張怡輝，胡維平

(中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

當(dāng)風(fēng)吹行于水體表面時(shí)，能經(jīng)過水氣相互作用的傳遞產(chǎn)生風(fēng)浪. 風(fēng)浪可導(dǎo)致湖泊堤壩工程護(hù)坡的損壞和淘刷，是影響湖泊防波堤安全、防洪以及水上安全作業(yè)的關(guān)鍵因素. 在淺水湖泊中，風(fēng)浪是表征湖泊水動力過程最為重要的因子. 國內(nèi)外研究結(jié)果顯示，淺水湖泊風(fēng)浪作用是沉積物再懸浮最重要的驅(qū)動因素[1-8]，湖泊底泥再懸浮是影響和控制內(nèi)源釋放的關(guān)鍵物理過程[9-15]，也是影響生長層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生物數(shù)量變化、光學(xué)的吸收衰減等化學(xué)、生物過程的重要因素[16-18]. 因此，風(fēng)浪研究對于湖泊防洪、建筑物設(shè)計(jì)、水上安全作業(yè)和湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究都具有重要意義.

湖泊風(fēng)浪研究與海洋風(fēng)浪研究類似，主要通過現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬手段. 早期，一些學(xué)者[19-23]根據(jù)實(shí)測資料，通過數(shù)據(jù)分析，得出了一些重要的結(jié)論. 但湖泊風(fēng)浪現(xiàn)場觀測研究主要是基于局部觀測點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)得出經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)而應(yīng)用到全湖的風(fēng)浪分布研究，這些結(jié)果為了解湖泊風(fēng)浪要素的分布及認(rèn)識風(fēng)浪譜提供了依據(jù)，但是僅由部分觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)得到的風(fēng)浪特征必定受區(qū)域邊界的影響，其結(jié)論是否適合整個(gè)湖泊水域還有待研究. 近年來隨著風(fēng)浪模型的成熟和完善，數(shù)值模擬方法逐漸成為研究風(fēng)浪發(fā)展和傳播的主要手段. 李一平等[24]在太湖實(shí)際風(fēng)浪觀測的基礎(chǔ)上，利用SWAN模型對太湖風(fēng)浪進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了太湖風(fēng)浪的主要影響因素. 陶蓉茵[25]利用SWAN模型開展了太湖風(fēng)浪模擬，分析了太湖風(fēng)浪譜的時(shí)空分布特征. 許遐禎等[26]以空間均勻的實(shí)際風(fēng)場為驅(qū)動，利用SWAN模式開展太湖風(fēng)浪場模擬，分析了太湖風(fēng)浪頻率分布特征以及不同區(qū)域風(fēng)浪譜對風(fēng)時(shí)、風(fēng)區(qū)、水深等因素的敏感性. 王震等[27]利用SWAN模型開展了太湖自然風(fēng)條件下不同湖區(qū)風(fēng)浪季節(jié)變化特征. Jin和Ji[28]進(jìn)行了SWAN模型在奧基喬比湖風(fēng)浪模擬中的可靠性驗(yàn)證，結(jié)果顯示模型可很好地再現(xiàn)湖泊中風(fēng)浪的變化趨勢與波動特征. Graf等[29]開展了SWAN模型在蘇黎世湖應(yīng)用研究，驗(yàn)證了突變風(fēng)況下SWAN模型計(jì)算波浪場的可靠性，分析了風(fēng)場的時(shí)間分辨率對該湖風(fēng)浪特征的影響. 這些研究表明數(shù)值模擬手段可以很好地揭示湖泊風(fēng)浪的影響因素和分布特征以及補(bǔ)充原位觀察在研究湖泊風(fēng)浪空間分布時(shí)的不足.

