半遮蔽型海灘剖面長(zhǎng)期時(shí)空演化過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析*

梁偉強(qiáng) 王永紅

半遮蔽型海灘剖面長(zhǎng)期時(shí)空演化過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析*

梁偉強(qiáng) 王永紅①

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院 海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266100)

半遮蔽型海灘由于一側(cè)海岬的差異作用而影響海灘的演變過(guò)程。本文以青島石老人海水浴場(chǎng)海灘為例, 基于對(duì)3條典型剖面連續(xù)11年現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的高程數(shù)據(jù), 利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(empirical orthogonal function, EOF)分析方法將該海灘各剖面高程數(shù)據(jù)組成的原始距平矩陣依次分解為相應(yīng)的空間和時(shí)間特征函數(shù), 分析了石老人海灘的形態(tài)演化特征、蝕淤趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)因素, 并采用方差總占比超過(guò)77%的前3個(gè)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)來(lái)反映此類海灘的基本演化情況, 分別為: 表征長(zhǎng)時(shí)間尺度砂質(zhì)海灘灘面最主要蝕淤變化趨勢(shì)的第一模態(tài)、表征季節(jié)性蝕淤變化及其引起的灘肩剖面形成增長(zhǎng)或削弱消亡的第二模態(tài)和表征人類活動(dòng)、偶發(fā)因素或海岸地形等引起的具有隨機(jī)性的不規(guī)律蝕淤變化的第三模態(tài)。結(jié)果表明: 11年來(lái)石老人海灘經(jīng)歷了三個(gè)階段, 第一階段為平穩(wěn)期(2009年1月—2011年7月), 第二階段為突變期(2011年7月—2012年9月), 該階段之后至今, 是第三階段的平穩(wěn)期(2012年9月—2019年12月)。海灘剖面在自然和人類活動(dòng)影響下的高程變化范圍在0.1—2.0 m范圍內(nèi)。波浪是影響該海灘形態(tài)演化的最主要水動(dòng)力因素, 岬角對(duì)半遮蔽型海灘的差異庇護(hù)作用導(dǎo)致不同位置的剖面演化存在差異。高頻率臺(tái)風(fēng)的影響、海平面階段性升高并長(zhǎng)期保持較高水平導(dǎo)致了遠(yuǎn)離岬角的開放岸段存在明顯階段性調(diào)整, 剖面灘肩寬度減少約30 m, 岬灣內(nèi)部剖面則相對(duì)穩(wěn)定, 目前海灘剖面形態(tài)在第二階段突變期后達(dá)到了新的穩(wěn)定狀態(tài)。

石老人砂質(zhì)海灘; 海岸蝕淤; 時(shí)空演化; 半遮蔽型海灘; 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)

海灘地形演變是浪、潮、風(fēng)等動(dòng)力因素與海灘沉積物相互影響的結(jié)果(Rosen, 1978; Chen, 1995; 陳子燊等, 1993; 陳子燊等, 2010; Burvingt2017)。海灘類型劃分標(biāo)準(zhǔn)多樣, 根據(jù)海岸地貌劃分常見有開闊型海灘、半遮蔽型海灘和岬灣海灘(Shenoi, 1987; Larson, 1995)。半遮蔽型海灘屬于過(guò)渡類型且分布十分普遍, 其形成和演化通常受一側(cè)岬角和另一側(cè)開放的水動(dòng)力條件等因素共同影響, 具有較為顯著的空間演化差異, 主要表現(xiàn)為靠近岬角的海灘形態(tài)總體趨于穩(wěn)定, 而處于開放區(qū)域的海灘則表現(xiàn)出較為明顯的侵蝕現(xiàn)象(Schwarzer, 2003; 于吉濤等, 2011; Aouiche2016)。因此, 對(duì)半遮蔽型海灘沉積過(guò)程、時(shí)空演化及影響因素的準(zhǔn)確判別有利于海灘資源的利用和保護(hù)。

海灘剖面形態(tài)監(jiān)測(cè)是研究海灘地形演變的有效直接手段, 這種連續(xù)監(jiān)測(cè)可以反映岸灘侵蝕淤積的趨勢(shì)或程度(戴志軍等, 2001; 岳保靜等, 2017; Lemke, 2017; Nagasawa, 2018)。經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(empirical orthogonal function, EOF)分析是目前能有效提取海灘演變數(shù)據(jù)中主要模態(tài)和時(shí)空演變信息的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法(陳子燊, 2000; 李志龍等, 2004; 陳子燊等, 2007; 李志強(qiáng)等, 2008; Choi2020)。利用常規(guī)EOF方法分析海灘剖面的小、中尺度過(guò)程較為普遍(Larson, 1999; 夏非等, 2009), 例如Lemke等(2017)使用該方法對(duì)2009年美國(guó)新澤西州朗布蘭奇海灘養(yǎng)護(hù)后2—6月的形態(tài)演變進(jìn)行了短期研究, 發(fā)現(xiàn)前三個(gè)模態(tài)分別為反射性和耗散性海灘狀態(tài)之間的季節(jié)性過(guò)渡、海灘內(nèi)的坡度平衡以及沉積物的沿岸輸移, 可解釋海灘養(yǎng)護(hù)后剖面適應(yīng)性變化的90％以上。戴志軍等(2001)利用1999年7—8月共37天的寮咀口海灘剖面的短期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行EOF分析, 提取了表征海灘剖面主要變化過(guò)程的特征函數(shù), 將海灘短期演化過(guò)程分為前濱蝕積模式、灘肩頂?shù)倪M(jìn)退模式和臺(tái)風(fēng)后海灘恢復(fù)模式; 岳保靜等(2018)對(duì)山東半島煙臺(tái)和日照2個(gè)海灘2012年11月—2015年11月夏冬兩季剖面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 采用占比超過(guò)90%的四個(gè)模態(tài)對(duì)海岸地貌和沉積特征差異進(jìn)行對(duì)比, 四個(gè)模態(tài)分別是灘面變化、風(fēng)浪季節(jié)性控制下的剖面變化、偶發(fā)因素和人為因素造成的地貌變化。近年來(lái)國(guó)外針對(duì)海灘長(zhǎng)期蝕淤演化的研究逐漸增多, 例如Miller等(2007a, 2007b)使用EOF方法分析了1987—2007年澳大利亞、北美洲地區(qū)8個(gè)海灘的剖面變化特征, 第一模態(tài)代表波浪季節(jié)變化下的灘面周期性侵淤, 第二模態(tài)與厄爾尼諾現(xiàn)象等極端條件關(guān)聯(lián)密切剖面變化; Karunarathna等(2012)分析了澳大利亞納拉比恩海灘1987—2005年19 a間的海灘剖面演化, 進(jìn)行了海灘的年代際、年度間和年度內(nèi)蝕淤特征研究, 第一模態(tài)表明前濱是沙灘演化過(guò)程中變化最活躍的區(qū)域, 第二模態(tài)反映了海灘季節(jié)性的變化; Hoang等(2019)使用EOF方法分析2011年日本仙臺(tái)海嘯發(fā)生前后約7 a內(nèi)海灘剖面的演化過(guò)程, 認(rèn)為第一模態(tài)代表沉積物的沿岸輸移, 海嘯發(fā)生前后兩個(gè)階段內(nèi)浪潮控制為主剖面變化的第二模態(tài)貢獻(xiàn)率增大4倍, 但在此后海灘形態(tài)逐漸恢復(fù), 甚至接近海嘯前的水平。這些研究成果為沙灘動(dòng)態(tài)的研究提供了理論基礎(chǔ), 驗(yàn)證了利用EOF方法精確識(shí)別海灘剖面長(zhǎng)時(shí)間尺度演化特征的可行性。石老人海灘是一個(gè)半遮蔽型的砂質(zhì)海灘, 近年來(lái)對(duì)其進(jìn)行了較多沉積地貌方面的研究, 例如粒度的季節(jié)變化(王永紅等, 2012; 馬瑩, 2014), 海灘重金屬污染(Wang, 2017), 海灘地貌變化(馮哲等, 2016), 是一個(gè)研究較為成熟的海灘, 在對(duì)石老人海灘剖面演化的研究中雖然探索了海灘的演化周期(馮哲等, 2016), 但并未深入探討海灘剖面的變化機(jī)理以及剖面在垂向上的變化深度。本文利用11 a (2009—2019年)重復(fù)實(shí)測(cè)剖面數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì), 針對(duì)石老人海水浴場(chǎng)半遮蔽海灘在長(zhǎng)期近岸水動(dòng)力作用下形成的海灘剖面特征, 采用EOF分解獲得海灘變化的主要模態(tài), 從長(zhǎng)時(shí)間尺度探討此類海灘剖面的蝕淤情況及海灘垂向的擾動(dòng)變化過(guò)程, 進(jìn)而分析海灘演變的主要趨勢(shì)和影響因素, 為沙灘資源的保護(hù)規(guī)劃提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

