河口地貌形态及演变是由水动力作为主营力塑造的, 而泥沙运动是动力作用、物质输运与地貌演变之间的纽带^[1].在复杂的河口陆海动力相互作用下, 悬沙浓度的分布变化是泥沙运动的重要体现.而悬沙颗粒较细, 实际的比表面积大^[2], 可吸附各种营养盐和有害污染物^[3], 影响浮游植物的光合作用^[4].换言之, 水体表层悬沙浓度的大小对光合作用有直接影响, 故表层悬沙浓度变化具有重要的生态意义, 是研究河口海岸生态环境的重要课题之一.由于径流、潮流、风浪和地形等影响, 悬沙以悬浮或沉降形式存在于河口三角洲港口、航道的各个区位, 悬沙浓度的分布存在明显的时空差异, 这些变化直接影响港口航道疏浚及近岸工程建设^[5-6].

风暴是海岸带最频繁的自然灾害之一, 被认为是影响泥沙运动, 塑造海底海岸地貌的动力因素.在西北太平洋国家中, 中国是遭受风暴袭扰最频繁和最严重的国家之一, 整个中国沿海几乎都受到影响^[7-8].由于近年来沿海地区经济建设的迅猛发展, 风暴潮造成的物质经济损失尤为严重, 在热带气旋频次增加和海平面上升背景下, 这类损失有进一步增长的趋势^[9-10].此外, 由于风暴过程中的强风和气压骤变等引起的强烈大气扰动, 海平面易生成强有力的风浪, 导致海平面水位异常升高, 水体垂向扰动剧烈.若遇上天文大潮水位与风暴潮增水相互叠加, 海水内侵陆地, 酿成大灾, 后果更为严重^[9].本文的风暴出现在西太平洋地区, 称为台风.台风期间可能带来大量的降雨, 特别是降雨总量呈增加的我国东南沿海地区, 短时间的径流量将出现大量增加, 随河流带入的泥沙直接造成悬沙浓度的分布不均^[11].

随着三峡工程、长江深水航道工程等大型水利工程的建设运营, 河口来水来沙及泥沙运动规律出现了一些改变.近年来国内外学者针对长江口正常天气下悬沙浓度的周期变化已做了大量的深入研究.何超^[12]基于2003年和2005年长江口及其邻近海域洪季水沙资料, 指出外海滨洪季的悬沙浓度仍是西高东低、南高北低的悬沙分布态势, 对比1982年长江口实测的悬沙分布特征, 发现悬沙浓度相比1982年明显降低.刘志国^[13]借助TM和AVHRR影像对长江口表层悬沙浓度进行反演, 根据不同时段遥感数据结果, 指出了长江口悬沙的分布受季节、潮流和径流量的影响. Shen等^[14]利用MERIS卫片数据和适用更广的半经验传输模型, 反演了无云雾遮挡天气下的长江口及杭州湾悬沙浓度. Li等^[15]通过测量长江口邻近海域10个站点每日悬沙浓度, 认为徐六泾悬沙浓度降低幅度与大通站来沙量减少程度(55%)基本一致, 且长江口的悬沙浓度存在持续走低的趋势.以往研究多基于正常天气下的观测资料, 对于极端天气(台风)表层悬沙浓度短期变化的研究较少^[16-19].鉴于台风期间水沙观测困难, 许多现场研究主要是针对单次台风观测, 多次台风事件的第一手资料难以获得.本文以长江口为例, 通过分析近几年固定水文测站数据, 研究表层悬沙浓度在多次台风天气下的变化规律.

研究区位于北纬29~32º, 东经120~123º内(见图 1b), 基本覆盖长江河口, 所处的东海是台风常年频繁登陆的主要区域之一^{[10, 20]}.长江河口是典型的中强潮分汊河口, 自徐六泾以下被崇明岛、长兴岛、横沙岛及九段沙分为"三级分汊, 四口入海".潮汐在口内为不规则半日潮, 多年平均潮差为2.7 m, 口外为正规半日潮. 2003年来多年平均入海径流量为8.4× 10¹¹ m³, 年平均入海沙量为1.4× 10⁸ t^[21].口外开敞的潮流明显表现为旋转流, 口内受分叉地形制约以往复流为主, 区域总体潮流的涨落方向为西北-东南方向^[22].悬沙通量在洪季较大, 而枯季较小.波浪主要是风浪, 处在季风性气候中方向随季节变化显著, 夏季以偏东南向为主, 冬季以偏北向为主, 春秋两季风向不稳定, 所形成波向没有明显规律^[1].长江口波高一般以夏冬季节为高, 春秋两季相对较低, 口内多年平均波高为0.9 m, 口外平均波高为1.2 m^[23].台风过境, 风大浪高, 口外最大波高可达6.2 m, 高桥也出现过3.2 m的波高^[24].