目前有關(guān)巢湖的風(fēng)浪觀測分析與數(shù)值模擬工作較為缺乏，不利于巢湖水環(huán)境的綜合整治、防洪和船泊航運(yùn)安全. 巢湖地處內(nèi)陸，較少受到臺風(fēng)的影響，而臺風(fēng)過程往往伴隨著強(qiáng)烈的大風(fēng)過程，一旦遭遇臺風(fēng)過境勢必引起強(qiáng)烈的風(fēng)浪過程. 本文基于巢湖實(shí)測風(fēng)浪資料，結(jié)合SWAN風(fēng)浪模型，對2018年8月第14號臺風(fēng)“摩羯”和第18號臺風(fēng)“溫比亞”過境巢湖時(shí)的風(fēng)浪變化情況進(jìn)行分析，探討巢湖不同區(qū)域巢湖風(fēng)浪的變化和分布特征，為我們正確認(rèn)識大風(fēng)情況下巢湖風(fēng)浪情況提供指導(dǎo).

圖1 巢湖地形及觀測站布置(橫坐標(biāo)代表東西寬度，縱坐標(biāo)代表南北寬度，顏色等值線代表水深等值線，黑色實(shí)心點(diǎn)代表監(jiān)測點(diǎn)位)Fig.1 The topography and observation stations in Lake Chaohu (Horizontal ordinates represent the width in east-west direction, the longitudinal coordinates represent the width in north-south direction, the color isolines represent the water depth isolines, and the black solid dots represent observation stations)

1 研究概況

1.1 研究區(qū)域

巢湖(31°25′28″～31°43′28″N,117°16′54″～117°51′46″E)地處安徽省中部，常水位8.50 m(吳淞高程，下同)時(shí)水面面積為769.60 km2，平均水深約為2.79 m，流域面積為1.35萬km2，是我國長江流域五大淡水湖之一. 巢湖東西長54.50 km，南北寬15.10 km，最大寬度約21.00 km，巢湖的地形如圖1所示. 巢湖流域地處西南季風(fēng)區(qū)，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，巢湖流域內(nèi)平均風(fēng)速4.1 m/s，盛行E、NE風(fēng)，頻率30.0%. 冬季多NE、NW風(fēng)，夏季多偏S風(fēng)；平均每年8級以上大風(fēng)日數(shù)18.8 d，歷史最大風(fēng)速為34.0 m/s(1958年8月10日).

1.2 臺風(fēng)過程

2018年8月8日14時(shí)，第14號臺風(fēng)“摩羯”生成，其中心位于19.4°N，133.5°E，強(qiáng)度等級為熱帶風(fēng)暴級，中心附近最大風(fēng)力達(dá)8級(18 m/s)，8月13日8:00進(jìn)入安徽境內(nèi)，于8月13日12:00-15:00從巢湖東北部掠過； 2018年8月15日14時(shí)，第18號臺風(fēng)“溫比亞”在東海東南部海面形成，強(qiáng)度等級為熱帶風(fēng)暴級，8月17日13:00進(jìn)入安徽境內(nèi)，并于8月17日16:00-21:00從巢湖南部掠過. 臺風(fēng)過程伴隨著較大的風(fēng)速，過境各處時(shí)往往在上百公里內(nèi)產(chǎn)生大于6級的風(fēng)，因此當(dāng)臺風(fēng)過境巢湖時(shí)勢必帶來大風(fēng)過程，故而會在巢湖引起強(qiáng)烈的風(fēng)浪過程，對巢湖生態(tài)系統(tǒng)、防洪以及船舶航行安全產(chǎn)生較大的影響.

2 臺風(fēng)期間氣象與風(fēng)浪測量

2.1 氣象監(jiān)測

為獲得風(fēng)浪觀測期間湖面風(fēng)場特征，分別在東湖心、中廟、西湖心3個(gè)站位布置了氣象站(圖1)，氣象站位于湖中間平臺上，可測定風(fēng)速、風(fēng)向、降雨、大氣輻射等參數(shù)，氣象站采用太陽能與蓄電池供電，可保證長期穩(wěn)定工作. 其中風(fēng)速傳感器分辨率為0.1 m/s，測量范圍為0～60 m/s；風(fēng)向傳感器分辨率為1°，測量范圍為0°～359°.

