半遮蔽型海滩剖面长期时空演化过程的经验正交函数分析*

梁伟强 王永红

半遮蔽型海滩剖面长期时空演化过程的经验正交函数分析*

梁伟强 王永红①

(中国海洋大学海洋地球科学学院 海底科学与探测技术教育部重点实验室 青岛 266100)

半遮蔽型海滩由于一侧海岬的差异作用而影响海滩的演变过程。本文以青岛石老人海水浴场海滩为例, 基于对3条典型剖面连续11年现场监测的高程数据, 利用经验正交函数(empirical orthogonal function, EOF)分析方法将该海滩各剖面高程数据组成的原始距平矩阵依次分解为相应的空间和时间特征函数, 分析了石老人海滩的形态演化特征、蚀淤趋势及驱动因素, 并采用方差总占比超过77%的前3个经验正交函数来反映此类海滩的基本演化情况, 分别为: 表征长时间尺度砂质海滩滩面最主要蚀淤变化趋势的第一模态、表征季节性蚀淤变化及其引起的滩肩剖面形成增长或削弱消亡的第二模态和表征人类活动、偶发因素或海岸地形等引起的具有随机性的不规律蚀淤变化的第三模态。结果表明: 11年来石老人海滩经历了三个阶段, 第一阶段为平稳期(2009年1月—2011年7月), 第二阶段为突变期(2011年7月—2012年9月), 该阶段之后至今, 是第三阶段的平稳期(2012年9月—2019年12月)。海滩剖面在自然和人类活动影响下的高程变化范围在0.1—2.0 m范围内。波浪是影响该海滩形态演化的最主要水动力因素, 岬角对半遮蔽型海滩的差异庇护作用导致不同位置的剖面演化存在差异。高频率台风的影响、海平面阶段性升高并长期保持较高水平导致了远离岬角的开放岸段存在明显阶段性调整, 剖面滩肩宽度减少约30 m, 岬湾内部剖面则相对稳定, 目前海滩剖面形态在第二阶段突变期后达到了新的稳定状态。

石老人砂质海滩; 海岸蚀淤; 时空演化; 半遮蔽型海滩; 经验正交函数

海滩地形演变是浪、潮、风等动力因素与海滩沉积物相互影响的结果(Rosen, 1978; Chen, 1995; 陈子燊等, 1993; 陈子燊等, 2010; Burvingt2017)。海滩类型划分标准多样, 根据海岸地貌划分常见有开阔型海滩、半遮蔽型海滩和岬湾海滩(Shenoi, 1987; Larson, 1995)。半遮蔽型海滩属于过渡类型且分布十分普遍, 其形成和演化通常受一侧岬角和另一侧开放的水动力条件等因素共同影响, 具有较为显著的空间演化差异, 主要表现为靠近岬角的海滩形态总体趋于稳定, 而处于开放区域的海滩则表现出较为明显的侵蚀现象(Schwarzer, 2003; 于吉涛等, 2011; Aouiche2016)。因此, 对半遮蔽型海滩沉积过程、时空演化及影响因素的准确判别有利于海滩资源的利用和保护。

