王建威,李一平,2,羅瀲蔥,戴淑君

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;3.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 210008)

在地勢(shì)平坦地區(qū),重力流的影響微乎其微,風(fēng)是影響流場(chǎng)特征的主要因素[1]。風(fēng)生流能夠影響湖泊底泥的輸移運(yùn)動(dòng),特別是淺水湖泊由于單位體積的水體所占有的湖床面積更大,影響效果更為顯著,而底泥引起的內(nèi)源動(dòng)態(tài)釋放嚴(yán)重影響了湖泊的水質(zhì)[2],因此風(fēng)生流的研究具有重要的科學(xué)意義。風(fēng)生流包括平面環(huán)流和垂向環(huán)流。對(duì)于平面環(huán)流,眾多學(xué)者借助數(shù)值模擬或者野外觀測(cè)進(jìn)行了研究,現(xiàn)有成果已較為成熟,如逄勇等[3]用三維模式模擬了不同定常風(fēng)作用下的太湖風(fēng)生流;周媛媛等[4]對(duì)不同季節(jié)盛行風(fēng)場(chǎng)下各湖區(qū)湖流形態(tài)及季節(jié)與太湖水動(dòng)力特征關(guān)系進(jìn)行了模擬研究;Pickett等[5-6]根據(jù)100個(gè)系泊浮筒長(zhǎng)期測(cè)量的結(jié)果,分別給出了北美五大湖(Lakes Superior、Michigan、Huron、Erie、Ontario)冬季、夏季和全年的平均環(huán)流。對(duì)于垂向環(huán)流,由于湖泊水淺的特點(diǎn),即使在夏季也無(wú)明顯的溫度分層現(xiàn)象,因而風(fēng)應(yīng)力是主導(dǎo)因素。在風(fēng)應(yīng)力作用下,各層穩(wěn)定狀態(tài)的流場(chǎng)之間存在著切變,形成特定的環(huán)流結(jié)構(gòu)[7];李一平等[8-9]曾在梅梁灣定點(diǎn)觀測(cè)了三維湖流剖面特征,觀察到了切變現(xiàn)象;Ko等[10]模擬結(jié)果表明動(dòng)水壓力組成對(duì)垂向流速剖面有一定的影響;胡維平等[11-12]通過σ坐標(biāo)下三維數(shù)值模型探討了風(fēng)應(yīng)力、水面傾斜壓強(qiáng)梯度力、湖底摩擦力三者對(duì)湖流垂直結(jié)構(gòu)的影響,初步揭示了太湖湖流垂直結(jié)構(gòu)形成的機(jī)理。總的來(lái)講,國(guó)外對(duì)于垂向環(huán)流的研究主要集中在深水湖泊或海洋中,淺水湖泊涉及較少;國(guó)內(nèi)雖然已觀察到流場(chǎng)上下層反向現(xiàn)象,對(duì)太湖湖流垂直結(jié)構(gòu)形成機(jī)理有過初步探討,但半數(shù)以上都是采用建立數(shù)學(xué)模型的手段來(lái)模擬,而利用野外原位觀測(cè)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)生流垂向切變特點(diǎn)的深入研究仍相對(duì)缺乏。

鑒于上述原因,本研究在太湖選取典型湖區(qū),搭建野外觀測(cè)平臺(tái),對(duì)大氣-水體界面風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)進(jìn)行多頻次的連續(xù)觀測(cè),獲取相應(yīng)的高時(shí)空序列參數(shù),對(duì)流場(chǎng)在不同條件下的切變率以及流場(chǎng)垂向剖面分布特征進(jìn)行研究,以期揭示大型淺水湖泊風(fēng)生流垂向切變規(guī)律,為今后污染物的輸移、富營(yíng)養(yǎng)化的深入研究提供必要的基礎(chǔ)。

