夏季风下的太湖风场-流场野外观测研究

丁文浩,秦伯强,吴挺峰,王 汗,3,许王辰,4

(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京 210008;2.中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049; 3.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098; 4.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116)

太湖(湖心坐标:31.167°N, 120.151°E)位于长江三角洲地区,水位3.0 m时,水面面积为2 338.1 km2,是我国第三大淡水湖[1],也是一个典型的大型浅水湖泊。20世纪末以来,太湖水体富营养化问题日渐突出,引起国内外学者的广泛关注[2-6]。研究表明,湖流引起的物质迁移,是影响水体富营养化在不同湖区分布的重要物理因素[7-9]。

图1 监测点位分布Fig.1 Distribution of monitoring sites

多年来,国内外学者对太湖湖流进行了广泛研究,其中主要研究方式包括野外观测和数值模拟。1960年,中国科学院南京地理与湖泊研究所主持了太湖野外调查,对太湖湖流进行了为期25 d的野外观测,最早获得夏季风下太湖水域的流场分布状况[10]。受野外观测条件限制,对太湖湖流的野外观测多集中在某一片区。1998年,秦伯强等[11]利用声学多普勒测流剖面仪(ADCP)在梅梁湾湖进行长时间野外定点监测,掌握了夏季风下梅梁湾的湖流特征。2016年,王建威等[12]对太湖风生流的垂向切变规律开展了观测研究。另外,国内诸多学者对太湖湖流展开了模拟研究[13-21]。但是针对全湖区域的实地观测尚未有开展。野外观测数据的不足,严重限制了人们对自然条件下太湖湖流的认知。

本文研究开展于2015年7月14日至8月15日,选取6个观测点(图1)分别放置一台声学多普勒测流剖面仪(ADCP)进行三维流速的高频(30 min/次)测定,结合上方山 (SFS)、太湖站(THZ)、平台山(PTS)和竺山湾(ZSW)气象站的风场数据,多方位观测气象场和流场,旨在研究太湖夏季风场特征,分析对应风场背景下的湖流特征,以及整个太湖夏季风与流场之间的关系。

1 数据来源与分析方法

1.1 数据获取与站点分布

在综合太湖形状、风场预估、以及前人对湖流研究等条件的基础上,进行观测点布置。采用型号为Vaisala气象变速器WXT520风速风向仪观测风场,采样频率为5 min/次。采用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)观测流场,座底式观测,除去仪器高(17 cm)和盲区(30 cm),从底层至表层,每层40 cm,设置9层(最终有效数据为6层,定义最下层为下层,下层向上第3层为中层,最上层为上层),采样频率30 min/次。实现气象场和流场的定点、同步观测。

1.2 数据分析与处理

本文在数据分析方面主要采用风玫瑰图统计和时序风场、流场统计方法。对观测的风场、流场数据进行分级分方向处理。根据时序的相关性,通过同步角度差和方向差分析4个气象站点风场之间的相关性;同时,分析不同湖区湖流的上、中、下3层湖流的变化状态,以揭示观测期间全湖风场和流场的特征。利用以上分析结果,分级(主要以速度为标准)分析不同风场背景下各个湖区流场的响应状况,进而揭示整个观测期间的湖流状态。

2 结果与讨论

2.1 风场特征

图2 4个气象站的风玫瑰图Fig.2 Wind roses from 4 meteorological stations

由图2可知,观测期间的风场具有以南风为主导风向的夏季风特征,4个气象站中偏南风分别占72.94%、67.60%、77.5%和80.31%,其中东南风比率最大。SFS、THZ、ZSW、PTS观测到4 m/s以上风速分别占43.20%,30.69%,47.13%和47.84%,其中偏南风比率分别为89.41%、73.50%、80.98%和93.49%。

分析4个气象站的风场时序数据可知,观测期间太湖周围风场分布具有区域相对均匀性和全局不均匀性。在风向方面,THZ、ZSW、PTS这3个站点之间,出现风速越小风场越不均匀的变化趋势。当风速超过4 m/s,3个地区出现风向偏差小于22.5°的概率在75%左右,偏差小于45°的概率在90%左右,表明这3个地区之间的风向具有一定程度不均匀性;当风速小于4 m/s时,不均匀性较为显著,3个地区出现风向偏差小于22.5°的概率下降到65%左右,偏差小于45°的概率在85%左右,其中2 m/s以下的部分分别占40%和60%,表明风速对风场的均匀性具有一定的影响。从另一方面,风向之间差别在67.5°内的时段,除风速小于2 m/s,其他风速条件下比率均高于90%。另外,SFS站的风向与上述3个站点的风向之间呈现出较为明显的偏离(图3虚线部分),存在20°左右的固定偏差,且随着风速增加角度偏差越大,当地地形对这一现象具有一定的影响。当风向差逐渐扩大,SFS与其他站点的差别比率逐渐缩小。以上规律表明,在风向方面,不同点位风场之间具有一定的均匀性,在风速较小的情况下,均匀性较差;在风速超过4 m/s时,局地地形会对风场产生固定性的影响,如SFS站的风向偏离其他3个站点22.5°～45°。

图3 同时刻站点间风向角度差比率Fig.3 Rate of wind direction differences between stations at the same time