海滩剖面形态监测是研究海滩地形演变的有效直接手段, 这种连续监测可以反映岸滩侵蚀淤积的趋势或程度(戴志军等, 2001; 岳保静等, 2017; Lemke, 2017; Nagasawa, 2018)。经验正交函数(empirical orthogonal function, EOF)分析是目前能有效提取海滩演变数据中主要模态和时空演变信息的一种多元统计分析方法(陈子燊, 2000; 李志龙等, 2004; 陈子燊等, 2007; 李志强等, 2008; Choi2020)。利用常规EOF方法分析海滩剖面的小、中尺度过程较为普遍(Larson, 1999; 夏非等, 2009), 例如Lemke等(2017)使用该方法对2009年美国新泽西州朗布兰奇海滩养护后2—6月的形态演变进行了短期研究, 发现前三个模态分别为反射性和耗散性海滩状态之间的季节性过渡、海滩内的坡度平衡以及沉积物的沿岸输移, 可解释海滩养护后剖面适应性变化的90％以上。戴志军等(2001)利用1999年7—8月共37天的寮咀口海滩剖面的短期监测数据进行EOF分析, 提取了表征海滩剖面主要变化过程的特征函数, 将海滩短期演化过程分为前滨蚀积模式、滩肩顶的进退模式和台风后海滩恢复模式; 岳保静等(2018)对山东半岛烟台和日照2个海滩2012年11月—2015年11月夏冬两季剖面监测数据进行分析, 采用占比超过90%的四个模态对海岸地貌和沉积特征差异进行对比, 四个模态分别是滩面变化、风浪季节性控制下的剖面变化、偶发因素和人为因素造成的地貌变化。近年来国外针对海滩长期蚀淤演化的研究逐渐增多, 例如Miller等(2007a, 2007b)使用EOF方法分析了1987—2007年澳大利亚、北美洲地区8个海滩的剖面变化特征, 第一模态代表波浪季节变化下的滩面周期性侵淤, 第二模态与厄尔尼诺现象等极端条件关联密切剖面变化; Karunarathna等(2012)分析了澳大利亚纳拉比恩海滩1987—2005年19 a间的海滩剖面演化, 进行了海滩的年代际、年度间和年度内蚀淤特征研究, 第一模态表明前滨是沙滩演化过程中变化最活跃的区域, 第二模态反映了海滩季节性的变化; Hoang等(2019)使用EOF方法分析2011年日本仙台海啸发生前后约7 a内海滩剖面的演化过程, 认为第一模态代表沉积物的沿岸输移, 海啸发生前后两个阶段内浪潮控制为主剖面变化的第二模态贡献率增大4倍, 但在此后海滩形态逐渐恢复, 甚至接近海啸前的水平。这些研究成果为沙滩动态的研究提供了理论基础, 验证了利用EOF方法精确识别海滩剖面长时间尺度演化特征的可行性。石老人海滩是一个半遮蔽型的砂质海滩, 近年来对其进行了较多沉积地貌方面的研究, 例如粒度的季节变化(王永红等, 2012; 马莹, 2014), 海滩重金属污染(Wang, 2017), 海滩地貌变化(冯哲等, 2016), 是一个研究较为成熟的海滩, 在对石老人海滩剖面演化的研究中虽然探索了海滩的演化周期(冯哲等, 2016), 但并未深入探讨海滩剖面的变化机理以及剖面在垂向上的变化深度。本文利用11 a (2009—2019年)重复实测剖面数据的优势, 针对石老人海水浴场半遮蔽海滩在长期近岸水动力作用下形成的海滩剖面特征, 采用EOF分解获得海滩变化的主要模态, 从长时间尺度探讨此类海滩剖面的蚀淤情况及海滩垂向的扰动变化过程, 进而分析海滩演变的主要趋势和影响因素, 为沙滩资源的保护规划提供理论指导。

1 研究区概况

石老人海滩位于山东半岛东南沿海, 地理坐标为(36°05'N, 120°27'E), 整体走向约为NE—SW, 长约2.15 km, 高潮线以上平均宽度130 m, 面积约1.9×105m2, 平均坡度约2.4%, 东北部发育花岗岩性质的基岩岬角, 形成典型的半遮蔽型砂质海滩(图1)。研究区全年高频率风向为SE、N、NNW向, 均速5.5 m/s, 具有十分显著的季节差异, 春夏常见SE向风, 秋冬以N—NW向风占优。研究区波浪以风浪为主, 季节性变化较为明显。冬季多为WNW—NNW向, 其中NW向频率为18%; 春季多出现E、ESE向风浪; 夏季风浪多为ES向; 秋季NW向风浪最多, 频率为10%。涌浪出现频率为67%, 夏季可达88%, 以SE向的涌浪最多。石老人附近海域平均波高为0.7 m, 冬季风浪为主, 偏北向, 平均波高0.5 m, 夏季涌浪占优, 偏南向, 平均波高0.9 m, 全年总体以风浪为主, 以波高不超过1.5 m的中小型波浪最为普遍, 频率为95.37%, 台风造成的风暴潮出现频率以WN向最高。近海海域具有正规半日潮特征, 大潮平均潮差3.42 m, 小潮为1.77 m, 平均潮差2.8 m (中国海湾志编纂委员会, 1993; 冯哲等, 2016)。涨潮流速普遍大于落潮流速(于乾, 2014), 且沿岸流系与岸线走线基本平行, 属于自东向西逆时针流向的黄海沿岸流(冯哲等, 2016)。

2 研究资料与方法

2.1 数据获取与预处理

为了解石老人海滩形态的演变特征, 于2009—2019年连续11年共进行57次有效实地监测, 一般每年的1、3、5、7、9与11月进行6次测量, 11 a间正常应有66次测量数据, 但是由于相关部门的维护管理和台风等原因, 缺乏2009年7和9月、2010年1月、2010年7和11月、2011年1和3月、2012年1月、2019年5月的数据, 最终实际获得57次测量的171条剖面数据。实地监测主要进行海滩剖面地形高程监测、地貌调查, 按照海滩实际地貌状况确定3条与岸线基本垂直的典型剖面并分别由陆向海开展定期测量, 根据现场条件选取固定位置为测量起点, 使用GPS定位以确保历次测量的统一和准确。采用Leika TC-208全站仪测量由后滨起点测至低潮线, 每次根据潮汐资料选在最低潮或近最低潮时开展测量, 此时滩面出露宽度较大, 利于地貌变化的精确记录。为便于对比研究, 各剖面高程数据为相对高程, 以固定起点为高程和离岸距离的相对零点。各剖面基本信息见表1。

