潮滩上波高的时空变化及其影响因素——以长江三角洲海岸为例＊

陈燕萍，杨世伦＊，史本伟，李 鹏，2，朱建荣

（1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海200062；2.国家海洋局 东海标准计量中心，上海200080）

潮滩上波高的时空变化及其影响因素
——以长江三角洲海岸为例＊

陈燕萍1，杨世伦1＊，史本伟1，李 鹏1，2，朱建荣1

（1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海200062；2.国家海洋局 东海标准计量中心，上海200080）

于2009—2010年的不同季节在崇明东滩北部、中部、南部以及杭州湾北岸东段的芦潮港岸段，利用目前先进的SBE 26plus浪潮仪进行了多个潮周期的波浪观测。研究表明，观测期间潮周期平均风速为1.9～11.0m／s、最大风速为2.8～12.1m／s，各测点潮周期平均水深为0.28～2.12m，高潮位最大水深为0.37～3.19m，潮周期有效波高为0.03～0.45m，最大波高为0.08～1.59m。波高的时空变化受风速、风向、水深和岸滩坡度的综合影响。通常情况下，向岸风期间的波浪较大；风速、水深、岸滩坡度越大，潮滩上的波高也越大。空间上，岸滩坡度最小的崇明东滩中部（坡度0.6‰）测点波高和水深之间的相关性最好，岸滩坡度最大的芦潮港潮滩（坡度8.7‰）测点两者间的相关性最差。时间上，波高和水深之间的相关性与风速、风向的变化有关。因此，只有在潮滩坡度较小（例如＜1‰），风速、风向较为稳定时，波高和水深之间的显著正相关关系才存在。要了解某个潮滩的波浪特征，有必要利用先进的仪器进行系统的原位观测，而非简单地借助其它潮滩的波浪研究结果。研究推断，在向岸强台风和大潮高潮位阶段，崇明东滩中潮线附近的最大波高可达1.5～2.0m，芦潮港堤外潮滩的最大波高可达2m以上。

波浪；潮滩；潮间带；崇明东滩；长江三角洲

波浪是海岸环境中的重要动力要素之一。传播至岸边的波浪的大小是海堤设计中至关重要的参数。要深入了解潮滩（特别是开敞型潮滩）上的泥沙运动和滩面冲淤变化，必须考虑波浪和潮流的联合作用［1］。长期以来，由于观测仪器的局限和现场自然条件的困难，人们对潮滩上波浪的了解十分有限［2－4］。因此，潮滩波浪的知识亟待增加。

在“深水”条件下（波浪不“触底”），波浪的大小取决于风区长度、风速大小和风的持续时间等，而与水深无关。然而，在“浅水”条件下（水深小于1／2波长），波浪因底摩擦而衰减，水深对波浪的大小产生不同程度的影响［4］。Hir等在法国Marennes－Oléron湾的隐蔽型泥质潮滩（平均坡度1.3‰）上的观测结果表明，波高与水深之间存在显著的线性正相关关系［5］。最近，对崇明东滩中部一个观测断面的研究也发现波高与水深之间存在显著正相关关系，相关系数达0.92以上［6］。但是，类似的报道十分罕见。潮滩在世界上分布广泛、类型众多，其特征和环境（潮滩坡度、沉积物组成、风况、潮差、隐蔽或开敞条件等）各不相同［7－8］。因此，上述波高与水深之间的显著正相关关系是否普遍存在或在何种条件下存在，是一个有待研究的问题。这方面的研究对深化潮滩上波浪的认识具有重要意义。

本研究在长江三角洲选择了岸线走向和岸滩坡度不同的几个岸段的潮滩，进行多个潮周期波浪和水深的观测。鉴于波浪的能量取决于波高的大小（E＝1／8ρgH2，E为波浪能量，ρ为海水密度，g为重力加速度，H为波高）［9］，本研究重点研究潮滩上波高的时空变化及其影响因素。

