2024年 第46卷 第2期
2024, 46(2): 1-13.
doi: 10.12284/hyxb2024025
摘要:
污水通常以射流的形式向海排放，其在海洋环境水体中的稀释过程是射流与波浪、潮流共同作用的结果。本文基于合理的假设条件，对射流运动的控制方程进行积分处理，结合波流环境下射流的结构特征，引入射流卷吸与拖曳力函数，结合必要的边界条件，形成封闭的控制方程组，建立波流环境下射流动量积分模型。通过与实验资料的对比分析可以看出，该模型可以准确模拟波流环境下射流在近区段的时均运动与稀释过程；相较于单一的横流作用，波流共同作用下射流对周边水体的影响范围更大，射流初始稀释能力更强。基于多个组次的动量积分模拟实验，通过无量纲分析与最小二乘拟合，建立了波流共同作用下射流轨迹中心线位置及最小稀释度的经验公式。相关成果可为排海污水环境影响评估提供快速、准确的分析手段。
污水通常以射流的形式向海排放，其在海洋环境水体中的稀释过程是射流与波浪、潮流共同作用的结果。本文基于合理的假设条件，对射流运动的控制方程进行积分处理，结合波流环境下射流的结构特征，引入射流卷吸与拖曳力函数，结合必要的边界条件，形成封闭的控制方程组，建立波流环境下射流动量积分模型。通过与实验资料的对比分析可以看出，该模型可以准确模拟波流环境下射流在近区段的时均运动与稀释过程；相较于单一的横流作用，波流共同作用下射流对周边水体的影响范围更大，射流初始稀释能力更强。基于多个组次的动量积分模拟实验，通过无量纲分析与最小二乘拟合，建立了波流共同作用下射流轨迹中心线位置及最小稀释度的经验公式。相关成果可为排海污水环境影响评估提供快速、准确的分析手段。
2024, 46(2): 14-27.
doi: 10.12284/hyxb2024001
摘要:
本文利用1993–2022年卫星高度计观测数据，分析苏拉威西海海面高度多频率季节内变化信号的时空特征，利用罗斯贝标准模理论给出动力解释。谱分析显示，苏拉威西海海面高度变化存在很强的30～90 d的季节内信号，其平均功率谱密度为半年内信号平均功率谱密度的13倍。这些季节内信号具有离散、不连续的谱峰周期，其中54.0 d和64.4 d的峰值最大，分别为30～90 d信号平均谱值的28倍和23倍。罗斯贝标准模态理论分析显示，近封闭的苏拉威西深海盆存在离散的罗斯贝标准模态。卫星高度计观测的季节内变化与罗斯贝标准模态结果的二维空间结构演化、周期以及西传速度一致，罗斯贝标准模态解的叠加呈现出与海面高度变化相似的方差分布，这说明苏拉威西海海盆的固有振荡是其季节内变化特征形成的重要机制之一。
本文利用1993–2022年卫星高度计观测数据，分析苏拉威西海海面高度多频率季节内变化信号的时空特征，利用罗斯贝标准模理论给出动力解释。谱分析显示，苏拉威西海海面高度变化存在很强的30～90 d的季节内信号，其平均功率谱密度为半年内信号平均功率谱密度的13倍。这些季节内信号具有离散、不连续的谱峰周期，其中54.0 d和64.4 d的峰值最大，分别为30～90 d信号平均谱值的28倍和23倍。罗斯贝标准模态理论分析显示，近封闭的苏拉威西深海盆存在离散的罗斯贝标准模态。卫星高度计观测的季节内变化与罗斯贝标准模态结果的二维空间结构演化、周期以及西传速度一致，罗斯贝标准模态解的叠加呈现出与海面高度变化相似的方差分布，这说明苏拉威西海海盆的固有振荡是其季节内变化特征形成的重要机制之一。
2024, 46(2): 28-39.