图1 研究区地理位置、剖面分布及水文气象资料(中国海湾志编纂委员会, 1993)

注: N: 南向; E: 东向; W: 西向; S: 南向; PMB: 剖面B; PMC: 剖面C; PMD: 剖面D

表1 各剖面基本情况

Tab.1 Basic information of the sections

数据处理过程: 为保证各剖面历年地形数据的相对统一, 在数据预处理过程中将3条剖面数据分别控制在280、220和200 m范围内。其中个别年份的PMC(剖面C)测量长度不足200 m, 例如PMC 2014年5月和2016年6月共2次的测量数据使用Origin进行了向海方向10 m的外延。由于向海方向的剖面较为平坦, 因此不影响剖面数据的分析和计算。每条剖面的测量站点约为25—30个, 但为了得到等间距矩阵, 利用Origin 2018将实测数据以10 m等间距进行线性插值, 从而分别得到28、22、20个剖面高程数据, 与时间参数分别组成28×57、22×57和20×57三个矩阵, 分别进行距平化预处理后计算空间协方差。

2.2 海滩滩肩宽度测量及计算

实地测量时根据海滩各剖面的形态特征, 确定各剖面的滩肩发育情况及位置。由于PMD(剖面D)滩肩发育不明显, 只有监测后期才出现发育程度较低的滩肩, 本文在后期数据处理过程中分别计算2009—2019年PMB(剖面B)、PMC的滩肩宽度(海滩剖面测量起点向海延伸至滩肩顶位置的距离), 进一步探讨11 a来滩肩宽度的演化趋势, 并以此来辅助分析各剖面蚀淤变化的基本情况。

2.3 经验正交函数

EOF可处理初始数据并进行多元统计分析(郭凤霞等, 2012), 使用Matlab 2019a运行数据的处理和计算, 有效提取其中的基本空间模态及其时间特征参数。该方法最初应用于气象领域, 后被证明可精确分析砂质海滩剖面变化(Winant, 1975), 并逐渐应用于海滩剖面时域演化的研究。EOF以线性特征系统为数学基础, 具有展开收敛快的优点, 可以在不破坏数据关联的情况下集中大量信息, 并对其主要结构特征加以反映。它是一种压缩型剖面演化研究方法(于吉涛等, 2015), 对空间上的因子进行分析时没有固定的展开形式(Larson, 2003)。海滩剖面高程的经验正交函数如下:

其中,X表征时间内的剖面高程,α()表征时间模态,V表征空间模态,为常数, 本文表示测量次数57。

EOF计算流程: (1)将剖面高程点均值化, 计算空间协方差矩阵; (2)根据雅可比旋转法获得实对称矩阵的特征值和特征向量(戴志军等, 2001); (3)按降序将特征值排序, 根据最大的若干特征值提取剖面数据方差占比较高(一般为90%左右)的空间模态和时间模态, 占比极小的特征函数视为残余不予讨论(戴志军等, 2001; 曹惠美等, 2015; 岳保静等, 2016)。

3 结果与分析

3.1 海滩整体变化特征

滩肩宽度在一定程度上可以反映海滩的蚀淤调整情况, 从而指示近岸水动力等因素的强弱程度。根据滩肩宽度的年际演化情况, 总体上可将PMB和PMC分为三个演化阶段, 不同阶段的剖面形态存在明显差异, 平均滩肩宽度存在明显差异, 即1>2>3(1: 第一阶段滩肩宽度,2: 第二阶段滩肩宽度,3: 第三阶段滩肩宽度)(图2), 这代表了滩肩在三个演化阶段产生明显的向岸推移。PMD在上述三个阶段内并没有表现出与PMC、PMD一致的显著变化, 前期剖面形态总体较为稳定, 没有滩肩发育, 后期有较窄的滩肩发育。

第一阶段为平稳期(2009年1月—2011年7月), 该阶段内PMB滩肩宽度相对稳定, 基本保持在140—160 m范围内, PMC滩肩发生了极为微弱的侵蚀, 逐渐缩减了10 m左右, 但总体保持稳定的水平; 第二阶段为突变期(2011年7月—2012年9月), 该阶段内各剖面滩肩宽度骤减, PMB从173 m缩减至118 m, 共减少了55 m, PMC从53 m缩减至37 m, 共减少了16 m, 变化幅度十分显著; 该阶段之后, 开始逐渐进入第三阶段的平稳期(2012年9月—2019年12月), 该阶段变化幅度总体较小, 各剖面的滩肩仅发生轻微季节性消长, 除个别月份以外滩肩变化量一般不超过5 m。

