張怡輝，胡月敏，彭兆亮，胡維平，朱金格

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

風(fēng)吹行于水體表面，經(jīng)過(guò)水氣相互作用的傳遞，產(chǎn)生風(fēng)浪和湖流，其中大部分能量傳遞給了風(fēng)浪[1]. 水體垂向混合強(qiáng)度主要由湖流、風(fēng)浪等決定，其中波浪在水體上表層混合中起著重要作用[2]. 波浪運(yùn)動(dòng)可以將能量從波生運(yùn)動(dòng)向湍流運(yùn)動(dòng)傳遞，引起強(qiáng)烈的水體垂向混合現(xiàn)象[3-6]. 波浪引起的混合強(qiáng)度主要由風(fēng)浪的強(qiáng)度決定[7].

在淺水湖泊中，風(fēng)浪是湖泊水動(dòng)力過(guò)程最為重要的部分，是淺水湖泊沉積物再懸浮的驅(qū)動(dòng)要素[8-13]. 此外，湖泊中藍(lán)藻群體等顆粒物會(huì)受到以風(fēng)浪主導(dǎo)的水動(dòng)力垂向擾動(dòng)作用[14-17]，當(dāng)風(fēng)浪足夠大時(shí)，攪拌作用會(huì)使得體中的藻類垂向混合，改變?cè)孱惖拇怪狈植?，使得水體中藻類分布更加均勻，降低藻類在水體表層聚集的可能性，不易發(fā)生水華[14-17]. 較小的風(fēng)浪有利于水體中的藻類上浮和表層聚集，形成水華[18]. 而藍(lán)藻水華作為富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊的重要水環(huán)境問(wèn)題之一[19]，不僅會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)惡化而影響服務(wù)功能(如飲用水安全、水產(chǎn)養(yǎng)殖等)[20]，還會(huì)消耗水體溶解氧，從而影響水生生態(tài)環(huán)境[21]. 因此，風(fēng)浪這一淺水湖泊重要水動(dòng)力過(guò)程對(duì)于湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義.

時(shí)間維度上，短期內(nèi)風(fēng)浪的快速變化將會(huì)對(duì)底泥懸浮、內(nèi)源釋放和水中浮游植物變化產(chǎn)生影響. Moreno-Ostos 等[22]通過(guò)分析高頻獲取的風(fēng)速和表層浮游植物生物量發(fā)現(xiàn)，浮游植物變化對(duì)風(fēng)應(yīng)力短期變化的快速響應(yīng)尺度可以達(dá)到分鐘級(jí)別. Zhu 等[23]對(duì)太湖臺(tái)風(fēng)過(guò)程的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)促進(jìn)了底泥營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放和底棲浮游植物的懸浮，同時(shí)改變了水體的溫度和分層，促進(jìn)了有害微囊藻的生長(zhǎng)，最終在臺(tái)風(fēng)過(guò)后小風(fēng)浪時(shí)段藍(lán)藻不斷上浮至水面，導(dǎo)致藍(lán)藻水華的大面積暴發(fā). Qin等[24]通過(guò)遙感和在線觀測(cè)表明，水動(dòng)力條件是導(dǎo)致特殊風(fēng)場(chǎng)(臺(tái)風(fēng))過(guò)后藍(lán)藻水華短期內(nèi)出現(xiàn)的關(guān)鍵因素，隨著臺(tái)風(fēng)過(guò)后風(fēng)速逐漸減小，藍(lán)藻水華面積呈逐漸擴(kuò)大趨勢(shì). Wang等[25]建立了耦合流體力學(xué)和仿真模擬藻類遷移模型，模擬結(jié)果表明，風(fēng)引起的垂直混合和藻類自身的浮力可以分別在幾分鐘和幾小時(shí)內(nèi)改變?cè)孱惖姆植? 由此可見，風(fēng)浪短期內(nèi)的快速變化可以對(duì)淺水湖泊短期的沉積物再懸浮和藻類水華形成產(chǎn)生至關(guān)重要的影響.

本文以巢湖為例，開展風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪和水環(huán)境參數(shù)同步高頻觀測(cè)，獲得了2018年8月第14號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”和第18號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”過(guò)境巢湖時(shí)的風(fēng)浪和水環(huán)境變化情況，詳細(xì)分析了臺(tái)風(fēng)過(guò)境巢湖時(shí)(大風(fēng)速快速變化下)風(fēng)浪演化規(guī)律及其對(duì)湖泊水環(huán)境的影響特征，為準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)淺水湖泊中風(fēng)浪和環(huán)境對(duì)快速變化風(fēng)場(chǎng)的響應(yīng)規(guī)律提供參考.