doi: 10.12284/hyxb2024019
摘要:
利用基于Argo的多套次表层温盐观测数据，本文分析了2004–2020年太平洋0～1 500 m海洋热含量的变化趋势。研究发现，太平洋海洋热含量在2013年出现长期趋势的转变。2013–2020年太平洋海洋热含量相对于2004–2012年快速增加，前者线性趋势达到约0.50 × 1022 J/a，显著高于后者。近期太平洋出现了快速增暖现象。2013–2020年间，太平洋海洋热含量线性增加趋势最大出现在北太平洋西部，其次是热带太平洋和北太平洋东部，而整个南太平洋海洋热含量呈略微减少趋势。在北太平洋西部，海洋热含量快速增加集中在黑潮延伸体海域，该增暖趋势很可能是由黑潮延伸体主轴北移引起的。值得一提的是，日本以南出现了局地海洋热含量减少趋势，该变冷趋势与黑潮大弯曲不断加深有关。在增暖趋势次之的热带太平洋，海洋热含量的快速增加很可能是由温跃层快速加深导致的。此外，太平洋快速增暖反映在海表高度快速升高之中。1 cm/a的海表高度线性趋势对应于0.11 × 109 J/(m2·a)的海洋热含量线性趋势。本研究揭示了全球变暖停滞结束以来太平洋快速增暖现象，加深了对近期太平洋热力状况的认识。
利用基于Argo的多套次表层温盐观测数据，本文分析了2004–2020年太平洋0～1 500 m海洋热含量的变化趋势。研究发现，太平洋海洋热含量在2013年出现长期趋势的转变。2013–2020年太平洋海洋热含量相对于2004–2012年快速增加，前者线性趋势达到约0.50 × 1022 J/a，显著高于后者。近期太平洋出现了快速增暖现象。2013–2020年间，太平洋海洋热含量线性增加趋势最大出现在北太平洋西部，其次是热带太平洋和北太平洋东部，而整个南太平洋海洋热含量呈略微减少趋势。在北太平洋西部，海洋热含量快速增加集中在黑潮延伸体海域，该增暖趋势很可能是由黑潮延伸体主轴北移引起的。值得一提的是，日本以南出现了局地海洋热含量减少趋势，该变冷趋势与黑潮大弯曲不断加深有关。在增暖趋势次之的热带太平洋，海洋热含量的快速增加很可能是由温跃层快速加深导致的。此外，太平洋快速增暖反映在海表高度快速升高之中。1 cm/a的海表高度线性趋势对应于0.11 × 109 J/(m2·a)的海洋热含量线性趋势。本研究揭示了全球变暖停滞结束以来太平洋快速增暖现象，加深了对近期太平洋热力状况的认识。
2024, 46(2): 40-51.
doi: 10.12284/hyxb2024007
摘要:
富稀土深海沉积物作为一种潜在矿产资源，近年来备受关注。研究发现，稀土元素（REY）和钇（Y）元素的富集过程很可能发生在沉积物−海水界面（SWI），但目前针对富稀土沉积物的早期成岩过程研究较少。本研究采集了东南太平洋富稀土海区两个站位的沉积物短柱，解析了REY在SWI的早期成岩过程及其对REY在沉积物中富集机制的影响。孔隙水中较低的Fe、Mn和较高的Mo、U、V浓度表明研究区沉积物处于氧化环境。对比底层海水中REY，孔隙水中的REY呈中稀土（MREE）富集特征。沉积物中REY的主要富集相态为磷酸盐相，而孔隙水中REY及其配分模式可能受控于沉积物中磷酸盐的含量。本研究表明，在稀土元素早期成岩过程中，原本与铁锰相等其他相态结合的REY重新进入到孔隙水中，最终被磷酸盐相吸附和埋藏，早期成岩过程是深海沉积物中REY富集的重要机制。
富稀土深海沉积物作为一种潜在矿产资源，近年来备受关注。研究发现，稀土元素（REY）和钇（Y）元素的富集过程很可能发生在沉积物−海水界面（SWI），但目前针对富稀土沉积物的早期成岩过程研究较少。本研究采集了东南太平洋富稀土海区两个站位的沉积物短柱，解析了REY在SWI的早期成岩过程及其对REY在沉积物中富集机制的影响。孔隙水中较低的Fe、Mn和较高的Mo、U、V浓度表明研究区沉积物处于氧化环境。对比底层海水中REY，孔隙水中的REY呈中稀土（MREE）富集特征。沉积物中REY的主要富集相态为磷酸盐相，而孔隙水中REY及其配分模式可能受控于沉积物中磷酸盐的含量。本研究表明，在稀土元素早期成岩过程中，原本与铁锰相等其他相态结合的REY重新进入到孔隙水中，最终被磷酸盐相吸附和埋藏，早期成岩过程是深海沉积物中REY富集的重要机制。
2024, 46(2): 52-63.
