基于ser和fvcom的珠江三角洲懸沙時空分布模擬

基于ser和fvcom的珠江三角洲懸沙時空分布模擬

1懸浮泥沙分布及變化規(guī)律杭州位于浙江省北部。港口、海灘和豐富的水產量。上海、寧波等經濟開發(fā)區(qū)環(huán)繞南北,經濟開發(fā)利用價值巨大。杭州灣地形特殊,具有潮大、流急、含沙量高等特點,而高濃度含沙水體對港口影響巨大。因此,掌握杭州灣海區(qū)懸浮泥沙的變化規(guī)律,無疑對海區(qū)以后的工程決策、區(qū)域地形演變、沉積侵蝕速率有著重要意義。多年以來,為了更加深入地了解杭州灣懸浮泥沙運動規(guī)律,很多學者以站點實測資料為基礎,探討了該海域懸沙變化問題。陳吉余等依托長江口南匯嘴的實測泥沙和流速資料,分析了長江口到杭州灣的泥沙輸移途徑;針對杭州灣內淺灘、島嶼等的泥沙變化規(guī)律其他學者也進行了分析。然而基于測船的實地調查,獲得的數據比較離散,很難了解整個灣內的懸浮泥沙分布及變化全貌。由于衛(wèi)星遙感具有覆蓋面積大、多次重訪的特點,有利于探測海域懸浮泥沙的連續(xù)分布和變化。早期,陳夏法利用NOAA衛(wèi)星影像對杭州灣懸浮泥沙進行了多實相的遙感分析;陳鳴等利用Landsat和NOAA遙感資料聯合監(jiān)測了杭州灣的懸浮泥沙。21世紀以來,更多學者采用了SeaWiFS、MODIS、MERIS海洋水色衛(wèi)星數據觀測杭州灣懸浮泥沙的分布。然而受衛(wèi)星重訪周期的限制,極軌衛(wèi)星遙感反演最多只能獲得每天某一時刻的懸沙分布,無法獲得一個潮周期時間內懸沙分布的變化過程。由于潮周期內的流速變化和水位變化是杭州灣懸浮泥沙濃度變化的主要影響因素,故結合連續(xù)時刻的懸沙遙感反演及衛(wèi)星成像時刻海區(qū)的潮流情況,可為杭州灣海區(qū)懸浮泥沙分布及變化規(guī)律的揭示開辟一個新的途徑。本文收集了覆蓋杭州灣海區(qū)每小時重訪的靜止軌道水色衛(wèi)星數據GOCI,利用Shen等半經驗輻射傳輸模型(SERT)反演杭州灣海域懸浮泥沙濃度;同時采用基于有限體積海洋數值模型FVCOM,模擬了衛(wèi)星成像時刻前后的杭州灣海域的潮流分布,綜合分析了杭州灣海域懸沙的濃度隨不同潮情和季節(jié)的變異特性。2潮時過程分析杭州灣是一典型喇叭型強潮河口,基本呈東西走向,全長85km,灣口連線(蘆潮港—鎮(zhèn)海)寬98.5km,灣頂連線(澉浦—西山)寬19.4km,海灣水域面積4800km2。杭州灣口至灣頂乍浦海底地形平坦,平均水深8~10m,北部沿岸有一長度約為60km的深槽,其水深一般為10~15m,局部地區(qū)水深達20~40m。杭州灣海區(qū)潮汐運動的基本能量來自西北太平洋,且以M2分潮起支配作用,潮汛性質屬于非正規(guī)半日潮。平均落潮歷時略大于漲潮歷時,從灣口蘆潮港到灣頂澉浦,平均潮差從3.21m逐漸增大到5.57m。圖1中為模擬得到的2011年4月5日0:00-13:00的流速、流向的逐時過程圖。如圖1所示,灣內漲落潮流為往復流性質,但漲落潮方向南北有所差別。在灣內中部和南部地區(qū),漲落潮流向基本呈NW-SE方向。在灣頂位置,出自錢塘江河口的落潮流,大部分過庵東淺灘轉向東南,小部分沿杭州灣北岸深槽向東北流向灣口,在金山沿岸附近變?yōu)檎龞|向,最后在長江口落潮流的影響下轉向東南。海區(qū)內漲潮流方向基本上與落潮流相反。3數據和方法3.1懸沙濃度遙感反演實驗GOCI(GeostationaryOceanColorImager)傳感器搭載于由韓國2010年7月發(fā)射的世界上第一顆地球靜止軌道水色衛(wèi)星CMOS(CommunicationOceanandMeteorologicalSatellite)。