石老人海灘位于山東半島東南沿海, 地理坐標(biāo)為(36°05'N, 120°27'E), 整體走向約為NE—SW, 長(zhǎng)約2.15 km, 高潮線以上平均寬度130 m, 面積約1.9×105m2, 平均坡度約2.4%, 東北部發(fā)育花崗巖性質(zhì)的基巖岬角, 形成典型的半遮蔽型砂質(zhì)海灘(圖1)。研究區(qū)全年高頻率風(fēng)向?yàn)镾E、N、NNW向, 均速5.5 m/s, 具有十分顯著的季節(jié)差異, 春夏常見SE向風(fēng), 秋冬以N—NW向風(fēng)占優(yōu)。研究區(qū)波浪以風(fēng)浪為主, 季節(jié)性變化較為明顯。冬季多為WNW—NNW向, 其中NW向頻率為18%; 春季多出現(xiàn)E、ESE向風(fēng)浪; 夏季風(fēng)浪多為ES向; 秋季NW向風(fēng)浪最多, 頻率為10%。涌浪出現(xiàn)頻率為67%, 夏季可達(dá)88%, 以SE向的涌浪最多。石老人附近海域平均波高為0.7 m, 冬季風(fēng)浪為主, 偏北向, 平均波高0.5 m, 夏季涌浪占優(yōu), 偏南向, 平均波高0.9 m, 全年總體以風(fēng)浪為主, 以波高不超過(guò)1.5 m的中小型波浪最為普遍, 頻率為95.37%, 臺(tái)風(fēng)造成的風(fēng)暴潮出現(xiàn)頻率以WN向最高。近海海域具有正規(guī)半日潮特征, 大潮平均潮差3.42 m, 小潮為1.77 m, 平均潮差2.8 m (中國(guó)海灣志編纂委員會(huì), 1993; 馮哲等, 2016)。漲潮流速普遍大于落潮流速(于乾, 2014), 且沿岸流系與岸線走線基本平行, 屬于自東向西逆時(shí)針流向的黃海沿岸流(馮哲等, 2016)。

2 研究資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

為了解石老人海灘形態(tài)的演變特征, 于2009—2019年連續(xù)11年共進(jìn)行57次有效實(shí)地監(jiān)測(cè), 一般每年的1、3、5、7、9與11月進(jìn)行6次測(cè)量, 11 a間正常應(yīng)有66次測(cè)量數(shù)據(jù), 但是由于相關(guān)部門的維護(hù)管理和臺(tái)風(fēng)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月的數(shù)據(jù), 最終實(shí)際獲得57次測(cè)量的171條剖面數(shù)據(jù)。實(shí)地監(jiān)測(cè)主要進(jìn)行海灘剖面地形高程監(jiān)測(cè)、地貌調(diào)查, 按照海灘實(shí)際地貌狀況確定3條與岸線基本垂直的典型剖面并分別由陸向海開展定期測(cè)量, 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件選取固定位置為測(cè)量起點(diǎn), 使用GPS定位以確保歷次測(cè)量的統(tǒng)一和準(zhǔn)確。采用Leika TC-208全站儀測(cè)量由后濱起點(diǎn)測(cè)至低潮線, 每次根據(jù)潮汐資料選在最低潮或近最低潮時(shí)開展測(cè)量, 此時(shí)灘面出露寬度較大, 利于地貌變化的精確記錄。為便于對(duì)比研究, 各剖面高程數(shù)據(jù)為相對(duì)高程, 以固定起點(diǎn)為高程和離岸距離的相對(duì)零點(diǎn)。各剖面基本信息見表1。

圖1 研究區(qū)地理位置、剖面分布及水文氣象資料(中國(guó)海灣志編纂委員會(huì), 1993)

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

表1 各剖面基本情況

Tab.1 Basic information of the sections

數(shù)據(jù)處理過(guò)程: 為保證各剖面歷年地形數(shù)據(jù)的相對(duì)統(tǒng)一, 在數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中將3條剖面數(shù)據(jù)分別控制在280、220和200 m范圍內(nèi)。其中個(gè)別年份的PMC(剖面C)測(cè)量長(zhǎng)度不足200 m, 例如PMC 2014年5月和2016年6月共2次的測(cè)量數(shù)據(jù)使用Origin進(jìn)行了向海方向10 m的外延。由于向海方向的剖面較為平坦, 因此不影響剖面數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算。每條剖面的測(cè)量站點(diǎn)約為25—30個(gè), 但為了得到等間距矩陣, 利用Origin 2018將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以10 m等間距進(jìn)行線性插值, 從而分別得到28、22、20個(gè)剖面高程數(shù)據(jù), 與時(shí)間參數(shù)分別組成28×57、22×57和20×57三個(gè)矩陣, 分別進(jìn)行距平化預(yù)處理后計(jì)算空間協(xié)方差。

2.2 海灘灘肩寬度測(cè)量及計(jì)算

實(shí)地測(cè)量時(shí)根據(jù)海灘各剖面的形態(tài)特征, 確定各剖面的灘肩發(fā)育情況及位置。由于PMD(剖面D)灘肩發(fā)育不明顯, 只有監(jiān)測(cè)后期才出現(xiàn)發(fā)育程度較低的灘肩, 本文在后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程中分別計(jì)算2009—2019年P(guān)MB(剖面B)、PMC的灘肩寬度(海灘剖面測(cè)量起點(diǎn)向海延伸至灘肩頂位置的距離), 進(jìn)一步探討11 a來(lái)灘肩寬度的演化趨勢(shì), 并以此來(lái)輔助分析各剖面蝕淤變化的基本情況。

