2019, Vol. 43
文章信息
- 刘琳, 王珍岩. 2019.
- LIU Lin, WANG Zhen-yan. 2019.
- 山东半岛沿岸海域悬浮体时空分布及形成机制分析
- Temporal and spatial distributions and formation mechanism of suspended sediment in the coastal area of the Shandong Peninsula
- 海洋科学, 43(10): 55-65
- Marina Sciences, 43(10): 55-65.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20190312004
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文章历史
- 收稿日期：2019-03-12
- 修回日期：2019-04-01
2. 中国科学院海洋地质与环境重点实验室, 山东 青岛 266071;
3. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东 青岛 266071;
4. 中国科学院大学, 北京 100049;
5. 中国科学院海洋大科学研究中心, 山东 青岛 266071
2. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Qingdao 266071, China;
3. Laboratory for Marine Mineral Resources, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), Qingdao 266071, China;
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
5. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China
悬浮体是指以悬浮态存在于水体中的颗粒物的统称, 通常由陆源碎屑、浮游生物以及风尘等组成, 而在河口和近岸海区悬浮体以细颗粒的陆源碎屑沉积物为主[1-2]。细颗粒沉积物在海洋中主要以悬浮态运移。悬浮体是细颗粒级沉积物的前身, 也是形成沉积物前的一种过渡形态, 同时悬浮体也是各类营养盐和污染物的重要载体, 因此悬浮体的扩散和沉积对陆架海区的物理、化学和生物过程都具有深远影响[3-4]。开展陆架海区悬浮体分布和输运的季节性变化研究是深入了解海洋沉积过程、认识海洋环境变化的重要环节。
悬浮体研究的常规手段是现场测量和采样分析, 由于受作业条件以及环境因素等制约, 实测数据在时间和空间上存在着较大局限性, 很难从整体上把握悬浮体分布和输运的时空变化规律[5-6]。尽管水色遥感卫星只能获取海洋表层和近表层的水色信息, 但是它具有的覆盖范围广、时间连续性强等优点, 使其成功应用到大范围、长时间尺度的悬浮体监测中, 弥补了传统观测的不足[7-8]。然而, 极轨卫星受轨道及云覆盖等影响, 有效采样频率低[9], 难以识别悬浮体的高时空变化规律。2010年6月, 韩国发射了世界首个海洋观测静止轨道卫星GOCI, 每日从8:16到15:16可获取间隔1小时的8景影像, 空间分辨率为500 m, 幅宽为2 500 km×2 500 km, 能够覆盖我国渤海和黄海、部分东海海域。GOCI(geostationary ocean color imager)卫星数据的静止轨道观测以及空间、时间分辨率高的优点使其非常适合不同尺度近海悬浮体浓度变化的研究[10-11], 进而分析沉积物输运和扩散过程。
山东半岛沿岸海域沉积物输运非常活跃, 既是现代黄河入海沉积物的汇, 也是沉积物从渤海向黄海输运的主要通道[12], 因此了解该海域悬浮体分布和输运机理对于明确黄河沉积物输运过程、控制因素以及泥质区的形成机制具有重要意义。秦蕴珊等[1, 3]在对南黄海悬浮体研究中发现冬季有一股悬浮体含量高的水流沿着成山头近岸海域从北黄海流入南黄海, 然后转向西沿着山东半岛南岸向西流; Yang和Liu[12]通过卫星图片发现从莱州湾沿山东半岛沿岸一直延伸到西南沿岸的高悬浮体浓度带; 鲍献文等[13]对北黄海悬浮体分布的研究中发现在冬夏季山东半岛北部沿岸和成山头海域始终为悬浮体高浓度区; 余佳等[14]利用MODIS卫星数据对渤黄海海域悬浮体研究中发现悬浮体分布具有显著的季节性变化特征。目前, 前人研究尚未从整体上揭示山东半岛沿岸海域悬浮体时空分布特征及其变化规律, 对沿岸悬浮体高含量浑浊带季节变化以及悬浮体向外海扩散的影响因素等研究还比较薄弱。本文将利用GOCI影像反演的悬浮体数据研究山东半岛海域表层悬浮体浓度的月际变化规律, 着重分析该海域近岸悬浮体浑浊带的季节性变化过程, 探讨该海域悬浮体向外海扩散的时空变化规律, 结合风速、波高和海表面温度等观测数据探讨水文动力环境对悬浮体分布和输运扩散的影响机制。
