曾春華，胡泰桓，張會(huì)領(lǐng)，李志強(qiáng)，李高聰，田 艷

（1.廣東海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；3.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

沖流帶是連接碎波帶和陸上干灘的過(guò)渡帶，海水覆蓋和出露交替，使得沖流帶動(dòng)力地貌具有復(fù)雜的時(shí)空變異性，也是海灘泥沙輸移最活躍的區(qū)域[1]，對(duì)研究岸線演變有重大意義。

沖流帶現(xiàn)場(chǎng)高頻觀測(cè)研究展現(xiàn)其灘面沖淤的復(fù)雜性。Waddell[2]觀測(cè)沖流帶的泥沙沉積過(guò)程，發(fā)現(xiàn)灘面有40 s及更長(zhǎng)周期的波動(dòng)變化且沙波向岸運(yùn)動(dòng)。Sallenger 等[3]認(rèn)為沖流帶灘面的高頻振動(dòng)周期由下而上變長(zhǎng)，有別于沙波向岸運(yùn)動(dòng)。李志龍等[4]發(fā)現(xiàn)沖流帶灘面的長(zhǎng)重力波頻段周期性沖淤，其日內(nèi)變化受潮汐控制，漲潮堆積、落潮侵蝕。馮硯青等[5]認(rèn)為沖淤振動(dòng)強(qiáng)度由下部向上部遞減，長(zhǎng)重力波起重要作用。李志強(qiáng)等[6]認(rèn)為波群對(duì)灘面高頻振動(dòng)有顯著影響，特別是波高大于有效波高的波群。以上沖流帶灘面觀測(cè)主要在常浪條件開(kāi)展，而臺(tái)風(fēng)作用下沖流帶的觀測(cè)研究仍十分欠缺。常規(guī)的采集臺(tái)風(fēng)前后現(xiàn)場(chǎng)地形數(shù)據(jù)研究無(wú)法準(zhǔn)確反映沖流帶對(duì)臺(tái)風(fēng)波浪的實(shí)時(shí)響應(yīng)特征[7-10]，需要進(jìn)行沖流帶臺(tái)風(fēng)期間現(xiàn)場(chǎng)高頻觀測(cè)研究。

沖流帶在臺(tái)風(fēng)影響下的響應(yīng)過(guò)程是一個(gè)多自由度和強(qiáng)非線性的系統(tǒng)，要深入研究其內(nèi)在物理機(jī)制，須識(shí)別系統(tǒng)的主要模態(tài)，并將模態(tài)與相關(guān)動(dòng)力因子聯(lián)系起來(lái)[11-12]。本研究利用2019 年7 號(hào)臺(tái)風(fēng)“韋帕”影響下徐聞青安灣海灘沖流帶95 組灘面變化高頻數(shù)據(jù)和134 min 同步波浪數(shù)據(jù)，借助復(fù)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（CEOF）、快速傅立葉變換（FFT）和連續(xù)小波變換方法對(duì)地形和波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，開(kāi)展臺(tái)風(fēng)作用下海灘沖流帶地形主要波動(dòng)模態(tài)與波浪分量之間內(nèi)在聯(lián)系研究，為深入研究海灘沖流帶對(duì)臺(tái)風(fēng)響應(yīng)的動(dòng)力機(jī)制提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域與臺(tái)風(fēng)“韋帕”概況

青安灣是瓊州海峽北岸中部的半封閉弧形海灣（圖1）。海灘的長(zhǎng)度約1 800 m，海灘寬度60～ 80 m。潮汐類(lèi)型為不規(guī)則日潮，平均潮差0.82 m，最大潮差2.16 m。常浪以E—SW 方向?yàn)橹?，風(fēng)浪為主，涌浪為輔，平均波高小于0.35 m，平均周期約為4.0 s[13-14]。本研究觀測(cè)前在沖流帶表層的泥沙樣品（圖2 中4#樁位置）粒徑范圍為（0.25～ 3.75）Φ（其中Φ=?log2D50，D50為中值粒徑）[15]，平均粒徑為2.506Φ，主要成分為細(xì)沙[（2.25～ 3.00）Φ]，占比為90.9%。