2.3 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)

EOF可處理初始數(shù)據(jù)并進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析(郭鳳霞等, 2012), 使用Matlab 2019a運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算, 有效提取其中的基本空間模態(tài)及其時(shí)間特征參數(shù)。該方法最初應(yīng)用于氣象領(lǐng)域, 后被證明可精確分析砂質(zhì)海灘剖面變化(Winant, 1975), 并逐漸應(yīng)用于海灘剖面時(shí)域演化的研究。EOF以線性特征系統(tǒng)為數(shù)學(xué)基礎(chǔ), 具有展開收斂快的優(yōu)點(diǎn), 可以在不破壞數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的情況下集中大量信息, 并對(duì)其主要結(jié)構(gòu)特征加以反映。它是一種壓縮型剖面演化研究方法(于吉濤等, 2015), 對(duì)空間上的因子進(jìn)行分析時(shí)沒(méi)有固定的展開形式(Larson, 2003)。海灘剖面高程的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)如下:

其中,X表征時(shí)間內(nèi)的剖面高程,α()表征時(shí)間模態(tài),V表征空間模態(tài),為常數(shù), 本文表示測(cè)量次數(shù)57。

EOF計(jì)算流程: (1)將剖面高程點(diǎn)均值化, 計(jì)算空間協(xié)方差矩陣; (2)根據(jù)雅可比旋轉(zhuǎn)法獲得實(shí)對(duì)稱矩陣的特征值和特征向量(戴志軍等, 2001); (3)按降序?qū)⑻卣髦蹬判? 根據(jù)最大的若干特征值提取剖面數(shù)據(jù)方差占比較高(一般為90%左右)的空間模態(tài)和時(shí)間模態(tài), 占比極小的特征函數(shù)視為殘余不予討論(戴志軍等, 2001; 曹惠美等, 2015; 岳保靜等, 2016)。

3 結(jié)果與分析

3.1 海灘整體變化特征

灘肩寬度在一定程度上可以反映海灘的蝕淤調(diào)整情況, 從而指示近岸水動(dòng)力等因素的強(qiáng)弱程度。根據(jù)灘肩寬度的年際演化情況, 總體上可將PMB和PMC分為三個(gè)演化階段, 不同階段的剖面形態(tài)存在明顯差異, 平均灘肩寬度存在明顯差異, 即1>2>3(1: 第一階段灘肩寬度,2: 第二階段灘肩寬度,3: 第三階段灘肩寬度)(圖2), 這代表了灘肩在三個(gè)演化階段產(chǎn)生明顯的向岸推移。PMD在上述三個(gè)階段內(nèi)并沒(méi)有表現(xiàn)出與PMC、PMD一致的顯著變化, 前期剖面形態(tài)總體較為穩(wěn)定, 沒(méi)有灘肩發(fā)育, 后期有較窄的灘肩發(fā)育。

第一階段為平穩(wěn)期(2009年1月—2011年7月), 該階段內(nèi)PMB灘肩寬度相對(duì)穩(wěn)定, 基本保持在140—160 m范圍內(nèi), PMC灘肩發(fā)生了極為微弱的侵蝕, 逐漸縮減了10 m左右, 但總體保持穩(wěn)定的水平; 第二階段為突變期(2011年7月—2012年9月), 該階段內(nèi)各剖面灘肩寬度驟減, PMB從173 m縮減至118 m, 共減少了55 m, PMC從53 m縮減至37 m, 共減少了16 m, 變化幅度十分顯著; 該階段之后, 開始逐漸進(jìn)入第三階段的平穩(wěn)期(2012年9月—2019年12月), 該階段變化幅度總體較小, 各剖面的灘肩僅發(fā)生輕微季節(jié)性消長(zhǎng), 除個(gè)別月份以外灘肩變化量一般不超過(guò)5 m。

各剖面11 a來(lái)垂向高程也產(chǎn)生了一定的變化, 其中, PMB處于頻繁的變動(dòng)中, 形態(tài)變動(dòng)幅度相對(duì)于其他兩個(gè)剖面較大, 灘肩頂以上部分垂向變化幅度較小, 為0.1—0.7 m; 高潮線附近垂向高程變化幅度較大, 為0.5—2.0 m。水下岸坡的變化幅度為0.3—1.0 m, 各剖面變動(dòng)最大的區(qū)域大致處于灘肩頂?shù)狡骄叱本€以下的灘面上部, 變動(dòng)最小的區(qū)域位于灘肩頂以上。而PMC的變化幅度在三個(gè)部位變化程度相當(dāng), 為0.2—0.7 m, 是三個(gè)剖面變化幅度最小的地方。PMD的變化幅度在三個(gè)部位變化程度相當(dāng), 為0.3—1.0 m, 維持在較小的范圍內(nèi)。

3.2 剖面形態(tài)演化特征

采用EOF對(duì)青島石老人海灘3條典型剖面2009—2019年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分解, 從時(shí)間和空間兩個(gè)角度得出海灘長(zhǎng)期演化的主要模態(tài)并對(duì)其時(shí)域演化特征展開分析, 其中, 空間模態(tài)表征海灘形態(tài)的區(qū)域變化, 時(shí)間模態(tài)代表地形變化的時(shí)間演化特征。EOF分析結(jié)果顯示各剖面前3個(gè)空間特征值累計(jì)方差在77%—91%范圍內(nèi)(表2), 這三組模態(tài)的線性組合足以反映原始矩陣的主要特征和剖面的基本變化趨勢(shì)。