1 研究区域概况

波浪和水深观测选择在崇明东滩和杭州湾北岸的芦潮港岸段。崇明东滩位于长江口崇明岛东部，面向东海，潮间带南、北宽度较小、中部宽度较大（最宽处7～8km）（图1a），目前是国家级湿地鸟类保护区，也是世界重要湿地名录之一。芦潮港位于杭州湾北岸东段，系长江三角洲南翼，由于中潮滩以上部分被围垦，加之近期海岸侵蚀［10］和水下岸坡较陡，滩潮宽度尚不足0.5km（图1a）。两地潮滩沉积物均以泥质为主，低潮滩可出现极细砂［11］。研究区潮汐为不正规半日潮。崇明东滩平均潮差约为2.5m，大潮潮差约为3.5m，历史最高潮位（相对于理论最低潮位）为5.2m；芦潮港平均潮差约为3.2m，大潮潮差约为4.2m，历史最高潮位为5.9m。长江三角洲多年平均风速为3.5～4.5m／s，最大风速达36m／s；三角洲前缘多年平均波高为1.0m，最大波高达6.2m［12－13］。潮滩上的波高随着风况和水深的变化而频繁变化，有效波高通常＜50cm，但风暴期间高潮位阶段可达1.5m［6］。

图1 研究区域示意图Fig.1 Sketch maps of the study area

2 资料来源和研究方法

于2009－09在崇明东滩中部、2010－07在崇明东滩北部（两个点）和南部的中潮线附近（图1b）、2009－12在芦潮港潮滩的一条横断面（图1c）（低潮线和中潮线之间五个点）上利用SBE 26plus浪潮仪（Wave and Tide Recorder）（美国SEA－BIRD公司生产）进行涨潮淹没期间的波浪和水深同步观测。第一、二观测时段从大潮延续至小潮；第三观测时段在大潮期间进行。该浪潮仪观测适合的最大水深是20m（分辨率0.2 mm，精度0.01%）。浪潮仪被水平地固定在滩面上，压力探头距滩面15cm。设置的采样时间间隔10min，即每隔10min发1个脉冲，每个脉冲持续256s，采样频率为4Hz，即每10min采得1 024个数据。

浪潮仪记录数据的处理采用仪器公司配售的Seasoft for waves专用软件，得出的参数包含波浪个数、平均波高、平均波能密度、平均波周期、有效波高、有效波周期、1／10波高、1／100波高、最大波高和平均水深。平均水深是指10min期间压力探头到水面垂直距离各个记录数据的平均值；实际水深是水面至底床的垂直距离，即压力探头记录的水深加上探头距床面的距离（15cm）。本研究仅利用其中每隔10min的有效波高、最大波高和平均水深资料，通过线性回归方法分析水深和波高二者之间的相关性，相关系数R越接近1表示其相关性越好，显著性水平P＜0.001表示其相关关系极显著，P＜0.01表示其相关关系较显著，P＜0.05表示其相关关系显著，P＞0.05表示其相关关系不显著。潮滩波浪观测期间的风速资料分别来源于崇明东滩气象站和芦潮港气象站。

3 结果与讨论

3.1 潮滩波浪观测期间的风速

2009－09崇明东滩观测期间的潮周期平均风速为3.8～11.0m／s，潮周期最大风速为5.6～12.1m／s；2010－07崇明东滩观测期间的潮周期平均风速为1.9～6.9m／s，潮周期最大风速为2.8～7.9m／s；2009－12芦潮港潮滩观测期间的潮周期平均风速为4.2～6.7m／s，潮周期最大风速为5.1～7.7m／s（表1～5）。第一观测时段（2009－09）的平均风速明显大于研究区历史上的多年平均风速，后两个观测时段的平均风速与研究区历史上的多年平均风速相近［12－13］。