圖1 巢湖流域及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置Fig.1 Lake Chaohu Basin and monitoring station

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

巢湖(31°43′28″～31°25′28″N，117°16′54″～117°51′46″E)，面積約780 km2，平均水深約2.69 m，平均水位8.37 m，位于長(zhǎng)江中下游，是我國(guó)第五大淡水湖. 巢湖流域內(nèi)平均風(fēng)速?gòu)?qiáng)度為4.1 m/s，歷史最大風(fēng)速為34.0 m/s；冬季盛行東北、西北風(fēng)，夏季盛行南風(fēng).

圖2 臺(tái)風(fēng)“摩羯”與“溫比亞”路徑圖Fig.2 Path of Typhoon Yagi and Rumbia

巢湖流域總面積為13486 km2，有13條主要支流直接流入，大部分集中在巢湖的西部，位于湖西南和西北的杭埠河和南淝河流量約占總?cè)牒髁康?8%，巢湖東部的裕西河是唯一的出湖河流(圖 1). 巢湖具有供水、調(diào)節(jié)氣候、維護(hù)生物多樣性等生態(tài)服務(wù)功能，此外還是周邊城市和農(nóng)村地區(qū)1000多萬(wàn)人的獨(dú)特飲用水源地，對(duì)巢湖流域的健康發(fā)展至關(guān)重要. 近年來(lái)，巢湖因其特殊的重要性和富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題而受到極大的關(guān)注[26]. 盡管為恢復(fù)巢湖水質(zhì)付出了巨大努力(如入湖河流生態(tài)修復(fù)工程和當(dāng)?shù)匚鬯幚砟芰Ω纳乒こ?，但2013年觀測(cè)到的總氮和總磷濃度已恢復(fù)到2.5和0.15 mg/L，接近1980s的水質(zhì)水平，2013年之后，總氮和總磷濃度沒有大幅下降，尤其是在湖泊西部[27].

1.2 觀測(cè)時(shí)間

2018年8月，臺(tái)風(fēng)“摩羯”和 “溫比亞”經(jīng)過(guò)巢湖流域，隨之而來(lái)的大風(fēng)、強(qiáng)降雨等氣象過(guò)程在巢湖湖面上出現(xiàn)，劇烈的大風(fēng)天氣在巢湖引起很強(qiáng)的風(fēng)浪過(guò)程，會(huì)對(duì)巢湖水環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響. 其中臺(tái)風(fēng)“摩羯”于8月13日12:00-15:00從巢湖東北部掠過(guò)，臺(tái)風(fēng)“溫比亞”于8月17日16:00-21:00從巢湖南部掠過(guò)，其路徑如圖2所示.

1.3 氣象監(jiān)測(cè)和風(fēng)浪觀測(cè)

在巢湖西湖心中間3 m高平臺(tái)上布置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)位(圖 1)，觀測(cè)指標(biāo)為：風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、大氣溫度. 采用太陽(yáng)能與蓄電池供電，可保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定工作. 其中風(fēng)速傳感器分辨率為0.1 m/s，測(cè)量范圍為0～60 m/s；風(fēng)向傳感器分辨率為1°，測(cè)量范圍為0～359°. 每10 min記錄1次2 min平均風(fēng)速風(fēng)向. 溫度探頭分辨率為0.1℃，測(cè)量范圍為-50～80℃. 降雨傳感器分辨率為0.2 mm，測(cè)量范圍為0～999.9 mm. 數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為10 min.

在西湖心中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)位(圖1)布置波浪儀. 采用Valeport公司的Midas DWR(Directional Wave Recorder)波浪儀觀測(cè)，該波浪儀具有高精度(0.04%)、高分辨率的特點(diǎn)(0.0025%)，自帶64 M閃存. 儀器布置于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位湖底，采樣頻率設(shè)置為4 Hz，一次采樣數(shù)量為2048，記錄8.4 min湖面波面過(guò)程，采樣時(shí)間間隔為30 min，每次采集約720個(gè)風(fēng)浪波面過(guò)程，可獲得有效波高Hs、最大波高Hmax、平均周期Taver、譜峰周期Tp、譜峰波向Pk,dir和平均波向Mean_dir等波浪特征參數(shù).

