波浪最大上沖處，向海側(cè)至平均水下約1 m處，包括了整個(gè)海灘前濱區(qū)域。剖面A靠岸一側(cè)有人工石堆攔沙堤。對(duì)剖面上各樁點(diǎn)高度變化進(jìn)行晝夜連續(xù)觀測，時(shí)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(shè)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(cè)人工石堆攔沙堤的影響。本文關(guān)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(shí)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(dòng)力數(shù)據(jù)與預(yù)處理

在現(xiàn)場剖面觀測期間，同時(shí)在水下沙壩海側(cè)斜坡和岸側(cè)的凹槽內(nèi)(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(duì)觀測期間的波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到221 h逐時(shí)的最大波高H和最大波周期T(圖4)；并于剖面B的右側(cè)挖一探井，井底安置DIK-610A-CI水位計(jì)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(duì)觀測期間的海灘地下水位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到221 h逐時(shí)的地下水位數(shù)據(jù)ζ(圖4)；現(xiàn)場同步獲取的風(fēng)速的數(shù)據(jù)W(圖4)，對(duì)221 h風(fēng)速的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，分解為風(fēng)速東分量Wu和風(fēng)速北分量Wv(圖5)。風(fēng)速東分量Wu指示近岸沿岸流的作用過程，風(fēng)速北分量Wv指示近岸離岸流的作用過程。

圖4 實(shí)測的波高、周期、碎波尺度參數(shù)、風(fēng)速、風(fēng)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(shí)序風(fēng)速東分量Wu和風(fēng)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(rèn)為波能對(duì)海灘作用的強(qiáng)度可通過海灘反射性與碎波類型來表征，通過實(shí)驗(yàn)室和理論調(diào)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(duì)澳大利亞不同海灘和碎波帶環(huán)境進(jìn)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(duì)入射波的反射性，判別海灘的水動(dòng)力特征，識(shí)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(fēng)暴作用下的風(fēng)浪環(huán)境中，波高大、周期短的風(fēng)暴浪作用于極細(xì)砂海灘[17—20]。本文引入這一參數(shù)，識(shí)別臺(tái)風(fēng)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(shí)的碎波尺度參數(shù)εs(見圖4)。

3.2 研究方法

典型相關(guān)分析是研究兩組變量之間相關(guān)關(guān)系的一種多元統(tǒng)計(jì)方法，由Hotelling于1936在社會(huì)學(xué)中提出[21]。這一方法在海岸演變方面最早的應(yīng)用是Larson等調(diào)查波浪和剖面響應(yīng)之間的關(guān)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(zhì)海灘，通過海灘剖面與波高分布之間顯著相關(guān)性，提出CCA方法可用來預(yù)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(yù)測方面依然更多偏重統(tǒng)計(jì)方法的背景下，CCA法作為一種高級(jí)的統(tǒng)計(jì)方法，可以確定兩個(gè)數(shù)據(jù)組的主要模式和其中的關(guān)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(jì)算過程為：設(shè)有變量場X、變量場Y分別由p個(gè)空間地形高程點(diǎn)，q個(gè)海灘動(dòng)力因子構(gòu)成，樣本容量為N。對(duì)兩組要素分別加以標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后分別尋找X和Y中諸個(gè)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(zhì)：

(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(guān)分析的優(yōu)越之處在于分析上述兩個(gè)線性組合中各項(xiàng)組合系數(shù)(可視為該項(xiàng)變量的權(quán)重系數(shù))絕對(duì)值的大小和正負(fù)號(hào)可以揭示各項(xiàng)典型變量的物理意義。對(duì)所得典型相關(guān)系數(shù)采用巴特萊特(Bartlett)關(guān)于大樣本的χ2檢驗(yàn)，顯著水平取α=0.05，當(dāng)經(jīng)χ2檢驗(yàn)求得的統(tǒng)計(jì)量P小于α值時(shí)，該典型變量顯著[23]。

本文聚焦于臺(tái)風(fēng)影響下海灘前濱剖面地形與近岸動(dòng)力因子之間的相互關(guān)系，那么剖面B的8個(gè)固定樁點(diǎn)(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(fēng)的數(shù)據(jù)，首先通過對(duì)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(dòng)力因子做常態(tài)相關(guān)分析，最終選取最大波高y1、最大波周期y2、風(fēng)速東分量y3、風(fēng)速北分量y4、海灘地下水位y5和海灘碎波尺度參數(shù)y66個(gè)近岸動(dòng)力因子，組成海灘動(dòng)力因子組(Y變量組)；X、Y組樣本數(shù)N等于221(逐時(shí)過程)。