通過觀測獲得了2018年8月份的巢湖湖面風(fēng)速與風(fēng)向情況，表1為3個(gè)測站風(fēng)速統(tǒng)計(jì)特征，圖2為巢湖湖面2018年8月東湖心、中廟、西湖心3個(gè)測站處風(fēng)速風(fēng)向變化情況. 可以看出，3個(gè)測站處湖面風(fēng)速大小與方向變化趨勢相似，在風(fēng)速大小與風(fēng)向轉(zhuǎn)變時(shí)刻會略有差異. 在臺風(fēng)“摩羯”(8月13日)和“溫比亞”(8月17日)過境時(shí)，出現(xiàn)了較大的風(fēng)速過程，其中臺風(fēng)“摩羯”8月13日9:00在東湖心引起了12.7 m/s的大風(fēng)，且較大風(fēng)速過程主要為東北向大風(fēng)；在中廟與西湖心引起的最大風(fēng)速分別為12.7和11.3 m/s，明顯大于8月份巢湖各測站平均風(fēng)速(表1)，最大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)刻分別為8月13日12:40和12:50，較東湖心最大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間明顯滯后，而且較大風(fēng)速過程的風(fēng)向介于北偏東和北偏西間；由圖2可以看出，臺風(fēng)“摩羯”過境時(shí)，由于巢湖一直處于臺風(fēng)“摩羯”左側(cè)，因此風(fēng)向逐漸由東北向逆時(shí)針轉(zhuǎn)為南向. 臺風(fēng)“溫比亞”的影響更為顯著，3個(gè)測站8月份最大風(fēng)速都出現(xiàn)在“溫比亞”過境時(shí)，其中8月17日16:30在東湖心產(chǎn)生了24.7 m/s的北風(fēng)，中廟與西湖心測站最大風(fēng)速分別為19.7和18.6 m/s，風(fēng)向分別為東南和北偏西；由圖2可以看出，臺風(fēng)“溫比亞”過境前，風(fēng)向主要為西北風(fēng)，過境后主要呈東南風(fēng)，且這種風(fēng)向突變時(shí)刻東湖心最早，其次為中廟，最后為西湖心，這是因?yàn)檫^境前巢湖位于臺風(fēng)“溫比亞”左側(cè)，隨著向巢湖南側(cè)移動，巢湖逐漸處于了臺風(fēng)“溫比亞”右側(cè). 8月份巢湖平均風(fēng)速看，東湖心測站最大為4.8 m/s，其次為中廟站的4.6 m/s，西湖心最小為4.4 m/s.

表1 2018年8月巢湖3個(gè)觀測站的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)特征

圖2 2018年8月巢湖3個(gè)觀測站風(fēng)矢量的變化Fig.2 The changes of wind vector at three observation stations in Lake Chaohu during August of 2018

2.2 風(fēng)浪監(jiān)測

風(fēng)浪觀測儀器采用WaveStar 雷達(dá)測波儀，該儀器是一款高精度、非接觸式風(fēng)浪測量儀器，采用FMCW雷達(dá)測距原理，可以進(jìn)行全天候測量. 其測量原理為：傳感器發(fā)射微波脈沖后在空氣中傳播，被水面反射的信號又被傳感器接收，通過精確計(jì)算傳播時(shí)間和數(shù)字信號處理技術(shù)，精確計(jì)算出傳感器距離反射面的距離，由此獲得湖面波動數(shù)據(jù). 波面數(shù)據(jù)通過儀器自身軟件處理后可以獲得觀測點(diǎn)不同統(tǒng)計(jì)特征的波高(如有效波高、最大波高、平均波高等)和周期(如平均波周期、最大波周期). 儀器安裝在西湖心的固定平臺上，如圖1所示，其位置為31°39′9.73″N，117°22′21.17″E，儀器距離水面5.5 m，風(fēng)浪觀測時(shí)間為2018年8月9日12:00-8月31日23:30，時(shí)間間隔為30 min，采樣頻率為4 Hz，每次采集波面數(shù)為2048(約為8.53 min波面過程).