3.2.1 第一模態(tài) 空間模態(tài)中極值對(duì)應(yīng)變化幅度最大的位置, 零點(diǎn)則對(duì)應(yīng)變化極不顯著的區(qū)域, 泥沙在零點(diǎn)兩側(cè)呈現(xiàn)反相變化趨勢(shì), 分別向岸或離岸運(yùn)動(dòng), 并因此產(chǎn)生淤積和侵蝕區(qū)域, 以灘面沖刷帶附近區(qū)域變化最為明顯(于吉濤等, 2015; 朱士兵等, 2019)。PMB、PMC和PMD的第一模態(tài)方差占比分別為71.69%、47.15%和56.64%, 代表了海灘剖面最主要的蝕淤演化趨勢(shì), 這一模態(tài)以灘面附近沖刷區(qū)域的最大波動(dòng)為主要特征, 表征了灘面沉積物在長(zhǎng)期波浪、潮汐等因素影響下的向岸或離岸輸移以及由此造成的灘形演化模式。由第一空間模態(tài)(1)可知, 三個(gè)剖面距平值相對(duì)較小且基本為正值, 只有PMB在75—125 m區(qū)間出現(xiàn)極值較大的負(fù)值, 這說(shuō)明三個(gè)剖面的主要蝕淤特征表現(xiàn)為較穩(wěn)定的淤積, 只有剖面B的對(duì)應(yīng)區(qū)域表現(xiàn)為較弱的侵蝕狀態(tài)。PMB第一模態(tài)指示了71.69%的變化情況, 在0—75 m區(qū)域內(nèi)空間模態(tài)距平值為正值但接近0 (圖3a), 對(duì)應(yīng)剖面后濱區(qū)域, 說(shuō)明PMB后濱范圍表現(xiàn)為較弱程度的穩(wěn)定淤積, 75—125 m區(qū)間內(nèi)距平值為負(fù), 但極值相對(duì)較小, 對(duì)應(yīng)剖面灘肩頂區(qū)域, 說(shuō)明PMB灘肩存在微弱的泥沙侵蝕沖刷現(xiàn)象, 75和125 m處存在臨界點(diǎn)故而相對(duì)穩(wěn)定, 兩側(cè)分別對(duì)應(yīng)了淤積和流失兩種截然不同的過(guò)程, 即灘肩區(qū)域泥沙被沖刷并向兩側(cè)流失。顯著變化出現(xiàn)于離岸距離110—160 m區(qū)間內(nèi), 對(duì)應(yīng)灘肩頂至平均大潮高潮線區(qū)域, 125—280 m區(qū)間內(nèi)距平值為正且逐漸增大, 剖面淤積程度逐漸增強(qiáng), 至離岸160 m達(dá)到正極大峰值, 對(duì)應(yīng)平均高潮線以下的灘面上部, 說(shuō)明此處泥沙淤積最為明顯。隨著離岸距離的繼續(xù)增加, 距平值逐漸降低并維持在較為穩(wěn)定的范圍, 泥沙穩(wěn)定淤積但程度相對(duì)較弱。PMC第一模態(tài)指示了47.15%的變化情況, 在0—25 m處空間模態(tài)距平值雖為負(fù)值但十分趨近于0(圖3-c), 對(duì)應(yīng)剖面后濱區(qū)域, 說(shuō)明此區(qū)域沒(méi)有發(fā)生明顯的侵蝕; 從25 m處開始距平值均為正值, 且顯著變化出現(xiàn)在離岸25—100 m范圍內(nèi), 指示了灘肩至前濱的淤積量逐漸增加, 表現(xiàn)出灘肩頂至碎波帶剖面變動(dòng)漸強(qiáng)的特點(diǎn), 反映了泥沙沿剖面的橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng), 這是剖面演化的典型特征。從離岸100 m向更遠(yuǎn)處的前濱第一空間模態(tài)基本穩(wěn)定在較大的正值范圍內(nèi), 說(shuō)明此區(qū)域泥沙淤積最為明顯且程度相對(duì)接近, PMC未表現(xiàn)出泥沙侵蝕的現(xiàn)象。PMD第一模態(tài)指示了56.64%的變化情況, 空間模態(tài)距平值均為正值且變化幅度不大(圖3e), 表現(xiàn)為整個(gè)海灘剖面的穩(wěn)定淤積。從離岸20 m處開始表現(xiàn)出緩慢增加的趨勢(shì), 說(shuō)明該剖面前濱存在穩(wěn)定的淤積過(guò)程, 且隨著離岸距離的增加淤積作用逐漸明顯。因此, 各剖面第一模態(tài)均以灘面附近的沖刷區(qū)域變化較大為最主要特征, 是以潮間帶灘面區(qū)域沉積物蝕淤演化為明顯特征的海灘主要變化趨勢(shì)。

圖2 研究區(qū)2009—2019年各剖面形態(tài)演化

注:1: 第一階段平均灘肩寬度,2: 第二階段平均灘肩寬度,3: 第三階段平均灘肩寬度

表2 EOF分析各剖面特征函數(shù)及貢獻(xiàn)率

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

圖3 石老人海灘各剖面的空間特征函數(shù)和時(shí)間系數(shù)

第一時(shí)間模態(tài)對(duì)應(yīng)的是長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)的海灘主要蝕淤變化趨勢(shì), PMB第一時(shí)間模態(tài)(1)隨時(shí)間持續(xù)周期性地波動(dòng), 總體上呈減小趨勢(shì)(圖3b), 表示剖面各時(shí)間段內(nèi)淤積量并不相等, 但從長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)看是存在侵蝕的, 該剖面第一時(shí)間模態(tài)展現(xiàn)了較為明顯的階段特征, 2009年至2011年下半年第一時(shí)間系數(shù)變化不大, 穩(wěn)定在1.5—2.0范圍內(nèi), 從2011年下半年至2012年底, 第一時(shí)間系數(shù)下滑顯著, 說(shuō)明這一階段內(nèi)PMB經(jīng)歷了十分明顯的侵蝕作用, 從2013年開始, 第一時(shí)間系數(shù)整體達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定, 只有極個(gè)別月份表現(xiàn)出了較大的突變, 主要表現(xiàn)為季節(jié)性的增減, 表明海灘形態(tài)變化再次趨于穩(wěn)定。這種顯著的階段性演化特征與前文的灘肩寬度分析和第一空間模態(tài)分析結(jié)果是高度一致的; PMC和PMD剖面第一時(shí)間模態(tài)(1)同樣隨時(shí)間周期性的波動(dòng), 波動(dòng)幅度較大且未表現(xiàn)出階段性的演化規(guī)律, 時(shí)間系數(shù)增大和減小趨勢(shì)交替出現(xiàn)(圖3d—3f), 表示此模態(tài)的時(shí)間過(guò)程是周期性交替淤積和侵蝕。