1 区域概况山东半岛濒临渤海、北黄海和南黄海, 地理位置特殊, 其沿岸海域水深基本在70 m以浅(图 1)。山东半岛呈楔状深入黄海, 海岸线变化曲折, 近岸为狭窄的岸坡, 等深线10~15 m, 坡外是明显的台地地形, 等深线10~30 m, 30 m请补写单位以深的等深线大体呈南北方向伸展[16-17]。
研究区的气候受东亚季风的控制, 盛行冬季风和夏季风。冬季风为偏北风, 大约从9月开始爆发, 12月至翌年1月是鼎盛时期; 3月开始减弱, 4月开始逐渐转为夏季风; 夏季风为偏南风, 约从4月中旬开始; 7月和8月为盛行时期, 9月逐渐转为冬季风[18]。该海域1月平均风速约为5~8 m/s, 7月平均风速约为4~6 m/s。
影响研究区的海流主要是沿岸流(图 1)[20]。山东半岛沿岸流沿山东半岛北岸东流, 绕过成山角后, 流向转向南, 大致沿着山东半岛南岸向西南方向流动。已有资料表明, 沿岸流每年的流向和路径大致不变, 流速表现为冬强夏弱[19-20]。研究区潮汐性质主要表现为半日潮, 以M2分潮为主, 在成山头外海附近有一个半日潮无潮点; 研究区以M2半日分潮流为主, 烟台外海是弱流区, 在成山头外海半日潮流流速较大[20]。
2 数据与方法GOCI数据波段设置和用途见表 1。本次研究使用的是2015年和2016年1月每日的GOCI L2 TSS(total suspended sediment, 表层悬浮体)质量浓度[m(TSS)]数据, 其中2016年1月的影像只用于数据的质量评估。该数据是基于单波段(555 nm)遥感反射率[Rrs(555)]的经典算法公式(1)[21]反演得到的:
| 波段 | 波段中心位置/nm | 波宽/nm | 波段类型 | 信噪比 | 主要应用领域 |
| B1 | 412 | 20 | 可见 | 1 077 | 黄色物质和浊度 |
| B2 | 443 | 20 | 可见 | 1 199 | 叶绿素最大吸收度 |
| B3 | 490 | 20 | 可见 | 1 316 | 叶绿素和其他色素 |
| B4 | 555 | 20 | 可见 | 1 223 | 浊度、悬浮泥沙 |
| B5 | 660 | 20 | 可见 | 1 192 | 基准的荧光信号, 叶绿素, 悬浮泥沙 |
| B6 | 680 | 10 | 可见 | 1 093 | 大气校正和荧光信号 |
| B7 | 745 | 20 | 近红外 | 1 107 | 大气校正和基准的荧光信号 |
| B8 | 865 | 40 | 近红外 | 1 009 | 气溶胶光学厚度、水蒸气量 |
| $ m({\rm{TSS}}) = 945.07{\left[ {{R_{{\rm{rs}}}}(555)} \right]^{1.137}}, $ | (1) |
因为单一的GOCI影像不具有代表性, 而且云层覆盖并不能每天获取无云的高质量影像, 因此为获得更高覆盖率的数据, 首先将每日的GOCI TSS影像数据转换成img格式的数据, 然后使用ENVI IDL软件对其按月时间序列进行平均, 以获得研究区内月平均的悬浮体分布结果。
使用国家自然科学基金委“渤黄海海洋学综合科学考察”2015年8月和2016年1月两个航次里采样时间与GOCI成像时间基本同步的实测表层(3 m)海水悬浮体质量浓度数据(2015年8月22个站位和2016年1月12个站位)对其进行评估, 检验使用的TSS反演算法在研究区的适用性和验证GOCI TSS数据的可信性, 站位分布如图 1所示, 数据质量评估结果见图 2。根据图 2的评估曲线, GOCI TSS和实测TSS之间的差值较小, GOCI TSS的相对误差较低, 所以其精度可以满足本次研究需要。