doi: 10.12284/hyxb2024015
摘要:
在发育复杂海底沙波的海域，对整个海域沙波几何参数空间分布规律的定量研究较为少见，且沙波复杂几何参数与环境变量的关联性尚未厘清。基于海南岛西部实测水深数据、沉积物粒度数据和流速数据，量化和提取了研究区的环境变量；并利用沙丘参数自动提取和分析方法计算了复杂海底沙波的形态参数，分析了沙波几何参数之间及其与环境变量的相关性。结果表明：研究区海底沙波形态特征复杂多变，平均波长范围为64～340 m，平均波高为0.39～4.13 m。波高与陡峭度、背流面平均角度存在强正相关性，波长与对称度之间存在强正相关性，沉积物中值粒径与背流面平均角度和波高之间存在较强正相关性。研究区海底沙波的发育特征受水深的影响较小。潮流作用下沉积物运移方式以推移质运移为主，海底沙波受到的侵蚀作用较弱；沙波演化以垂向生长和迁移为主，沙波波高增长优先于波长增大。在稳定潮流背景下，区域沉积物供应以及沉积物粒度均能影响海底沙波的规模。
在发育复杂海底沙波的海域，对整个海域沙波几何参数空间分布规律的定量研究较为少见，且沙波复杂几何参数与环境变量的关联性尚未厘清。基于海南岛西部实测水深数据、沉积物粒度数据和流速数据，量化和提取了研究区的环境变量；并利用沙丘参数自动提取和分析方法计算了复杂海底沙波的形态参数，分析了沙波几何参数之间及其与环境变量的相关性。结果表明：研究区海底沙波形态特征复杂多变，平均波长范围为64～340 m，平均波高为0.39～4.13 m。波高与陡峭度、背流面平均角度存在强正相关性，波长与对称度之间存在强正相关性，沉积物中值粒径与背流面平均角度和波高之间存在较强正相关性。研究区海底沙波的发育特征受水深的影响较小。潮流作用下沉积物运移方式以推移质运移为主，海底沙波受到的侵蚀作用较弱；沙波演化以垂向生长和迁移为主，沙波波高增长优先于波长增大。在稳定潮流背景下，区域沉积物供应以及沉积物粒度均能影响海底沙波的规模。
2024, 46(2): 64-78.