“韋帕”是2019 年第7 號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，形成于南海北部、青安灣東南向約600 km 處。7 月30日17 時(shí)發(fā)展為熱帶低壓，7 月31 日6 時(shí)升級(jí)為熱帶風(fēng)暴。8 月1 日1 時(shí)50 分在海南省文昌市首次登陸，中心附近最大風(fēng)力23 m/s，8 月1 日17 時(shí)40分再次登陸廣東省湛江市坡頭區(qū)，中心附近最大風(fēng)力23 m/s，8 月2 日21 時(shí)20 分第三次登陸廣西省防城港市（圖1），中心附近最大風(fēng)力仍為23 m/s，8 月3 日23 時(shí)停止編號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量期間（2019 年8月1 日11 時(shí)19 分至13 時(shí)33 分），“韋帕”路徑與青安灣之間的最小距離約50 km。青安灣受臺(tái)風(fēng)7級(jí)風(fēng)圈影響時(shí)段為7 月31 日20 時(shí)至8 月2 日20 時(shí)。

圖1 研究區(qū)域和臺(tái)風(fēng)“韋帕”路徑Fig.1 Study area and Wipha track

1.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

沖流帶地形變化數(shù)據(jù)通過(guò)測(cè)量參考樁高度方法獲取[3,13,16]。參考樁為直徑10 mm 的細(xì)鋼筋，共6 根，由陸向海編號(hào)1—6#（圖2）。利用全站儀將樁位置、樁頂高程與后方固定基準(zhǔn)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，由測(cè)量員持鋼尺沿固定方位依次循環(huán)不間斷測(cè)量樁的外露高度。2019 年8 月1 日11 時(shí)19 分至13 時(shí)33 分，在134 min 內(nèi)獲取95 組數(shù)據(jù)。在與6#樁距離24 m處放置波潮儀（圖2）采集實(shí)時(shí)海面波動(dòng)數(shù)據(jù)，采樣頻率為4 Hz。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量布置剖面Fig.2 Schematic of the cross-shore beach profile and the surveying layout

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

采用線性最小二乘法濾出潮位過(guò)程。將原始數(shù)據(jù)分成1 min 一組，對(duì)每組數(shù)據(jù)采用上跨零法計(jì)算波高和波周期。利用快速傅立葉變換（FFT）計(jì)算頻譜[17]，利用連續(xù)小波變換進(jìn)行時(shí)頻分析。

1.3.1波浪數(shù)據(jù)譜分析 快速傅里葉變換是根據(jù)離散傅里葉變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，高效、快速地計(jì)算離散傅里葉變換（DFT)，離散傅里葉變換如式（1）[18]。

其中，x(t)為采集到的時(shí)域離散數(shù)據(jù)，f為對(duì)應(yīng)的頻率。

波浪功率譜密度計(jì)算如式（2）[19]。

其中，S(f)是頻率為f的成分對(duì)平均（時(shí)間平均）功率的貢獻(xiàn)的平均。

1.3.2連續(xù)小波變換處理波浪數(shù)據(jù) 小波分析使得特定尺度的信號(hào)與特定的時(shí)間（位置）相關(guān)，顯示傳播的頻率（標(biāo)度）分量以及傳播時(shí)間[20]，可以多分辨率分析。出發(fā)點(diǎn)是一個(gè)基本小波Ψ(t)，也稱(chēng)母小波，是具有帶通性、零均值、波動(dòng)性和時(shí)頻局部化特性的函數(shù)，可以縮放、平移和旋轉(zhuǎn)以生成自適應(yīng)小波濾波器，并構(gòu)造一個(gè)小波基Ψa,b(t)濾波器組，如式（3）[21]。通過(guò)母小波與分析信號(hào)的相關(guān)性在空間域中局部化頻譜分析，分割整個(gè)信號(hào)。