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区域 Fig.1 Study area

表层悬沙浓度数据的6个采样点分布在长江入海口区域(见图 1b), 徐六泾、青龙港位于河口中段上游, 高桥、横沙位于河口中段下游, 佘山、芦潮港位于河口下段^[25], 采样位置水深在5~10 m不等.每日两次8: 00及14: 00或每日高潮位和低潮位取表层水样(0~0.2 m表层水深) 600 mL.采样过程严格按照海洋监测规范(GB17378.4)和海洋调查规范(GB13909)取样要求^[26], 自2010年1月至2014年12月(包括极端台风天气下的采样), 共计21 858水样瓶.将采集的600 mL水样用滤纸过滤, 过滤前先称滤纸质量, 被保留下来的悬沙和滤纸置于烘箱烘干(45º温度下烘满48 h)并再次称重, 两次称重之差即可计算出悬沙浓度.

长江口风速、波高数据来自欧洲中长期天气预报中心(http://www.ecmwf.int/).数据包括2010—2014年间每日间隔3 h的风速风向(海平面以上10 m)、有效波高及平均波周期等, 选择精度间距0.125×0.125经纬度网格资料.径流量数据来自长江水文网.佘山站潮汐数据来自上海海事局.

台风数据为每1 h记录一次, 台风的最大风速、台风中心气压值、路径位置资料、风圈半径、风速级别等数据来自Unisys公司(http://weather.unisys.com/hurricane/)和浙江省水利厅水利信息管理中心(http://typhoon.zjwater.gov.cn/default.aspx).其中台风滞留时间指的是台风中心风场从进入某一特定位置的t₁时刻到离开该位置的t₂时刻所经历的时间, 取决于风圈半径大小及台风在区域内中心风场的移动速度, 而不是对整个长江口或东海产生影响的时间.计算公式为

其中, T_滞留为台风滞留该区域的时间, D为台风10级风圈直径, U为台风在研究区域内的移动速度^[27].

表 1列举了2010—2014年影响长江口的6次典型台风特征, 包括台风登陆长江口的时间、10级风圈半径、滞留时间等.根据国家标准《热带气旋等级》的台风等级标准^[28], 除2014年"凤凰"台风在经过长江口区域的等级(1级热带风暴)较低外, 其余台风皆达到台风级别以上.其中, 2012年"三巴"台风在靠近区域的最大中心风速达到超强台风级别, 对我国东海海域的破坏程度巨大.从表 1中台风性质可知, 中心风场越大的台风, 其所影响的风场范围一般越大.而滞留时间还取决于移动速度.如最大风速为23 m/s的"凤凰"台风, 10级风圈为50 km, 相比最大风速为48 m/s的"海葵"台风(风圈可达200 km), 在两者移动速度相近时台风"海葵"所滞留的时间更长.台风"米雷"的风圈半径小(60 km), 移动速度快, 在长江口附近停留仅3 h. "黄蜂"台风则相反, 由于移动速度缓慢, 风圈150 km, 其滞留时间为6个台风中最久(14h).从各台风路径观察(见图 1A), 2014年"凤凰"台风从杭州湾北岸的上海南部登陆, 直接北上穿越上海市影响长江口, 风速相对不大, 但破坏力很强.其余台风距离佘山最短在200~500 km, 影响东海水动力环境, 进而影响长江口水沙运动, 对我国内陆城市影响不大.