doi: 10.12284/hyxb2024021
摘要:
近年来自然过程和人类活动显著改变了黄河入海流路以及近岸地貌格局，而剧烈的地貌演变对近岸水动力环境的影响尚未得到充分研究。为厘清近30年来黄河三角洲近岸水文动力格局对地貌演变的响应过程，本文基于Landsat系列遥感影像和多期测深数据，分析了1992–2020年黄河三角洲岸线和地形变化，并采用TELEMAC-2D建立了多套覆盖整个渤海的数值模型，研究了地貌演变对黄河三角洲邻近海域潮汐动力的影响及其沉积效应。结果表明，黄河三角洲近岸冲淤格局呈现显著的时空异质性，分布多个淤积和侵蚀中心，且2000–2020年南侧老清水沟外侵蚀中心向南移动9.6 km，1992–2015年北侧刁口河口外侵蚀中心东移6.4 km。中长时间尺度黄河三角洲岸线和地形变化主导了潮汐动态，三角洲北部刁口河口近岸潮差减小，清水沟河口外潮差增大，5 m水深处的潮差变化增大幅度达0.27 m；黄河口近岸K1分潮振幅显著增加，M2分潮振幅明显减小，东营港附近无潮点向东迁移3.8 km。刁口河口和老河口外高流速区持续减弱，现行河口外逐渐发育形成另一高流速区，持续稳定的高流速区造成了水下三角洲的冲刷，南北侧高流速区沉积物粗化。
近年来自然过程和人类活动显著改变了黄河入海流路以及近岸地貌格局，而剧烈的地貌演变对近岸水动力环境的影响尚未得到充分研究。为厘清近30年来黄河三角洲近岸水文动力格局对地貌演变的响应过程，本文基于Landsat系列遥感影像和多期测深数据，分析了1992–2020年黄河三角洲岸线和地形变化，并采用TELEMAC-2D建立了多套覆盖整个渤海的数值模型，研究了地貌演变对黄河三角洲邻近海域潮汐动力的影响及其沉积效应。结果表明，黄河三角洲近岸冲淤格局呈现显著的时空异质性，分布多个淤积和侵蚀中心，且2000–2020年南侧老清水沟外侵蚀中心向南移动9.6 km，1992–2015年北侧刁口河口外侵蚀中心东移6.4 km。中长时间尺度黄河三角洲岸线和地形变化主导了潮汐动态，三角洲北部刁口河口近岸潮差减小，清水沟河口外潮差增大，5 m水深处的潮差变化增大幅度达0.27 m；黄河口近岸K1分潮振幅显著增加，M2分潮振幅明显减小，东营港附近无潮点向东迁移3.8 km。刁口河口和老河口外高流速区持续减弱，现行河口外逐渐发育形成另一高流速区，持续稳定的高流速区造成了水下三角洲的冲刷，南北侧高流速区沉积物粗化。
2024, 46(2): 79-92.
doi: 10.12284/hyxb2024017
摘要:
海滩养护作为一种广泛应用的软式海岸防护手段，可以有效缓解人工岛建设引起的海滩侵蚀问题。本文以海口湾人工岛波影区两侧养护海滩为例，基于补沙后两月一次的剖面地形和岸线监测数据，利用经验正交函数、数字岸线分析系统等方法，分析了海滩蚀淤变化特征及其控制因素。经验正交函数分析结果表明，前两个特征值方差总占比超过90%，可以反应海滩的主要时空变化。第一空间模态的极值区域位于滩肩外缘线至平均海平面之间，且波影区两侧养护海滩与波影区天然海滩演变模式存在显著差异，时间模态显示养护海滩在补沙后4个月变化最为显著，之后剖面变化减弱；第二空间模态显示台风对海滩剖面造成了一定影响，导致波影区海滩滩肩上的低洼位置由于泥沙淤积被填平。研究发现，海口湾养护海滩在人工岛影响下的演变特征可分为两个阶段，第一阶段是人工补沙的海滩剖面向平衡状态不断调整，平衡时间为4个月，该阶段以横向输沙为主；第二阶段是受人工岛的影响，形成由人工岛东西两侧向波影区运移的沿岸输沙，该阶段以纵向输沙为主。当前海口湾养护海滩岸线仍未达到平衡状态，未来人工岛后方波影区两侧海滩仍将不断蚀退，而波影区海滩将向海淤积约690 m，直至达到平衡稳定状态。本研究可为相似类型的海滩演变分析及保护修复提供一定的参考。
海滩养护作为一种广泛应用的软式海岸防护手段，可以有效缓解人工岛建设引起的海滩侵蚀问题。本文以海口湾人工岛波影区两侧养护海滩为例，基于补沙后两月一次的剖面地形和岸线监测数据，利用经验正交函数、数字岸线分析系统等方法，分析了海滩蚀淤变化特征及其控制因素。经验正交函数分析结果表明，前两个特征值方差总占比超过90%，可以反应海滩的主要时空变化。第一空间模态的极值区域位于滩肩外缘线至平均海平面之间，且波影区两侧养护海滩与波影区天然海滩演变模式存在显著差异，时间模态显示养护海滩在补沙后4个月变化最为显著，之后剖面变化减弱；第二空间模态显示台风对海滩剖面造成了一定影响，导致波影区海滩滩肩上的低洼位置由于泥沙淤积被填平。研究发现，海口湾养护海滩在人工岛影响下的演变特征可分为两个阶段，第一阶段是人工补沙的海滩剖面向平衡状态不断调整，平衡时间为4个月，该阶段以横向输沙为主；第二阶段是受人工岛的影响，形成由人工岛东西两侧向波影区运移的沿岸输沙，该阶段以纵向输沙为主。当前海口湾养护海滩岸线仍未达到平衡状态，未来人工岛后方波影区两侧海滩仍将不断蚀退，而波影区海滩将向海淤积约690 m，直至达到平衡稳定状态。本研究可为相似类型的海滩演变分析及保护修复提供一定的参考。
2024, 46(2): 93-106.