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| 图 2 GOCI TSS产品质量评估曲线 Fig. 2 Quality assessment curve of GOCI TSS |
本文使用的风场数据是美国遥感系统科学研究公司(RSS)提供的月融合产品, 分辨率为1°。有效波高(Hsw)数据来源于欧洲中期天气预报中心(ECMWF), 分辨率为0.125°, Hsw是日数据, 使用MATLAB软件将其按月平均, 以获得月平均的有效波高数据。海表面温度(SST)数据使用的是MODIS/Terra月均产品, 空间分辨率为4 km。
3 结果 3.1 悬浮体季节性分布为便于对比分析研究区不同月份的悬浮体分布特征, 本文选择2 mg/L和10 mg/L作为描述悬浮体质量浓度变化的定量指标, 其中将2 mg/L等值线作为悬浮体锋面前缘位置, 将山东半岛近岸悬浮体质量浓度高于10 mg/L的连续的浑浊水体称为浑浊带。
从2015年的表层海水月均悬浮体质量浓度分布(图 3)可以看出, 研究区的悬浮体质量浓度分布在年内存在显著的季节变化。冬季(1—3月)是全年悬浮体质量浓度整体上最高的季节, 大部分海域悬浮体质量浓度高于2 mg/L, 其中黄河口海区悬浮体质量浓度高达60 mg/L以上; 春季(4—6月)悬浮体质量浓度大为降低, 除近岸海域, 悬浮体质量浓度都低于2 mg/L; 夏季(7—9月)是悬浮体质量浓度最低的季节, 某些近岸海域如威海外的悬浮体质量浓度也降到了2 mg/L以下, 而高值区仅分布在黄河口、山东半岛东岸和南岸; 秋季(10—12月)悬浮体质量浓度整体上逐渐增高, 12月时悬浮体质量浓度达到最高。
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| 图 3 2015年研究区表层悬浮体质量浓度月均分布 Fig. 3 Seasonal and spatial variations of monthly averaged TSS in the study area in 2015 |
山东半岛近岸的悬浮体高含量高于10 mg/L的浑浊带表现出明显的季节变化。10月开始形成, 12月浑浊带延伸的最远, 到达了青岛附近, 4月浑浊带的悬浮体浓度和范围都开始减小, 7月连续的悬浮体高浓度浑浊带已消失。秋季和冬季浑浊带从黄河口经莱州湾越过渤海海峡, 沿着山东半岛北岸延伸分布, 到达成山头后, 有少量高浑浊水体向北扩散, 主体绕过成山头继续向南延伸, 到达石岛附近后向两个方向扩展, 一支向西南扩展, 一支沿着山东半岛南岸继续延伸分布。
3.2 悬浮体锋面变化从研究区悬浮体质量浓度分布看出, 约2 mg/L等值线的附近季节变化最为显著, 因此使用2 mg/L等值线作为悬浮体锋面前缘线, 分析该海域悬浮体锋面变化规律, 研究悬浮体向外海扩散的季节变化特征, 如图 4。冬季, 表层悬浮体向外扩散的最远, 1月是悬浮体锋面前缘线在等深线50 m之外, 3月山东半岛南岸的悬浮体锋面已向岸退缩至等深线50 m内。春季, 表层悬浮体锋面整体向岸逐渐退缩, 4月山东半岛北岸和东岸的锋面前缘线在50 m等深线附近、南岸的前缘线在30 m等深线附近, 至6月前缘线分别已退至30 m等深线内、20 m等深线附近。夏季是锋面前缘线离岸最近的季节, 7月的锋面前缘线整体继续向岸退缩, 8月锋面前缘线退缩到20 m等深线以内, 9月的锋面前缘线表现出向外海扩展的趋势。秋季, 锋面前缘线整体向外海大幅度扩张, 10月份锋面前缘线已基本都在30 m等深线外, 11月悬浮体在山东半岛成山头向北扩散, 使锋面前缘线分离, 12月悬浮体锋面已与冬季锋面前缘线位置相近。
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| 图 4 2015年研究区表层悬浮体锋面前缘的月变化 Fig. 4 Monthly variation of TSS front in the study area in 2015 |
研究区悬浮体的扩散过程基本可以划分为4个阶段: 1—3月是稳定外输阶段, 4—6月是向岸退缩阶段, 7—9月是近岸贮存阶段, 10—12月是向外扩散阶段。3月是悬浮体开始向近岸退缩的月份, 但退缩幅度较小, 4月退缩幅度变大; 9月悬浮体开始向外海扩散; 1月份是向外海扩张最远的月份; 8月是离岸最近的月份。研究区内悬浮泥沙有着“夏储冬输”的时空分布格局, 与前人研究的黄东海陆架区悬浮体的运移规律相吻合[5, 22-23]。