3.2 潮滩波浪观测期间的水深

观测点位置如图1c所示。C1点潮周期平均水深为0.41～1.12m，高潮位最大水深为0.61～1.75m；C2点潮周期平均水深为0.28～0.99m，高潮位最大水深为0.37～1.53m；C3点潮周期平均水深为0.38～1.71 m，高潮位最大水深为0.38～1.71m；C4点潮周期平均水深为0.38～1.46m，高潮位最大水深为0.81～2.34m；L1点潮周期平均水深为1.47～2.12m，高潮位最大水深为2.05～3.19m；L2点潮周期平均水深为1.38～2.06m，高潮位最大水深为1.88～3.02m；L3点潮周期平均水深为1.29～1.97m，高潮位最大水深为1.68～2.32m；L4点潮周期平均水深为1.19～2.02m，高潮位最大水深为1.58～2.72m；L5点潮周期平均水深为1.12～1.91m，高潮位最大水深为1.56～2.70m。

3.3 潮滩上的有效波高

崇明东滩北部中潮滩C1点的潮周期平均有效波高为0.05～0.27m，13个潮周期总平均有效波高为（0.16±0.07）m（表1，图2a）；同期崇明东滩北部中潮滩C2点的潮周期平均有效波高为0.07～0.29m，13个潮周期总平均有效波高为（0.17±0.07）m（表2，图2b）；崇明东滩南部中潮滩（C4点）的潮周期平均有效波高为0.15～0.45m，15个潮周期总平均有效波高为（0.26±0.09）m（表4，图2d）。可见，C1和C2点的有效波高相近，这与它们具有相近的岸线走向（图1）和岸滩坡度（均1.1‰）（表1～2）有关。而C4点有效波高明显大于C1和C2点，除了与岸滩坡度较大（2.7‰）（表4）有关外，还与观测期间（7月）盛行东南风（对于C4点而言为向岸风，而对于C1和C2点而言则为离岸—顺岸风）有关。崇明东滩中部中潮滩（C3点）潮周期平均有效波高为0.03～0.36m，12个潮周期总平均有效波高为（0.13±0.09）m。尽管中部C3点观测期间的风速明显大于北部的C1、C2点和南部的C4点观测期间的风速，且为向岸风（图2c），但有效波高与北部差别不大，而明显小于南部测点，其可能是由于中部的岸滩坡度极小（0.6‰）的缘故（表3）。

图2 风速、风向、波高和水深过程线Fig.2 Time series of wind speed，wind direction，wave height and water depth

表1 2010－07－11－17崇明东滩C1测点波高、水深、风速统计以及有效波高与水深相关关系参数表Table 1 Statistics of wave height，water depth and wind speed and parameters of correlation between significant wave height and water depth observed at site C1in the eastern flat of Chongming during July 11to 17，2010

表2 2010－07－11－17崇明东滩C2测点波高、水深、风速统计以及有效波高与水深相关关系参数表Table 2 Statistics of wave height，water depth and wind speed and parameters of correlation between significant wave height and water depth observed at site C2in the eastern flat of Chongming during July 11to 17，2010

表3 2009－9－22—29崇明东滩C3测点波高、水深、风速统计以及有效波高与水深相关关系参数表Table 3 Statistics of wave height，water depth and wind speed and parameters of correlation between significant wave height and water depth observed at site C3in the eastern flat of Chongming during September 22to 29，2009

表4 2010－07－11－19崇明东滩C4测点波高、水深、风速统计以及测次有效波高与水深相关关系参数表Table 4 Statistics of wave height，water depth and wind speed and parameters of correlation between significant wave height and water depth observed at site C4in the eastern flat of Chongming during July 11to 19，2010

表5 2009－12－18－19芦潮港潮滩各测点波高、水深、风速统计以及测次有效波高与水深的相关性参数Table 5 Statistics of wave height，water depth and wind speed and parameters of correlation between significant wave height and water depth observed at all sites in the tidal flat of the Luchaogang Port during December 18to 19，2009

芦潮港潮滩横断面上5个点的有效波高十分接近，潮周期平均有效波高为0.17～0.25m，4个潮周期总平均有效波高为0.22～0.23m（表5）。与崇明东滩北部的两个点的观测相比，尽管芦潮港潮滩测点为离岸风（图2e～i），但因为岸滩坡度（8.7‰）和风速较大，所以波高较大；与崇明东滩中部测点相比，尽管芦潮港潮滩测点为离岸风且风速较小，但因为岸滩坡度大一个数量级，所以波高明显较大；与崇明东滩南部测点相比，尽管芦潮港潮滩测点岸滩坡度和风速较大，但因为是离岸风（相对于崇明东滩南部测点的向岸风），波高反而较小。