各剖面11 a来垂向高程也产生了一定的变化, 其中, PMB处于频繁的变动中, 形态变动幅度相对于其他两个剖面较大, 滩肩顶以上部分垂向变化幅度较小, 为0.1—0.7 m; 高潮线附近垂向高程变化幅度较大, 为0.5—2.0 m。水下岸坡的变化幅度为0.3—1.0 m, 各剖面变动最大的区域大致处于滩肩顶到平均高潮线以下的滩面上部, 变动最小的区域位于滩肩顶以上。而PMC的变化幅度在三个部位变化程度相当, 为0.2—0.7 m, 是三个剖面变化幅度最小的地方。PMD的变化幅度在三个部位变化程度相当, 为0.3—1.0 m, 维持在较小的范围内。

3.2 剖面形态演化特征

采用EOF对青岛石老人海滩3条典型剖面2009—2019年监测数据进行分解, 从时间和空间两个角度得出海滩长期演化的主要模态并对其时域演化特征展开分析, 其中, 空间模态表征海滩形态的区域变化, 时间模态代表地形变化的时间演化特征。EOF分析结果显示各剖面前3个空间特征值累计方差在77%—91%范围内(表2), 这三组模态的线性组合足以反映原始矩阵的主要特征和剖面的基本变化趋势。

3.2.1 第一模态 空间模态中极值对应变化幅度最大的位置, 零点则对应变化极不显著的区域, 泥沙在零点两侧呈现反相变化趋势, 分别向岸或离岸运动, 并因此产生淤积和侵蚀区域, 以滩面冲刷带附近区域变化最为明显(于吉涛等, 2015; 朱士兵等, 2019)。PMB、PMC和PMD的第一模态方差占比分别为71.69%、47.15%和56.64%, 代表了海滩剖面最主要的蚀淤演化趋势, 这一模态以滩面附近冲刷区域的最大波动为主要特征, 表征了滩面沉积物在长期波浪、潮汐等因素影响下的向岸或离岸输移以及由此造成的滩形演化模式。由第一空间模态(1)可知, 三个剖面距平值相对较小且基本为正值, 只有PMB在75—125 m区间出现极值较大的负值, 这说明三个剖面的主要蚀淤特征表现为较稳定的淤积, 只有剖面B的对应区域表现为较弱的侵蚀状态。PMB第一模态指示了71.69%的变化情况, 在0—75 m区域内空间模态距平值为正值但接近0 (图3a), 对应剖面后滨区域, 说明PMB后滨范围表现为较弱程度的稳定淤积, 75—125 m区间内距平值为负, 但极值相对较小, 对应剖面滩肩顶区域, 说明PMB滩肩存在微弱的泥沙侵蚀冲刷现象, 75和125 m处存在临界点故而相对稳定, 两侧分别对应了淤积和流失两种截然不同的过程, 即滩肩区域泥沙被冲刷并向两侧流失。显著变化出现于离岸距离110—160 m区间内, 对应滩肩顶至平均大潮高潮线区域, 125—280 m区间内距平值为正且逐渐增大, 剖面淤积程度逐渐增强, 至离岸160 m达到正极大峰值, 对应平均高潮线以下的滩面上部, 说明此处泥沙淤积最为明显。随着离岸距离的继续增加, 距平值逐渐降低并维持在较为稳定的范围, 泥沙稳定淤积但程度相对较弱。PMC第一模态指示了47.15%的变化情况, 在0—25 m处空间模态距平值虽为负值但十分趋近于0(图3-c), 对应剖面后滨区域, 说明此区域没有发生明显的侵蚀; 从25 m处开始距平值均为正值, 且显著变化出现在离岸25—100 m范围内, 指示了滩肩至前滨的淤积量逐渐增加, 表现出滩肩顶至碎波带剖面变动渐强的特点, 反映了泥沙沿剖面的横向往复运动, 这是剖面演化的典型特征。从离岸100 m向更远处的前滨第一空间模态基本稳定在较大的正值范围内, 说明此区域泥沙淤积最为明显且程度相对接近, PMC未表现出泥沙侵蚀的现象。PMD第一模态指示了56.64%的变化情况, 空间模态距平值均为正值且变化幅度不大(图3e), 表现为整个海滩剖面的稳定淤积。从离岸20 m处开始表现出缓慢增加的趋势, 说明该剖面前滨存在稳定的淤积过程, 且随着离岸距离的增加淤积作用逐渐明显。因此, 各剖面第一模态均以滩面附近的冲刷区域变化较大为最主要特征, 是以潮间带滩面区域沉积物蚀淤演化为明显特征的海滩主要变化趋势。

图2 研究区2009—2019年各剖面形态演化

注:1: 第一阶段平均滩肩宽度,2: 第二阶段平均滩肩宽度,3: 第三阶段平均滩肩宽度

表2 EOF分析各剖面特征函数及贡献率

Tab.2 EOF analysis of the characteristic functions and contribution rates of the sections