1.4 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，采用浮船式水站，該數(shù)據(jù)由中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站實(shí)時(shí)在官方網(wǎng)站進(jìn)行發(fā)布(http://www.cnemc.cn/). 本研究中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位位于西湖心(圖 1)，水樣取水口深度為0.5～1.0 m. 水溫采用熱電阻方法獲得，pH通過(guò)玻璃電極法得到，溶解氧濃度通過(guò)熒光法獲得，濁度利用光散射法獲得，氨氮濃度通過(guò)水楊酸分光光度法獲得，總磷濃度通過(guò)鉬酸銨分光光度法獲得，葉綠素a濃度和藻密度通過(guò)熒光法獲得. 其中水溫、pH、溶解氧、濁度、葉綠素a和藻密度的監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為1 h，氨氮、總磷的監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為4 h，由于總氮數(shù)據(jù)缺失，此處未分析總氮指標(biāo).

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)場(chǎng)變化規(guī)律

從臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間西湖心湖面風(fēng)場(chǎng)矢量變化情況(圖3)可以看出，臺(tái)風(fēng)“摩羯”和“溫比亞”過(guò)境時(shí)，均在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位湖面引起劇烈的風(fēng)速變化. 其中臺(tái)風(fēng)“摩羯”于2018年8月13日12:40位于巢湖西北處，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)在西湖心監(jiān)測(cè)點(diǎn)位湖面引起了11.3 m/s的北西北大風(fēng)，隨著臺(tái)風(fēng)逐漸掠過(guò)巢湖向北運(yùn)動(dòng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位風(fēng)速逐漸減小，風(fēng)向逆時(shí)針逐漸轉(zhuǎn)為南向和東南向； 2018年8月17日15:00-24:00間，臺(tái)風(fēng)“溫比亞”從巢湖東側(cè)經(jīng)巢湖南部地區(qū)行進(jìn)到巢湖西側(cè)，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位湖面產(chǎn)生了風(fēng)速超過(guò)18.6 m/s的大風(fēng)，在此期間，風(fēng)向由西北向順時(shí)針轉(zhuǎn)為東南向，湖面風(fēng)場(chǎng)變化更為劇烈，風(fēng)向呈現(xiàn)順時(shí)針快速變化特征，與臺(tái)風(fēng)“摩羯”過(guò)境時(shí)的逆時(shí)針快速變化特征有顯著區(qū)別.

圖3 2018年8月臺(tái)風(fēng)“摩羯”和“溫比亞”過(guò)境巢湖期間氣象觀測(cè)站風(fēng)矢量變化情況Fig.3 Changes in wind vector at the monitoring station when Typhoon Yagi and Rumbia passed through Lake Chaohu in August of 2018

圖4 臺(tái)風(fēng)“摩羯”過(guò)境巢湖時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位有效波高同步風(fēng)速變化情況(kHs為有效波高變化速率)Fig.4 Synchronous changes in significant wave height and wind speed at the monitoring station when Typhoon Yagi passed through Lake Chaohu (kHs represents the change rate of the significant wave height)

2.2 波高變化規(guī)律

從臺(tái)風(fēng)“摩羯”過(guò)境期間西湖心監(jiān)測(cè)點(diǎn)位處有效波高與風(fēng)速的同步變化情況(圖4)可以看出，有效波高隨風(fēng)速總體呈同步變化趨勢(shì)，隨著臺(tái)風(fēng)“摩羯”接近巢湖，風(fēng)速逐漸增大，有效波高同步增大. 2018年8月13日12:40，西湖心測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)“摩羯”期間最大風(fēng)速(12 m/s)，隨后風(fēng)速開始逐漸減小，但此時(shí)有效波高仍呈增大趨勢(shì)，2018年8月13日15:00達(dá)到最大(0.54 m)，即有效波高的增加時(shí)間較風(fēng)速的遞增時(shí)間滯后約2 h. 隨后，臺(tái)風(fēng)“摩羯”逐漸遠(yuǎn)離巢湖，風(fēng)速與有效波高均快速衰減，與臺(tái)風(fēng)接近前的增長(zhǎng)階段相比，有效波高衰減速度約為增長(zhǎng)速度的3倍，風(fēng)浪強(qiáng)度隨著風(fēng)速減弱快速衰減.