觀測期間，由于連續(xù)陰雨天氣導(dǎo)致太陽能供電中斷會出現(xiàn)缺測值，同時(shí)剔除異常數(shù)值，共取得有效數(shù)據(jù)755條，圖3a為波高(有效波高、平均波高、最大波高)隨時(shí)間變化情況，圖3b為周期(譜峰波周期、平均波周期、最大波周期)隨時(shí)間變化情況，表 2為風(fēng)浪要素統(tǒng)計(jì)情況. 可以看出，在臺風(fēng)“摩羯”和“溫比亞”過境巢湖流域時(shí)，分別出現(xiàn)兩次較大的風(fēng)浪過程，兩次臺風(fēng)過程間隙風(fēng)浪強(qiáng)度較小. 其中臺風(fēng)“摩羯”過境時(shí)可在西湖心監(jiān)測站處產(chǎn)生最大0.29 m的平均波高、0.49 m的有效波高和0.80 m的最大波高，平均波周期、譜峰波周期和最大波周期的最大值可分別達(dá)1.59、3.25和2.67 s，較8月份平均值(表 2)明顯偏大；而“溫比亞”過境時(shí)風(fēng)浪強(qiáng)度更為顯著，可在西湖心監(jiān)測站處產(chǎn)生最大0.66 m的平均波高、1.05 m的有效波高和1.53 m的最大波高，平均波周期、譜峰波周期和最大波周期的最大值可分別達(dá)2.68、4.57和5.88 s，為巢湖8月份監(jiān)測到的最大風(fēng)浪強(qiáng)度(表 2)，進(jìn)一步表明8月份巢湖最大風(fēng)浪出現(xiàn)在臺風(fēng)“溫比亞”過境時(shí). 風(fēng)浪要素最大值出現(xiàn)在臺風(fēng)“溫比亞”過境巢湖流域時(shí)，發(fā)生時(shí)間較最大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間滯后約5 h(表1). 監(jiān)測期間，西湖心有效波高平均值為0.28 m，平均波周期平均值為1.38 s，實(shí)測值為我們認(rèn)識巢湖風(fēng)浪強(qiáng)度提供了基礎(chǔ).

圖3 實(shí)測浪高(a)和實(shí)測周期(b)(測量時(shí)間：2018年8月9日12:30-8月31日23:30)Fig.3 The observation wave height (a) and wave period (b)(Observation time: August 9th, 12:30-August 31st, 23:30, 2018)

表2 2018年8月巢湖觀測站風(fēng)浪要素統(tǒng)計(jì)值

3 風(fēng)浪模型

3.1 模型介紹

SWAN風(fēng)浪模式(Simulating Waves Nearshore)是適用于海岸和內(nèi)陸水體的第3代風(fēng)浪模型，由荷蘭Delft大學(xué)土木工程系的Booij等[30]開發(fā)并由SWAN團(tuán)隊(duì)發(fā)展和完善. 除了包含其他3代風(fēng)浪模式(如WAVEWATCH[31]、WAM[32])中的風(fēng)生成項(xiàng)、白浪耗散項(xiàng)、四波相互以及底部耗散項(xiàng)外，還增加了三波相互作用和淺水區(qū)域水深變淺引起的風(fēng)浪破碎耗散影響.

由于流存在時(shí)，波譜能量密度不守恒，而波作用量譜守恒，因此SWAN風(fēng)浪模式跟其他3代風(fēng)浪模式相似，采用波作用量密度譜對風(fēng)浪進(jìn)行描述. 波譜作用量密度譜的變化率可以用作用量平衡方程來表示：

(1)

對于源項(xiàng)，通常包含以下幾項(xiàng)：

Stot=Sin+Snl3+Snl4+Sds,w+Sds,b+Sds,br

(1)