3.4 潮周期最大波高

潮周期内最大波高在C1点为0.18～1.03m，C2点为0.17～1.01m，C3点为0.08～1.39m，C4点为0.38～1.50m，芦潮港5个点为0.61～1.59m（表1～5）。崇明各点在不同的潮周期中，因风速和水深的差异，最大波高差异显著。在芦潮港各测点，因是离岸风，涌浪的成分较大，加之潮周期间的风速差异相对较小，故潮周期间最大波高差异相对较小。风暴天气下，潮滩上的波高可明显增大。例如，Yang等在崇明东滩东北部（本文C2和C3点之间）曾观测到1.5m的最大波高（近20m／s的向岸风速，大潮高潮时刻）［6］。

3.5 潮滩上的相对波高

相对波高（波高／水深）是衡量波浪作用于床底的重要参数，也是判断波浪是否破碎的重要指标。波高或水深一定时，相对波高越大，波浪与底床的摩擦越大。大部分波浪的破碎发生在相对波高为0.8～1.2［4］时。本研究潮周期平均相对有效波高在C1测点为0.11～0.39（13个潮周期总平均为0.23），C2测点为0.21～0.43（13个潮周期总平均为0.29），C3测点为0.09～0.30（12个潮周期总平均为0.17），C4测点为0.14～0.47（13个潮周期总平均为0.29），芦潮港5个测点为0.14～0.18（总平均为0.16）（表1～5）。法国Brouage隐蔽海湾潮滩上测得的相对波高通常＜0.15［5］，而本研究绝大多数相对波高＞0.16，崇明北部和南部相对波高甚至大多数＞0.2。这说明，开敞海岸潮滩的相对波高通常大于隐蔽海岸潮滩。但是，相对波高的概念只有在潮滩或近岸“浅水”（水深小于1／2波长）区域才具有重要意义。在“深水”条件下，波浪不能触及底床，引入“相对波高”的概念没有实际意义。例如，100m深处的2m波高和1 000m深处的2m波高，其相对波高相差10倍，但两种情况下波浪都对底床无太大作用，因而无可比性。

3.6 潮滩上波高的影响因素

3.6.1 风速风向的影响

1）风速的影响

当水深和风向一定时，风速相近，波高通常也相近。例如，表3中的潮周期2和5，平均水深分别为0.82和0.84m，最大水深分别为1.24和1.26m，均为向岸风，平均风速分别为6.0和6.3m／s，有效波高分别为0.17和0.19m。同样还有表5中的潮周期1和3。当水深和风向相近时，风速较大，波高通常也较大。例如，表1中的潮周期2和4，平均水深分别为0.41和0.52m，最大水深分别为0.66和0.83m，风向一致；但平均风速分别为6.8和2.7m／s，故有效波高分别为0.18和0.10m。同样还有表2和4中的潮周期2和4，表3中的潮周期1和3。

2）风向的影响

风向对开阔海域波浪的影响可以忽略不计，但对近岸波浪的影响却十分显著。虽然本研究没有同一观测断面或测点向、离岸风条件下波浪的对比，但不同断面／测点的资料也有助于说明风向对潮滩上波高的影响。例如，表4（崇明东滩南部测点）中的潮周期9和表5（芦潮港）中的L1测点的潮周期4，平均风速均为4.2 m／s，平均水深分别为1.26和1.47m，最大水深分别为1.93和2.05m（相近），但平均波高分别为0.35和0.17m，其主要原因可能是前者为向岸风，后者为离岸风。无疑，对于开敞海岸而言，向岸风风区明显长于离岸风风区。