1 觀測(cè)儀器與方法

1.1 區(qū)域概況

太湖位于長(zhǎng)江三角洲南緣,是我國(guó)第三大淡水湖。太湖水域面積2 338 km2,南北長(zhǎng)68.5 km,東西寬34 km,多年平均水深1.89 m。太湖的風(fēng)速變化范圍0～10 m/s,春夏季節(jié)平均風(fēng)速4.3 m/s,秋冬季節(jié)平均風(fēng)速0.9 m/s[13]。梅梁灣系太湖北部一半封閉的湖灣,南北長(zhǎng)約14 km,東西寬約7 km,水面面積約129 km2,平均水深2.1 m,是無(wú)錫市主要旅游區(qū)及水源地。由于受入湖河道及沿岸污染源的影響,水質(zhì)嚴(yán)重惡化,藍(lán)藻水華連年發(fā)生，每年5—10月間持續(xù)不斷,夏秋季節(jié)整個(gè)灣內(nèi)滋生大量藍(lán)藻水華。

于2014年5月20—29日在梅梁灣與湖心區(qū)交界處拖山附近(31°23′34.29″N,120°9′24.86″E)搭建的平臺(tái)上進(jìn)行了定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖1)北部為梅梁灣湖灣區(qū),南部為開闊湖區(qū)。觀測(cè)期間太湖處于高水位,監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的平均水深為2.8 m。

圖1 太湖梅梁灣野外監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

1.2 觀測(cè)方案及儀器配置

風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)由固定于風(fēng)浪觀測(cè)支架上的PH-II Handheld手持式氣象站和PHWD風(fēng)向傳感器獲取,觀測(cè)頻率為10 min 1次,距離水面5 m。將利用聲學(xué)多普勒剖面流速儀ADP Argonaut-XR(工作頻率為1500 kHz)固定于自制的平板框架上(探頭向上)來(lái)獲取剖面三維流速。ADP盲區(qū)50 cm,框架加上ADP自身長(zhǎng)度30 cm,即第一層監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離湖底80 cm,水體由上至下分為4層:表層(距離泥床230 cm)、中層(距離泥床180 cm)、中下層(距離泥床130 cm)、近底層(距離泥床80 cm)。ADP監(jiān)測(cè)頻率為10 min 1次。 將單點(diǎn)聲學(xué)高頻流速儀ADV Ocean(工作頻率為5 MHz)固定于距水-土界面7 cm處,獲取單點(diǎn)三維流速序列,監(jiān)測(cè)頻率為10 Hz。

1.3 數(shù)據(jù)處理

a. 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理。由于部分觀測(cè)時(shí)段風(fēng)向數(shù)據(jù)的缺失,與中國(guó)科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站(31°25′15.60″N,120°12′55.20″E)海平面以上10 m的自動(dòng)風(fēng)速風(fēng)向記錄儀測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)校正,其監(jiān)測(cè)頻率為10 min 1個(gè)數(shù)據(jù),最終采用的風(fēng)速范圍為0.1～10.8 m/s。由于風(fēng)速分布較廣,故將所有風(fēng)速值分為10個(gè)風(fēng)速區(qū)間(0～1 m/s、1～2 m/s、2～3 m/s、3～4 m/s、4～5 m/s、5～6 m/s、6～7 m/s、7～8 m/s、8～9 m/s,>9 m/s,區(qū)間風(fēng)速均為大于下限風(fēng)速、小于或等于上限風(fēng)速),統(tǒng)計(jì)風(fēng)速和風(fēng)向的頻率分布。

b. 三維瞬時(shí)流速的處理。將ADP與ADV Ocean獲取的流場(chǎng)流向分為16個(gè)方向,并與風(fēng)向進(jìn)行比較,差值大于90°時(shí),流場(chǎng)即攜帶了與風(fēng)場(chǎng)反向的分量,此時(shí)可認(rèn)為流場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)存在反向的情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)場(chǎng)分布特征