4 結(jié)果與分析

典型相關(guān)分析結(jié)果如表1和圖6。表1顯示前4個(gè)典型變量累計(jì)總方差達(dá)到98.04%，統(tǒng)計(jì)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(gè)典型特征變量所對(duì)應(yīng)的Ui、Vj之間相關(guān)系數(shù)較強(qiáng)(i=1，2，…，8；j=1，2，…，6)，典型相關(guān)系數(shù)r1～r4介于0.406 5～0.854 2。結(jié)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(guān)系數(shù)r1為0.854 2，說明海灘前濱剖面地形變化與近岸動(dòng)力因子之間具有高度的相關(guān)關(guān)系。由表2、表3可知所對(duì)應(yīng)的第1對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)典型相關(guān)變量時(shí)間過程Fig.6 Temporal processes of six canonical correlation variables

表1 6個(gè)典型變量的特征值、相關(guān)系數(shù)和統(tǒng)計(jì)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(guān)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(gè)顯著典型相關(guān)變量和8個(gè)剖面高程點(diǎn)之間的相關(guān)系數(shù)

表3 4個(gè)顯著典型相關(guān)變量和6個(gè)近岸動(dòng)力因子之間的相關(guān)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(diǎn)b1、b2呈負(fù)相關(guān)，與樁點(diǎn)b3、b4、b5呈正相關(guān)，與樁點(diǎn)b6、b7、b8又呈負(fù)相關(guān)，對(duì)照圖3可得出在臺(tái)風(fēng)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(yùn)，使岸坡區(qū)域略有堆積，從水上搬運(yùn)的泥沙將在岸坡下部形成水下沙壩，并向海側(cè)搬運(yùn)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(gè)過程體現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)作用下海灘前濱地帶的侵蝕過程，反之當(dāng)臺(tái)風(fēng)過后，整個(gè)地帶又會(huì)經(jīng)歷相反的過程向陸搬運(yùn)泥沙而重塑海灘。其中，第1典型變量與海灘前濱剖面樁點(diǎn)b1、b8關(guān)系更加緊密(相關(guān)系數(shù)分別為-0.873 2和-0.619 3)，都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，體現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)作用下對(duì)這兩個(gè)地帶的擾動(dòng)更強(qiáng)，共同指示了臺(tái)風(fēng)作用下海灘遭受侵蝕的事實(shí)。

第1典型變量與近岸動(dòng)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(guān)，與最大波周期y2、風(fēng)速東分量y3和風(fēng)速北分量y4呈負(fù)相關(guān)。其中相關(guān)關(guān)系顯著的3個(gè)近岸動(dòng)力因子分別為風(fēng)速東向量y3、最大波高y1、碎波尺度參數(shù)y6，說明這3個(gè)動(dòng)力因子對(duì)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(fēng)速東向量y3關(guān)系最密切，相關(guān)系數(shù)為-0.887 8，風(fēng)速東向量指示了近岸區(qū)域的離岸流情況，且該動(dòng)力因子與海灘前濱剖面變動(dòng)最強(qiáng)烈的b1、b8樁點(diǎn)呈正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合圖5，在臺(tái)風(fēng)影響本海區(qū)期間(即開始觀測后約40～120 h)，風(fēng)速東分量Wu為負(fù)值，因此實(shí)際上在臺(tái)風(fēng)影響期間風(fēng)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(dǎo)致前濱剖面樁點(diǎn)b1、b8處的泥沙向海搬運(yùn)。第1典型變量與入射波最大波高的相關(guān)系數(shù)為0.827 2，但這一動(dòng)力因子與海灘前濱剖面變動(dòng)最強(qiáng)烈的b1、b8樁點(diǎn)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，指示了隨著臺(tái)風(fēng)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(dǎo)致樁點(diǎn)b1較大的侵蝕；波高增高，破波點(diǎn)更加向海側(cè)，崩破波擾動(dòng)樁點(diǎn)b8地帶的泥沙，在底部離岸流作用下向海搬運(yùn)。由圖4、圖5，向岸流與最大波高之間相關(guān)性顯著，反映了臺(tái)風(fēng)致風(fēng)浪環(huán)境下，波高增高，波能增加，而致沿岸流的增強(qiáng)。第1典型變量與海灘碎波尺度參數(shù)y6的相關(guān)關(guān)系較顯著，相關(guān)系數(shù)為0.605 99，這一因子與海灘前濱剖面變動(dòng)最強(qiáng)烈的b1、b8樁點(diǎn)呈負(fù)相關(guān)關(guān)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(yùn)的事實(shí)。實(shí)際上，正是由于臺(tái)風(fēng)作用期間海灘泥沙向海搬運(yùn)才導(dǎo)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(shí)。