式中，Sin為風(fēng)能輸入項(xiàng)，Snl3為三波相互作用，Snl4為四波相互作用，Sds,w為白浪耗散項(xiàng)，Sds,b為由于底部摩阻引起的耗散，Sds,br為水深變淺引起的破碎導(dǎo)致的耗散項(xiàng). 風(fēng)能向風(fēng)浪的轉(zhuǎn)換可以利用共振[33]和反饋[34]機(jī)制來闡述. 其中共振機(jī)制主要作用在風(fēng)浪生成的初始階段，隨時(shí)間線性增長；而反饋機(jī)制主要反映著波能隨時(shí)間呈指數(shù)增長. 其他諸如白浪耗散、四波相互、三波相互、水深變淺破碎及底摩阻耗散等源項(xiàng)的計(jì)算可參考SWAN技術(shù)手冊[35]，這里不再贅述.

3.2 模型配置

此處建立東西54.4 km、南北長34 km的巢湖模擬區(qū)域，采用二維非恒定模型. 模型的空間分辨率為400 m×400 m，計(jì)算時(shí)間步長取5 min，計(jì)算時(shí)間范圍為2018年8月1日00:00-9月1日00:00. 根據(jù)巢湖實(shí)測的周期范圍，擬定頻率范圍為0.1～2.0 Hz，分成40個(gè)頻率段. 方向沿整個(gè)圓周方向均分為36份，即方向分辨率為10°. 模型物理過程中，風(fēng)輸入考慮了線性增長和指數(shù)增長兩部分，線性增長采用Caraler和Malanotte-Rizzoli公式[36]，增長部分采用Yan公式[37]. 底摩擦引起的消耗采用JONSWAP模型，系數(shù)取0.067. 淺水風(fēng)浪破碎系數(shù)在計(jì)算時(shí)取其均值 0.73. 由于入湖河道對太湖風(fēng)浪影響不大，此處計(jì)算時(shí)不考慮入湖河流影響. 模型中考慮了淺水中三波相互作用，其他采用默認(rèn)值.

圖4 2018年8月1-31日巢湖平均水位的變化Fig.4 Average water levels at Lake Chaohu during 1-31 August, 2018

巢湖整體水位受防洪、航運(yùn)、灌溉等任務(wù)控制較顯著，且受季節(jié)變化影響，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)顯示，巢湖年內(nèi)水位變幅最小為1.44 m(1966年)，最大可達(dá)6.48 m(1954年). 水位的變化勢必導(dǎo)致巢湖絕對水深的變化，而水深是影響風(fēng)浪形成和發(fā)展的重要因素之一，因此計(jì)算巢湖風(fēng)浪情況時(shí)，考慮水位波動的影響是十分必須的. 為此收集整理了巢湖周邊塘西、槐林鎮(zhèn)、巢湖閘3個(gè)水位站2018年8月逐時(shí)水位數(shù)據(jù)，并取3個(gè)站的平均值作為水位值輸入到SWAN模型中，圖 4為3站平均的巢湖水位變化情況，最高水位為10.10 m(2018年8月20日11:00)，最低水位為9.29 m(2018年8月4日20:00)，水位變化幅度為0.81 m. 模型計(jì)算中，將東湖心、中廟、西湖心3個(gè)測站處所觀測風(fēng)速矢量在整個(gè)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行距離插值，得到模型計(jì)算所需的非均一風(fēng)場，輸入SWAN模型中.

3.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模式計(jì)算結(jié)果，將2018年8月9日12:30-8月31日23:30期間觀測站位的模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖 5所示. 由驗(yàn)證結(jié)果可以看出，模擬值與實(shí)測值吻合良好，其中有效波高相關(guān)系數(shù)為0.84，平均波周期相關(guān)系數(shù)為0.74，表明模型能較準(zhǔn)確地反映出有效波高與平均周期隨時(shí)間的變化情況. 由此可見，利用SWAN風(fēng)浪模型模擬的巢湖波高和周期，能夠很好地反映出巢湖的實(shí)際風(fēng)浪情況，可以較好地模擬出巢湖的風(fēng)浪特征，因此可以采用SWAN風(fēng)浪模型開展巢湖風(fēng)浪特征的模擬研究與分析.