圖5 臺(tái)風(fēng)“溫比亞”過(guò)境巢湖時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位有效波高同步風(fēng)速變化情況(kHs為有效波高變化速率)Fig.5 Synchronous changes in significant wave height and wind speed at monitoring station when Typhoon Rumbia passed through Lake Chaohu (kHs represents the change rate of the significant wave height)

從臺(tái)風(fēng)“溫比亞”過(guò)境期間在西湖心監(jiān)測(cè)點(diǎn)位處有效波高與風(fēng)速的同步變化情況(圖5)可以看出，與“摩羯”期間相似，有效波高與風(fēng)速呈同步變化趨勢(shì). 2018年8月17日17:00-19:30期間，臺(tái)風(fēng)“溫比亞”中心位于巢湖南側(cè)，且最為接近巢湖，由于臺(tái)風(fēng)具有中心附近風(fēng)力較小的特點(diǎn)，導(dǎo)致西湖心測(cè)點(diǎn)處風(fēng)速在此期間有一突變(突然減小后又恢復(fù)較大值，見圖 5中黑色虛線橢圓框中)規(guī)律，相應(yīng)地有效波高也在此期間出現(xiàn)突變現(xiàn)象. 隨后臺(tái)風(fēng)“溫比亞”中心開始遠(yuǎn)離巢湖，受臺(tái)風(fēng)外圍高風(fēng)速影響，測(cè)點(diǎn)處仍保持著高風(fēng)速，相應(yīng)地有效波高呈現(xiàn)繼續(xù)增加規(guī)律，2018年8月17日20:30達(dá)到最大值(1.07 m). 隨著臺(tái)風(fēng)“溫比亞”越來(lái)越遠(yuǎn)離巢湖和其本身強(qiáng)度減小，風(fēng)速與有效波高均快速減小，與增長(zhǎng)階段相比，有效波高衰減速度為增長(zhǎng)速度的1.3倍.

兩場(chǎng)臺(tái)風(fēng)期間的有效波高變化情況表明，受臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)速快速變化，風(fēng)浪的有效波高隨風(fēng)速同步地快速變化，相較增長(zhǎng)階段，臺(tái)風(fēng)過(guò)境后，有效波高衰減速度較增長(zhǎng)階段的增長(zhǎng)速度更大.

2.3 波周期變化規(guī)律

平均波周期反映了波浪能量在頻率空間的平均分布情況. 圖 6為臺(tái)風(fēng)“摩羯”過(guò)境期間西湖心監(jiān)測(cè)點(diǎn)位處風(fēng)浪平均周期與風(fēng)速的同步變化情況. 風(fēng)速增長(zhǎng)階段，平均周期同步風(fēng)速增大而逐漸變大，平均周期的增長(zhǎng)時(shí)間較風(fēng)速增長(zhǎng)時(shí)間滯后約3 h，最大值為2.49 s. 隨著臺(tái)風(fēng)“摩羯”遠(yuǎn)離巢湖和強(qiáng)度減小，風(fēng)速快速衰減，平均波周期有所減小，衰減速度較增長(zhǎng)速度有所增加，約為其2.5倍. 與增加階段相比，風(fēng)速快速衰減，但平均周期并未隨風(fēng)速的衰減快速衰減下去，較有效波高隨風(fēng)速衰減的強(qiáng)度也有所降低. 這是因?yàn)橛行Рǜ咚p更多地由總能量衰減決定，而周期的衰減受不同頻率段能量衰減影響. 臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)能量的增加與衰減主要集中在低頻區(qū)域，臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)增加的能量再次衰減時(shí)，低頻部分能量只是部分衰減，并未像增加時(shí)那樣快速完全耗散掉，雖然低頻部分能量有部分保留下來(lái)，但總能量并沒有增加多少，但低頻保留部分的能量對(duì)平均周期變化的貢獻(xiàn)則會(huì)顯著體現(xiàn)，這反映在風(fēng)浪要素上就表現(xiàn)為有效波高能快速衰減下去，而周期衰減略微緩慢.