其中，a為尺度因子（與周期和頻率有關(guān)），b為平移因子（時(shí)間位置）。

當(dāng)研究離散信號(hào)f(nδt)（n=1,2,3,···，N；N為樣本容量）時(shí)，離散小波變換（DWT），如式（4）[21]。

小波a的尺度參數(shù)按式（5）取值。

Wf(a,b)包含f(t)和Ψa,b(t)的信息，母小波的選擇至關(guān)重要，本研究的母小波是Morlet 小波，該小波是高斯函數(shù)調(diào)制的連續(xù)平面波，其定義如式（6）[21]。

其中，ω0是角頻率，對(duì)于Morlet 小波變換，ω0=6比較合適[22]。

1.3.3復(fù)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)方法（CEOF）處理灘面高程變化 CEOF 方法對(duì)數(shù)據(jù)集的波動(dòng)特征描述更深入，有助于解釋特征函數(shù)的物理意義，在海岸地形演變方面已有少量應(yīng)用[23-26]。一個(gè)移行波可表示為式（7）[27]。

其中，振幅是A，相位是kx-ωt，kx為空間相位函數(shù)，-ωt是時(shí)間相位函數(shù)。一個(gè)傳播的波需要兩個(gè)空間型和兩個(gè)時(shí)間系數(shù)表示，兩個(gè)空間型正交并分別正比于sinkx和coskx，有相同的空間波數(shù)。兩個(gè)時(shí)間系數(shù)也正交并分別正比于cosωt和-sinωt，有相同的頻率（周期）。

CEOF 能表示一對(duì)正交的空間型，可通過(guò)Hilbert 變換獲取。當(dāng)Zt是有限長(zhǎng)度的離散時(shí)間序列，可用式（8）的相位漂移π/2 濾波運(yùn)算生成Zt的Hilbert 變換[19]。

式(8)中，權(quán)重系數(shù)h(l)取值如下，

其中，L為濾波器長(zhǎng)度，一般L取7～ 25，L取太大會(huì)損失過(guò)多信息，為保留最全的響應(yīng)信息，本研究取L=7。

復(fù)值隨機(jī)過(guò)程Ut在各相應(yīng)樁位的分量可表示為式（9）[19]。

對(duì)于m個(gè)空間點(diǎn)，n個(gè)觀測(cè)樣本的灘面變量場(chǎng)，其復(fù)資料矩陣為Um×n，分解得式（10）[28]：

其中，B為m×m階復(fù)空間函數(shù)矩陣，P為m×n階復(fù)時(shí)間函數(shù)矩陣。

復(fù)空間函數(shù)矩陣由復(fù)協(xié)方差陣不同特征值的特征向量構(gòu)成，在復(fù)空間函數(shù)和復(fù)時(shí)間函數(shù)基礎(chǔ)上求出表征振蕩和移動(dòng)特征的空間振幅函數(shù)Sk(x)，空間相位函數(shù)Qk(x)，時(shí)間振幅函數(shù)Sk(t)和時(shí)間相位函數(shù)Qk(t)[28]，如式（11—14）。

式（11—14）中，x為空間點(diǎn)；t為時(shí)間點(diǎn)；k為特征向量序號(hào)；Bk（x）表示第k個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量；是Bk（x）的共軛向量；表示Pk（x）的共軛。

空間振幅函數(shù)Sk(x)表示第k個(gè)特征模態(tài)變率的空間分布，給出Z場(chǎng)空間不均勻性的測(cè)度，分析灘面變量場(chǎng)的空間分布結(jié)構(gòu)及各位置的變化強(qiáng)度。

空間相位函數(shù)Qk(x)表示在不同空間點(diǎn)上振動(dòng)的空間位相，分析波的傳播方向。

時(shí)間振幅函數(shù)Sk(t)表示第k個(gè)特征模態(tài)Z場(chǎng)在量值上的時(shí)間變率，反映變化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。