基于頻率統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(圖2)可知,監(jiān)測(cè)期間風(fēng)速呈單峰狀分布,然后向左右兩側(cè)遞減。最大分布頻率21.5%和次最大分布頻率19.8%分別屬于3～4 m/s和2～3 m/s風(fēng)速區(qū)間,而2～5 m/s 范圍內(nèi)的風(fēng)速大小占據(jù)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的57%以上。本次監(jiān)測(cè)期間除了東北風(fēng),其他各方向的風(fēng)場(chǎng)都觀測(cè)到了,由圖3可以看出監(jiān)測(cè)期間內(nèi)以東南風(fēng)、東南東風(fēng)、東風(fēng)為主,出現(xiàn)頻率依次遞減，分別為16.4%、14.8%和12.1%,其他風(fēng)向風(fēng)場(chǎng)所占的比例均在10%以下,這可能與觀測(cè)期間受強(qiáng)風(fēng)影響有關(guān)。已有資料[14]表明,太湖4—8月以ESE風(fēng)向?yàn)樽疃?次多風(fēng)向?yàn)镾E,本次監(jiān)測(cè)SE風(fēng)向最多,ESE風(fēng)向次多,區(qū)別是文獻(xiàn)[14]是數(shù)月的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,本文是數(shù)天的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)期間風(fēng)速及對(duì)應(yīng)風(fēng)向的頻率分布,最常見的風(fēng)速風(fēng)向組合依次為風(fēng)速3～4 m/s與風(fēng)向ESE、風(fēng)速2～3 m/s與風(fēng)向E、風(fēng)速4～5 m/s與風(fēng)向ESE。

圖3 觀測(cè)期間風(fēng)向的頻率分布

2.2 不同風(fēng)場(chǎng)條件下各層流場(chǎng)反向率的確定

2.2.1 不同風(fēng)向下各層流場(chǎng)反向率的確定

針對(duì)觀測(cè)期間出現(xiàn)的15種風(fēng)向,對(duì)各層流場(chǎng)在不同風(fēng)向下的反向情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見表1?？梢园l(fā)現(xiàn),在ENE風(fēng)場(chǎng)作用下,流場(chǎng)的反向率為0或者100%,這主要是因?yàn)镋NE風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)的頻率低、次數(shù)少、持續(xù)時(shí)間短,使流場(chǎng)的反向情況帶有很強(qiáng)的偶然性,故以下的討論均排除ENE風(fēng)場(chǎng)。在ESE、SE、E風(fēng)場(chǎng)作用下,流場(chǎng)的反向率普遍大于其他各風(fēng)向影響下同深度流場(chǎng)的反向率。此外在各風(fēng)向影響下,表層流場(chǎng)的反向率遠(yuǎn)小于中層流場(chǎng)的反向率,可以推測(cè)這是由于表層流場(chǎng)直接受到風(fēng)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng),使得表層流場(chǎng)更易于與風(fēng)場(chǎng)同向。從中層到近底層,反向率不變,或者僅在小范圍內(nèi)變動(dòng),其變化幅度遠(yuǎn)小于從表層到中層流場(chǎng)反向率的變幅。從近底層到底層,在N、NNE、W、NW、NWN等風(fēng)場(chǎng)的作用下,流場(chǎng)的反向率顯著下降,而在ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW等風(fēng)場(chǎng)的作用下,流場(chǎng)的反向率大幅上升。前者風(fēng)向的出現(xiàn)頻率均小于5%,相應(yīng)風(fēng)場(chǎng)影響下的底部流場(chǎng)的反向率均小于50%;后者風(fēng)向的出現(xiàn)頻率均大于5%,相應(yīng)風(fēng)場(chǎng)影響下的底部流場(chǎng)的反向率均大于50%,可以推測(cè)這是由于風(fēng)能量在水中往下擴(kuò)散的過程中,出現(xiàn)頻率較低的風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向不穩(wěn)定,使得底層流場(chǎng)無(wú)法受到風(fēng)場(chǎng)的持續(xù)作用,因?yàn)橥ǔＧ闆r下某個(gè)風(fēng)向在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)出現(xiàn)頻率越小,該風(fēng)向短時(shí)間內(nèi)能夠持續(xù)出現(xiàn)的可能性越小。