3.2.2 第二模態(tài) 三個(gè)剖面的第二空間模態(tài)(2)距平值有正有負(fù), 表明海灘既有淤積又有侵蝕。PMB第二空間模態(tài)指示了該剖面10.04%的變化情況(圖3a), 離岸0—70 m的后濱區(qū)域幅值為正, 期間有多次波動(dòng), 表明泥沙淤積的程度不同, 其中正極大值出現(xiàn)在離岸140 m處, 對(duì)應(yīng)于剖面的灘肩向海側(cè), 說(shuō)明該處是海灘剖面變化最大的區(qū)間。在離岸170 m處平均高潮線向海附近區(qū)域?yàn)榕R界節(jié)點(diǎn), 兩側(cè)蝕淤關(guān)系相反, 170—280 m幅值為負(fù), 表明前濱下部主要存在泥沙沖刷與侵蝕。PMC第二空間模態(tài)指示了該剖面19.49%的變化(圖3c), 在離岸20、42和105 m處存在節(jié)點(diǎn), 0—20 m為負(fù)值, 對(duì)應(yīng)泥沙侵蝕, 20—42 m區(qū)間為正值, 表明該區(qū)域存在泥沙淤積, 其中離岸42 m處對(duì)應(yīng)灘肩頂位置, 指示灘肩泥沙存在向岸輸移的情況。從離岸42—105 m, 振幅為負(fù)值, 且70 m處出現(xiàn)負(fù)極大值, 表明平均高潮線以下一定范圍灘面存在十分明顯的侵蝕現(xiàn)象, 且70 m處的沖刷侵蝕最為強(qiáng)烈, 從105 m開始到離岸220 m前濱區(qū)域的幅值均為較小正值且相對(duì)穩(wěn)定, 說(shuō)明前濱存在微弱且穩(wěn)定連續(xù)的淤積。PMD第二空間模態(tài)指示了該剖面18.74%的變化, 在離岸95 m處存在節(jié)點(diǎn)(圖3e), 0—95 m范圍內(nèi)普遍為負(fù)值, 且由20 m處的負(fù)極大值逐漸趨向于零, 說(shuō)明離岸20 m的后濱區(qū)域侵蝕最為強(qiáng)烈, 隨著離岸距離的增加侵蝕程度逐步減弱, 至離岸95 m前濱上部區(qū)域蝕淤關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)變, 泥沙轉(zhuǎn)為向海搬運(yùn)的運(yùn)動(dòng), 至前濱離岸約170 m處達(dá)到正極大值, 淤積程度最為明顯, 隨后時(shí)間的推移最終慢慢趨于穩(wěn)定, 這種現(xiàn)象可能是灘肩剖面向沙壩剖面的轉(zhuǎn)換。上述變化主要由地形和水動(dòng)力作用引起, 受地形和水動(dòng)力影響, 海灘前濱帶的泥沙運(yùn)動(dòng)活躍, 灘面下部至平均低潮位泥沙向岸移動(dòng), 導(dǎo)致灘肩剖面的增長(zhǎng), 反之則導(dǎo)致灘肩剖面的削弱。因此, 第二模態(tài)反映了海灘泥沙在動(dòng)力作用下的季節(jié)性向岸或離岸運(yùn)移, 以及由此造成的灘肩剖面的增長(zhǎng)或削弱, 實(shí)測(cè)剖面地形時(shí)也可以觀察到這個(gè)現(xiàn)象, 第二模態(tài)分別指示了各剖面10.04%、19.49%和18.74%的變化。

從第二時(shí)間模態(tài)可以看出, 各剖面2均呈現(xiàn)為十分顯著的周期性變化(圖3b—3f)。各剖面每年的第二時(shí)間模態(tài)距平值普遍為夏大冬小, 夏季剖面明顯存在程度不一的淤積過(guò)程, 靠近最大高潮線的部位淤積, 形成灘肩, 冬季遭受沖刷逐漸削弱甚至消失, 具有明顯的夏淤冬蝕特征。因此可以推測(cè), 第二時(shí)間模態(tài)所代表的具有周期性特征的動(dòng)力過(guò)程受季節(jié)性波浪影響較為顯著, 由此指示了剖面泥沙向、離岸運(yùn)動(dòng)的周期性季節(jié)旋回, 即冬蝕夏淤, 這種模態(tài)以灘肩區(qū)域的季節(jié)性蝕淤為主要特征, 與前文對(duì)第二空間模態(tài)分析所認(rèn)為的灘肩剖面反復(fù)消長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。

3.2.3 第三模態(tài) 各剖面第三模態(tài)方差占比分別為8.58%、10.56%和10.05%, 這分別指示了三個(gè)剖面8.58%、10.56%和10.05%的變化情況, 由圖5—圖7可知第三空間模態(tài)3變動(dòng)幅度較大, 極可能是人為因素、突發(fā)狀況和岬角的遮蔽效應(yīng)等次要因素引起的蝕淤變化, 例如人類活動(dòng)、排水口泄洪、臺(tái)風(fēng)及其引起的風(fēng)暴浪潮等偶發(fā)因素。第三時(shí)間模態(tài)(3)未見顯著的周期變化特征, 具有典型的隨機(jī)性和偶然性, 指示的是人類活動(dòng)、極端氣候等為主的偶然動(dòng)力或排水口影響引起的灘面短期變化, 此過(guò)程偶發(fā)性較高且無(wú)明顯規(guī)律, 因此方差占比相對(duì)比較小。據(jù)石老人海域氣象資料, 極端天氣主要集中于當(dāng)?shù)厍锒竟?jié), 主要通過(guò)顯著影響波浪等動(dòng)力條件并引起輸砂瞬時(shí)改變, 進(jìn)而促使剖面地形的突發(fā)變化; 同時(shí), 石老人砂質(zhì)海灘作為當(dāng)?shù)匾?guī)模較大的海水浴場(chǎng), 兩側(cè)設(shè)有兩處排水口, 浴場(chǎng)游客人為擾動(dòng)較為頻繁, 管理部門會(huì)進(jìn)行不定期維護(hù), 這也是第三時(shí)間模態(tài)缺乏規(guī)律性特征的一個(gè)因素。

4 討論

4.1 影響海灘剖面差異性變化的因素

4.1.1 波浪控制了海灘剖面的季節(jié)性變化 石老人海域浪潮作用指數(shù)值為1.38(馮哲等, 2016), 其中=2.5/(1/10平均波高;平均潮差),>1為浪控型,<1為潮控型,≈1為過(guò)渡型(崔金瑞等, 1992), 因而石老人海灘屬于浪控為主的海岸, 石老人海灘三個(gè)剖面第一特征函數(shù)以平均大潮高潮線附近的灘面沖刷區(qū)域波動(dòng)最大為最主要特征。該區(qū)近海波浪冬季多為WNW—NNW向的離岸浪(圖1)對(duì)海灘的建設(shè)作用相對(duì)較小; 春季多出現(xiàn)E、ESE向風(fēng)浪; 夏季風(fēng)浪多為ES向; 秋季NW向風(fēng)浪最多(圖1)是對(duì)海灘建設(shè)作用最為明顯的波浪類型。當(dāng)波浪到達(dá)石老人海灘近海時(shí), 灣內(nèi)海灘由于岬角的遮蔽作用相對(duì)穩(wěn)定, 未受遮蔽的海灘沖蝕作用增加, 造成PMB的強(qiáng)烈變化, 灘面是變化強(qiáng)度最大的區(qū)域。同時(shí), 2009—2011年年均波高在1.1—1.2 m (馮哲等, 2016), 2011—2012年變化不大, 約在1.1 m附近, 至2012年以后波高隨著海平面的上升有所下降, 但還是浮動(dòng)在1.0 m附近, 在這種新的動(dòng)力環(huán)境下, 海灘產(chǎn)生相應(yīng)的平衡響應(yīng), 逐漸處于新的穩(wěn)定階段。