時(shí)間相位函數(shù)Qk(t)在移行波中即為-ωt，體現(xiàn)波的傳播速度。

2 結(jié)果與分析

2.1 潮位與波浪

觀測(cè)時(shí)間段（8 月1 日11:19—13:33）臺(tái)風(fēng)“韋帕”中心與觀測(cè)點(diǎn)位置距離最近（圖1），圖3（a）顯示潮位上漲約9 cm，達(dá)到當(dāng)天最高潮位。

圖3（b）表明顯著波高H1/10范圍為0.4～ 0.8 m，11:19—12:19 時(shí)段波高變化幅度逐漸變大，隨后波高變化幅度逐漸變小且相對(duì)穩(wěn)定。

圖3 潮位與顯著波高過(guò)程Fig.3 Time series of water level and mean of the highest one-tenth of wave heights

波浪頻譜（圖4）表明近長(zhǎng)重力波（0.01～ 0.04 Hz）占比最大，譜峰頻率為0.027 Hz。其次是重力波（＞ 0.04 Hz），譜峰頻率為0.051 Hz。占比最小為遠(yuǎn)長(zhǎng)重力波[29]（0.004～ 0.010 Hz），譜峰頻率為0.009 Hz。

圖4 波浪譜密度Fig.4 Wave spectral density

連續(xù)小波變換體現(xiàn)主要波浪分量隨時(shí)間的分布情況（圖5），圖5 中深藍(lán)代表波能量弱，深紅代表波能量強(qiáng)，黑色錐形曲線標(biāo)定邊緣效應(yīng)影響的范圍，該曲線以外的波能受到邊界效應(yīng)的影響而不予考慮[30]。周期小于25 s 對(duì)應(yīng)重力波分量（＞ 0.04 Hz），分布穩(wěn)定且連續(xù)。周期32 s 附近對(duì)應(yīng)近長(zhǎng)重力波（0.01～ 0.04 Hz）分量，分布也相對(duì)均勻，在11:59 時(shí)刻和12:29 時(shí)刻附近出現(xiàn)明顯的間斷。遠(yuǎn)長(zhǎng)重力波（0.004～ 0.010 Hz）部分對(duì)應(yīng)的周期為100～250 s，其能量分布的周期范圍比其他波浪分量的跨度大，在11:30 時(shí)刻附近和12:19—12:39 時(shí)段出現(xiàn)間斷。

圖5 波浪連續(xù)小波變換Fig.5 Wave continuous wavelet transform

2.2 沖流帶灘面響應(yīng)變化

沖流帶灘面各樁位的地形變化幅度不同，變化最大位置為3#樁位，其次是4#樁位，2#、5#和6#樁位的變化不明顯，而1#樁位幾乎沒(méi)有變化（圖6）。

圖6 實(shí)測(cè)剖面變化形態(tài)Fig.6 Variation of the cross-shore profile

原位測(cè)量表明，各樁位的地形演變趨勢(shì)不同，存在侵蝕和淤積振蕩交替現(xiàn)象（圖7）。

圖7 各樁位高程響應(yīng)過(guò)程Fig.7 Elevation processes of pegs

1#樁處于沖流帶最上方，上沖流能量消耗殆盡，呈現(xiàn)泥沙落淤，灘面變化幅度不到2 cm。

2#樁在測(cè)量時(shí)段的前一個(gè)小時(shí)處于沖淤動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，在2.86 m 高程上下輕微振蕩。12:19 時(shí)刻產(chǎn)生明顯侵蝕，隨后保持新的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，在2.84 m 高程上下輕微振蕩。

3#樁變化幅度約為6 cm，整體呈逐步侵蝕趨勢(shì)。對(duì)照具體時(shí)刻，在11:30 時(shí)刻出現(xiàn)明顯的淤積現(xiàn)象應(yīng)是下方4#和5#樁位置上沖流挾帶泥沙落淤。12:19時(shí)刻出現(xiàn)另一個(gè)明顯的淤積現(xiàn)象，除了下方4#和5#樁位置上沖流挾帶泥沙落淤，還有2#樁泥沙向海輸移的貢獻(xiàn)。