图3 石老人海滩各剖面的空间特征函数和时间系数

第一时间模态对应的是长时间尺度内的海滩主要蚀淤变化趋势, PMB第一时间模态(1)随时间持续周期性地波动, 总体上呈减小趋势(图3b), 表示剖面各时间段内淤积量并不相等, 但从长时间尺度来看是存在侵蚀的, 该剖面第一时间模态展现了较为明显的阶段特征, 2009年至2011年下半年第一时间系数变化不大, 稳定在1.5—2.0范围内, 从2011年下半年至2012年底, 第一时间系数下滑显著, 说明这一阶段内PMB经历了十分明显的侵蚀作用, 从2013年开始, 第一时间系数整体达到相对稳定, 只有极个别月份表现出了较大的突变, 主要表现为季节性的增减, 表明海滩形态变化再次趋于稳定。这种显著的阶段性演化特征与前文的滩肩宽度分析和第一空间模态分析结果是高度一致的; PMC和PMD剖面第一时间模态(1)同样随时间周期性的波动, 波动幅度较大且未表现出阶段性的演化规律, 时间系数增大和减小趋势交替出现(图3d—3f), 表示此模态的时间过程是周期性交替淤积和侵蚀。

3.2.2 第二模态 三个剖面的第二空间模态(2)距平值有正有负, 表明海滩既有淤积又有侵蚀。PMB第二空间模态指示了该剖面10.04%的变化情况(图3a), 离岸0—70 m的后滨区域幅值为正, 期间有多次波动, 表明泥沙淤积的程度不同, 其中正极大值出现在离岸140 m处, 对应于剖面的滩肩向海侧, 说明该处是海滩剖面变化最大的区间。在离岸170 m处平均高潮线向海附近区域为临界节点, 两侧蚀淤关系相反, 170—280 m幅值为负, 表明前滨下部主要存在泥沙冲刷与侵蚀。PMC第二空间模态指示了该剖面19.49%的变化(图3c), 在离岸20、42和105 m处存在节点, 0—20 m为负值, 对应泥沙侵蚀, 20—42 m区间为正值, 表明该区域存在泥沙淤积, 其中离岸42 m处对应滩肩顶位置, 指示滩肩泥沙存在向岸输移的情况。从离岸42—105 m, 振幅为负值, 且70 m处出现负极大值, 表明平均高潮线以下一定范围滩面存在十分明显的侵蚀现象, 且70 m处的冲刷侵蚀最为强烈, 从105 m开始到离岸220 m前滨区域的幅值均为较小正值且相对稳定, 说明前滨存在微弱且稳定连续的淤积。PMD第二空间模态指示了该剖面18.74%的变化, 在离岸95 m处存在节点(图3e), 0—95 m范围内普遍为负值, 且由20 m处的负极大值逐渐趋向于零, 说明离岸20 m的后滨区域侵蚀最为强烈, 随着离岸距离的增加侵蚀程度逐步减弱, 至离岸95 m前滨上部区域蚀淤关系发生转变, 泥沙转为向海搬运的运动, 至前滨离岸约170 m处达到正极大值, 淤积程度最为明显, 随后时间的推移最终慢慢趋于稳定, 这种现象可能是滩肩剖面向沙坝剖面的转换。上述变化主要由地形和水动力作用引起, 受地形和水动力影响, 海滩前滨带的泥沙运动活跃, 滩面下部至平均低潮位泥沙向岸移动, 导致滩肩剖面的增长, 反之则导致滩肩剖面的削弱。因此, 第二模态反映了海滩泥沙在动力作用下的季节性向岸或离岸运移, 以及由此造成的滩肩剖面的增长或削弱, 实测剖面地形时也可以观察到这个现象, 第二模态分别指示了各剖面10.04%、19.49%和18.74%的变化。

从第二时间模态可以看出, 各剖面2均呈现为十分显著的周期性变化(图3b—3f)。各剖面每年的第二时间模态距平值普遍为夏大冬小, 夏季剖面明显存在程度不一的淤积过程, 靠近最大高潮线的部位淤积, 形成滩肩, 冬季遭受冲刷逐渐削弱甚至消失, 具有明显的夏淤冬蚀特征。因此可以推测, 第二时间模态所代表的具有周期性特征的动力过程受季节性波浪影响较为显著, 由此指示了剖面泥沙向、离岸运动的周期性季节旋回, 即冬蚀夏淤, 这种模态以滩肩区域的季节性蚀淤为主要特征, 与前文对第二空间模态分析所认为的滩肩剖面反复消长相对应。

3.2.3 第三模态 各剖面第三模态方差占比分别为8.58%、10.56%和10.05%, 这分别指示了三个剖面8.58%、10.56%和10.05%的变化情况, 由图5—图7可知第三空间模态3变动幅度较大, 极可能是人为因素、突发状况和岬角的遮蔽效应等次要因素引起的蚀淤变化, 例如人类活动、排水口泄洪、台风及其引起的风暴浪潮等偶发因素。第三时间模态(3)未见显著的周期变化特征, 具有典型的随机性和偶然性, 指示的是人类活动、极端气候等为主的偶然动力或排水口影响引起的滩面短期变化, 此过程偶发性较高且无明显规律, 因此方差占比相对比较小。据石老人海域气象资料, 极端天气主要集中于当地秋冬季节, 主要通过显著影响波浪等动力条件并引起输砂瞬时改变, 进而促使剖面地形的突发变化; 同时, 石老人砂质海滩作为当地规模较大的海水浴场, 两侧设有两处排水口, 浴场游客人为扰动较为频繁, 管理部门会进行不定期维护, 这也是第三时间模态缺乏规律性特征的一个因素。