圖5 2018年8月9日12:30-8月31日23:30期間風(fēng)浪計(jì)算有效波高(a)和平均波周期(b)與實(shí)測值的對比Fig.5 The comparison between the calculated value and the observation value of the significant wave height (a) and average wave period (b) during August 9th, 12:30 and August 31st, 23:30, 2018

4 結(jié)果分析

淺水湖泊在風(fēng)浪作用下一方面可以引起底泥再懸浮和水體污染內(nèi)源的釋放，嚴(yán)重影響湖泊的水質(zhì)，另一方面會導(dǎo)致水體垂向混合增加，進(jìn)一步對藻類的垂向遷移產(chǎn)生影響，風(fēng)浪的強(qiáng)度、范圍和時(shí)間決定了藍(lán)藻水華的時(shí)空分布. 風(fēng)浪的有效波高和平均波周期是表征風(fēng)浪強(qiáng)度的重要波要素，本節(jié)將重點(diǎn)分析臺風(fēng)過程時(shí)該兩種風(fēng)浪要素的變化情況.

4.1 有效波高變化及分布特征

圖6 2018年8月1日-31日巢湖平均有效波高(a)和最大有效波高(b)的變化Fig.6 The changes of average significant wave height (a) and maximum significant wave height (b) for Lake Chaohu during 1-31 August, 2018

圖6為2018年8月巢湖分湖區(qū)統(tǒng)計(jì)的平均有效波高和最大有效波高隨時(shí)間變化情況. 整體看，8月東巢湖有效波高平均值最大，為0.18 m，中巢湖略小，西巢湖最小為0.15 m，從圖6中不同湖區(qū)平均有效波高變化也可以明顯看出，東巢湖和中巢湖有效波高較西巢湖大；月內(nèi)最大有效波高規(guī)律略有差異，總體中巢湖最大，東巢湖與中巢湖接近，西巢湖最小，8月最大有效波高平均值分別為0.21、0.22和0.18 m. 從圖6可以看出臺風(fēng)“摩羯”和“溫比亞”過境時(shí)，明顯產(chǎn)生了強(qiáng)烈的風(fēng)浪過程，其中臺風(fēng)“摩羯”過境時(shí)東巢湖、中巢湖和西巢湖平均有效波高最大值分別為0.59、0.50和0.41 m，出現(xiàn)時(shí)刻為2018-8-13 10:00、11:00和13:00，最大有效波高最大值為0.68、0.67和0.48 m，出現(xiàn)時(shí)刻為2018-8-13 10:00、10:00和13:00，根據(jù)路徑圖可知，以上極值出現(xiàn)在臺風(fēng)“摩羯”剛進(jìn)入安徽境內(nèi)至巢湖市北部這段時(shí)間內(nèi)，隨著臺風(fēng)“摩羯”繼續(xù)北上和強(qiáng)度減弱，巢湖風(fēng)浪強(qiáng)度快速減小，至臺風(fēng)“溫比亞”抵達(dá)前，巢湖風(fēng)浪強(qiáng)度較弱(各湖區(qū)有效波高平均值和最大值都小于0.22 m). 臺風(fēng)“溫比亞”過境時(shí)，風(fēng)浪強(qiáng)度增大，在東巢湖、中巢湖和西巢湖平均有效波高最大值分別達(dá)到1.31、1.15和1.02 m，最大有效波高最大值分別為1.50、1.47和1.19 m，出現(xiàn)時(shí)刻分別為2018-8-17 17:00、17:00和20:00，即東巢湖和中巢湖首先受臺風(fēng)影響，根據(jù)路徑圖可知，當(dāng)“溫比亞”抵達(dá)安徽省蕪湖市無為縣紅廟鎮(zhèn)，即巢湖東南側(cè)時(shí)，對東巢湖與中巢湖的影響達(dá)到最大，隨后隨著“溫比亞”繼續(xù)前進(jìn)，抵達(dá)安徽省合肥市肥西縣三河古鎮(zhèn)附近時(shí)，對西巢湖的影響達(dá)到最大，而后“溫比亞”逐漸遠(yuǎn)離巢湖流域，影響逐漸減弱.