4 讨论 4.1 风场和海浪对悬浮体分布的影响山东半岛沿岸海域的悬浮体的分布和扩散主要受到风浪、沿岸流等影响[3, 5, 25]。风场和海浪对于海水中悬浮体的分布具有重要作用, 随风力的增加, 海浪尺度增大, 海水的紊动强度相应增加, 它不但能够阻止原来海水中悬浮颗粒的下沉, 还可以掀动海底的泥沙, 使泥沙悬浮于水中[3]。波浪的有效波高能反映波浪能量的分布, 也是波浪掀沙能力的体现[26], 因此本文使用有效波高数据表观波浪作用。
为了分析悬浮体分布和扩散的月变化与风速、波浪的关系, 本文计算了研究区域内的月平均风速、月平均有效波高、月平均悬浮体质量浓度以及37°N断面上锋面到达的经度位置(图 5与图 6)。结果显示, 研究区域内的悬浮体质量浓度和扩散强度与风速、有效波高在时间变化上具有良好的一致性, 表明两种因素对悬浮体分布和扩散的季节性变化具有重要影响。进一步的相关性分析(图 7)显示, 悬浮体质量浓度与风场强度相关系数在0.7以上, 悬浮体质量浓度与波高参数的相关系数高于0.8。波浪与悬浮体的相关性高于风场, 这是因为风场主要是通过改变波浪强度间接影响悬浮体质量浓度变化, 而波浪是引起水体湍动混合和再悬浮的直接驱动力, 并且波浪不仅受风场驱动, 还有外部涌浪等动力因素的输入[27]。
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| 图 5 2015年研究区风速、有效波高和悬浮体质量浓度月变化 Fig. 5 Monthly variation of speed, significant wave height, and TSS in the study area in 2015 |
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| 图 6 2015年研究区风速、有效波高和37°N断面锋面位置月变化 Fig. 6 Monthly variation of speed, significant wave height, and frontal position of 37° N transect in the study area in 2015 |
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| 图 7 2015年研究区逐月悬浮体质量浓度与风速、有效波高的相关性分析 Fig. 7 Correlation analysis of TSS, speed, and significant wave height in the study area |
海浪对海底表层沉积物的再悬浮作用是有临界水深的, 只有在临界水深之内时, 风浪才可以引起海底沉积物的再悬浮, 且在相同风速和底质的情况下, 水深越浅再悬浮作用越剧烈, 进入到上层海水的悬浮体也就越多[6]。本文为了得到各个月份受风浪影响的最大深度, 使用了Whitehouse等[28]提出的估算公式(2)计算出研究区域内的最大临界水深。
| $ h < 10{H_{{\rm{sw}}}}, $ | (2) |
其中h为临界水深, Hsw为有效波高。
结果见表 2, 冬季的最大临界水深(hmax)约为16 m, 春季的最大临界水深约为11 m, 夏季的最大临界水深约为7 m, 秋季的最大临界水深约为14 m, 因此风浪引起山东半岛近岸海域海底沉积物再悬浮的可能性很大, 从而会对海水表层悬浮体含量进行补充。
| 月份 | Hsw, max/m | hmax/m |
| 1 | 1.62 | 16.20 |
| 2 | 1.31 | 13.10 |
| 3 | 1.08 | 10.80 |
| 4 | 1.10 | 11.00 |
| 5 | 0.83 | 8.30 |
| 6 | 0.76 | 7.60 |
| 7 | 0.93 | 9.30 |
| 8 | 0.83 | 8.30 |
| 9 | 0.70 | 7.00 |
| 10 | 0.95 | 9.50 |
| 11 | 1.40 | 14.00 |
| 12 | 1.26 | 12.60 |