表 1(Tab. 1

表 1 各台风物理特征 Tab.1 Summary of the physical characteristics of the typhoons studied 台风 名称 登陆长江口 附近时间 最大风速 /(m·s-1) 10级风圈 半径/km 移动速度 /(km·h-1) 滞留 时间/h 台风 级别 离佘山 距离/km 圆规 2010/9/1 40 100 30 7 3 250 米雷 2011/6/26 28 60 35 3 2 200 海葵 2012/8/8 48 200 15 13 4 250 三巴 2012/9/16 52 120 35 7 5 500 凤凰 2014/9/23 23 50 15 7 1 30 黄蜂 2014/10/12 33 150 22 14 3 500

表 1 各台风物理特征 Tab.1 Summary of the physical characteristics of the typhoons studied

6次台风影响期间, 风向变化骤然, 与台风前差异鲜明.以佘山站为例(见图 2), 台风"圆规"、"米雷"、"海葵"及"凤凰"在登陆后风速剧增, 风向皆转90º以上, 甚至出现从北风转180º变为南风的现象.台风"三巴"和"黄蜂"期间风向都为偏南风, 而风速从月均风速的6~8 m/s增大到最大风速的15.3 m/s.台风东西风向所占频率很小, 以南北向的风向突变为主, 且台风影响减弱后风向逐渐恢复.

图 2(Fig. 2)

图 2 台风过境时佘山站点的风速风向、有效波高及波周期的变化 Fig.2 Variations in wind speed and direction, effective wave height, and mean wave period during typhoons

台风浪能量大, 佘山测点的有效波高从台风前平均的0.8~0.9 m(见图 2), 分别增大到台风期间的1.44 m(圆规)、1.47 m(米雷)、2.02 m(海葵)、2.32 m(三巴)、2.01 m(凤凰)、2.49 m(黄蜂).其中台风"黄蜂"影响波高变化最大, 是台风前的3倍.当有效波高递增到峰值, 平均波周期亦随风速趋于最大值.例如, 台风"圆规"导致最大波周期从台风前的4.7 s增大至9.1 s, 最大波周期较佘山多年平均波周期的5.2 s同样增大了近一倍.有效波高增幅最大的台风"黄蜂", 波周期增幅并不一定最大, 仅从台风前的5.4 s增大到台风中的7.4 s.中心风速最大(52 m/s)的"三巴"台风有效波高变化最大, 而平均波周期增幅一般. 6次台风期间, 佘山的平均波周期分别增大了5.9%(圆规)、45.1%(米雷)、13.9%(海葵)、43.3%(三巴)、19.9%(凤凰)、38.5%(黄蜂).此外台风过境的前中后阶段, 有效波高及波周期皆呈单峰形态, 先表现为增高, 后随台风减弱逐渐降低.

图 3为佘山和芦潮港测站在6次台风期间有效波高和风速的回归关系, 反映了波高随风速增大而增大的良好线性相关.芦潮港的相关系数R高达0.92(p < 0.01), 显著性好于佘山站的相关系数(R=0.86, p < 0.01), 从两站点的相关性表明观测点的波浪主要受该地区的风速控制, 换言之, 台风期间的波高变化情况可以从风速变化间接反映. 图 3还表明两测站的波高成倍增大, 且佘山站波高增幅比芦潮港更明显.如风速在6 m/s, 佘山站平均波高为0.9 m, 芦潮港平均波高为0.8 m; 当风速增大到12 m/s, 佘山站平均波高为2.6 m, 芦潮港平均波高为1.9 m.

图 3(Fig. 3)

图 3 台风期间风速和有效波高相关性 Fig.3 Correlations between wind speed and the effective wave height during typhoons

