长江口外海域瞬时悬沙质量浓度垂向分布剖面的初探.docx

1、第33卷第I期2013年2月Vol.33No.lFeb.2013广东海洋大学学报JournalofGuangdongOceanUniversity长江口外海域瞬时悬沙质量浓度垂向分布剖面的初探伊小飞(广东海洋大学海洋与气象学院，陆架及深远海气候、资源和环境广东省高等学校放点实脸室.广东湛江524088)摘要：以2006年8月在长江口外海域海试的悬浮泥沙数据资料为基础，采用相关分析和非线性回归分析方法，通过在经典泥沙剖面模型中引入潮流等过程的影响，改进了泥沙剖面模型的预测效果，将仅受水深一个因素控制的泥沙剖面模型拓展为与不同地点水文物理过程相关联的实用模型.并在整个研究区域验证了模型的有效性。关

2、键词：悬浮泥沙；泥沙剖面；非线性回归分析；潮流中图分类号：TP274文献标志码：A文章编号：1673-9159(2013)01-0083-06PreliminaryExplorationofInstantaneousVerticalDistributionofSuspendedSedimentMassConcentrationintheOffshoreneartheChangjiangRiverEstuaryYIXiao-fei(GuangdongKeyLaboratoryofClimate,ResourceandEnvironmentinContinentalShelfSeaandDeepS

3、ea,CollegeofOceanologyandMeterorology,GuangdongOceanUniversityZhanjiang524088,China)Abstract:Basedontheobservationdataofsuspendedsedimentconcentration(SSC),collectedintheareasadjacenttotheestuaryoftheChangjiangRiverinAugust,2006,thecorrelationanalysisandnonlinearregressionwereadopted.Thispaperintrod

4、ucedthetidalcurrenttotheclassicalverticaldistributionmodelofSSC,whichimproveditspredictiveeffect.Thismodelcouldbepractical,addingthehydrologicalprocessatdifferentsitesinsteadofonlydepthfactor.Atthesametime,ithadabetterfittingeffectinthewholeareas.Keywords:suspendedsedimentconcentration;verticaldistr

5、ibution;nonlinearregressionmodels;tidalcurrent收稿日期：2012-09-27作者简介：伊小飞(1986-),男.硕士，主要从事海洋环境数值模拟方面的研究。Email：yixiaofeill7大面积的混浊水域是我国近海突出而典型的海洋现象，对其规律的认识不论在科学上或实际中都有重要的研究价值。东海悬浮颗粒物含最高，影响范围广。对悬浮物垂向规律的研究已有很多成果，张志欣等在只考虑悬浮物的垂向输运过程和海底处的沉降与再悬浮过程的前提下，采用粒子跟踪方法建立了垂向一维怂浮物质量浓度分布模式，可以定量的描述垂向质量浓度的变化；根据长江口北槽和南槽实测的水沙资

6、料，于东生等研究了长江口悬沙含量，并利用紊动扩散理论建立垂向一维悬沙数学模型，模拟了长江口含沙量及其分布；韩丹岫采用统计学相关分析和多元线性回归方法对黄、东海海域悬浮物质员浓度垂向分布进行了分析，得出悬浮物沿垂线分布的形态的区域性特点；陈沈良等5】对杭州湾大中小潮悬沙质量浓度的变化规律进行了分析，发现潮周期内悬沙质量浓度随时间而呈明显的周期变化；孙效功等旧利用NOAA卫星1995年1月至1997年2月的海洋遥感资料系统地分析和研究了黄、东海陆架区悬浮体向深海输运的时间和空间变化规律;Chen,Shen-Liang等利用1982年8月至1983年7月、1992年9月至1993年8月、1997年8

7、月至1998年7月及1998年8月至1999年7月、2002年5月至2003年4月长江口附近海域8个观测站的细颗粒悬浮物质量浓度数据，分析了细颗粒悬浮物的时空分布特征。但由于悬浮体含最和分布的影响因素众多.变化大而复杂，已有的工作尚不足以说明其分布规律，尤其是在分析悬浮物垂向剖面随时间演变的机制方面还需要进一步研究。1实测资料的获得2006年8月，中国科学院海洋研究所使用“科学三号”、“金星二号”考察船，在长江口外海域进行了为期10d的海洋综合调查，并在3个站点进行了25h连续海流观测，其中每站设表、中、底3层，观测点位置为：S1站（122。51.811堂，32°0.187N）位于观

8、测当天长江口外混浊水的锋面处，S2站（122。54.972但，31P.099N）是混浊水域外侧（东边）较清水域的代表点,S3站（122。29.932£,31。15.261卜）是长江口外混浊水高质量浓度的代表点（见图1）。S1站分别在5m（表层）,10m（中层），28m（底层）进行观测，观测时间从8月图I悬沙观测站位分布Fig.lAmapofsuspendedsedimentobservationstations月4日12：00至第2日13：00,共计25ho接着进行了S3站的观测，其表、中、底3层分别设在5m,10m,18m处，观测时段从8月5日19：00至6H20：00共计25h。