表1 在不同風(fēng)向影響下流場(chǎng)反向率分布

龔春生等[15]通過二維有限元數(shù)學(xué)模型,研究了玄武湖在4 m/s 風(fēng)速6種風(fēng)向下穩(wěn)定風(fēng)生湖流特征,結(jié)果顯示流場(chǎng)對(duì)不同風(fēng)向的響應(yīng)不同;Razmi等[16]通過設(shè)置多種風(fēng)向、相同風(fēng)速的定常風(fēng)研究了大型湖泊中開敞式湖灣湖流結(jié)構(gòu)對(duì)不同風(fēng)場(chǎng)的響應(yīng),結(jié)果表明風(fēng)向發(fā)生小角度改變,湖流結(jié)構(gòu)即發(fā)生明顯變化。已有的研究主要是基于數(shù)值模擬,僅設(shè)定了幾個(gè)有限的同風(fēng)速不同風(fēng)向的背景值,雖然能夠得到不同風(fēng)向?qū)Ψ€(wěn)定風(fēng)生流流態(tài)影響不同的結(jié)論,但高頻實(shí)測(cè)風(fēng)向數(shù)據(jù)的缺失,使已有研究缺乏對(duì)某一特定風(fēng)向下穩(wěn)定流場(chǎng)出現(xiàn)頻率的研究成果。此外從表1可以看出,風(fēng)向(WSW)出現(xiàn)頻率小對(duì)應(yīng)的底層流場(chǎng)反向率大與風(fēng)向(E)出現(xiàn)頻率大對(duì)應(yīng)的底層流場(chǎng)反向率小這兩種情況也是存在的,前者可能是短期內(nèi)偶然持續(xù)出現(xiàn)的風(fēng)場(chǎng),后者可能是長(zhǎng)周期內(nèi)多次分散出現(xiàn)的風(fēng)場(chǎng)?？梢娭鲗?dǎo)風(fēng)向下流場(chǎng)的反向現(xiàn)象最明顯,即風(fēng)向的出現(xiàn)頻率越大,流場(chǎng)發(fā)生切變的概率越大。

2.2.2 同向風(fēng)場(chǎng)不同持續(xù)時(shí)間內(nèi)各層流場(chǎng)反向率的確定

流場(chǎng)的轉(zhuǎn)向與當(dāng)時(shí)整個(gè)太湖風(fēng)生流的穩(wěn)定性有關(guān),也就是與風(fēng)向改變前一刻的風(fēng)向持續(xù)時(shí)間有關(guān)。受限于風(fēng)情(風(fēng)向和風(fēng)力)的發(fā)生頻率和持續(xù)時(shí)間等不可控因素,本次觀測(cè)期間并沒有出現(xiàn)同一風(fēng)場(chǎng)在不同時(shí)間段內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)的理想情況,已觀測(cè)到的為持續(xù)1～2 h的S和E風(fēng)場(chǎng)、2～3 h的WSW風(fēng)場(chǎng)、3～4 h的NWN風(fēng)場(chǎng)、4～5 h的S風(fēng)場(chǎng)、5～6 h的WSW風(fēng)場(chǎng)、7～8 h的SW風(fēng)場(chǎng)、10～11 h的ESE風(fēng)場(chǎng)。不同風(fēng)向的風(fēng)場(chǎng)在經(jīng)歷不同持續(xù)時(shí)間之后的變幅不同,對(duì)流場(chǎng)的影響不同,為了便于比較,計(jì)算了流向變幅與風(fēng)向變幅的比值,比值越接近于0,風(fēng)場(chǎng)的改變對(duì)流向的影響越小。由表2可知,經(jīng)歷相同持續(xù)時(shí)間(1～2 h)的不同風(fēng)場(chǎng)(S和E)后,當(dāng)風(fēng)向發(fā)生改變時(shí),不同深度流場(chǎng)的變化程度不同,可能是風(fēng)向的不同導(dǎo)致風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度不同,傳播的能量不同。在同向風(fēng)WSW持續(xù)作用不同的時(shí)間(2～3 h、5～6 h)后,風(fēng)向的改變對(duì)流場(chǎng)的影響后者明顯小于前者,這主要是同向風(fēng)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間的作用使流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)情況趨于穩(wěn)定,流場(chǎng)相對(duì)于風(fēng)場(chǎng)的變化發(fā)生滯后效應(yīng)。在經(jīng)歷10～11 h的ESE風(fēng)場(chǎng)持續(xù)作用后,風(fēng)向發(fā)生改變時(shí)各層流場(chǎng)變化并不劇烈,這也是流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定而對(duì)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生的滯后效應(yīng)。