圖6 臺(tái)風(fēng)“摩羯”過(guò)境巢湖時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位平均周期(Taver)同步風(fēng)速變化情況(kTaver為平均周期變化速率)Fig.6 Synchronous changes in the average period (Taver) and wind speed at monitoring station when Typhoon Yagi passed through Lake Chaohu (kTaver represents the change rate of the average period)

圖7為臺(tái)風(fēng)“溫比亞”過(guò)境期間西湖心監(jiān)測(cè)點(diǎn)位風(fēng)浪平均周期與風(fēng)速的同步變化情況. 與臺(tái)風(fēng)“摩羯”期間的變化相似，平均周期(r=0.733,N=73)與風(fēng)速呈現(xiàn)明顯的同步變化規(guī)律. 2018年8月17日17:00-19:30期間，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位處風(fēng)速的突變(突然減小后又恢復(fù)較大值，見圖 7中黑色虛線橢圓框內(nèi))引起了明顯的平均周期突變過(guò)程. “溫比亞”過(guò)境后，平均周期衰減速度與增長(zhǎng)速度較為接近，整體與風(fēng)速同步地衰減下去. 從變化趨勢(shì)看，平均周期的增長(zhǎng)時(shí)間較風(fēng)速增長(zhǎng)時(shí)間滯后約1 h.

圖7 臺(tái)風(fēng)“溫比亞”過(guò)境巢湖時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位平均周期(Taver)同步風(fēng)速變化情況(kTaver為平均周期變化速率)Fig.7 Synchronous changes in the average period (Taver) and wind speed at monitoring station when Typhoon Rumbia passed through Lake Chaohu (kTaver represents the change rate of the average period)

與有效波高變化相似，臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)速的快速增長(zhǎng)與衰減過(guò)程同樣帶來(lái)了平均周期的快速變化，但相較有效波高隨風(fēng)速增長(zhǎng)與衰減過(guò)程，平均周期更為穩(wěn)定，尤其是衰減階段，這種穩(wěn)定性更為明顯.

2.4 水環(huán)境對(duì)風(fēng)浪變化的響應(yīng)規(guī)律

臺(tái)風(fēng)“摩羯”和“溫比亞”過(guò)境巢湖時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)浪與水環(huán)境同步變化情況如圖8所示.

圖8 臺(tái)風(fēng)“摩羯”與“溫比亞”過(guò)境巢湖前后有效波高、平均周期、氣溫、降雨量、水溫、水體pH、 溶解氧、濁度、氨氮、總磷、葉綠素a以及藻密度同步變化情況Fig.8 Synchronous changes in the significant wave height, average period, air temperature, rainfall, water temperature, pH, dissolved oxygen, turbidity, NH3-N, TP, chlorophyll-a and algal density before and after Typhoon Yagi and Rumbia passing through Lake Chaohu

臺(tái)風(fēng)過(guò)程常伴有大雨降雨，“摩羯”與“溫比亞”過(guò)境時(shí)，均在監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到了強(qiáng)降雨和降溫過(guò)程，臺(tái)風(fēng)過(guò)程時(shí)，常規(guī)的氣溫波動(dòng)過(guò)程(早上4:00-8:00氣溫最低，下午12:00-17:00氣溫最高)遭到破壞. “摩羯”雖然強(qiáng)度較小，但由于經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間為12:00-15:00之間，直接破壞了監(jiān)測(cè)點(diǎn)當(dāng)天的高溫歷程，溫度驟降約6℃，同時(shí)伴有大的降雨過(guò)程，而后隨著“摩羯”遠(yuǎn)離，氣溫波動(dòng)過(guò)程和幅度快速恢復(fù)到常規(guī)日變化特征，“摩羯”帶來(lái)的氣象影響快速消散；“溫比亞”過(guò)境巢湖時(shí)間為8月17日16:00-22:00，過(guò)境前1日(8月16日)巢湖已經(jīng)經(jīng)歷了一個(gè)強(qiáng)降雨過(guò)程，日溫度波動(dòng)現(xiàn)象已減弱，待強(qiáng)度較大的“溫比亞”過(guò)境時(shí)，大風(fēng)和強(qiáng)降雨過(guò)程加上常規(guī)的日內(nèi)低溫階段，使得監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣溫保持在低位(25～26℃)，待“溫比亞”遠(yuǎn)離，低溫過(guò)程仍繼續(xù)保持，并持續(xù)到了8月18日10:00，而后日內(nèi)氣溫波動(dòng)現(xiàn)象開始恢復(fù)，但升溫強(qiáng)度較原有強(qiáng)度明顯降低(約3℃)，直到8月19日后“溫比亞”的影響才消散，表明“溫比亞”的氣象影響可持續(xù)2 d以上.