4 讨论

4.1 影响海滩剖面差异性变化的因素

4.1.1 波浪控制了海滩剖面的季节性变化 石老人海域浪潮作用指数值为1.38(冯哲等, 2016), 其中=2.5/(1/10平均波高;平均潮差),>1为浪控型,<1为潮控型,≈1为过渡型(崔金瑞等, 1992), 因而石老人海滩属于浪控为主的海岸, 石老人海滩三个剖面第一特征函数以平均大潮高潮线附近的滩面冲刷区域波动最大为最主要特征。该区近海波浪冬季多为WNW—NNW向的离岸浪(图1)对海滩的建设作用相对较小; 春季多出现E、ESE向风浪; 夏季风浪多为ES向; 秋季NW向风浪最多(图1)是对海滩建设作用最为明显的波浪类型。当波浪到达石老人海滩近海时, 湾内海滩由于岬角的遮蔽作用相对稳定, 未受遮蔽的海滩冲蚀作用增加, 造成PMB的强烈变化, 滩面是变化强度最大的区域。同时, 2009—2011年年均波高在1.1—1.2 m (冯哲等, 2016), 2011—2012年变化不大, 约在1.1 m附近, 至2012年以后波高随着海平面的上升有所下降, 但还是浮动在1.0 m附近, 在这种新的动力环境下, 海滩产生相应的平衡响应, 逐渐处于新的稳定阶段。

4.1.2 海平面变化和台风控制了海滩剖面的突变 根据EOF时间模态展现出的演化规律, 由于岬角的遮蔽作用, PMD变化不大, PMB和PMC在2011—2012年间为突变阶段, 演化阶段与海平面阶段性上升具有较高的时间一致性。国家海洋信息中心监测资料显示石老人海滩近海(黄海海域)海平面在1980年以来总体上呈现稳步上升的大趋势(王慧等, 2018)。据《2019年中国海平面公报》海平面监测显示, 1980—2019年黄海海平面的平均上升速率为3.2 mm/a, 海平面变化是一个缓慢的过程, 通常引起波浪潮汐的变化, 并导致海滩对新的水动力条件产生平衡响应(李广雪等, 2013)。2009—2011年期间,海平面上升幅度相对较小, 年均变化速率小于10 mm/a, 在2011—2012年间, 海平面上升的年际速率达到53 mm/a, 2012—2019年的海平面净增长幅度较小, 年际平均上升速率仅为5 mm/a左右(图4), 2011—2012年间的上升速率明显大于其他时间段, 是1980年以来黄海海平面上升速率最快的一年, 因此这段时间海平面的大幅上升可以引起波浪潮的显著变化, 从而打破了研究区此前水动力环境的平衡状态, 扩大了波浪、潮汐和风暴潮的影响范围。浪、潮等水动力因素会随之在短期内发生显著变化(Neshaei, 2017), 致使海滩遭受侵蚀并发生形态的突变, 岸线和滩肩后移。2012年以后, 海平面达到比之前更高的程度并在这个新的状态下长期保持相对稳定或小幅度波动, 导致研究区海域的水动力条件显著变化后没有调整回原来的平衡状态, 最终在新的平衡状态下保持相对稳定, 这个过程对应了PMB和PMC经历“平稳—突变—平稳”三个阶段的演化。在其他海滩的研究中, 也发现海平面变化对于海滩剖面形态的重要影响, 例如Abessolo 等(2020)在西非海滩对海平面上升引起的海滩响应进行了研究, 分析表明海平面的阶段性变化会导致海滩形态产生与之对应的变化, 从而强调了海滩形态对海平面变化的积极适应性; Nidhinarangkoon等(2020)对泰国芭提雅旅游海滩进行了类似的分析, 研究同样表明了在海平面变化的大背景下海滩形态会随着海平面的变化产生适应性的演化。