圖7為8月份月均有效波高和月最大有效波高在整個(gè)巢湖的分布情況. 可以看出，月均有效波高最大值出現(xiàn)在東巢湖與中巢湖接洽的中心水域，而月最大有效波高則出現(xiàn)在東巢湖湖心附近水域，即臺風(fēng)“溫比亞”過境時(shí)對整個(gè)巢湖影響最大的區(qū)域位于東巢湖湖心水域. 受地形、水深、風(fēng)區(qū)長度影響，近岸附近水域有效波高較小，較大值主要出現(xiàn)在各湖區(qū)湖心水深較大的水域；整體看，西巢湖產(chǎn)生的風(fēng)浪強(qiáng)度最小，中巢湖次之，東巢湖最大，這與不同測站測得的風(fēng)速相對應(yīng)(表1、圖2)，即東巢湖測站出現(xiàn)了最大的風(fēng)速過程，且風(fēng)向?yàn)闁|北向，在東巢湖產(chǎn)生較大的風(fēng)區(qū)長度，因此相應(yīng)的東巢湖出現(xiàn)的風(fēng)浪強(qiáng)度最大；中巢湖風(fēng)速次之，相應(yīng)的風(fēng)浪強(qiáng)度也比東巢湖??；西巢湖風(fēng)速過程最小，相應(yīng)的風(fēng)浪強(qiáng)度也最小. 根據(jù)統(tǒng)計(jì)，8月東巢湖、中巢湖和西巢湖月最大有效波高大于1.0 m的面積分別為254.88、201.44和152.64 m2，分別各個(gè)湖區(qū)總面積的93%、89%和66%，進(jìn)一步表明臺風(fēng)“溫比亞”過境時(shí)對東巢湖的影響最為顯著，中巢湖次之，西巢湖最小. 因此臺風(fēng)過境或大風(fēng)天氣時(shí)，湖心水域尤其是東巢湖與中巢湖連通的大面積湖心水域要密切注意防范大風(fēng)浪下作業(yè)安全問題.

圖7 巢湖2018年8月1日-31日平均有效波高(a)和最大有效波高(b)的空間分布Fig.7 Spatial distribution of average significant wave height (a) and maximum significant wave height (b) for Lake Chaohu during 1-31 August, 2018

4.2 波周期變化及分布特征

圖 8為2018年8月巢湖分湖區(qū)統(tǒng)計(jì)的平均波周期和最大波周期隨時(shí)間變化情況(此處波周期為平均波周期T1). 可以看出，不同湖區(qū)波周期略有差異，但差異性較有效波高明顯偏小. 總體8月份東巢湖、中巢湖和西巢湖波周期平均值為1.29、1.35和1.21 s，最大波周期平均值為1.46、1.57和1.45 s，總體中巢湖最大，東巢湖次之，西巢湖最小. 由圖9可以明顯看出，臺風(fēng)“摩羯”和“溫比亞”過境時(shí)，出現(xiàn)了較大的波周期；其中臺風(fēng)“摩羯”過境時(shí)東巢湖、中巢湖和西巢湖平均波周期最大分別為2.07、2.05和1.79 s，最大波周期為2.25、2.33和1.95 s，出現(xiàn)時(shí)刻均為2018-8-13 9:00、10:00和11:00，相較有效波高峰值，東巢湖和西巢湖略有提前，分別提前了1和2 h，而中巢湖波周期峰值與有效波高峰值同步出現(xiàn)；臺風(fēng)“溫比亞”過境時(shí)影響更為顯著，東巢湖、中巢湖和西巢湖平均波周期最大分別為2.76、2.69和2.49 s，最大平均波周期為2.99、3.04和2.74 s，出現(xiàn)時(shí)刻均為2018-8-17 17:00、17:00和20:00，與有效波高峰值時(shí)刻同步.