(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(guān)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(dòng)力因子之間具有高度的相關(guān)關(guān)系。由表2、表3可知所對(duì)應(yīng)的第2對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)b1～b7都呈負(fù)相關(guān)，與樁點(diǎn)b8呈正相關(guān)，指示了在近岸動(dòng)力因子作用下海灘前濱泥沙向海搬運(yùn)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(diǎn)b4、b5、b6關(guān)系密切(相關(guān)系數(shù)分別為-0.670 2、-0.960 5和-0.884 5)，尤其與樁點(diǎn)b5的相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.960 5，反映了近岸動(dòng)力因子對(duì)海灘岸坡底部的強(qiáng)烈沖刷(沖刷成凹槽)。

第2典型變量與近岸動(dòng)力因子最大波高y1、最大波周期y2、風(fēng)速東分量y3、海灘地下水位y5呈正相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)速北分量y4和碎波尺度參數(shù)y6呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，第2典型變量與海岸動(dòng)力因子組中的最大波周期(相關(guān)系數(shù)為0.743 1)和海灘地下水位(相關(guān)系數(shù)為0.565 0)這兩個(gè)因子關(guān)系密切。最大波周期與樁點(diǎn)b1～b7都呈負(fù)相關(guān)關(guān)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(shí)際情況是，在風(fēng)暴致風(fēng)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(fēng)暴浪作用于消散型海灘，但為何發(fā)生了海灘前濱的強(qiáng)烈侵蝕？這一“矛盾”的自然現(xiàn)象早已引起研究人員的關(guān)注，并促進(jìn)了近岸長重力波(波浪周期界于20～200 s)變化的研究。相關(guān)研究指出，入射波能在暴風(fēng)浪時(shí)，內(nèi)碎波帶內(nèi)的波能變化與正常海況相同，暴風(fēng)浪只是使入射波浪(周期小于20 s)的破波波高增大，破波點(diǎn)向海側(cè)轉(zhuǎn)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(dǎo)地位[27]。Short指出，在風(fēng)暴作用下，波能增加，并向長重力波頻轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)為岸線處的波浪增水與減水[1]。其中樁點(diǎn)b5變動(dòng)最為強(qiáng)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(duì)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(diǎn)b1～b7呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，海灘地下水位的變動(dòng)指示了潮汐對(duì)海灘前濱剖面地形的影響。潮汐水位波動(dòng)可拓展入射波對(duì)海灘前濱地形(b1～b7)的影響，尤其是臺(tái)風(fēng)作用下會(huì)導(dǎo)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(nèi)抬升的地下水位中滲出的水量將加強(qiáng)后退流對(duì)前濱地形的沖刷強(qiáng)度，尤其在樁點(diǎn)b5處，使泥沙向海搬運(yùn)。

(3)第3典型變量占總方差的12.27%，U3與V3的典型相關(guān)系數(shù)r3為0.474 7，相關(guān)關(guān)系較顯著。由表2、表3可知所對(duì)應(yīng)的第3對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)b1、b2、b3呈正相關(guān)，與樁點(diǎn)b4～b8呈負(fù)相關(guān)，指示了在近岸動(dòng)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(diǎn)b2、b7關(guān)系密切，但與樁點(diǎn)b2呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.652 3；而與樁點(diǎn)b7呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.612 6。

第3典型變量與近岸動(dòng)力因子最大波高y1、最大波周期y2、風(fēng)速北分量y4呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)速東分量y3、海灘地下水位y5、碎波尺度參數(shù)y6呈正相關(guān)關(guān)系。其中，第3典型變量與風(fēng)速北向量、海灘地下水位和最大波高關(guān)系等動(dòng)力因子關(guān)系密切。第3典型變量與風(fēng)速北向量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.691 2。風(fēng)速北向量指示了近岸泥沙的沿岸流搬運(yùn)，這一動(dòng)力因子與海灘前濱上部區(qū)域(b1～b3)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與海灘前濱下部區(qū)域(b4～b8)呈正相關(guān)關(guān)系，反映了在沿岸流加強(qiáng)情況下(如圖5風(fēng)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(nèi)與岸線平行的水體流動(dòng)，流速可達(dá)到1.5 m/s而使泥沙輸運(yùn)，它們與海灘長期侵蝕和海港、潮汐通道變淺有關(guān)[30]。沿岸流不僅取決于入射波，也取決于風(fēng)和潮汐。有關(guān)研究指出，在強(qiáng)風(fēng)沿岸吹刮的情況下，風(fēng)對(duì)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(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.523 3，這一動(dòng)力因子與海灘前濱上部區(qū)域(b1～b3)呈正相關(guān)關(guān)系，與海灘前濱下部區(qū)域(b4～b8)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，體現(xiàn)了漲潮過程對(duì)海灘前濱地形的影響。漲潮時(shí)，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(nèi)部使得上沖流作用強(qiáng)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(guān)系較緊密，相關(guān)系數(shù)為-0.500 6，這一動(dòng)力因子與海灘前濱上部區(qū)域(b1～b3)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與海灘前濱下部區(qū)域(b4～b8)呈正相關(guān)關(guān)系，反映了臺(tái)風(fēng)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(jìn)一步佐證了海灘地形動(dòng)力過程是一個(gè)復(fù)雜的非線性耦合機(jī)制。