图4 研究区海域海平面长期变化情况

在偶发因素方面, 从时间模态来看, 在风暴潮发生之后海滩形态会发生急剧变化并在一定时间内进行调整。根据中国气象台台风网气象记录可知, 2009—2019年11年内该海域过境台风共发生13次(表3), 仅2011—2012年约1年的时间就发生了5次, 占本文观测期间过境总数1/3以上, 其余年份年均过境次数仅有1.1次左右(周良勇等, 2013)。冯哲等(2016)曾针对该海滩进行了剖面形态连续演化的研究, 结果显示研究海滩在台风过境之后的滩肩宽度和单宽体积均存在明显的减小, 在过境之后的一段时期内开始逐渐回调, 在2011—2012年这一期间内, 该海域遭受台风影响十分频繁, 导致海滩剖面形态产生了连续的冲蚀响应, 剖面单宽体积和滩肩宽度在这一阶段存在阶段性的大幅度下降, 单宽体积减小约14.9—98.2 m3, 最大减小幅度可达98.2 m3左右, 滩肩宽度减小约5—30 m, 最大缩减约30 m, 这与本文时间模态曲线所显示的趋势基本一致。因而偶发台风过境之后会破坏海滩原有的平衡状态并对其形态产生较大的影响, 加上同期海平面的变化, 导致了与前文时空模态相吻合的形态突变, 使得海滩无法恢复到原来的平衡状态。

4.2 半遮蔽海滩剖面变化差异和新稳定状态

石老人海滩11 a内发生长时间尺度的海滩剖面时空演化, 海滩不同位置蚀淤程度存在异同, 石老人海滩EOF空间模态分析显示(图3), PMB的局部冲刷主要集中在最大高潮线以下的滩面, 该区域垂向变化幅度较大, PMC和PMD的滩面处都有少量稳定的淤积, 滩肩宽度变化尺度相对PMB而言较小(图2), 这种空间尺度的蚀淤差异极易受岸线地形地貌因素的影响。与之类似, 国外学者研究了非洲摩洛哥阿加迪尔湾半遮蔽型海滩在2014年1月至2014年3月的8次风暴和相应水动力共同作用下的形态演变及空间差异(Aouiche, 2016), 结果显示处于阿加迪尔湾岬角遮蔽区域的北部岸段在该期间内遭受的侵蚀程度相对较低, 海滩沉积物净亏损约占原先21%, 而处于相对开放区域的南部岸段, 受岬角遮蔽作用较为微弱, 海滩沉积物净亏损约74%, 具有十分典型的空间差异。最终, 海滩在恢复过程中逐渐适应了新的水动力条件, 在此后达到了新的平衡状态。

表3 2009—2019年期间影响青岛海域的台风

Tab.3 Typhoons affecting Qingdao waters from 2009 to 2019

经过11 a的演化, 由于岬角的半遮蔽效应, 岬角附近的海滩部分变化不是很明显。远离岬角的海滩部分变化较为强烈, 但是目前仍然没有恢复到原来的形态, 尚不能确定将来是否会恢复到原来的形态。根据海平面和波浪的变化, 海平面在2009—2019年呈现阶段性上升趋势, 2011—2012年上升十分显著, 速率可达53 mm/a, 远大于前后两个阶段。同样的, 2009—2011年年均波高在1.1—1.2 m之间(冯哲等, 2016), 2011—2012年变化不大, 约在1.1 m附近, 至2012年以后波高随着海平面的上升有所下降, 但还是浮动在1.0 m附近。目前随着动力调整和海平面的变化, 石老人海滩剖面可能会在这种新的动力环境下产生了新的适应模式, 在一段时间保持目前的剖面形态。

4.3 自然和人类活动下的海滩垂向扰动深度

海滩变化受到自然因素和人类活动的共同作用, 但是一般对于海滩的垂向扰动深度不够明确。海水浴场海滩表面经常遭受游客的扰动, 且当地管理部门每年会在海滩表面进行筛沙工作, 从而导致滩面沉积物的松散程度增大, 抗侵蚀能力明显降低, 泥沙易被波浪或风暴潮携带流失。其次, 靠近岬角的剖面除了受到遮蔽作用, 砾石普遍较多, 游客密度和人类扰动相对较小, 而远离岬角的剖面滩宽沙细且游客密集, 这也可能是导致EOF空间模特分析显示的各剖面滩面区域泥沙垂向蚀淤程度存在差异的一个因素。此外, 石老人海水浴场在开发过程中, 滨海道路、广场及其他设施的修建侵占了部分沙滩后滨, 在这一定程度上破坏了沙滩地貌的完整性, 降低了海滩本身的动态补给能力。总体来说, 经过长达11 a的监测, 在自然和人类活动的共同作用下, 海滩的垂向变化为0.1—2.0 m, 变化幅度最小区域在滩肩, 为0.1—0.7 m; 最大变化位置在平均高潮线以下滩面区域, 幅度可达2.0 m。远离岬角剖面变化幅度较大, 为0.3—2.0 m, 岬角附近剖面仅为0.2—1.0 m。