台风影响周期通常为4~8d^[29]. 图 4为6次典型台风事件对长江口6个典型站点表层悬沙浓度的影响.由表 1台风性质, 将6次典型台风按不同程度的台风等级(风速决定)、滞留时间(风圈半径和移动速度决定)、台风路径(离佘山距离)进行分类.其中, 台风"圆规"、"米雷"、"海葵"、"凤凰"路径相距佘山最短皆在250 km以内(见表 1).以登陆距离最近的"凤凰"台风为例(见图 4e), 悬沙浓度在22—23日普遍变化明显.相对开敞的佘山最大风速达12.8 m/s, 悬沙浓度最大值从台风前0.38 kg/m³增大至1.80 kg/m³, 台风期间的悬沙浓度维持在1 kg/m³以上, 平均增大了2.3倍.芦潮港的悬沙浓度受影响程度更明显, 当风速快速增大至10.7 m/s过程中, 悬沙浓度从0.30 kg/m³变化到0.78 kg/m³, 是正常天气下的近3倍.河口中段上游潮流作用小, 主要受上游来水来沙影响, 潮汐作用下的日均悬沙浓度相对变化小.但在"凤凰"影响后, 徐六泾悬沙浓度从台风前0.08 kg/m³, 增大26.4%到0.10 kg/m³, 最大变化量可达0.12 kg/m³.北支的青龙港站从平均0.17 kg/m³, 增大到平均0.45 kg/m³, 最大变化量可达0.59 kg/m³.河口中段下游的高桥和横沙, 分别从0.12 kg/m³和0.05 kg/m³变化到0.18 kg/m³和0.06 kg/m³, 变化率分别达到45.63 %和10.02 %.尽管"凤凰"为4个相近台风中风速最小(台风等级1级), 且滞留时间小于7 h, 但风浪直接作用长江口, 导致悬沙浓度平均增幅达104.8 %.

图 4(Fig. 4)

图 4 台风影响期间各站点表层悬沙浓度和潮位变化 Fig.4 Variations of surficial suspended sediment concentrations and tidal range at gauging stations during typhoons

4个距离研究区域较近的台风中风力最大的为4级台风"海葵"(见图 4c), 6个站点的风速最大值均超过15 m/s, 在长江口的滞留时间较其他更长.然而台风前3日正处于大潮.期间佘山站的悬沙浓度变化仅为17.5%, 河口中段下游的高桥和横沙分别增幅30.5%和41.8%, 平均总增幅为六次台风中最低的54.1 %.最大风速仅次于台风"海葵"的"圆规"(见图 4a)处于小潮期间, 期间佘山站的悬沙浓度达1.12 kg/m³, 对比台风前(0.22 kg/m³)反而增大了401.2%, 平均总增幅122.9 %.此外, 距离仅次于"凤凰"的台风"米雷", 滞留时间短而最大风速高于"凤凰", 受其影响的悬沙浓度平均总增幅高于"凤凰", 达119.4 %.

台风"三巴"(见图 4d)和"黄蜂"(见图 4f)的中心路径并无直接登陆长江口, 距离佘山最近皆约500 km(见图 1A), 而东海风浪带来的巨大能量经涌浪间接传递近海.两次台风期间芦潮港悬沙浓度最大值分别从0.58 kg/m³增大到1.39 kg/m³, 0.82 kg/m³增大到2.70 kg/m³; 中段上游的徐六泾悬沙浓度分别从0.07 kg/m³变化到0.15 kg/m³, 0.09 kg/m³增大到0.10 kg/m³.尽管"黄蜂"的滞留时间长, 但台风"三巴"的最大风速(台风等级5级)远大于"黄蜂"(台风等级3级), "三巴"使得平均悬沙浓度增幅达128.4 %, "黄蜂"仅为77.7 %.

总体上, 6次台风后(见图 4)风速平均达到8 m/s, 是台风前的1.7倍. 6次台风事件(见表 2)导致6个站点的平均表层悬沙浓度分别达到0.59 kg/m³(圆规)、0.44 kg/m³(米雷)、0.72 kg/m³(海葵)、0.86 kg/m³(三巴)、0.47 kg/m³(凤凰)、1.04 kg/m³(黄蜂), 平均增大101.2%, 个别测站(佘山站)悬沙浓度增大了4倍.从不同台风的影响程度发现, 悬沙浓度变化与受到的台风风速和影响路径关系较大, 受滞留时间影响不明显.