傳感器設計地面分辨率500m,可實現以36°N和130°E為中心、2500km刈幅、每天10景的拍攝任務,其中8景成像時間在白天,2景在夜晚(紅外)。白天的成像時間從地方時8:00-15:00每小時一次。表1列出了傳感器其他部分信息。本文收集了2011年4月5日、12日和8月19日的時間覆蓋為太陽高度角適中的9:00-14:00六個時刻共18景GOCI影像數據進行懸沙濃度的遙感反演。所選衛(wèi)星影像成像時刻的潮流條件包括了漲潮和落潮,時間分布覆蓋了洪、枯季。3.2方法3.2.1多譜轉換反演本文采用基于半經驗輻射傳輸模型(SERT)的懸浮泥沙遙感反演模型,其表達式如下其中Rrs為遙感反射率(也稱離水輻射反射率),Css為懸浮泥沙濃度,α、β為經驗參數。考慮到寬范圍懸沙濃度(如0.020~2.5g/L)下可能出現的遙感反射率飽和,Shen等通過敏感性分析提出了多波段轉換的反演方案,提出較低懸沙濃度(如<0.020g/L)下Rrs(555)敏感度較高,中等懸沙濃度(如<0.20g/L)下Rrs(660)敏感相對較高,Rrs(745)可反演高懸沙濃度(>0.20g/L),以提高寬范圍懸沙濃度的反演精度。GOCI的3個波段555nm、660nm、745nm轉換參數見表2。3.2.2數值模擬方法杭州灣海區(qū)島嶼眾多,岸線復雜多變,島嶼岸線對水流方向起到十分重要的誘導作用。根據實測資料,灣內島嶼間水流垂向變化明顯,存在明顯的三維特征,杭州灣海區(qū)獨特的地形和水動力特性對數值模擬方法的選擇提出了要求。本文采用三維無結構三角形網格有限體積的河口近海數值模式FVCOM(FiniteVolumeCoastalOceanModel),模擬杭州灣海區(qū)對應衛(wèi)星成像時刻的水位和潮流分布圖。FV-COM應用在杭州灣海域有兩個優(yōu)點:(1)計算網格為無結構的三角形網格,可以準確的擬合杭州灣區(qū)域多島嶼、多汊道地區(qū)的岸線;(2)三維模式,可模擬流速的垂向變化,模型驗證詳見參考文獻。4表層懸浮泥沙濃度利用SERT模型反演得到了2011年4月5日、4月12日和8月19日杭州灣海區(qū)表層懸浮泥沙濃度。限于篇幅,文中只列出了表示4月5日9:00-14:006個時刻的表層懸沙濃度反演結果和對應時刻的表層流場分布(圖2);4月12日、8月19日當日10:00的表層懸沙濃度反演結果(圖3)。5高時期沉積沉積物濃度的時空分布5.1聯合沙林濃度的趨勢周期變化5.1.1落潮時懸沙分布杭州灣海區(qū)含沙量隨漲落潮流的變化顯著。如圖2所示,杭州灣海區(qū)含沙量分布由北向南逐漸增加,且在灣口北部和庵東灘地前緣海區(qū)存在兩個明顯的高含沙量區(qū)。這與杭州灣漲落潮流流路基本吻合。在4月5日9:00-14:00期間,杭州灣灣內整體處于大潮漲潮中期到落潮初期階段,如圖2中潮流部分所示,由于灣口南部舟山島嶼的層層阻隔,杭州灣北部作為漲潮流的主要通道,水位抬升過程明顯快于南岸。經南匯嘴進入杭州灣北岸水域的長江下泄泥沙,受NW向漲潮流的頂托沿杭州灣北岸向灣頂輸運。落潮時,錢塘江落潮流大部沿南岸而出,在庵東淺灘前緣,水流輻散,在潮流和風浪作用下,平均含沙量達到2.5g/L,而后在偏南落潮流的作用下向灣口運移。用反演得到的每個時刻的懸沙濃度減去上個時刻的反演結果,可得到不同時刻間整個杭州灣海域的懸沙凈變情況。在4月5日的結果中,有一明顯的凈增水團在靠近杭州灣北岸邊向灣頂位置移動。在4月12日的結果中,隨著落潮流的不斷增大,杭州灣南岸懸沙濃度不斷增加。這形成了杭州灣懸沙類似于“ue01b”形的北進南出的基本格局。漲落潮流流路主要影響了杭州灣泥沙的整體運移趨勢,而漲落潮流速的變化控制了懸沙濃度的變化趨勢。