4.1.2 海平面變化和臺(tái)風(fēng)控制了海灘剖面的突變 根據(jù)EOF時(shí)間模態(tài)展現(xiàn)出的演化規(guī)律, 由于岬角的遮蔽作用, PMD變化不大, PMB和PMC在2011—2012年間為突變階段, 演化階段與海平面階段性上升具有較高的時(shí)間一致性。國(guó)家海洋信息中心監(jiān)測(cè)資料顯示石老人海灘近海(黃海海域)海平面在1980年以來(lái)總體上呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的大趨勢(shì)(王慧等, 2018)。據(jù)《2019年中國(guó)海平面公報(bào)》海平面監(jiān)測(cè)顯示, 1980—2019年黃海海平面的平均上升速率為3.2 mm/a, 海平面變化是一個(gè)緩慢的過(guò)程, 通常引起波浪潮汐的變化, 并導(dǎo)致海灘對(duì)新的水動(dòng)力條件產(chǎn)生平衡響應(yīng)(李廣雪等, 2013)。2009—2011年期間,海平面上升幅度相對(duì)較小, 年均變化速率小于10 mm/a, 在2011—2012年間, 海平面上升的年際速率達(dá)到53 mm/a, 2012—2019年的海平面凈增長(zhǎng)幅度較小, 年際平均上升速率僅為5 mm/a左右(圖4), 2011—2012年間的上升速率明顯大于其他時(shí)間段, 是1980年以來(lái)黃海海平面上升速率最快的一年, 因此這段時(shí)間海平面的大幅上升可以引起波浪潮的顯著變化, 從而打破了研究區(qū)此前水動(dòng)力環(huán)境的平衡狀態(tài), 擴(kuò)大了波浪、潮汐和風(fēng)暴潮的影響范圍。浪、潮等水動(dòng)力因素會(huì)隨之在短期內(nèi)發(fā)生顯著變化(Neshaei, 2017), 致使海灘遭受侵蝕并發(fā)生形態(tài)的突變, 岸線和灘肩后移。2012年以后, 海平面達(dá)到比之前更高的程度并在這個(gè)新的狀態(tài)下長(zhǎng)期保持相對(duì)穩(wěn)定或小幅度波動(dòng), 導(dǎo)致研究區(qū)海域的水動(dòng)力條件顯著變化后沒(méi)有調(diào)整回原來(lái)的平衡狀態(tài), 最終在新的平衡狀態(tài)下保持相對(duì)穩(wěn)定, 這個(gè)過(guò)程對(duì)應(yīng)了PMB和PMC經(jīng)歷“平穩(wěn)—突變—平穩(wěn)”三個(gè)階段的演化。在其他海灘的研究中, 也發(fā)現(xiàn)海平面變化對(duì)于海灘剖面形態(tài)的重要影響, 例如Abessolo 等(2020)在西非海灘對(duì)海平面上升引起的海灘響應(yīng)進(jìn)行了研究, 分析表明海平面的階段性變化會(huì)導(dǎo)致海灘形態(tài)產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的變化, 從而強(qiáng)調(diào)了海灘形態(tài)對(duì)海平面變化的積極適應(yīng)性; Nidhinarangkoon等(2020)對(duì)泰國(guó)芭提雅旅游海灘進(jìn)行了類似的分析, 研究同樣表明了在海平面變化的大背景下海灘形態(tài)會(huì)隨著海平面的變化產(chǎn)生適應(yīng)性的演化。

圖4 研究區(qū)海域海平面長(zhǎng)期變化情況

在偶發(fā)因素方面, 從時(shí)間模態(tài)來(lái)看, 在風(fēng)暴潮發(fā)生之后海灘形態(tài)會(huì)發(fā)生急劇變化并在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)中國(guó)氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)氣象記錄可知, 2009—2019年11年內(nèi)該海域過(guò)境臺(tái)風(fēng)共發(fā)生13次(表3), 僅2011—2012年約1年的時(shí)間就發(fā)生了5次, 占本文觀測(cè)期間過(guò)境總數(shù)1/3以上, 其余年份年均過(guò)境次數(shù)僅有1.1次左右(周良勇等, 2013)。馮哲等(2016)曾針對(duì)該海灘進(jìn)行了剖面形態(tài)連續(xù)演化的研究, 結(jié)果顯示研究海灘在臺(tái)風(fēng)過(guò)境之后的灘肩寬度和單寬體積均存在明顯的減小, 在過(guò)境之后的一段時(shí)期內(nèi)開始逐漸回調(diào), 在2011—2012年這一期間內(nèi), 該海域遭受臺(tái)風(fēng)影響十分頻繁, 導(dǎo)致海灘剖面形態(tài)產(chǎn)生了連續(xù)的沖蝕響應(yīng), 剖面單寬體積和灘肩寬度在這一階段存在階段性的大幅度下降, 單寬體積減小約14.9—98.2 m3, 最大減小幅度可達(dá)98.2 m3左右, 灘肩寬度減小約5—30 m, 最大縮減約30 m, 這與本文時(shí)間模態(tài)曲線所顯示的趨勢(shì)基本一致。因而偶發(fā)臺(tái)風(fēng)過(guò)境之后會(huì)破壞海灘原有的平衡狀態(tài)并對(duì)其形態(tài)產(chǎn)生較大的影響, 加上同期海平面的變化, 導(dǎo)致了與前文時(shí)空模態(tài)相吻合的形態(tài)突變, 使得海灘無(wú)法恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)。

4.2 半遮蔽海灘剖面變化差異和新穩(wěn)定狀態(tài)

石老人海灘11 a內(nèi)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間尺度的海灘剖面時(shí)空演化, 海灘不同位置蝕淤程度存在異同, 石老人海灘EOF空間模態(tài)分析顯示(圖3), PMB的局部沖刷主要集中在最大高潮線以下的灘面, 該區(qū)域垂向變化幅度較大, PMC和PMD的灘面處都有少量穩(wěn)定的淤積, 灘肩寬度變化尺度相對(duì)PMB而言較小(圖2), 這種空間尺度的蝕淤差異極易受岸線地形地貌因素的影響。與之類似, 國(guó)外學(xué)者研究了非洲摩洛哥阿加迪爾灣半遮蔽型海灘在2014年1月至2014年3月的8次風(fēng)暴和相應(yīng)水動(dòng)力共同作用下的形態(tài)演變及空間差異(Aouiche, 2016), 結(jié)果顯示處于阿加迪爾灣岬角遮蔽區(qū)域的北部岸段在該期間內(nèi)遭受的侵蝕程度相對(duì)較低, 海灘沉積物凈虧損約占原先21%, 而處于相對(duì)開放區(qū)域的南部岸段, 受岬角遮蔽作用較為微弱, 海灘沉積物凈虧損約74%, 具有十分典型的空間差異。最終, 海灘在恢復(fù)過(guò)程中逐漸適應(yīng)了新的水動(dòng)力條件, 在此后達(dá)到了新的平衡狀態(tài)。

表3 2009—2019年期間影響青島海域的臺(tái)風(fēng)

Tab.3 Typhoons affecting Qingdao waters from 2009 to 2019

經(jīng)過(guò)11 a的演化, 由于岬角的半遮蔽效應(yīng), 岬角附近的海灘部分變化不是很明顯。遠(yuǎn)離岬角的海灘部分變化較為強(qiáng)烈, 但是目前仍然沒(méi)有恢復(fù)到原來(lái)的形態(tài), 尚不能確定將來(lái)是否會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的形態(tài)。根據(jù)海平面和波浪的變化, 海平面在2009—2019年呈現(xiàn)階段性上升趨勢(shì), 2011—2012年上升十分顯著, 速率可達(dá)53 mm/a, 遠(yuǎn)大于前后兩個(gè)階段。同樣的, 2009—2011年年均波高在1.1—1.2 m之間(馮哲等, 2016), 2011—2012年變化不大, 約在1.1 m附近, 至2012年以后波高隨著海平面的上升有所下降, 但還是浮動(dòng)在1.0 m附近。目前隨著動(dòng)力調(diào)整和海平面的變化, 石老人海灘剖面可能會(huì)在這種新的動(dòng)力環(huán)境下產(chǎn)生了新的適應(yīng)模式, 在一段時(shí)間保持目前的剖面形態(tài)。