在影响长江口悬沙浓度时空分布的因素中, 潮差与径流量通常为主导因素^[30], 风速对于表层悬沙浓度的长期影响贡献不到30%^[31].利用SPSS分析2010—2014年洪季(8—10月)正常天气表层悬沙浓度与风速的相关性, 得到芦潮港、高桥、徐六泾站点的相关系数R分别为0.33, 0.15, 0.14(见图 5).除芦潮港相关性较高外, 其余风速对悬沙浓度的相关性不显著.进一步分析台风期间两者的回归关系, 结果芦潮港相关系数达到0.52(p < 0.01), 相比洪季正常天气的相关性增大近一倍.高桥从正常天气下的不相关变为低度相关(R=0.29, p < 0.05), 而中段上游的徐六泾在台风中(R=0.13)与正常天气(R=0.14)受到风速影响差别不显著.这表明悬沙浓度与风速之间都呈正相关关系, 反映台风是导致底床泥沙再悬浮并使悬沙浓度增大的原因之一.而波浪对悬沙浓度影响的实质是风对悬沙浓度的影响^[32].例如, "凤凰"台风影响佘山站期间风速迅即增大, 有效波高和波周期便随之增大到正常天气下的2~3倍(见图 3), 大浪搅动水体导致底床沉积物再悬浮能力提高, 增大表面悬沙浓度.此外, 台风引起剧烈风向变化(见图 3), 拖曳力使岸边形成上升流将近岸泥沙带到水体表层, 亦可增大表层悬沙浓度^[33].结合图 4和图 5的悬沙浓度短期变化, 台风等高能量的随机性要素是长江口中外侧悬沙浓度急剧变化必须考虑的重要因素.相比之下, 河口下段芦潮港站的悬沙浓度与风速之间的相关性明显大于口内中段的两个测站, 说明开敞水域受台风的影响大于较隐蔽的区域, 这与测站所处地形河段有关.总体上两者之间的相关关系不是很好, 有以下原因: ①波浪增大相对于风速增大有一定滞后效应; ②表层悬沙浓度增大相对于底床泥沙再悬浮有一定时间上的滞后; ③各站点悬沙浓度的取样仅为一天两次, 一天中的潮周期内悬沙浓度随着潮相有明显变化, 这种变化会掩盖风浪对悬沙浓度的影响.

图 5(Fig. 5)

图 5 风速(V)与悬沙浓度(C)的关系 Fig.5 Correlations between wind speeds (V) and suspended sediment concentrations (C)

表 2(Tab. 2

表 2 悬沙浓度对各台风事件的响应 Tab.2 The suspended sediment concentration in response to typhoon events 站点 各台风事件 6次台风平均 圆规 米雷 海葵 三巴 凤凰 黄蜂 徐六泾 台风前/(kg·m-3) 0.08 0.05 0.10 0.07 0.08 0.09 0.08 台风中/(kg·m-3) 0.10 0.11 0.13 0.15 0.10 0.10 0.11 变化率/% 28.1 114.4 37.4 104.0 26.4 11.0 53.6 青龙港 台风前/(kg·m-3) 0.32 0.15 0.58 0.51 0.17 1.13 0.48 台风中/(kg·m-3) 0.70 0.20 0.97 1.45 0.45 2.60 1.06 变化率/% 121.8 31.2 68.1 185.7 161.0 131.1 116.5 高桥 台风前/(kg·m-3) 0.18 0.31 0.30 0.30 0.12 0.18 0.23 台风中/(kg·m-3) 0.32 0.39 0.39 0.40 0.18 0.27 0.32 变化率/% 74.2 23.3 30.5 29.8 45.6 50.4 42.3 横沙 台风前/(kg·m-3) 0.40 0.11 0.26 0.12 0.05 0.13 0.18 台风中/(kg·m-3) 0.58 0.24 0.36 0.27 0.06 0.16 0.31 变化率/% 46.7 117.6 41.8 117.9 10.0 20.8 59.1 佘山 台风前/(kg·m-3) 0.22 0.13 0.62 0.77 0.38 0.54 0.44 台风中/(kg·m-3) 1.12 0.26 0.73 1.91 1.23 1.11 1.06 变化率/% 401.2 105.0 17.5 146.5 227.6 104.9 167.1 芦潮港 台风前/(kg·m-3) 0.43 0.46 0.75 0.36 0.30 0.81 0.52 台风中/(kg·m-3) 0.71 1.28 1.73 1.02 0.78 2.02 1.26 变化率/% 65.7 174.6 129.4 186.1 158.1 148.3 143.7 单次台风平均 台风前/(kg· -3) 0.27 0.20 0.43 0.36 0.18 0.48 - 台风中/(kg· -3) 0.59 0.44 0.72 0.86 0.47 1.04 - 变化率/% 123.0 119.4 54.2 128.4 104.8 77.7 - 注: "台风前"代表台风前2至3日悬沙农渡，"台风中"代表台风影响期间2日悬沙农渡