9、S2站的水深略深,表、中、底3层分别设在5m,15m,35m处，也是本次观测最后一个完成观测的站位，观测时间从8月7日8：00至809：00，在S1、S3站分别进行了9次质量浓度剖面观测，S2站进行了8次垂向质量浓度剖面观测，3个站共获得26个剖面质最浓度观测数据。2悬沙模型的由来假定考虑的是单站点的悬沙剖面分布问题，这时悬沙质量浓度只与水深、时间有关，悬浮泥沙扩散方程可简单表示为dS,、一=（6_W）+dt'dzdz'dz祷2（勺竺）o（1）这里S为悬沙质量浓度，气为悬沙沉降速度，w为垂直流速，R为垂向悬沙扩散系数。除水深因素外，主要考虑的是潮流对悬沙垂向剖面的影响过程，而在

10、长江口以外的附近海域，M2分潮占主要作用，因此假定垂直流速的形式为w=4cos（辛，+伊），（2）T为M2分潮的周期。当悬沙运动达到平衡状态时，悬沙的垂向分布如下式(3)其中S.为悬沙距离床面为。处的悬沙质量浓度。为了得到悬沙在非平衡状态下解，借鉴式（3）的形式，假定方程的解为S=f（t）代入式（1）,解得/（/）为-4（玄尸+/（0=e,这时方程(1)的一个解为ln(§)=(z-a)/与-4(苧尸sin(兰f+°)。d11(5)(6)悬沙模型在东海3定点的应用由式（6）可知，假定模型的数学表达式为、，S、,.2n、ln()=az+5+ccos(1+(p)SoT利用Matl

11、ab科学计算软件，经过非线性多元回归分析，得出了SI、S2、S3三定点的悬沙垂向分布模型。为了比较回归效果的优劣，同时利用平衡状态下的悬沙垂向模型式（8）作了回归分析。表1为二者方程的回归结果。=az+bo(8)其中S。，矿分别取3定点各时刻底层悬沙质量浓度值和底层悬沙质最浓度平均值。表1东海3定点悬沙质量浓度垂向分布模型Tab.lTheverticaldistributionmodelofSSConthreefixedpointsoftheestChin匍gen类别悬沙垂向分布模型SISIln(SJ瓦)=-0.1406-0.52372ln(S/S°)=-0.0800-0.5237z

12、-0.0837cos(2n/l2.42)t+1.55)ln(S庇)=-0.1522-1.9710zln(S/So)=-0.1085-1.971Oz+0.0929cos(2x/12.42)t+2.4623)ln(S/瓦)=-0.0672-1.9238zln(S/S°)=-0.0111-1.9238z-0.2579cos(2x/l2.42)/+1.7316)这时，将回归模型中时间项前的系数，-0.0837,0.0929,-0.2579与王凯等同的该3定点潮流调和分析结果：M2分潮调和常数做相关分析，发现这3个系数与中层M2分潮的调和常数的相关系数为-0.9937,相关性非常好。这也进一步

13、验证了前文关于垂直流速的假定。同时，本研究曾经考虑将SI、M2分潮都引入悬沙拟合模型中，但是加入SI前后悬沙拟合效果并没有显著的提高，猜想这也与长江口外海域主要以半日潮为主有关。因此本研究考虑潮流主要是M2分潮。文中回归模型显示，在长江口以外的附近海域，潮流特别是M2分潮是影响悬沙垂向剖面分布的一个因素。图2,图3,图4为东海3定点悬沙垂向剖面分布的实测值、加入潮流模拟值和未加入潮流的模拟值。图2-图4中散点分布是3个站点的实测值，可以看出，大多数时刻悬浮物质量浓度的垂向分布符合“上小下大”的形态，但也有相当一部分时刻的质量浓度随水深的增加形态复杂，如“上大中小下大”形、“下小上大”形等。悬浮

14、物质量浓度的不规则分布在天然河道中较少出现，而在海水中，特别是海水水深较大处或远离物源的海域，悬浮物垂向质量浓度的不规则分布出现频率较高。产生上述分布形态主要有两方面的原因：1）以上所述海域悬浮物质量浓度一般很低，即海水中悬浮颗粒总量不多，而且由于其远离物源，悬浮颗粒的粒度极小,沉降速度也极小，所以可以长期保持悬浮状态并更易受水动力条件的扰动；2）由于海水中水动力条件的复杂性和不稳定性。0.90.80.70.60.50.4030.20.100804】2实测080415实测080418实测080421实测080500实测080503实测080506实测080509实测加入潮流模拟值未加入潮流模拟

15、（ft悬浮泥沙质量浓度/（mgl?）图2SI站点悬沙垂向剖面分布Fig.2TheverticaldistributionofSSConSIstation进一步分析潮流对悬沙质量浓度的影响，未加入潮流时，回归曲线近似为站点各个时刻实测值的平均化结果，这也验证了平衡状态下悬沙垂向分布公式（8）的有效性；加入潮流后，悬沙质量浓度垂向剖面随着潮流的周期性变化而往复摆动，并且与实际悬沙质量浓度较为吻合。080708实测080711实测080714实测080717实测080720实测080723实测080802实测080805实测加入潮流模拟值未加入潮流模拟值5101520悬浮泥沙质量浓度/(mgL-)图