doi: 10.12284/hyxb2024013
摘要:
河口海岸潮滩湿地是一个复杂的生态系统，其地貌的形成和演变是水动力、泥沙输移和生物过程等多种因子相互作用的结果，特别是，探究潮滩生物过程并阐明其生物−物理效应是当前海洋科学领域研究的热点和难点。本文聚焦微生物生物膜，构建了耦合生物膜与水动力、沉积物输移、地貌演变的二维生物动力地貌模型，探究了生物膜在潮滩泥沙输移和地貌演变中发挥的作用。利用文献数据验证生物动力地貌模型，模型结果与文献数据吻合较好，表明所构建的模型可以较好地模拟出生物膜的增长规律及年际变化情况。结果表明，当水动力较弱时，在有生物膜作用的潮滩上，潮沟向陆侧延伸更充分，呈现出树杈状分布，潮间带区域的潮沟两侧分布有生物膜。通过对潮沟形态进行定量分析，发现生物膜的存在促进了潮沟数量增加，并向纵深方向发展，同时限制了其宽度的增加。相较于没有生物膜影响的潮滩，潮沟的平均深度增加，总面积减小，总长度增加，平均宽度减小，总体积增加。研究结果有助于加深对生物膜在潮滩地貌塑造中的作用机制认识，为海岸带保护与生态修复工程提供科学依据。
河口海岸潮滩湿地是一个复杂的生态系统，其地貌的形成和演变是水动力、泥沙输移和生物过程等多种因子相互作用的结果，特别是，探究潮滩生物过程并阐明其生物−物理效应是当前海洋科学领域研究的热点和难点。本文聚焦微生物生物膜，构建了耦合生物膜与水动力、沉积物输移、地貌演变的二维生物动力地貌模型，探究了生物膜在潮滩泥沙输移和地貌演变中发挥的作用。利用文献数据验证生物动力地貌模型，模型结果与文献数据吻合较好，表明所构建的模型可以较好地模拟出生物膜的增长规律及年际变化情况。结果表明，当水动力较弱时，在有生物膜作用的潮滩上，潮沟向陆侧延伸更充分，呈现出树杈状分布，潮间带区域的潮沟两侧分布有生物膜。通过对潮沟形态进行定量分析，发现生物膜的存在促进了潮沟数量增加，并向纵深方向发展，同时限制了其宽度的增加。相较于没有生物膜影响的潮滩，潮沟的平均深度增加，总面积减小，总长度增加，平均宽度减小，总体积增加。研究结果有助于加深对生物膜在潮滩地貌塑造中的作用机制认识，为海岸带保护与生态修复工程提供科学依据。
2024, 46(2): 107-116.