表 2 悬沙浓度对各台风事件的响应 Tab.2 The suspended sediment concentration in response to typhoon events

当风速高达一定程度时, 风浪引起的水动力变化产生强烈的混合作用, 垂直的上升流水团携带物质进入表层, 其中包括底床的细颗粒沉积物等物质^[34].为进一步讨论不同风级对表层悬沙浓度的影响, 根据表 3风速风级的对应关系, 将6个典型站点日均风速分类为1至7级, 7级以上风速为17.1 m/s在长江口较为罕见, 暂时不列入.以风级作为自变量, 悬沙浓度作为因变量, 选取多项式和对数回归分析^[35], 得到河口中段至下段站点(依次为徐六泾、青龙港、高桥、横沙、佘山、芦潮港)相关系数R值分别为0.953、0.942、0.855、0.617、0.984、0.956(见图 6).横沙站用多项式分析出现随风级增大悬沙浓度降低现象, 因此选用对数拟合更好.相关性除了横沙站点仅为0.617外, 其他站点都在0.855以上, 佘山与芦潮港则高达0.956以上(p < 0.01), 说明河口下段响应程度较中段显著, 这与短周期风速与悬沙浓度的相关性结果相似.值得注意的是, 由于横沙测站点位于南港北槽的长江深水航道区段, 该区段的汊道分流、两侧双导堤导流以及河床加深形态的复杂性加大了底床泥沙再悬浮至表层的难度, 且南北侧的岛礁形成的天然防波堤对大风起一定的阻挠, 在风级从2级变化到5级的过程中悬沙浓度基本维持在0.31 kg/m³, 统计结果较其他站点相关性低.另外, 由于徐六泾的泥沙起动流速在0.79 m/s左右, 大于0.5~0.6 m/s的南北槽起动流速^[36], 随风级的增大, 风浪逐渐到达河口中段上游, 一定程度作用到底部细颗粒泥沙, 导致徐六泾的悬沙浓度缓慢增大, 拟合关系较短周期相关性高.

表 3(Tab. 3

表 3 风级风速对应表 Tab.3 Relationship between wind scale and wind speeds 风级 0 1 2 3 4 5 6 7 风速/(m·s-1) 0-0.2 0.2-1.5 1.5-3.3 3.3-5.4 5.4-7.9 7.9-10.7 10.7-13.8 13.8-17.1

表 3 风级风速对应表 Tab.3 Relationship between wind scale and wind speeds

随着风级每升高一级, 悬沙浓度提高幅度不同, 部分站点呈指数增长.如相关性较好的佘山站(见图 6), 风级从1级变为3级时, 平均悬沙浓度增大1.2倍; 而风级从3级增大到5级时, 平均悬沙浓度从0.38 kg/m³增大1.6倍到0.59 kg/m³.即使是中段上游的青龙港风级增大2.9倍, 表层悬沙浓度平均也能增幅1.9倍.有研究表明, 在Barataria流域, 当风速为4 m/s时该研究区域50%的表层沉积物发生再悬浮, 而当风速增大2.5倍达到10 m/s时, 再悬浮的表层沉积物占了80%以上^[37].这表明风级越大, 可能加剧风浪冲刷岸滩泥沙使其落淤, 浅滩沉积物被粗化的同时出现大量泥沙进入航道水域, 而再悬浮加速了底床沉积物和悬沙的交换频率, 导致中下层泥沙活跃到水体表层, 这对表层悬沙浓度变化的贡献起到关键作用.