4#樁變化幅度約為5 cm，小于3#樁的變化，灘面也是逐漸蝕低但過(guò)程更平穩(wěn)，只在12:19 時(shí)刻出現(xiàn)比其他時(shí)段更明顯的侵蝕現(xiàn)象。

5#樁變化幅度不到2 cm，逐步侵蝕趨勢(shì)，過(guò)程平穩(wěn)。

6#樁處于沖流帶下沿，整個(gè)過(guò)程基本呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，在2.04 m 高程上下輕微振蕩，振蕩幅度較大?？赡苁?#樁位置與碎波帶相連，受下沖流與破碎帶波浪交匯的影響，此處灘面泥沙運(yùn)動(dòng)更劇烈些。

3#樁和6#樁的振蕩幅度較其他樁位大，說(shuō)明這兩個(gè)樁位處灘面變化都很劇烈，但兩者的變化趨勢(shì)截然不同，3#樁逐步侵蝕而6#樁動(dòng)態(tài)平衡。其他樁位每分鐘的振蕩幅度都較小，但變化趨勢(shì)迥異。這與Waddell[2]觀測(cè)的沙波向岸運(yùn)動(dòng)和馮硯青等[5]觀測(cè)的沖淤振動(dòng)強(qiáng)度由灘面下部向上部遞減現(xiàn)象皆有所不同，體現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)波浪作用下，沖流帶灘面響應(yīng)靈敏且呈現(xiàn)出極其復(fù)雜的非線性變化。

2.3 沖流帶灘面變化模態(tài)

在134 min 的觀測(cè)中，6 個(gè)樁位和95 組連續(xù)高程數(shù)據(jù)集構(gòu)成6 維空間和95 個(gè)矢量序列的隨機(jī)場(chǎng)，由CEOF 分解得到的特征值如表1。

表1 特征值排序Table 1 Sorting table of eigenvalues

通常，方差三階到五階模態(tài)被認(rèn)為足以重構(gòu)任何時(shí)間序列原始數(shù)據(jù)，包含四階模態(tài)被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的做法[14]。在本研究中，前四個(gè)模態(tài)特征值λ1—λ4的累積值占總方差的96.4%，能全面地描述臺(tái)風(fēng)“韋帕”影響下沖流帶的響應(yīng)特征。

2.3.1第一模態(tài)特征 第一模態(tài)對(duì)地形數(shù)據(jù)集的解釋達(dá)56.3%。第一模態(tài)的分布和特征變化如圖8。

圖8 第一模態(tài)的分布和特征變化Fig.8 Spatial amplitude,spatial phase,temporal amplitude,and phase of the first mode

圖8 中，空間振幅顯示3#樁位振幅變率最大，向兩端線性遞減。空間相位圖中相位正值為淤積，負(fù)值為侵蝕。時(shí)間振幅在前半段逐步減小，后半段逐漸增強(qiáng)，變化趨勢(shì)呈準(zhǔn)線性，說(shuō)明此模態(tài)的主導(dǎo)動(dòng)力具有持續(xù)穩(wěn)定特征。時(shí)間相位12:19 時(shí)刻前為較小正值，結(jié)合空間相位圖可知此時(shí)段灘面變化小、緩慢甚至有輕微的淤積；12:19 時(shí)刻之后在±π之間來(lái)回振蕩，傳播速度變快，先是正值的時(shí)間比負(fù)值長(zhǎng)，但正值沒(méi)達(dá)到極值+π（12:19－12:39），接著正負(fù)值時(shí)間相當(dāng)且都在極值±π 來(lái)回快速切換（12:39－12:54），最后負(fù)值時(shí)間長(zhǎng)且主要停留在-π的極值位置。說(shuō)明在12:19 時(shí)刻之后灘面變化加劇，趨勢(shì)由輕微淤積到淤積侵蝕交替，最后侵蝕主導(dǎo)。比重最大的近長(zhǎng)重力波（圖4）在連續(xù)小波變換中（圖5）顯示整體分布穩(wěn)定，但在11:59 和12:29時(shí)刻有明顯減弱，與時(shí)間振幅函數(shù)減弱時(shí)間對(duì)應(yīng)，表明近長(zhǎng)重力波是第一模態(tài)的主導(dǎo)波浪力。波高在12:19 之前波動(dòng)大（圖3(b)）造成沖流帶下方的碎波帶泥沙大量懸浮，近長(zhǎng)重力波上沖流將懸沙帶向岸產(chǎn)生淤積。12:19 之后波高變化幅度減小，懸沙量減小。近長(zhǎng)重力波引起沖流帶的泥沙向海占主導(dǎo)地位，侵蝕加劇。