4.3 自然和人類活動(dòng)下的海灘垂向擾動(dòng)深度

海灘變化受到自然因素和人類活動(dòng)的共同作用, 但是一般對(duì)于海灘的垂向擾動(dòng)深度不夠明確。海水浴場(chǎng)海灘表面經(jīng)常遭受游客的擾動(dòng), 且當(dāng)?shù)毓芾聿块T每年會(huì)在海灘表面進(jìn)行篩沙工作, 從而導(dǎo)致灘面沉積物的松散程度增大, 抗侵蝕能力明顯降低, 泥沙易被波浪或風(fēng)暴潮攜帶流失。其次, 靠近岬角的剖面除了受到遮蔽作用, 礫石普遍較多, 游客密度和人類擾動(dòng)相對(duì)較小, 而遠(yuǎn)離岬角的剖面灘寬沙細(xì)且游客密集, 這也可能是導(dǎo)致EOF空間模特分析顯示的各剖面灘面區(qū)域泥沙垂向蝕淤程度存在差異的一個(gè)因素。此外, 石老人海水浴場(chǎng)在開發(fā)過(guò)程中, 濱海道路、廣場(chǎng)及其他設(shè)施的修建侵占了部分沙灘后濱, 在這一定程度上破壞了沙灘地貌的完整性, 降低了海灘本身的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給能力。總體來(lái)說(shuō), 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)11 a的監(jiān)測(cè), 在自然和人類活動(dòng)的共同作用下, 海灘的垂向變化為0.1—2.0 m, 變化幅度最小區(qū)域在灘肩, 為0.1—0.7 m; 最大變化位置在平均高潮線以下灘面區(qū)域, 幅度可達(dá)2.0 m。遠(yuǎn)離岬角剖面變化幅度較大, 為0.3—2.0 m, 岬角附近剖面僅為0.2—1.0 m。

5 結(jié)論

EOF時(shí)空模態(tài)分析顯示, 各剖面第一模態(tài)方差代表了長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)最主要的蝕淤變化趨勢(shì)。遠(yuǎn)離岬角剖面的第一模態(tài)方差占比約為71%左右, 表示剖面此類變化幅度最大, 靠近岬角剖面的第一模態(tài)方差占比約為50%左右, 表示剖面此類變化幅度相對(duì)較小。第二模態(tài)表征短期季節(jié)性蝕淤變化及其引起的灘肩剖面形成增長(zhǎng)或削弱消亡, 遠(yuǎn)離岬角剖面的第二模態(tài)方差占比約為10%左右, 表示剖面的此類變化相對(duì)較小, 靠近岬角剖面的第二模態(tài)方差占比約為19%左右, 表示近岬角剖面此類變化幅度相對(duì)遠(yuǎn)者更加明顯; 第三模態(tài)表征人類活動(dòng)、偶發(fā)因素或海岸地形等引起的不規(guī)律蝕淤變化, 遠(yuǎn)離岬角剖面的第一模態(tài)方差占比僅約為8%左右, 表示剖面此類變化幅度略小, 靠近岬角剖面的第一模態(tài)方差占比約為10%左右, 表示剖面此類變化略大。

剖面形態(tài)變化最大的區(qū)域主要位于平均高潮線以下的灘面, 時(shí)間模態(tài)分析顯示剖面形態(tài)變化存在平衡(2009—2011年)—突變(2011—2012年)—穩(wěn)定(2012—2019年)三個(gè)演化階段。波浪是控制石老人砂質(zhì)海灘演化趨勢(shì)的最主要因素, 第一階段海平面相對(duì)平穩(wěn), 海灘變化較為微弱; 第二階段海平面顯著升高且風(fēng)暴潮頻繁發(fā)生, 引起了海灘剖面突變; 第三階段海平面穩(wěn)定在較高水平, 海灘遭受侵蝕后適應(yīng)了新的動(dòng)力條件并達(dá)到穩(wěn)定, 但并未恢復(fù)原先狀態(tài)。另外人為因素也會(huì)使砂質(zhì)海灘表面沉積物變得松散而影響海灘的侵蝕作用。

各剖面11 a來(lái)均存在連續(xù)的形態(tài)演化且變化幅度不一, 遠(yuǎn)離岬角剖面最終灘肩位置向陸推移, 寬度縮減約30 m。岬角附近剖面變化幅度相對(duì)較小, 存在較為穩(wěn)定的淤積現(xiàn)象。在垂向變化方面, 遠(yuǎn)離岬角的剖面變化幅度較大, 為0.3—2.0 m, 岬角附近剖面為0.2—1.0 m。這是因?yàn)殡S著岬角距離的增大, 岬角對(duì)遠(yuǎn)離岬角的剖面的遮蔽效果降低造成的。變動(dòng)最大的區(qū)域大致處于灘肩頂?shù)狡骄叱本€以下的灘面上部, 變動(dòng)最小的區(qū)域位于灘肩。

致謝 海灘剖面實(shí)地監(jiān)測(cè)由研究生王興、鄭謙、袁忠鵬、唐懷能、黃暢、彭錦、Abiola John Wrigh、王凱偉等人連續(xù)共同高質(zhì)量完成, 在此表示誠(chéng)摯謝意。感謝各位審稿人提出的寶貴意見, 使本文的質(zhì)量獲得極大的提高。

于 乾, 2014. 青島近海環(huán)境動(dòng)力的集成分析與數(shù)據(jù)庫(kù)建立. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文, 11—13

于吉濤, 丁圓婷, 程璜鑫等, 2015. 波控中等潮差海灘剖面時(shí)空變化過(guò)程研究. 海洋通報(bào), 34(5): 540—546

于吉濤, 陳子燊, 2011. 砂質(zhì)海灘地形動(dòng)力分類研究進(jìn)展. 熱帶地理, 31(1): 107—112

馬 瑩, 2014. 青島海灘表面磁性特征分析及其指示意義. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué), 46—49

王 慧, 劉秋林, 李 歡等, 2018. 海平面變化研究進(jìn)展. 海洋信息, 33(3): 19—25, 54

王永紅, 孫 靜, 莊振業(yè), 2012. 青島旅游海灘沉積物粒度的季節(jié)性變化特征和輸運(yùn). 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 42(12): 70—76

中國(guó)海灣志編纂委員會(huì), 1993. 中國(guó)海灣志(第四分冊(cè)). 北京: 海洋出版社, 3—11

馮 哲, 王永紅, 易李達(dá)玲, 2016. 岬灣海灘剖面中長(zhǎng)期變化特征及其控制因素——以青島石老人海灘為例. 海洋科學(xué), 40(7): 100—109

朱士兵, 胡丹妮, 張會(huì)領(lǐng)等, 2019. 海口灣中間岸段海灘剖面短期時(shí)空變化及沉積動(dòng)態(tài)分析. 熱帶海洋學(xué)報(bào), 38(5): 77—85