“摩羯”過(guò)境時(shí)，水體pH、水溫、溶解氧日內(nèi)波動(dòng)特征均消失，受氣溫下降和大風(fēng)浪水體混合作用，水溫由33℃逐漸下降至31.1℃，呈單邊下降趨勢(shì)，pH(平均值為9.39)和溶解氧濃度(平均值為8.76 mg/L)則維持在波動(dòng)的低位附近，濁度則由低位的27.7 NTU略升高至64.7 NTU，氨氮、總磷以及藻密度和葉綠素a濃度未見異常變化. “溫比亞”過(guò)境時(shí)，相較“摩羯”強(qiáng)度更大，不僅擾亂了水體pH、水溫和溶解氧的日內(nèi)波動(dòng)特征，還導(dǎo)致pH由9.19降至8.33，水溫由30.6℃降至28.4℃，兩者均下降顯著；溶解氧濃度由7.58 mg/L緩慢下降至5.49 mg/L，由于強(qiáng)烈的風(fēng)浪擾動(dòng)導(dǎo)致沉積物懸浮，濁度由77.5 NTU升高至535.2 NTU，后略下降至261.9 NTU，呈現(xiàn)顯著升高現(xiàn)象；同時(shí)總磷濃度由0.241 mg/L顯著升至0.589 mg/L. “溫比亞”過(guò)境后，隨著波高的降低，總磷快速回落至初始狀態(tài)，但濁度回落至過(guò)境前1倍以上(>165 NTU)后保持穩(wěn)定，且該狀態(tài)持續(xù)至臺(tái)風(fēng)過(guò)境后3 d. 而由于風(fēng)浪強(qiáng)烈混合引起藻類垂向混合，致使過(guò)境前高濃度(藻密度：315990 cells/L，葉綠素a：8.67 μg/L)的藻類快速降低至較小狀態(tài)(藻密度：156994 cells/L，葉綠素a：2.56 μg/L)，并維持在低位狀態(tài). 氨氮濃度在“溫比亞”過(guò)境前后有一快速增加而后減少的變化過(guò)程，但并未同步于有效波高的快速變化. 根據(jù)風(fēng)浪強(qiáng)度與水體上表層藻密度的同步變化(圖 8)可以進(jìn)一步說(shuō)明，強(qiáng)烈的風(fēng)浪過(guò)程使得淺水湖泊水體充分混合，從而抑制藻類在表面堆積[28-29]，當(dāng)表面發(fā)生堆積時(shí)，大風(fēng)浪過(guò)程可以快速地消除藻類表面聚集現(xiàn)象，從而避免藻類水華的暴發(fā). 對(duì)比“摩羯”與“溫比亞”的影響可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于由水表面突變進(jìn)而向水體內(nèi)部遞進(jìn)的因子(水溫、溶解氧濃度)，兩場(chǎng)臺(tái)風(fēng)過(guò)程時(shí)均有明顯的影響顯現(xiàn)(水溫均下降了2℃，溶解氧濃度均降低約2.0 mg/L). 而對(duì)于由湖底突變進(jìn)而向水體內(nèi)部遞進(jìn)的因子(濁度、總磷濃度)，則在“溫比亞”過(guò)境時(shí)有較明顯的呈現(xiàn)(濁度升高約7倍，總磷濃度升高2倍以上)，而“摩羯”期間該影響不顯著. 這可能是因?yàn)楸狙芯康乃协h(huán)境因子參數(shù)均為上層0.5～1.0 m深處數(shù)據(jù)，從兩場(chǎng)臺(tái)風(fēng)過(guò)程中上層水體濁度的變化可以推斷，由于“摩羯”強(qiáng)度小，由湖底再懸浮過(guò)程導(dǎo)致的環(huán)境變化未能較大程度地到達(dá)水體表面，因此未呈現(xiàn)出顯著變化，而“溫比亞”強(qiáng)度較大，引起的湖底沉積物再懸浮導(dǎo)致的濁度和總磷濃度升高已顯著傳遞到水體表面，因此呈現(xiàn)出顯著變化. 此外，風(fēng)向、降雨等過(guò)程不同也是引起雙方差異的因素(圖9). 由此表明巢湖水環(huán)境也呈現(xiàn)明顯的三維特征，分析時(shí)需要考慮沿水深垂向分布情況.