3.6.2 岸滩坡度

其它条件相近的情况下，岸滩坡度越大，波高也越大。例如，C3点潮周期1与C4点潮周期11，水深（平均水深分别为1.12和1.08m，最大水深分别为1.71和1.69m）和风速（平均风速分别为4.8和5.5m／s，最大风速分别为6.8和6.4m／s）相近，均为向岸风，但因后者的岸滩坡度是前者的3.5倍，后者的波高是前者的2倍左右（表3～4，图2c～d），在坡度小的潮滩，波浪从深水向岸边传播的过程中经过长距离的底摩擦和能量损耗，到达岸边时波高很小。相反，在坡度大的岸段，潮滩窄，波浪到达岸边时能量损耗小，波高较大。

3.6.3 水 深

理论上，潮滩一般属于“浅水”环境，波浪向岸传播过程中能量逐渐损耗，波高随着水深的减小而降低。这种波高与水深之间的正相关关系在固定测点的时间变化中也能得到反映［5－6］。本研究观测发现，波高与水深之间可以存在极好的正相关关系，也可以无显著性关系，即两者间的相关系数可以从0到0.95以上（表1～5，图3）。图3a和图3b（C3点潮周期2，期间风速风向稳定）是波高与水深呈极好正相关的例子。涨潮阶段，波高随着水深的增大而增大；落潮期间，波高又随着水深的减小而减小。图3e和图3f（L3点潮周期1，期间风速逐渐增大）则是波高与水深无显著相关的例子，尽管水深变化很大，但波高 “我行我素”，变化很小。图3c和图3d（C4点潮周期3）是上述两种极端例子的过渡类型，但更接近后者。它只有在涨潮初和落潮末的浅水阶段有波高随水深增大（减小）而增大（减小）的现象，而在水深0.7～2.1m的潮周期大部分阶段，波高对水深的变化几乎没有响应。从4个岸段的对比看，波高与水深的相关性在崇明东滩中部的C3点最好，而在芦潮港各测点最差（表4～5），这可能与两岸段坡度的巨大差异（分别为0.6‰和8.7‰）有密切关系。

3.6.4 潮 流

潮流也是波浪变化的影响因素之一。长江口为中等潮汐的河口，潮流较强。尽管由于底床的摩擦，潮滩上的潮流流速明显小于岸外水域［4，14］，但对浪的影响仍不容忽视。波流相互作用的形式多种多样，根据辐射应力理论，在反向流中波变陡，而在顺向流中波变平［15－17］。也就是说，潮流对波浪的影响在涨潮和落潮阶段不同。这方面的研究目前仍是海洋动力学的前沿课题，国内外众多科研人员正通过各种物理模型、数学模拟等方法进行探究，这也是本研究下一步需深化的地方。

图3 有效波高和水深在淹没潮周期内的变化及其相关性的3种类型Fig.3 Three types of changes in significant wave height and water depth and their correlations

3.6.5 综合影响

潮滩上波高的时空变化通常由多种因素交织所致。例如，C3测点潮周期3的波高（有效波高0.36m，最大波高1.39m）明显大于潮周期2（有效波高0.17m，最大波高0.28m）和潮周期4（有效波高0.09m，最大波高0.12m），这不仅因为潮周期3的风速较大（潮周期2、3、4的平均风速分别是6.0，9.8和3.8m／s），还因为潮周期3的水深较大（潮周期2、3、4的最大水深分别是1.24，1.59和0.94m）（表3，图2c）。又如，C4测点的波高通常大于C1和C2测点，不仅与前者水深较大、岸滩坡度较大有关，还与观测期间前者盛行向岸风有关（表1～2和表4，图2a～b和2d）。有时影响因素间存在抵消效应。例如，C3测点潮周期10的向岸风平均风速高达11m／s，但因是在小潮阶段，测点最大水深只有0.38m，加之岸滩坡度极小，波浪在向岸传播过程中能量逐渐耗损，故最大波高只有0.06m。