2.3.2第二模態(tài)特征 第二模態(tài)解釋了地形數(shù)據(jù)集19.0%的變化。第二模態(tài)的分布和特征變化如圖9。

圖9 第二模態(tài)的分布和特征變化Fig.9 Spatial amplitude,spatial phase,temporal amplitude,and phase of the second mode

圖9 中，空間振幅顯示6#樁振幅變率最大，其次是2#－4#樁位，5#樁位變化微小，1#樁位幾乎無(wú)變化。空間相位圖中3#和6#樁位侵蝕，其他樁位淤積。時(shí)間振幅曲線在11:59、12:25 和12:45 時(shí)刻有顯著峰區(qū)。時(shí)間相位總體負(fù)值占優(yōu)，由負(fù)值向正值轉(zhuǎn)變緩慢，而由正值向負(fù)值轉(zhuǎn)變迅速。結(jié)合空間振幅和相位，可知泥沙向海輸移占優(yōu)，并在3#樁位置產(chǎn)生分段輸移現(xiàn)象。

在連續(xù)小波變換中（圖5），近長(zhǎng)重力波浪及遠(yuǎn)長(zhǎng)重力波浪分量在11:59 和12:29 時(shí)刻均有減弱，但時(shí)間振幅函數(shù)相應(yīng)增強(qiáng)，11:49、12:09、13:03 和13:23 時(shí)刻，長(zhǎng)重力波分量均出現(xiàn)增強(qiáng)時(shí)，時(shí)間振幅函數(shù)卻對(duì)應(yīng)出現(xiàn)極小值，表明第二模態(tài)的主導(dǎo)波浪力為占比第二大的重力波（＞0.04 Hz）。但在12:45時(shí)刻長(zhǎng)重力波浪分量出現(xiàn)最強(qiáng)分布時(shí)，時(shí)間振幅函數(shù)亦有突發(fā)增強(qiáng)，表明當(dāng)長(zhǎng)重力波足夠強(qiáng)時(shí)，可抵消甚至短暫取代重力波的主導(dǎo)作用。

2.3.3第三模態(tài)特征 第三模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為13.1%。第三模態(tài)的分布和特征變化如圖10。

圖10 第三模態(tài)的分布和特征變化Fig.10 Spatial amplitude,spatial phase,temporal amplitude,and phase of the third mode

圖10 中，空間振幅顯示2#、3#和6#樁位振幅變率較大，其次是4#和5#樁位，1#幾乎無(wú)變化?？臻g相位圖中1#、3#和6#樁位淤積；2#、4#和5#樁位侵蝕。時(shí)間振幅在12:19 和13:12 時(shí)刻附近有顯著的峰區(qū)。時(shí)間相位在12:19 時(shí)刻之前正值占優(yōu)，之后負(fù)值占優(yōu)，由負(fù)值向正值轉(zhuǎn)變緩慢，而正值向負(fù)值轉(zhuǎn)變十分迅速。結(jié)合空間振幅和空間相位，12:19時(shí)刻前3#和6#樁位有明顯淤積，2#、4#和5#樁位侵蝕不明顯。12:19 時(shí)刻后3#和6#樁位淤積減弱，2#、4#和5#樁位侵蝕加強(qiáng)。

