海南环岛沙滩地貌波动特征及影响机制

如图3-1所示，在6个调查区间内，海南环岛岸线的移动总是同时由向海和向陆两个方向的运动组成。即，无论是否受到台风的影响，海南环岛沿岸总有某些地方的岸线向陆蚀退；同时，即使海岸受到了台风的影响，仍然有局部岸段的海岸线是向海淤进的。东部和南部海岸的岸线变化值相比其他岸段更为分散，说明这段海岸的沙滩由于直面台风影响而变化更为剧烈。因此，本章主要利用海南角到莺歌嘴之间的剖面分析台风影响下的岸线变化分形特征。

图3-1　6个调查期间各垂直于岸线的岸滩剖面上MSL水平位置的变化量

（正值表示岸线向海移动，负值表示岸线向陆移动）

通过小波变换和功率谱分析，可以得到岸线变化在沿岸方向上的主要模式，以及这些模式在具体空间位置上的分布。图3-2展示了岸线变化的沿岸尺度与其对应的功率谱密度的关系，其中a为小波变换的尺度参数，取值范围为1～16。

总体上，岸线变化的WCMV随着尺度的增大而增加[图3-2（a）]，但是WCMV与尺度的关系并不严格遵循幂律关系；WCMV的增加是非单调的，其增长趋势在3≤a≤5的尺度范围内中断了。作为长时间未受到台风影响的岸线变化序列，S6-S7与其他时间段的岸线变化在功率谱上有明显的不同，其功率谱密度与尺度在1≤a≤6的范围内保持着很标准的幂律关系，这意味着海岸线的变化可以在30 km[（a=6）×5 km=30 km，5 km是相邻取样点位的距离]的空间尺度上具有分形的特征。在分形的研究中，幂律关系通常与自组织联系在一起。自组织是自发的不受外部因素控制的，能够通过内部相互作用形成无尺度（或整体秩序）的结构。海岸线的变化是由众多变化丰富的因素参与的复杂非线性过程，而对其分形特征的研究可以获得引起岸线变化的内部特征和关系的信息。因此，根据岸线变化的功率谱幂律特征，长时间平静天气下自组织的岸线变化能够延伸到30 km的沿岸尺度上（例如本研究中S6-S7期间的岸线变化）。在更大的尺度上，不同调查时间区间内WCMV的变化趋势和数量级各不相同，没有明显的空间尺度界限。基于现有的数据库，无法总结出30 km以上的岸线变化沿岸尺度及其功率谱密度的关系。与布朗噪声相比，大尺度的岸线变化功率谱密度偏低，这说明大尺度的岸线变化没有小尺度的岸线变化明显。这种尺度间波动能量的差异可能是两种原因引起的：数据库的限制（例如，调查的时间和空间尺度的限制），以及不同尺度之间控制岸线变化的物理机制发生了变化。

图3-2　海南岛东部和南部（海南角到莺歌嘴）海岸线变化及布朗噪声的功率谱分析结果

（a）尺度及其对应功率谱密度的对数图；（b）功率谱密度与尺度的幂律关系指数β(www.xing528.com)

如上文所述，β值可以衡量岸线变化在沿岸方向上的持续性：在β＞1的尺度下，不同剖面之间的岸线变化有较强的关联性，即某一个剖面的岸线变化既受到附近剖面岸线变化的影响，又受到远距离（尺度范围内）的岸线变化的影响；在0＜β＜1的尺度下，远距离的剖面间的岸线变化的关系相对较弱；在β＜0的尺度下，岸线变化的沿岸分布则被定义为“反持续性”（Anti-Persistence）（Malamud和Turcotte，1999）。基于以上结果和岸线变化呈现分形特征这一事实，可以推断，台风对岸线变化模式的产生作用的尺度主要是15～25 km[（3≤a≤5）×5 km]的范围。具体来说，对于受到台风影响的时间区间，WCMV在a=3时达到一个局部峰值，意味着该尺度下的岸线变化模式尤其显著；而在4≤a≤5的尺度下WCMV则偏低于分形的幂律关系中应有的值，说明该尺度的岸线变化模式被抑制了。例如，受到5个台风密集影响的S1-S2，其岸线变化受到台风的作用为6个时间区间中最强烈的，具有最高的WCMV值（a=3时）。作为对照，长达10个月没有受到台风影响的S6-S7，在尺度范围3≤a≤5没有出现局部极值。因此，台风影响下以沿岸距离15 km左右的海岸单元发生的岸线变化被强化了，而沿岸距离25 km左右的岸线变化模式在台风中被破坏抑制了。

根据以上结果，进一步探究台风影响下岸线变化的主要模式，即空间尺度为a=3的岸线变化特征。基于小波变换结果，如图3-3所示，其展示了台风期间有所增强的岸线变化在沿岸方向上的波动模式（即尺度a=3时的小波系数），其正值和负值分别代表了岸线向海移动和向陆移动。台风影响期间，岸线变化序列的小波系数有显著的波动，且振幅较大的波谷通常在台风登陆地点的周边海岸段出现，例如，S3-S4期间幅度最大的岸线蚀退发生在受到台风“威马逊”正面冲击的东北海岸（距离海南角40～80 km的岸段），这体现了登陆海南岛的台风在上述尺度下的影响力。如前文分析的结果，在台风影响下，沿岸距离15 km左右的海岸单元发生的岸线变化被强化了，即在沿岸15 km的距离内岸线变化的小波系数从0过渡到最近的一个极值；因此，15 km是岸线变化在沿岸方向上的波动的1/4波长，而30 km的海岸单元则包含了一个完整的波峰或波谷。在小波系数波谷（岸线蚀退）的两侧总是伴随出现波峰（岸线淤进），意味着岸线变化在沿岸距离30 km以上的尺度具有协同效应。与此同时，在相邻的调查区间内，小波系数序列有明显的对应关系：在风暴期间海岸受到强烈侵蚀的岸段，在随后的时间段内岸线则有相应的回复，反之亦然[如图3-3（a）中黑色箭头所示]。

图3-3　尺度参数a=3时岸线变化序列的小波系数及海岸线示意图

（a）图中的底部曲线基于

图3-3　尺度参数a=3时岸线变化序列的小波系数及海岸线示意图（续）

（b）图得到，其中纵轴的参数等于海岸线上的点与点O的距离减去参考线的半径R，O点位置为109.6964°E，19.3257°N

相邻两个调查区间的小波系数序列往往互为镜像，且大幅度的系数波动总是出现在相对固定的岸段区域。由此可以反映出暴露在台风影响下的岸线运动的几个特性：海岸发生侵蚀或堆积的时间和空间既有随机性又有确定性；在海南岛的东部和南部海岸，由台风引起的岸线蚀退或淤进没有在某一个特定的区域持续地发生。因此，在调查期间内，尽管在台风的作用下岸线的变化会表现十分剧烈，但在较大的尺度上海南岛的岸线是趋于动态平衡的。