圖9 巢湖臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間和非臺(tái)風(fēng)期間營(yíng)養(yǎng)鹽、氣象因子和風(fēng)浪因子的主成分分析結(jié)果 (時(shí)間跨度為2018-08-09 12:00至08-31 23:00，其中箭頭表示各因子，圓點(diǎn)代表樣點(diǎn))Fig.9 Principal component analysis results of nutrients, meteorological parameters, and wind wave parameters during the typhoon periods and non-typhoon periods in Lake Chaohu (The time range was from 2018-08-09 12:00 to 08-31 23:00, where the arrows represent the parameters, and the dots represent sampling sites)

經(jīng)檢驗(yàn)得出，KMO值為0.752，且Bartlett檢驗(yàn)的P值小于0.0001，說(shuō)明原始數(shù)據(jù)之間有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，可以進(jìn)行主成分分析，如圖 9所示. 前兩個(gè)主成分分別解釋了36.6%和26.3%的環(huán)境因子變異性. PC1與濁度(0.864)、總磷(0.778)、風(fēng)速(0.694)、降雨量(0.261)、有效波高(0.808)和平均波周期(0.791)呈正相關(guān)，反映了臺(tái)風(fēng)期間高風(fēng)速導(dǎo)致的風(fēng)浪要素(波高、周期)變化對(duì)水質(zhì)有重要影響，引起了巢湖的理化特性變化，結(jié)合圖 8，可以看出臺(tái)風(fēng)期間當(dāng)風(fēng)浪達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，其擾動(dòng)會(huì)引起水體濁度增加，總磷濃度上升. PC1與水溫(-0.533)、溶解氧(-0.516)和氣溫(-0.595)呈負(fù)相關(guān)，臺(tái)風(fēng)期間降雨增加和氣溫降低，加上風(fēng)浪的強(qiáng)烈擾動(dòng)導(dǎo)致水溫降低，進(jìn)而引起溶解氧和pH下降. PC2與水溫(0.798)、pH(0.902)、溶解氧(0.762)、氣溫(0.539)和藻密度(0.684)呈正相關(guān). 這說(shuō)明常規(guī)氣象條件下，巢湖在無(wú)強(qiáng)風(fēng)浪擾動(dòng)情況下，水溫、氣溫和藻密度關(guān)系密切，表明溫度是影響藻類生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子之一. 臺(tái)風(fēng)期間和常規(guī)氣象環(huán)境期間環(huán)境因子存在明顯的差異，強(qiáng)烈的風(fēng)浪混合改變了水體固有的理化參數(shù)分布特征，擾動(dòng)了藻類常規(guī)的水體分布規(guī)律，風(fēng)浪強(qiáng)度的快速變化是造成這些差異的主要因子.

3 結(jié)論

本文基于實(shí)測(cè)手段，開展了臺(tái)風(fēng)“摩羯”和“溫比亞”過(guò)境大型淺水湖泊巢湖時(shí)風(fēng)浪和水環(huán)境同步高頻觀測(cè)，結(jié)果表明風(fēng)浪要素(波高和周期)可快速響應(yīng)風(fēng)場(chǎng)的快速變化. 風(fēng)速衰減階段，有效波高衰減速度較增長(zhǎng)階段的增長(zhǎng)速度更大，而平均周期則表現(xiàn)得更為穩(wěn)定.

水環(huán)境因子會(huì)快速響應(yīng)風(fēng)浪的快速變化過(guò)程，風(fēng)浪強(qiáng)度越大，這種響應(yīng)程度越顯著. 極強(qiáng)的風(fēng)浪擾動(dòng)會(huì)引起水體濁度增加，總磷濃度上升，藻類的強(qiáng)烈垂向混合，進(jìn)而導(dǎo)致特定深度處葉綠素a濃度降低. 風(fēng)浪強(qiáng)度越大，引起水體濁度變化的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng). 臺(tái)風(fēng)期間伴隨著水溫降低，會(huì)引起溶解氧濃度和pH下降. 強(qiáng)風(fēng)浪環(huán)境下，風(fēng)浪強(qiáng)度的快速變化會(huì)打破水體固有的理化參數(shù)變化規(guī)律，而風(fēng)浪強(qiáng)度大小是影響水體環(huán)境因子變化差異大小的主要因子.

致謝:感謝本研究團(tuán)隊(duì)王巖、崔健在野外觀測(cè)中給予的幫助.