李廣雪, 宮立新, 楊繼超等, 2013. 山東濱海沙灘侵蝕狀態(tài)與保護(hù)對(duì)策. 海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 33(5): 35—46

李志龍, 陳子燊, 戴志軍, 2004. 粵東汕尾岬間海灘體積短期變化分析. 中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 43(2): 112—116

李志強(qiáng), 陳子燊, 2008. 常浪條件下海灘灘角地形變化研究. 海洋通報(bào), 27(1): 60—67

陳子燊, 2000. 海灘剖面時(shí)空變化過(guò)程分析. 海洋通報(bào), 19(2): 42—48

陳子燊, 于吉濤, 羅智豐, 2010. 近岸過(guò)程與海岸侵蝕機(jī)制研究進(jìn)展. 海洋科學(xué)進(jìn)展, 28(2): 250—256

陳子燊, 李志龍, 陳建耀等, 2007. 常波況下前濱剖面地形動(dòng)力過(guò)程分析. 海洋通報(bào), 26(3): 12—18

陳子燊, 李春初, 1993. 粵西水東弧形海岸海灘剖面的地貌狀態(tài). 熱帶海洋, 12(2): 61—68

岳保靜, 竇衍光, 廖 晶等, 2018. 山東半島南北岸砂質(zhì)海灘剖面時(shí)空變化過(guò)程分析. 海洋科學(xué), 42(3): 53—62

岳保靜, 廖 晶, 高茂生等, 2017. 山東半島砂質(zhì)海灘動(dòng)力地貌演化特征. 海洋科學(xué), 41(4): 118—127

岳保靜, 顏中輝, 高茂生等, 2016. 濰坊人工沙灘海灘剖面演變特征及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析. 海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 36(6): 219—227

周良勇, 薛春汀, 劉 健等, 2013. 山東半島東、北部海灘動(dòng)力地貌特征及影響因素. 海洋科學(xué)進(jìn)展, 31(1): 83—94

夏 非, 張永戰(zhàn), 吳 蔚, 2009. EOF分析在海岸地貌與沉積學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)展. 地理科學(xué)進(jìn)展, 28(2): 174—186

郭鳳霞, 邱建立, 吳松華等, 2012. 丁壩間潮灘地貌變化的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析. 海洋學(xué)研究, 30(4): 37—45

曹惠美, 蔡 鋒, 鄭勇玲, 2015. 人工養(yǎng)護(hù)后廈門香山－長(zhǎng)尾礁海灘的演變特征. 應(yīng)用海洋學(xué)報(bào), 34(1): 24—33

崔金瑞, 夏東興, 1992. 山東半島海岸地貌與波浪、潮汐特征的關(guān)系. 黃渤海海洋, 10(3): 20—25

戴志軍, 陳子燊, 張清凌, 2001. 波控岬間海灘剖面短期變化過(guò)程分析. 熱帶地理, 21(3): 266—269

Abessolo G O, Almar R, Jouanno J, 2020. Beach adaptation to intraseasonal sea level changes. Environmental Research Communications, 2(5): 051003

Aouiche I, Daoudi L, Anthony E J, 2016. The impact of storms in the morphodynamic evolution of a human-impacted semi-sheltered beach (Agadir Bay, Morocco). Journal of African Earth Sciences, 115: 32—47

Burvingt O, Masselink G, Russell P, 2017. Classification of beach response to extreme storms. Geomorphology, 295: 722—737

Chen Z S, 1995. Analysis of the dynamic characteristics and stochastic simulation on variations of beach volumes. Acta Oceanologica Sinica, 14(3): 393—403

Choi T J, Choi J Y, Park J Y, 2020. Long-term temporal and spatial morphological variability of a nourished beach using the EOF analysis. Journal of Coastal Research, 95(sp1): 428—432

Hoang V C, Tanaka H, Mitobe Y, 2019. Morphological recovery of beach severely damaged by the 2011 great east Japan tsunami. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 226: 106274

Karunarathna H, Horrillo-Caraballo J M, Ranasinghe R, 2012. An analysis of the cross-shore beach morphodynamics of a sandy and a composite gravel beach. Marine Geology, 299—302: 33—42

Larson M, Capobianco M, Jansen H, 2003. Analysis and modeling of field data on coastal morphological evolution over yearly and decadal time scales. Part 1: background and linear techniques. Journal of Coastal Research, 19(4): 760—775

Larson M, Hanson H, Kraus N C, 1999. Short-and long-term responses of beach fills determined by EOF analysis. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 125(6): 285—293

Larson M, Kraus N C, 1995. Prediction of cross-shore sediment transport at different spatial and temporal scales. Marine Geology, 126(1—4): 111—127

Lemke L, Miller J K, 2017. EOF analysis of shoreline and beach slope variability at a feeder beach constructed within a groin field at Long Branch, New Jersey. Coastal Engineering, 121: 14—25

Miller J K, Dean R G, 2007a. Shoreline variability via empirical orthogonal function analysis: Part I temporal and spatial characteristics. Coastal Engineering, 54(2): 111—131

Miller J K, Dean R G, 2007b. Shoreline variability via empirical orthogonal function analysis: Part II relationship to nearshore conditions. Coastal Engineering, 54(2): 133—150

Nagasawa T, Thuy M T T, Viet N T, 2018. Analysis of shoreline change in Cua Dai beach by using Empirical Orthogonal Function. Coastal Engineering Journal, 60(4): 548—565

Neshaei M A L, Ghanbarpour F, 2017. The effect of sea level rise on beach morphology of Caspian Sea coast. Frontiers of Structural and Civil Engineering, 11(4): 369—379

Nidhinarangkoon P, Ritphring S, Udo K, 2020. Impact of sea level rise on tourism carrying capacity in Thailand. Journal of Marine Science and Engineering, 8(2): 104

Rosen P S, 1978. Beach processes and sedimentation. Paul D. Komar. The Journal of Geology, 86(1): 155

Schwarzer K, Diesing M, Larson M, 2003. Coastline evolution at different time scales-examples from the Pomeranian Bight, Southern Baltic sea. Marine Geology, 194(1/2): 79—101

Shenoi S S C, Murty C S, Veerayya M, 1987. Monsoon-induced seasonal variability of sheltered versus exposed beaches along the west coast of India. Marine Geology, 76: 117—130

Wang Y H, Huang Q H, Lemckert C, 2017. Laboratory and field magnetic evaluation of the heavy metal contamination on Shilaoren Beach, China. Marine Pollution Bulletin, 117(1/2): 291—301

Winant C D, Inman D L, Nordstrom C E, 1975. Description of seasonal beach changes using empirical eigenfunctions. Journal of Geophysical Research, 80(15): 1979—1986

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)

* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，2016YFC0402602號(hào); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，41376054號(hào), 41176039號(hào), 41410304022號(hào)。梁偉強(qiáng)，碩士研究生，E-mail: 1596761796@qq.com

王永紅，博士生導(dǎo)師，教授，E-mail: yonghongw@ouc.edu.cn

2021-01-05，

2021-03-10

P736.21

10.11693/hyhz20210100002