图 6(Fig. 6)

图 6 不同风级影响下的表层悬沙浓度 Fig.6 Correlations between SSC and wind scale at different stations

各测点所处长江口不同河段, 河流与海洋交汇的动力条件不同, 结合年均悬沙浓度与台风影响悬沙浓度差异, 发现各站点的变化对其响应程度不一.例如6次台风事件后, 徐六泾的平均悬沙浓度为0.11 kg/m³, 较多年年均悬沙浓度(0.084 kg/m³)增大35.1%, 相比台风前增大53.5%.河口下段的佘山, 悬沙浓度在台风中为1.06 kg/m³, 和年均悬沙浓度的0.43 kg/m³相比, 增幅高达146.4%. 6次典型台风前后悬沙浓度平均变化率(见表 2)分别为53.6%(徐六泾)、116.5%(青龙港)、42.3%(高桥)、59.1 %(横沙)、167.1%(佘山)、143.7%(芦潮港).其中, 佘山受台风影响变化最大, 其次为芦潮港和青龙港, 横沙、高桥、徐六泾增幅都在50%左右.此外, 徐六泾、青龙港、高桥、横沙、佘山和芦潮港的取样点平均水深分别为10 m、4 m、10 m、8 m、6 m和5 m.其中, 变化率最大的佘山、芦潮港及青龙港三个测点水深均不超过6 m, 这一现象可能与不同地形和水深对悬沙浓度的干扰有关.在风力作用相近的条件下, 根据公式L=gT²/2π (g为重力加速度,L为波长, T为波周期), 当水深d满足d < 0. 5 L, 波浪才足以扰动到底床沉积物, 进而垂向掀沙, 改变表层悬沙浓度的大小^[38].且台风的巨大能量传递给近岸水体, 导致底床剪切应力显著增大, 水深愈浅底床沉积物与水体交换愈频繁, 悬沙浓度愈高^[39].可以认为悬沙浓度在近岸相对最高^[40], 向外海随水深不断增加而逐渐减小, 浅水中悬沙浓度变化的幅度受风力影响比深水中更明显^[41].其次, 由图 5中河口下段芦潮港风速与悬沙浓度的相关性大于中段下游的高桥, 高桥大于中段上游的徐六泾可知, 不同开敞性河段对台风响应结果不同.分析认为, 芦潮港和佘山站水深浅、潮差大, 位于最大浑浊带且具有良好的开敞性, 台风掀动波浪导致的垂向再悬浮作用更直接, 是促使河口下段的表层悬沙浓度在台风影响下的变化率及相关性都比较高的重要原因.而徐六泾和高桥相对位于中段靠上, 潮差小、水深大, 仅在大风天气下因涌浪传递难以深入口内, 悬沙浓度的变化不明显.

悬沙浓度受多种动力因素控制.台风期间仍受潮周期、大小潮周期及上游来水等影响, 为直观地得到台风事件对表层悬沙浓度的影响, 将台风期间的其他动力情况呈现如表 4所示.长江口径流量相对大通水文站滞后7~8 d^[30], 因此选取的大通站径流量提前7~8 d代表长江口当日数据.结果发现, 台风"圆规"、"海葵"在台风前和台风中径流量基本不变, "米雷"、"三巴"在台风中径流量明显增长, "黄蜂"、"凤凰"在台风中的径流量反而下降.此外, 除了台风"三巴"、"凤凰", 其余台风期间的潮差都比台风前低60至140 cm, 尤其台风"圆规"、"米雷"的影响发生在小潮时期, 悬沙浓度总的变化反而比台风前的高潮位分别增122%和120%(见表 3).台风天气的悬沙浓度变化由台风中的悬沙浓度减台风前得到, 假设台风前的两个相近日期的径流量变化很小, 通过台风前和台风中的两段潮差得到该相同潮位下的两段正常天气的悬沙浓度(台风发生的前一个潮周期内), 对比两个时期下的悬沙浓度变化发现, 站点徐六泾、佘山和芦潮港受台风影响的悬沙浓度变化都远远大于因潮汐带来的变化.