表2 不同持續(xù)時(shí)間風(fēng)向改變時(shí)流向與風(fēng)向的變幅比

對(duì)2014年5月28日 22:20至29日9:40、ESE單向風(fēng)場(chǎng)持續(xù)作用10～11 h內(nèi)各層流場(chǎng)的反向情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表3所示。由表3可知,表層流場(chǎng)在ESE風(fēng)場(chǎng)持續(xù)作用的10 h內(nèi),始終沒有出現(xiàn)明顯的反向現(xiàn)象。當(dāng)持續(xù)時(shí)間小于3 h時(shí),從中層到底層流場(chǎng)既出現(xiàn)了流場(chǎng)反向率隨時(shí)間增大的情況,也有反向率隨時(shí)間減小的情況,說明這段時(shí)間內(nèi)各層流場(chǎng)流向較為紊亂;當(dāng)持續(xù)時(shí)間大于3 h后,各層流場(chǎng)反向率的增幅都超過了10%,流場(chǎng)的反向經(jīng)歷了一個(gè)突變的過程;當(dāng)續(xù)時(shí)間為4～10 h時(shí),中層到底層流場(chǎng)的反向率都隨時(shí)間不斷增加,相鄰時(shí)段內(nèi)增幅不等,但都不大于10%,流場(chǎng)的反向經(jīng)歷一個(gè)平緩增長(zhǎng)的過程;當(dāng)風(fēng)場(chǎng)的持續(xù)時(shí)間大于10 h后,中層、中下層、近底層流場(chǎng)的反向情況趨于穩(wěn)定,而底層流場(chǎng)的反向率仍在增大。馬巍等[17]在研究滇池水動(dòng)力特性時(shí)認(rèn)為持續(xù)的同向風(fēng)場(chǎng)作用下,刮風(fēng)時(shí)間至少是湖水表面擺動(dòng)期的1/4,風(fēng)生湖流形態(tài)才會(huì)達(dá)到穩(wěn)定,若繼續(xù)不斷刮風(fēng),便會(huì)形成補(bǔ)償流; 逄勇等[18]利用水動(dòng)力學(xué)方程對(duì)太湖表面的定振波進(jìn)行計(jì)算得到定振波周期約為7.5 h,結(jié)合本文研究可以發(fā)現(xiàn)與滇池不同的是太湖湖流達(dá)到穩(wěn)定至少需要一個(gè)湖水表面擺動(dòng)期,不同深度的流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間不一樣,表層流場(chǎng)一直處于與風(fēng)場(chǎng)同向的狀態(tài),中層、中下層、近底層流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間為10 h,而底層流場(chǎng)至少需要11 h才能穩(wěn)定。