5 结论

EOF时空模态分析显示, 各剖面第一模态方差代表了长时间尺度内最主要的蚀淤变化趋势。远离岬角剖面的第一模态方差占比约为71%左右, 表示剖面此类变化幅度最大, 靠近岬角剖面的第一模态方差占比约为50%左右, 表示剖面此类变化幅度相对较小。第二模态表征短期季节性蚀淤变化及其引起的滩肩剖面形成增长或削弱消亡, 远离岬角剖面的第二模态方差占比约为10%左右, 表示剖面的此类变化相对较小, 靠近岬角剖面的第二模态方差占比约为19%左右, 表示近岬角剖面此类变化幅度相对远者更加明显; 第三模态表征人类活动、偶发因素或海岸地形等引起的不规律蚀淤变化, 远离岬角剖面的第一模态方差占比仅约为8%左右, 表示剖面此类变化幅度略小, 靠近岬角剖面的第一模态方差占比约为10%左右, 表示剖面此类变化略大。

剖面形态变化最大的区域主要位于平均高潮线以下的滩面, 时间模态分析显示剖面形态变化存在平衡(2009—2011年)—突变(2011—2012年)—稳定(2012—2019年)三个演化阶段。波浪是控制石老人砂质海滩演化趋势的最主要因素, 第一阶段海平面相对平稳, 海滩变化较为微弱; 第二阶段海平面显著升高且风暴潮频繁发生, 引起了海滩剖面突变; 第三阶段海平面稳定在较高水平, 海滩遭受侵蚀后适应了新的动力条件并达到稳定, 但并未恢复原先状态。另外人为因素也会使砂质海滩表面沉积物变得松散而影响海滩的侵蚀作用。

各剖面11 a来均存在连续的形态演化且变化幅度不一, 远离岬角剖面最终滩肩位置向陆推移, 宽度缩减约30 m。岬角附近剖面变化幅度相对较小, 存在较为稳定的淤积现象。在垂向变化方面, 远离岬角的剖面变化幅度较大, 为0.3—2.0 m, 岬角附近剖面为0.2—1.0 m。这是因为随着岬角距离的增大, 岬角对远离岬角的剖面的遮蔽效果降低造成的。变动最大的区域大致处于滩肩顶到平均高潮线以下的滩面上部, 变动最小的区域位于滩肩。

致谢 海滩剖面实地监测由研究生王兴、郑谦、袁忠鹏、唐怀能、黄畅、彭锦、Abiola John Wrigh、王凯伟等人连续共同高质量完成, 在此表示诚挚谢意。感谢各位审稿人提出的宝贵意见, 使本文的质量获得极大的提高。

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EMPIRICAL ORTHOGONAL FUNCTION ANALYSIS OF THE LONG-TERM SPATIOTEMPORAL EVOLUTION OF A SEMI-SHELTERED BEACH

LIANG Wei-Qiang, WANG Yong-Hong

(Key Laboratory of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Ministry of Education, College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The evolution of a semi-sheltered beach is affected by the headland on one side. The morphological evolution characteristics, erosion and deposition trend, and driving factors of Shilaoren Beach in Qingdao, Shandong, was analyzed as an example based on elevation data monitored for 11 consecutive years at 3 typical sections. By using the Empirical Orthogonal Function (EOF) analysis method, the original anomaly matrix of the elevation data was decomposed into corresponding spatial and temporal characteristic functions, and the morphological evolution, erosion and deposition trends, and the driving factors were examined. More than 77% of the total variance of first three empirical orthogonal function was used to reflect the basic evolution of the beach. The first mode represented the most important erosion and deposition trend of sandy beach surface on a long time scale. The second mode indicated the seasonal erosion and deposition change and the growth or decay of the beach shoulder formation caused by seasonal deposition and erosion. The third mode reflected the irregular erosion and deposition change caused by human activities, accidental factors, or coastal topography. Results show that in the past 11 years, Shilaoren Beach has experienced three stages: the first stage is the stable period (January 2009 to July 2011), the second stage is the sudden change period (July 2011 to September 2012), and afterward was the third stage, a new stable period (September 2012 to December 2019). The average elevation variation range of the beach in the past 11 years was 0.1—2.0 m, which was affected by natural and human activities. Wave was the most important hydrodynamic factor of the morphologic evolution of the beach. Different sheltering effect of headland on semi-sheltered beach led to evolutional difference at different sections under the impact of typhoon and the resultant temporal sea level rise that stayed quite a long time. During typhoon events, the open shore section away from the headland was significantly adjusted and the width of section shoulder was reduced by about 30 m, while the headland inside the bay remained relatively stable. At present, the beach morphology is in a new stable state after the sudden change period.

Shilaoren Beach; coastal erosion and deposition; spatiotemporal evolution; semi-sheltered beach; empirical orthogonal function (EOF)

* 国家重点研发计划项目，2016YFC0402602号; 国家自然科学基金项目，41376054号, 41176039号, 41410304022号。梁伟强，硕士研究生，E-mail: 1596761796@qq.com

王永红，博士生导师，教授，E-mail: yonghongw@ouc.edu.cn

2021-01-05，

2021-03-10

P736.21

10.11693/hyhz20210100002