表 4(Tab. 4

表 4 其他要素对台风期间悬沙浓度的影响 Tab.4 Other factors affecting the suspended sediment concentration during typhoons 站点 要素 时期 台风名称 圆规 米雷 海葵 三巴 凤凰 黄蜂 大通 径流量(m3/s) 台风前 43 166 28 533 57 000 36 800 41 625 41767 台风中 43 000 35 100 57 467 37 550 40 100 36 050 佘山 潮差(cm) 台风前 256 198 337 279 126 399 台风中 116 138 210 399 291 305 徐六泾 风速(m/s) 台风前 2.70 4.10 6.31 3.19 3.17 3.50 台风中 4.14 7.20 9.60 5.87 7.37 7.42 悬沙浓度变化(kg/m3) 正常天气 -0.03 0.04 -0.01 0.02 0.00 0.00 台风天气 0.02 0.06 0.03 0.08 0.02 0.01 佘山 风速(m/s) 台风前 5.01 7.55 8.24 5.94 6.50 7.05 台风中 6.52 8.65 13.24 10.95 12.00 12.88 有效波高(m) 台风前 0.80 0.96 1.49 1.03 0.77 0.98 台风中 1.44 1.47 2.14 2.32 2.02 2.50 悬沙浓度变化(kg/m3) 正常天气 -0.18 -0.08 -0.29 } -0.08 0.11 0.01 台风天气 0.90 0.13 0.09 1.14 0.85 0.57 芦潮港 风速(m/s) 台风前 3.90 6.00 7.30 5.83 4.59 5.16 台风中 5.33 7.44 12.67 7.67 10.23 9.30 有效波高(m) 台风前 0.53 0.65 0.97 0.71 0.58 0.75 台风中 0.87 0.85 1.67 1.34 1.37 1.63 悬沙浓度变化(kg/m3) 正常天气 0.08 -0.15 -0.03 -0.05 0.10 0.04 台风天气 0.28 0.82 0.98 0.66 0.48 1.39 注: "台风前"代表台风前2至3日, "台风中"代表台风影响期间2日

表 4 其他要素对台风期间悬沙浓度的影响 Tab.4 Other factors affecting the suspended sediment concentration during typhoons

比较不同站点的动力变化情况, 可以明显看到在台风中潮差小于台风前的情况下(台风"圆规"、"米雷"、"海葵"、"黄蜂"), 正常天气佘山的悬沙浓度出现负值的次数更多, 可以理解为佘山测站的悬沙浓度受外海潮汐影响的敏感性更强.然而, 在6次台风的强烈扰动下, 悬沙浓度仍明显增大.若以台风天气的悬沙浓度变化除去正常天气因潮汐作用的悬沙浓度变化, 得到佘山站6次更为真实的悬沙浓度受台风影响的变化, 分别为1.08 kg/m³、0.25 kg/m³、0.38 kg/m³、1.22 kg/m³、0.74 kg/m³、0.56 kg/m³.位于河口中段上的徐六泾受潮汐影响有限, 如在台风"米雷"期间, 潮位较台风前为低, 且台风后径流量增大, 悬沙浓度变化表现为增大.同样, 在"凤凰"期间, 潮位明显增大, 而径流量下降, 悬沙浓度变化却不明显.

结合风速波高资料和悬沙浓度数据, 结果表明在悬沙浓度的短期变化中, 台风的高能量引起的风速和波高变化是促使表层悬沙浓度急剧变化的主要因素, 但悬沙浓度的变化仍受所处河段地形和潮汐的影响.从6次台风总体平均来看, 台风后有效波高增长比为2.2倍, 风速平均达到8 m/s, 增长比为1.7倍.台风导致表层悬沙浓度分别达到0.59 kg/m³(圆规)、0.44 kg/m³(米雷)、0.72 kg/m³(海葵)、0.86 kg/m³(三巴)、0.47 kg/m³(凤凰)、1.04 kg/m³(黄蜂), 总体平均增加101.2%.河口不同河段, 受台风干扰程度不同.其中河口下段的佘山站与芦潮港受影响最为显著, 悬沙浓度分别增加167.1%、143.7 %; 而中段敏感性不高, 受风速影响相对较小.从长时间尺度统计, 随着风级每升高一级(1—4级), 悬沙浓度一定程度的相应提高, 在5级以上风级越大相应的悬沙浓度变化越明显.河口海岸悬沙浓度对于台风的响应是一个复杂的变化过程, 除台风性质和地形环境外, 还与河流的来水来沙、沉积物颗粒粒径及人工建筑等因素有关, 对于表层悬沙浓度受台风的影响是值得更深入研究的.