對(duì)比波連續(xù)小波變換（圖5），遠(yuǎn)長(zhǎng)重力波在12:19 和13:12 有顯著的增強(qiáng)，在11:50、12:30 和13:05 左右有明顯的減弱，與時(shí)間函數(shù)振幅峰值和小值的時(shí)間基本一致，說(shuō)明遠(yuǎn)長(zhǎng)重力波是第三模態(tài)的主導(dǎo)波浪分量。

2.3.4第四模態(tài)特征 第四模態(tài)方差的貢獻(xiàn)率只有8.0%。第四模態(tài)的分布和特征變化如圖11。

圖11 第四模態(tài)的分布和特征變化Fig.11 Spatial amplitude,spatial phase,temporal amplitude,and phase of the fourth mode

圖11 中，空間振幅顯示2#和4#樁位振幅變率較大，3#、5#和6#樁位變化微小，1#幾乎沒(méi)變化?？臻g相位圖中1#、3#和4#樁位淤積；5#樁位侵蝕，2#和6#樁位的相位為零。時(shí)間振幅曲線在12:12 和13:12 有稍明顯峰區(qū)。時(shí)間相位無(wú)明顯規(guī)律，轉(zhuǎn)換顯得比較凌亂。結(jié)合空間振幅和相位，表明沖流帶灘面中下部振蕩較明顯，上部變化微小。

對(duì)比波連續(xù)小波變換（圖5），在11:55、12:20、12:50和13:20時(shí)刻長(zhǎng)重力波分布弱，時(shí)間振幅最強(qiáng)，11:42、12:09、12:30、12:50 和13:15，遠(yuǎn)長(zhǎng)重力波分布強(qiáng)，時(shí)間振幅出現(xiàn)極小值。說(shuō)明第四模態(tài)主要波浪動(dòng)力成分為重力波（＞0.04 Hz），主導(dǎo)灘面響應(yīng)中不規(guī)則的微幅振蕩。

3 討論

3.1 沖流過(guò)程的影響

觀測(cè)后沖流帶表層泥沙采樣的粒徑范圍為（1.00～ 4.00）Φ，平均粒徑2.613Φ，主要成分為細(xì)沙（2.25～ 3.00）Φ，占比為96.1%，沖流帶表層泥沙粒徑呈細(xì)化現(xiàn)象。第1 組和第95 組剖面數(shù)據(jù)的平均坡度由1∶22 轉(zhuǎn)為1∶22.4，坡度趨于平緩。懸浮泥沙被上沖流攜帶向岸致沖流帶淤積，快速回流下沖引起泥沙向海輸移而致沖流帶侵蝕。單個(gè)沖刷事件包括三個(gè)不同的階段：上沖、回流和下沖。每個(gè)波浪分量在沖流帶既有淤積又有侵蝕作用。在上沖過(guò)程中，在上沖達(dá)到其最高范圍之前，沖流帶中下部的水流通常會(huì)逆轉(zhuǎn)[1]，可能是上方下沖流的沖撞引起的水躍使得下方上沖及上方離岸懸沙均落淤，或是部分波長(zhǎng)短周期小的重力波能量消耗快而導(dǎo)致泥沙落淤。所以在沖流帶下部，沖流頻率較高，灘面變化也更為活躍，這與Sallenger 等[3]觀測(cè)到?jīng)_流帶振動(dòng)周期由下而上變長(zhǎng)的研究結(jié)論相似，這也應(yīng)是3—6#樁位振蕩幅度更大、第二和三模態(tài)中出現(xiàn)分段式侵蝕淤積現(xiàn)象的原因。另外受坡度影響，不同粒徑的泥沙均向海輸移，粗顆粒向岸輸移比向海輸移的難度要大，導(dǎo)致上沖細(xì)顆粒成分更多，導(dǎo)致沖流帶表層泥沙的細(xì)化。在測(cè)量期間，沖流帶經(jīng)歷了淤積、侵蝕和穩(wěn)定階段。這與Masselink等[31]在法國(guó)高能沙灘Truc Vert 沖流帶及海岸線侵蝕淤積過(guò)程對(duì)波浪和潮汐條件變化響應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究結(jié)果一致。