16、3S2站点悬沙垂向剖面分布Fig3TheverticaldistributionofSSConS2station悬浮泥沙质量浓度/(mgL1)-080519实测。080522实测.080601烟080604钢°080607钢<080610翊。080613实测080616实测.080619狮一加入潮流模拟值未加入潮流模拟值25入潮流后，相对平均误差在原有基础上改进了23.33%。表2中同时看到S2在加入潮流前后该进程度不大，分析可能的原因是：1)该站点总体海水的悬浮物质量浓度较低，水较深，悬沙质量浓度垂向剖面随时间变化较小；2)该站点离岸较远，受潮流的影响程度较S1、S3要小。表

17、2加入潮流前后相对平均误差对比Tab.2Therelativeaverageerrorofthemodelwithorwithouttidalcurrent站位加入潮流前加入潮流后加入潮流改进程度/%S10.32080.221231.06S2026620.24119.41S30.32480.228929.53图4S3站点悬沙垂向剖面分布Fig.4TheverticaldistributionofSSConS3station4回归效果分析为了进一步检验拟合效果，将3个站点的数据资料带入相应的回归模型中，分别计算两个模型模拟值与实测值的相对平均误差(表2),总体来看加5悬沙质量浓度垂向模型在研究区

18、域内模拟结果与实测比较由回归效果分析可知，加入潮流后对悬沙质量浓度垂向剖面分布有很好的改善，下面我们把模型推广到其他各个观测站点，试验模型是否依然成立。由于3定点的模型自变最的系数不同，尝试先分别将风前站点数据资料带入加入潮流前后3定点模型中，然后对其回归结果求平均作为模拟结果。为了形象的比较模拟效果，作者选取了风前几个代表站点的模拟与观测的比较图。图5图7分别为hl02、h204.h601站点在加入潮流前后模拟与观测的比较。从图中可以看出，考虑潮流的影响对观测的模拟要明显改进了一些。同时也要看到，无论是加入潮流的拟合曲线还是未加入潮流的拟合曲线，在表层的值都与观测结果有很大误差，分析可能的原

19、因是：一方面，表层悬沙质地浓度小，易受观测手段的影响，观测误差大；另一方面，拟合曲线考虑的是整体的拟合效果，表层小的泥沙质量浓度，对拟合的贡献低，拟合偏差要来的大。泥沙实测加入潮流未加入潮流悬浮泥沙质量浓度/(mgL)图5hl02站点的加入潮流前后与实测的比较Fig3Thecontrastofthemodelwithorwithouttidalcurrentonh102stationL卜kLLJ2O-IO-2O-3O-4O-5O-6OE'a蓄炒图6h204站点的加入潮流前后与实测的比较Fig.6Thecontrastofthemodelwithorwithouttidalcurrent

20、onh204station为了定量分析模型的好坏，加入潮流前后相对误差对比见表3O误差显示，该回归模型能够很好的应用与该海区，从平均结果看，平均相对误差从0.3213减至0.2582.在原有基础上改进了19.64%,考虑潮流后平均相对误差有一定的改善。但同时表中有3个站位hlO3、h202、h501在加入潮流后平均相对误差有一定程度的增加，一方面可能是因为本研究的拟合模型考虑影响悬沙质fit浓度垂向分布的因素还较少，不能完全的反应各个站点的悬沙质量浓度垂向分布的特征；另一方面可能是因为3个站点的观测出现了人为的操作错误，造成观测结果异常，导致拟合效果变低。除这3个站点外，其他站点加入潮流后的平

21、均相对误差都有不同程度的降低，达到预期效果。图7h601站点的加入潮流前后与实测的比较Fig.7Thecontrastofthemodelwithorwithouttidalcunentonh601station站点未加潮流加入潮流站点未加潮流加入潮流h!020.22360.1474h4040.41890.3385h!030230802500h4050.44090.3591h1040.34330.2587h4060449803632hl05014540.0958h5010.270403205hl06041520.3343h50IP032930.2463h202041830.4678h5020.

22、45340.3677h2030.18840.1320h5O3026060.1900h204016330.0890h5040.33340.2638h2O50308802372h5O50.40770.3438h2060216201871h5060.279502312h3O40.262401839h60l0157101169h3O50337902561h602024940.1701h3060.434903512h603038880.3027h4010.37240.2880h6040357102823h4020.29040.2118h6O50.44060.3566h4030.27460.1967h6060297602269h403p0.44250.3532平均0.32130.2582表3加入潮流前后风前站点的平均相对误差Tab.3TherelativeaverageerrorofthemodelwithorwithouttidalcurrentonstationsbeforeTyphoonSaomei6结论基于长江口外海域现场观测的悬浮泥沙资料，初步得到了该海域瞬时悬浮泥沙垂向剖面的回归模型，并有如下结论：1) 悬沙质量浓度垂向剖面因地点和时间的不同而复杂多样，但是大多数时刻悬浮物质量浓度的垂向分布符合“上小下大”的形态；2) 对经典悬沙剖