4 结 语

现场观测期间的潮周期平均风速为1.9～11.0m／s，最大风速为2.8～12.1m／s；测点水深随着潮涨潮落和大、小潮而频繁变化，测点最大水深变化范围为1.53～3.19m。波高的时空变化受风速风向、水深和岸滩坡度的综合影响。通常情况下，向岸风和风速、水深、岸滩坡度越大，潮滩上的波高也越大。测得潮周期内平均有效波高变化范围为0.03～0.45m，潮周期内最大波高变化范围为0.08～1.59m。观测表明：波高和水深之间的显著正相关关系并不是潮滩上的普遍现象，只有在潮滩坡度较小（例如＜1‰），风速风向较为稳定的条件下，波高和水深之间的显著正相关关系才存在。平坦宽广的潮滩相对于陡而窄的潮滩更有利于波浪的衰减。根据波高与影响因素之间的关系推断，在向岸强台风（比如风速＞30m／s）和大潮高潮位阶段，崇明东滩盐沼前缘外潮滩的波高最大可达1.5～2.0m，芦潮港堤外潮滩的波高最大可达2m以上。潮滩波浪的这种频繁和剧烈的变化对于潮滩滩面冲淤和底栖生物具有重要影响。在大量现场波浪观测的基础上，可以根据潮滩的坡度、宽度、高程、岸线走向等建立不同风速、风向、潮位情境下的波高／波能预报和预警，这对海堤尤其是在高强度围垦背景下海堤向海一侧缺少盐沼植被掩护的潮滩的防护具有重要的现实意义。

致谢：崇明东滩国家鸟类保护区对我们在崇明东滩观测期间的支持！

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（王 燕 编辑）

Temporal and Spatial Variations in Wave Height Over Intertidal Mudflats and the Influencing Factors：A Case Study From the Yangtze River Delta

CHEN Yan－ping1，YANG Shi－lun1，SHI Ben－wei1，LI Peng1，2，ZHU Jian－rong1
（1.State Key Lab of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China；2.East center of ocean standard and metrology，SOA，Shanghai 200080，China）

Observations of waves in several tidal periods were carried out by means of advanced SBE 26plus Wave ＆ Tide Recorder in the northern，middle and southern parts of the eastern flat of Chongming and the Luchaogang Port section of the northern coast of the Hangzhou Bay in different seasons from 2009to 2010.The results show that during the observations，the tidal－period averaged wind speed is 1.9～11.0 m／s，with the maximum being 2.8～12.1m／s；the tidal－period averaged water depth ranges from 0.29m to 1.66mat all observation sites，with a maximal value being 0.37～3.19mat high water level；and the average significant wave height in the tidal period is 0.03～0.45m，with the maximum being 0.08～1.59 m.The temporal and spatial variations of the wave height are influenced mainly by wind speed，wind direction，water depth and tidal flat slope.Commonly，the waves are high during shoreward winds and the greater the wind speed，the water depth and the tidal flat slope，the higher the waves.Spatially，the correlation between the wave height and the water depth is the best in the middle part of the eastern flat of Chongming in which the slope（0.6‰）of the flat is the smallest.In the tidal flat of the Luchaogang Port，where the slope（8.7‰）of the flat is the largest，the correlation between the wave height and the water depth is the poorest.Temporally，the correlation between the wave height and the water depth is related to the variations of wind speed and direction.A prominently positive correlation occurs between the wave height and the water depth only at a small flat slope（e.g.＜1‰）and a stable state of wind speed and direction.From all these observations，it can be predicted that the maximal wave height may possibly reach to 1.5～2.0mover the eastern flat of Chongming and exceed 2mover the flat outside the bank of the Luchaogang port.

wave；tidal flat；intertidal zone；Eastern Chongming；Yangtze River delta

September 6，2011

P731.2

A

1671－6647（2012）03－0317－11

2011－09－06

国家自然科学基金——波流共同作用下的潮间带湿地沉积动力过程研究（41071014）；国家重点基础研究发展计划——气候变化影响下典型海岸冲淤过程及演变趋势（2010CB951202）；国家自然科学基金委员会创新群体项目——高浊度河口及其临近海域的陆海相互作用（41021064）；上海市科委科技项目——海底传感技术集成与数据处理（10dz1210505）

陈燕萍（1986－），女，浙江舟山人，硕士研究生，主要从事海岸过程方面研究.E－mail：chenai0812@163.com

＊通讯作者，E－mail：slyang@sklec.ecnu.edu.cn