表3 在同向持續(xù)風(fēng)場(chǎng)影響下流場(chǎng)反向率分布

2.2.3 風(fēng)向風(fēng)速綜合影響下各層流場(chǎng)反向率的確定

結(jié)合表1并考慮觀測(cè)期間風(fēng)速及對(duì)應(yīng)風(fēng)向的頻率分布,可計(jì)算出不同風(fēng)速影響下流場(chǎng)反向率如表4所示。從風(fēng)速上看使各層流場(chǎng)反向率達(dá)到最大的風(fēng)速區(qū)間是3～4 m/s,其次為2～3 m/s與4～5 m/s,即在2～5 m/s這一風(fēng)速區(qū)間影響下流場(chǎng)的反向率遠(yuǎn)大于其他各風(fēng)速區(qū)間影響下同深度流場(chǎng)的反向率。需特別指出的是若把風(fēng)向考慮進(jìn)來(lái),只有當(dāng)風(fēng)速在2～5 m/s范圍內(nèi),同時(shí)風(fēng)向?yàn)镾E、ESE、E時(shí)才能滿足各層流場(chǎng)反向率同時(shí)達(dá)到最大的要求。從垂向上看流場(chǎng)總反向率隨水深變化呈現(xiàn)近似的正相關(guān)趨勢(shì),由表層的20.04%增加到底層的62.19%,增大了約2倍。

表4 在不同風(fēng)速影響下結(jié)合風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)頻率的流場(chǎng)反向率分布 %

圖4 風(fēng)場(chǎng)與三維流速剖面的關(guān)系

基于2.2.1小節(jié)及本節(jié)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,風(fēng)向和風(fēng)速的出現(xiàn)頻率是影響太湖梅梁灣地區(qū)流場(chǎng)切變大小的兩個(gè)關(guān)鍵因子?？赏ㄟ^直接比較主導(dǎo)風(fēng)向ESE、SE、E與主要風(fēng)速2～5 m/s對(duì)流場(chǎng)反向的貢獻(xiàn)率來(lái)確定最主要的影響因子。由表5可知,主導(dǎo)風(fēng)向與主要風(fēng)速對(duì)流場(chǎng)切變的貢獻(xiàn)率并沒有隨著水深的變化出現(xiàn)較大的波動(dòng),基本穩(wěn)定在50%左右。只是在表層流場(chǎng)處,主要風(fēng)速對(duì)流場(chǎng)切變的貢獻(xiàn)略微占優(yōu),而底層流場(chǎng)處,主導(dǎo)風(fēng)向的貢獻(xiàn)略微占優(yōu),在其他深度兩者對(duì)流場(chǎng)切變的貢獻(xiàn)相當(dāng)。韓紅娟等[19]研究認(rèn)為水深存在顯著水平變化的湖區(qū),湖流結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)速的變化響應(yīng)較為敏感;而本文結(jié)果表明在水深變化不大的湖區(qū),湖流結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)速仍有響應(yīng),只是局限于表層流場(chǎng)。

表5 主導(dǎo)風(fēng)向與主要風(fēng)速對(duì)流場(chǎng)反向的貢獻(xiàn)率

風(fēng)場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)切變情況的影響可歸納如下:表層流場(chǎng),即水表面以下50 cm范圍內(nèi),主要風(fēng)速對(duì)流場(chǎng)切變的貢獻(xiàn)略大于主導(dǎo)風(fēng)向,流場(chǎng)僅小規(guī)模發(fā)生切變,切變率20%左右;中層、中下層、近底層的流場(chǎng),從水表以下50～200 cm,主導(dǎo)風(fēng)向?qū)α鲌?chǎng)切變的貢獻(xiàn)略微占優(yōu),流場(chǎng)發(fā)生中等規(guī)模切變,切變率50%左右;底層流場(chǎng),水-土界面以上7 cm 范圍內(nèi),主導(dǎo)風(fēng)向?qū)α鲌?chǎng)切變的貢獻(xiàn)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),流場(chǎng)的切變規(guī)模達(dá)到最大,切變率達(dá)到60%。