2.2 流场特征

6个观测点位流速小于10 cm/s的整体比率在90%以上,上层流速大于10 cm/s的比率较高(5%以上)。各个点位及其对应的不同水层流速的分布不尽相同:SW1流速大于10 cm/s的比率相对较大,且上层比率最大;SW3上、中、下层流速分布比较均匀;SW4和SW5上层流速大于10 cm/s的比率较大,上层与中、下层有较大分异;SW7的3层水流速度比率差异较大,上层流速大于10 cm/s的比率高于中层,中层高于下层,同时大于10 cm/s流速的比率均较大;SW8出现下层流速大于10 cm/s的比率大于上、中层的情况,但比率均比较小,最大比率不到3%。

在流向方面,如图4所示,各站点可分为有稳定主导流向 (SW1、SW5)和主导流向不明显 (SW3、SW4、SW7、SW8)2种类型。有稳定主导流向的站点中,SW1主导东向流(SE、ESE、E、ENE、NE),上、中、下层东向流比率分别为58.8%、57.4%、56.0%,上、中、下层主导流向相对一致;SW5主导北向流(NW、NNW、N、NNE、NE),上、中、下层北向流比率分别为54.0%、62.5%、59.7%,上层北偏东,中、下层北偏西。主导流向不明显的站点中,SW3上、下层主流向不一致,上层主导西北向(NW、WNW,22.4%)和东向流(E、ENE、ESE,25.2%),下层主导西北向(WNW、NW、NNW,28.1%)和西南向(SW、SSW,23.3%);SW4上层以东南向(SSE、SE、ESE,30.2%)为主,中、下层以西北向为主(NNW、NW、W、WNW,中层:35.5%,下层:42.4%),上层与中、下层湖流差异比较明显;SW7上层以东北向(NNE、NE、ENE,27.5%)和西南向(SW、WSW,18.2%)流为主,下层以东南向(E、ESE,16.8%)和北向(N、NNE、NNW,24.9%)为主,中层作为过渡层,以西向(SW、W、WSW,24.3%)和北向(N、NNE,22.4%)为主;SW8上层流场较弱,流向不稳,中、下层流场发育,流速超过上层湖流,流向以向西北向(中层:50.5%,下层:50.0%)为主。

图4 观测时段内各点位的不同分层流向比率Fig.4 Rates of wind directions in different layers from different stations

2.3 风场与流场之间的关系

2.3.1 特征风场的选取与分析

根据风速和风向的特征,分别选取7月20—22日、8月1—3日、8月7—9日3段3日连续相对稳定风场,作为低风速、中风速和高风速的代表,研究不同风速的稳定风场下,风场与湖流之间的作用关系。3个时段中4气象站点的风速、风向状况如图5所示。

根据3个气象时段的特征,分析了它们的参数特征,见表1。

图5 观测期间典型时段风场Fig.5 Wind conditions during three typical periods of monitoring stage

表1 特征时段的风场参数

2.3.2 特征风场下的湖流特征

考虑风场直接作用在水体表面,对上层水流影响较大,选取3个特征风场背景下的上层流速,分析风场对湖流作用。由图6可知,各站点上层流速比率过程线随着风速增加,比率峰值逐渐偏向大流速段。如SW3,低风速阶段,湖流流速比率随着流速增加而逐渐减小,比率峰值出现在0～2 cm/s流速段;中风速阶段,湖流流速比率随着流速增加先增加后逐渐减小,其比率峰值出现在2～4 cm/s流速段;在高风速阶段,湖流流速比率随流速增加先增加后减小,比率峰值出现在6～8 cm/s流速段。这表明上层流速随着风速的增加,高流速的湖流比率增加,即风速的加大,直接导致上层流速增加。

图6 不同风场下上层湖流流速比率分布Fig.6 Rate distribution of velocity in upper layers of different stations

综合各个站点不同风场下的湖流状况,可以看出湖流的分布与风场的变化有关。风速较大的情况下,西部湖区形成较为稳定的逆时针环流;风速较小的情况下,西部环流不明显,多出现上下分层的湖流,在站点SW4、SW3和SW7表现明显。

观测数据分析出的结果,反映了太湖实际流场分布状态。多数时间,太湖风场风力较小且不稳定,无以形成稳定环流,这在一定程度上增加了湖泊内部流场的复杂性,为确定各个湖区湖流运动状态增加了难度。从另一个角度看,在低风速条件下,虽然无法形成稳定环流,但在某些区域上层流相对稳定,在时段平均风速低于2.0 m/s的小风情况下,蓝藻更容易在水体表面积聚[22],上层湖流的流动状态,对于蓝藻堆积区的预测具有重要作用。在时段平均风速为中高风速条件下,蓝藻在表层的积聚效应不明显,并随稳定湖流迁移,使蓝藻进行重新分布。因而,风场在弱风与强风之间转变的阶段是蓝藻重新分布的关键时期,后期的风速、风向对于蓝藻堆积区域的形成具有关键性的作用。

3 结 论

a. 太湖风场的分布具有不均匀性,表现在风向偏差和风速偏差,这种不均匀性随着风速变小而更加显著。

b. 流场方面,太湖在多数时间流速小于10 cm/s(本研究比率超过90%)。

c. 流场在不同风场下变化较大,风生流特征显著。在风速的不同阶段,湖流流速以及湖流分布均差别较大。在低风速(时段平均风速小于3.8 m/s)情况下,上、下层湖流流速、流向分异显著,在高风速(时段平均风速大于6.7 m/s)情况下,西部湖区发展为逆时针环流,流向分异较小。