圖8 2018年8月1日-31日巢湖平均波周期(a)和最大波周期(b)的月變化Fig.8 The changes of average wave period (a) and maximum wave period (b) for Lake Chaohu during 1-31 August, 2018

圖9為8月份波周期平均值和波周期最大值在整個(gè)巢湖的空間分布情況. 可以看出8月月均平均波周期和月最大波周期較大值主要出現(xiàn)在東巢湖與中巢湖連通的湖心水域，由此可知臺風(fēng)過境時(shí)會在東巢湖與中巢湖連通的大片湖心水域出現(xiàn)較大的波周期分布區(qū)域，需要格外注意. 月均平均波周期最大值和月最大波周期最大值均出現(xiàn)在靠近東巢湖的中巢湖湖心水域，最大值分別為1.39和3.08 s；西巢湖月均波周期較大值主要出現(xiàn)在南半湖水域，北半湖水域周期相對較小，而月最大波周期則在湖心附近較大，近岸區(qū)域相對較小. 以上分析可以看出，臺風(fēng)過境時(shí)不同湖區(qū)湖心水域由于水深大、風(fēng)區(qū)長度長，往往是出現(xiàn)最大風(fēng)浪強(qiáng)度的區(qū)域，如在臺風(fēng)“溫比亞”過境時(shí)，有較長時(shí)間的大的東北向風(fēng)速過程出現(xiàn)(圖2)，此時(shí)東巢湖與中巢湖連通的湖心水域的風(fēng)浪風(fēng)區(qū)長度可達(dá)20 km以上，而此處水深又較大(約3.5 m左右)，有利于較大風(fēng)浪過程產(chǎn)生，因此在開展極端天氣下湖泊作業(yè)以及生態(tài)環(huán)境影響分析時(shí)需要重點(diǎn)注意.

圖9 2018年8月1日-31日巢湖平均波周期(a)和最大波周期(b)的空間分布Fig.9 Spatial distribution of average wave period (a) and maximum wave period (b) for Lake Chaohu during 1-31 August, 2018

5 結(jié)論

本文基于實(shí)測和數(shù)值模擬手段，開展了臺風(fēng)“摩羯”和“溫比亞”過境的2018年8月巢湖風(fēng)浪變化及分布特征分析，得到以下結(jié)論：

1)臺風(fēng)過境時(shí)，實(shí)測結(jié)果顯示在巢湖產(chǎn)生了較大的風(fēng)速和風(fēng)浪過程；臺風(fēng)“摩羯”過境時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明在東巢湖、中巢湖和西巢湖平均有效波高最大值分別為0.59、0.50和0.41 m，最大有效波高最大值為0.68、0.67和0.48 m；臺風(fēng)“溫比亞”過境時(shí)，風(fēng)浪強(qiáng)度更大，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明在東巢湖、中巢湖和西巢湖平均有效波高最大值分別達(dá)到1.31、1.15和1.02 m，最大有效波高最大值分別為1.50、1.47和1.19 m. 臺風(fēng)過境時(shí)對整個(gè)巢湖影響較大的區(qū)域位于東巢湖與中巢湖連接的湖心水域，總體對東巢湖的影響最為顯著，中巢湖次之，西巢湖最小.

2)臺風(fēng)“摩羯”過境時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示東巢湖、中巢湖和西巢湖平均波周期最大值分別為2.07、2.05和1.79 s，最大平均波周期最大值為2.25、2.33和1.95 s；臺風(fēng)“溫比亞”過境時(shí)東巢湖、中巢湖和西巢湖平均波周期最大值分別為2.76、2.69和2.49 s，最大平均波周期最大值為2.99、3.04和2.74 s. 波周期較大值主要出現(xiàn)在東巢湖與中巢湖聯(lián)通的湖心水域，臺風(fēng)“溫比亞”期間出現(xiàn)了3.08 s的最大波周期.

致謝：感謝本研究團(tuán)隊(duì)(王巖、彭兆亮、朱金格、郭西亞、崔健)在野外觀測中給予的幫助.