2.3 流場(chǎng)垂向剖面分布特征及拐點(diǎn)位置的確定

選取風(fēng)速在2～5 m/s范圍(風(fēng)速的主要分布區(qū)間)內(nèi),以NWN、NW為主和ESE為主(主導(dǎo)風(fēng)向之一)的兩個(gè)幾乎完全相反風(fēng)向的時(shí)間段來(lái)研究水體剖面流場(chǎng)分布。在圖4的兩個(gè)時(shí)段中,表層水體的流速明顯大于下面4層,這是由于太湖是盆狀地形(大面積小水深),流場(chǎng)主要驅(qū)動(dòng)力為風(fēng)力,表層水體直接受到風(fēng)場(chǎng)拖曳力作用獲得較大的能量,能量在往下層傳遞過程中發(fā)生衰減。在監(jiān)測(cè)期間,表層水體的流向與風(fēng)向基本一致。除了表層水體外,其余各層流場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不明顯,甚至出現(xiàn)完全反向的情況。比如在2014年5月25日21:00—24:00,可以看到流向在垂直方向上的切變,流向由表層的ES轉(zhuǎn)變?yōu)橹袑拥腤S;而在2014年5月29日3:00—6:00,流向由表層處的NWN轉(zhuǎn)變?yōu)橹袑拥腅,流向幾乎完全反向,因此可以推斷切變層深度,即流向的拐點(diǎn)出現(xiàn)在水下50～100 cm。在前文分析中,風(fēng)向風(fēng)速綜合影響下,表層流場(chǎng)的反向率僅為20%,而中層流場(chǎng)的反向率突增到50%,因此拐點(diǎn)的位置在反向率的差異上也有所體現(xiàn)。井愛芹等[20]利用MITgcm正壓模型模擬了洪澤湖在理想定常風(fēng)應(yīng)力作用下的湖水流動(dòng)情況,結(jié)果表明從水表面到水下60 cm,流向與風(fēng)向基本一致;在水下60～90 cm,流向變得不穩(wěn)定;在水下90～200 cm,屬于逆風(fēng)場(chǎng)方向的回流。由于分層高度及分層層數(shù)不一致,井愛芹等[20]的模擬成果與本文結(jié)果雖略有差別,但基本上是一致的,因此本文獲得的流場(chǎng)垂向分布及拐點(diǎn)位置在淺水湖泊中有一定的合理性與普適性。

3 結(jié) 論

a. 5月太湖梅梁灣在風(fēng)向ESE、ES、E,風(fēng)速2～5 m/s時(shí),同向風(fēng)場(chǎng)持續(xù)作用10～11 h,流場(chǎng)基本達(dá)到穩(wěn)定且反向率最大。

b. 不同深度流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間不一樣,同向風(fēng)場(chǎng)持續(xù)作用10 h,中層、中下層、近底層流場(chǎng)能夠達(dá)到穩(wěn)定,同向風(fēng)場(chǎng)至少持續(xù)作用11 h,底層流場(chǎng)能夠達(dá)到穩(wěn)定。

c. 在表層流場(chǎng),僅發(fā)生小規(guī)模切變,切變率為20%,主要風(fēng)速對(duì)流場(chǎng)切變的貢獻(xiàn)大于主導(dǎo)風(fēng)向。從中層到底層,流場(chǎng)發(fā)生中等規(guī)模切變,切變率至少達(dá)到了50%,主導(dǎo)風(fēng)向?qū)α鲌?chǎng)切變的貢獻(xiàn)占優(yōu)。

d. 從水深方向上來(lái)看,表層水體的流向與風(fēng)向基本一致,其余各層流場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不明顯,甚至出現(xiàn)完全反向的情況,流向改變的拐點(diǎn)出現(xiàn)在表層至中層,即水下50～100 cm。風(fēng)速、風(fēng)向的出現(xiàn)頻率,以及同向風(fēng)場(chǎng)的持續(xù)時(shí)間決定了流場(chǎng)反向率大小,流場(chǎng)反向率決定了拐點(diǎn)的位置。

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