3.2 波浪分量相互作用對(duì)灘面波動(dòng)響應(yīng)的影響

波浪在碎波帶觸底并掀沙，波高越大，掀沙強(qiáng)度越大，波高穩(wěn)定，剖面變化適應(yīng)波高后，掀沙減少，如果波高的再次變大，可使掀沙再次增強(qiáng)，這是各模態(tài)中沖流帶淤積現(xiàn)象的主要懸沙來(lái)源。破碎后的入射波能隨著慣性繼續(xù)向岸傳播，傳播過(guò)程中重力波能不斷耗散。而長(zhǎng)重力波近岸波高隨波浪的向岸傳播加大，波能也加強(qiáng)[32]。因此，在風(fēng)暴條件下，長(zhǎng)重力波是泥沙輸移的主導(dǎo)因素[33-35]。另外，重力波的波長(zhǎng)較短和周期較小，可在沖流帶范圍內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)波浪，它們?cè)跊_流帶的超越、上沖、趟流和下沖碰撞，導(dǎo)致了沖流帶灘面復(fù)雜的非線性變化[36]。沖流帶內(nèi)懸沙的輸移方向不僅取決于水流的湍流性質(zhì)、流速和泥沙沉降速度，還取決于波浪分量的相互作用和碰撞之后的“凈能量”[37]。而這種強(qiáng)弱對(duì)比在時(shí)空分布是極度不均勻的，第一模態(tài)中近長(zhǎng)重力波足夠強(qiáng)時(shí)，重力波的影響不足以改變各樁位的侵蝕淤積趨勢(shì)，沖流帶的沖淤呈現(xiàn)整體一致，各樁位的空間相位方向相同。當(dāng)長(zhǎng)重力波與重力波對(duì)比減弱時(shí)，沖流帶各樁位的響應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)不一致現(xiàn)象，如第二到第四模態(tài)中，各樁的空間相位幅度和方向各異，波浪分量的相互作用效果顯著。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)臺(tái)風(fēng)“韋帕”期間徐聞青安灣海灘沖流帶灘面波動(dòng)高頻數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)連續(xù)波浪數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

1）臺(tái)風(fēng)期間碎波帶波譜為多譜峰，主要由近長(zhǎng)重力波、遠(yuǎn)長(zhǎng)重力波和重力波三個(gè)波分量組成。近長(zhǎng)重力波所占的比例最大，其次是重力波，最后是遠(yuǎn)長(zhǎng)重力波。

2）沖流帶在臺(tái)風(fēng)波浪作用下，不同位置沖淤響應(yīng)各異，沖流帶中部的侵蝕較明顯，兩端的侵蝕幅度較小，沖流帶中下部振蕩劇烈。

3）沖流帶對(duì)臺(tái)風(fēng)“韋帕”響應(yīng)的波動(dòng)特征由四個(gè)模態(tài)組成（累積方差為96.4%）。第一模態(tài)解釋56.3%的沖流帶灘面變化，主要由近長(zhǎng)重力波主導(dǎo)。第二模態(tài)方差占比19.0%，由重力波控制。第三模態(tài)方差占比13.1%，由遠(yuǎn)長(zhǎng)重力波控制。第四模態(tài)方差占比8.0%，主導(dǎo)波分量是重力波。長(zhǎng)重力波控制沖流帶的泥沙向海輸移，重力波主導(dǎo)泥沙輸移的振蕩成分，各波浪分量強(qiáng)度隨機(jī)變化且相互影響，導(dǎo)致沖流帶灘面的復(fù)雜變化。