doi: 10.12284/hyxb2024003
摘要:
江苏海域作为全国海上风电重点建设海域，走向远海是未来发展的主趋势，外海开敞海域涌浪成分较多，海浪谱往往以双峰谱的形式出现，因此双峰谱海浪的谱型特征需要进一步深入研究，为海上施工提供参考依据。基于浮标测站2018年全年观测数据，经过异常值检验、双峰谱识别后得到1 223笔双峰谱数据，进而研究江苏海域波浪双峰谱谱型特征，对比不同典型双峰谱谱型并展开实测双峰谱的拟合，提出了修正谱宽参量，探究了修正系数、峰升高因子、谱宽参量间的依赖关系，得到了双峰谱拟合谱型表达式。结果表明：基于北大西洋海域提出Ochi-Hubble谱系及基于挪威海域提出的Torsethaugen谱并不适用于江苏海域双峰谱谱型，本文提出的双峰JONSWAP拟合谱具有自适应性，可以科学合理地描述江苏海域双峰谱谱型，并推广应用于不同风场、地形条件的海域中。
江苏海域作为全国海上风电重点建设海域，走向远海是未来发展的主趋势，外海开敞海域涌浪成分较多，海浪谱往往以双峰谱的形式出现，因此双峰谱海浪的谱型特征需要进一步深入研究，为海上施工提供参考依据。基于浮标测站2018年全年观测数据，经过异常值检验、双峰谱识别后得到1 223笔双峰谱数据，进而研究江苏海域波浪双峰谱谱型特征，对比不同典型双峰谱谱型并展开实测双峰谱的拟合，提出了修正谱宽参量，探究了修正系数、峰升高因子、谱宽参量间的依赖关系，得到了双峰谱拟合谱型表达式。结果表明：基于北大西洋海域提出Ochi-Hubble谱系及基于挪威海域提出的Torsethaugen谱并不适用于江苏海域双峰谱谱型，本文提出的双峰JONSWAP拟合谱具有自适应性，可以科学合理地描述江苏海域双峰谱谱型，并推广应用于不同风场、地形条件的海域中。
2024, 46(2): 117-130.
doi: 10.12284/hyxb2024011
摘要:
基于非静压模型SWASH，建立数值波浪水槽，通过设置有无红树林的对比实验，系统研究了波浪−红树林−直立堤相互作用时的水动力特性，并分析了波陡，相对水深，厄塞尔数，红树林长度、密度、特征直径等因素对直立堤堤前波高、迎浪面最大波压力的影响。研究结果表明：无红树林时Goda公式无法准确估算直立堤上的冲击荷载；在模型比尺为1∶10的数值实验中，2 m宽的堤前红树林可使波高衰减6%～45%，波压力衰减11%～74%，然而，在相对波高较大且红树林特征参数较小时会引起堤前波高增大4%～26%；在本文考虑的水力条件下，最大波压力随波陡减小而减小58%～93%，随相对水深增大而减小42%～72%，随厄塞尔数减小而减小87%～96%；堤前波高和波压力衰减率随红树林宽度、密度及特征直径的增加而非线性增加。研究结果可为进一步认识红树林的消浪效应及红树林生态系统与海堤组合的海岸防护工程的设计与规划提供科学的依据。
基于非静压模型SWASH，建立数值波浪水槽，通过设置有无红树林的对比实验，系统研究了波浪−红树林−直立堤相互作用时的水动力特性，并分析了波陡，相对水深，厄塞尔数，红树林长度、密度、特征直径等因素对直立堤堤前波高、迎浪面最大波压力的影响。研究结果表明：无红树林时Goda公式无法准确估算直立堤上的冲击荷载；在模型比尺为1∶10的数值实验中，2 m宽的堤前红树林可使波高衰减6%～45%，波压力衰减11%～74%，然而，在相对波高较大且红树林特征参数较小时会引起堤前波高增大4%～26%；在本文考虑的水力条件下，最大波压力随波陡减小而减小58%～93%，随相对水深增大而减小42%～72%，随厄塞尔数减小而减小87%～96%；堤前波高和波压力衰减率随红树林宽度、密度及特征直径的增加而非线性增加。研究结果可为进一步认识红树林的消浪效应及红树林生态系统与海堤组合的海岸防护工程的设计与规划提供科学的依据。
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