如在4月5日的反演結果中,在圖1中灣口P5點位置,當漲潮流速由1.47m/s降到0.42m/s時,對應的懸沙濃度從1.66g/L減小到0.72g/L。灣頂P13點位置,漲潮流速由1.64m/s下降到0.68m/s時,懸沙濃度從2.64g/L降低到1.24g/L;在4月12日的反演結果中,在P5點,當落潮流速從0.55m/s增加到0.9m/s時,懸沙濃度從0.117g/L增加到0.226g/L;灣頂P13點,當落潮流速從0.53m/s增加到1.05m/s時,懸沙濃度從0.106g/L增加到0.293g/L。在杭州灣海域,漲落潮流的變化是該海區(qū)懸沙分布變化的主要影響因素。其中,漲落潮流向主要影響潮周期內懸沙的整體分布,表現為漲潮時,泥沙沿北岸向灣頂運移,落潮時,泥沙隨流沿南岸向灣口運移;流速的變化控制了懸沙濃度的總體趨勢變化,表現為由潮流作用引起的泥沙再懸浮,在流速大小變化時導致的泥沙濃度的差異。5.1.2大小潮周期懸沙分布對比圖2(b)與圖3(a),杭州灣懸浮泥沙濃度大潮明顯大于小潮。由圖1中所示的14個站位的大潮平均懸沙濃度為1.115g/L,小潮僅為0.295g/L,這顯然與大小潮的流速變化有關。表3列舉了圖1中所示14個站位枯季大小潮的平均懸沙濃度及其比值與相應的平均最大流速及其比值?？傮w上,大、小潮的懸沙濃度的平均比值為3.8:1,平均最大流速比值為1.75:1,即流速增加1倍含沙量約增加2.2倍。因此,大小潮周期懸沙濃度的變化與潮流流速的變化之間關系密切。這與陳吉余等在分析實測資料的基礎上得到的結論是基本一致的?？v觀整個杭州灣內的懸沙濃度分布,不同位置的變化也比較大。在靠近灣頂及庵東淺灘位置,由于水流輻散,在水流及風浪的作用下懸沙濃度一直處于較高水平,而在灣頂群島海域,由于島嶼間峽道作用的影響,懸沙濃度變化迅速且多樣。5.2洪季海上泥沙主要來源對比反演得到的4月5日與8月19日同處于漲潮階段的懸沙濃度分布,杭州灣海域枯季懸沙濃度明顯大于洪季。表4給出了兩天10:00時14個點位的懸沙濃度。整個杭州灣海區(qū)的懸沙濃度分布如圖3所示,在枯季,平均80%的區(qū)域懸沙濃度大于0.8g/L,且最大值大于2g/L;在洪季,平均60%的區(qū)域懸沙濃度大于0.06g/L,但最大值小于0.8g/L。杭州灣海域處于長江口入海徑流所攜帶泥沙的擴散范圍,其泥沙來源主要為長江口徑流輸沙和潮流攜帶來的海域泥沙,后者的最初來源亦為長江口。長江入海泥沙的南向輸運也具有明顯的季節(jié)性,即枯季南向輸運量較多,洪季輸運量較少。但杭州灣海區(qū)高懸沙濃度主要由潮流和風浪作用導致的泥沙再懸浮引起。以灣內灘滸為例,其全年平均泥沙再懸浮率為91.7%,枯季4月泥沙再懸浮率高達97.2%,遠高于洪季8月的76.3%。杭州灣海區(qū)位于季風區(qū)域,全年風浪作用明顯,且冬半年平均波高大于夏半年?？菁緩妱诺娘L浪擾動和潮流導致的泥沙再懸浮和垂向懸沙混合作用相較于洪季大大增強,因此,由潮流和風浪作用引起的泥沙再懸浮作用導致了杭州灣海域冬季懸沙濃度明顯大于夏季,這一結論在其它有關文獻中也有證實。6懸沙分布隨漲落潮變化的影響利用基于半經驗輻射傳輸模型(SERT)的懸浮泥沙遙感反演模型和三維、無結構三角形網格、有限體積的河口近海數值模式FVCOM,綜合了靜止軌道衛(wèi)星遙感大范圍高頻率覆蓋與水動力精確模擬的優(yōu)勢,揭示了杭州灣海域懸浮泥沙的時空變化規(guī)律:(1)漲落潮流流速和流向變化是杭州灣海區(qū)懸沙分布隨漲落潮變化的主要影響因素:表現為漲潮時,泥沙沿北岸向灣頂運移,落潮時,泥沙隨流沿南岸向灣口運移;流速的變化控制了懸沙濃度的總體趨勢變化,表現為隨著漲落潮流速的變化引起的泥沙再懸浮導致的泥沙濃度差異。(2)潮流月周期變化引起的潮流流速的差異,導致大小潮周期懸沙濃度變化顯