(4)第4典型變量占總方差的9.00%，U4與V4的典型相關(guān)系數(shù)r4為0.406 5，相關(guān)關(guān)系較顯著。由表2、表3可知所對(duì)應(yīng)的第4對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)的相關(guān)系數(shù)都不大，最大相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值僅為0.32，與樁點(diǎn)b1、b4、b7呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與樁點(diǎn)b2、b3、b5、b6、b8呈正相關(guān)關(guān)系。而第4典型變量與風(fēng)速北分量呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值大于0.6，盡管統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)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(qiáng)如何導(dǎo)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(dòng)力過程的角度難以給出較明確的解釋。

5 結(jié)論

本文基于0709號(hào)臺(tái)風(fēng)“圣帕”影響下粵東后江灣的現(xiàn)場實(shí)測海灘前濱地形資料和水動(dòng)力、風(fēng)等因子資料，采用典型相關(guān)分析海灘前濱剖面不同部位與近岸動(dòng)力因子之間的關(guān)系，識(shí)別出臺(tái)風(fēng)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(jié)論：

(1)臺(tái)風(fēng)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(yùn)；控制這一地形變化過程的主要?jiǎng)恿σ蜃邮秋L(fēng)速東向量、最大波高和碎波尺度參數(shù)。實(shí)測臺(tái)風(fēng)影響下風(fēng)速東向量方向?yàn)橄虬?，?shí)為表面向岸流，底部為離岸流。臺(tái)風(fēng)影響下近岸增水，波高增高，波能增加，加強(qiáng)了向岸流，波浪越頂作用于海灘前濱水上地帶，破波點(diǎn)向海移動(dòng)，崩破波擾動(dòng)水下岸坡海側(cè)地帶泥沙，在底部離岸流的作用下，使這兩個(gè)地帶發(fā)生侵蝕。海灘碎波尺度參數(shù)則是上述兩個(gè)動(dòng)力因子作用的結(jié)果，而導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)影響下海灘更加消散。

(2)臺(tái)風(fēng)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(yùn)而形成水下沙壩?？刂七@一地形變化過程的主要?jiǎng)恿σ蜃邮亲畲蟛ㄖ芷诤秃┑叵滤?，增加的波浪周期?shí)際上是長重力波對(duì)這一過程的直接控制；臺(tái)風(fēng)影響下，岸線波浪增水抬升地下水位，落潮階段加強(qiáng)的后退流也加強(qiáng)了這一過程。

(3)臺(tái)風(fēng)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。控制這一地形變化過程的主要?jiǎng)恿σ蜃邮茄匕读?、海灘地下水位和最大波高。沿岸流?duì)這一過程主要是通過沿岸流所致泥沙的沿岸輸運(yùn)；海灘地下水位主要是通過漲潮時(shí)的上沖流對(duì)這一過程進(jìn)行控制。最大波高又一次對(duì)這一過程進(jìn)行作用，佐證了海灘地形動(dòng)力過程是一個(gè)復(fù)雜的非線性耦合機(jī)制。

(4)上述3條結(jié)論進(jìn)一步揭示了臺(tái)風(fēng)影響下海灘前濱地形動(dòng)力過程是由多個(gè)不同的地形—?jiǎng)恿^程耦合作用而組成。同時(shí)，也表明CCA法是理解海岸地形動(dòng)力過程較好的研究方法。

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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(xué)基金資助項(xiàng)目(41301005)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M552118)。

于吉濤(1981—)，男，山東省威海市人，博士，講師，研究方向?yàn)樽匀坏乩韺W(xué)。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(yīng)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(hào)臺(tái)風(fēng)影響下粵東后江灣海灘地形動(dòng)力過程研究[J]. 海洋學(xué)報(bào)，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