综上所述, 风浪作用是研究区悬浮体质量浓度分布和扩散表现出季节差异的重要因素。冬季盛行偏北风, 风力强劲, 波浪强度增大, 海域水体扰动和再悬浮强烈, 风浪对海底沉积物进行再悬浮的深度也更大, 使更多的底层沉积物进入上层海水, 从而导致冬季研究区内的表层悬浮体含量普遍比其他季节高, 悬浮体向外海扩散的范围整体上也最远; 在夏季, 风速较小, 波浪动力弱, 水体混合较弱, 因此只能在深度较浅的近岸地区发生局部再悬浮, 从而出现高浓度悬浮体斑块, 悬浮体锋面也蜷缩在近岸; 春季、秋季的风浪强度比冬季小, 比夏季大, 相对应的悬浮体含量和扩散范围也处于冬季和夏季之间。
4.2 沿岸流对悬浮体分布的影响SST是研究海洋环流、水团、海洋锋的一种直观的指示量[29]。山东半岛沿岸流在秋冬季呈现低温低盐的水团特性, 利用山东半岛沿岸的低温水作为沿岸流的一个定性指标也具有其合理性[20, 30]。因此使用2015年月均表层温度数据来分析山东半岛沿岸流的季节强弱变化, 探讨其与悬浮体浓度及输运的季节变化的关系。
山东半岛沿岸流表现为冬强夏弱的整体特征。冬季, 在风暴的作用下, 沿岸流达到最强, 山东半岛沿岸海域在冬季有低温水团分布(图 8); 4月至10月, 沿岸流的流幅和流速减弱, 风场强度减小以及北黄海冷水团的屏障作用[13], 导致低温的沿岸流水团仅在底部存在, 不能到达海洋表面; 到11月, 沿岸流增强, 在表层能看到低温水在北岸从西往东延伸, 12月低温水团已延伸到山东半岛南岸, 达到与冬季的强度。
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| 图 8 2015年研究区及邻近海域SST分布 Fig. 8 Monthly variation of SST in the study area and adjacent area in 2015 |
海流是悬浮体在海水中运移的主要携带者和动力[5]。沿岸流控制了山东半岛沿岸高浓度悬浮体向外海输运的过程, 冬季山东半岛沿岸悬浮体高浓度浑浊带的轮廓(图 3)与低温水团(图 8)的相似可以印证这一观点。冬季, 在强劲的风暴作用下, 山东半岛沿岸流增强, 同时, 黄河三角洲附近区域以及山东半岛近岸海底沉积物再悬浮强烈, 沿岸流携带大量黄河悬浮泥沙通过渤海海峡, 沿山东半岛北岸向东输送, 在成山头转向东, 继续沿山东半岛南岸向西搬运, 输往南黄海, 在山东半岛沿岸形成一条连续的大于10 mg/L的高浓度悬浮体浑浊带, 最远到达青岛外海[1, 17, 28]; 春季, 山东半岛沿岸流开始减弱, 其泥沙搬运能力也大为减弱, 山东半岛沿岸浑浊带的泥沙含量明显降低, 而大于10 mg/L的高浑浊水体被限制在近岸, 无法向外输运; 夏季, 山东半岛沿岸流最弱, 输运能力几乎可以忽略, 加上水体跃层及北黄海冷水团的形成对底层悬浮体向上扩散起着阻隔作用, 使表层悬浮体得不到补充[31-32], 导致山东半岛沿岸浑浊带消失, 悬浮体锋面蜷缩在近岸; 秋季, 风速增大, 北黄海冷水团减弱, 跃层被破坏, 底层悬浮体向上扩散, 表层悬浮体浓度增大, 沿岸流增强使浑浊带开始形成并且幅宽和悬浮体浓度不断增大, 锋面前缘线也一直向外海扩张。
4.3 表层悬浮体物源分析黄河利津水文站为其入海水沙控制站, 因此选取利津站2015年每月输沙量数据分析黄河入海沙量与研究区内悬浮体月际变化的关系(图 9), 数据来源于黄河水利委员会发布的《黄河泥沙公报》。2015年黄河春季和夏季的输沙量是远高于冬季和秋季的, 但山东半岛沿岸海域春夏季的悬浮体含量却比秋冬季的低很多, 这说明秋冬季山东半岛沿岸海域悬浮体含量高的原因并不是黄河径流输入造成的。虽然春季和夏季的悬浮体含量总体比较低, 但黄河河口区的悬浮体浓度明显比其它海域的高(图 3), 这表明黄河入海泥沙大部分都沉积在河口及附近海域[24, 34], 在春夏季黄河径流输沙是黄河河口附近海域悬浮体的主要物质来源。
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| 图 9 2015年黄河利津站月输沙量与研究区内月均悬浮体质量浓度变化 Fig. 9 Monthly sediment discharge at Lijin Station of the Yellow River in 2015 and monthly variation of average TSS in the study area |
由本文讨论可知, 风场和海浪的季节变化影响山东半岛近岸底质沉积物再悬浮的强烈程度, 在秋季和冬季, 风力强劲, 波浪“掀沙”能力强, 在水深浅的海域, 细颗粒沉积物很容易再悬浮, 增大了海水表层中悬浮体含量, 同时沿岸流强势, 搬运能力强, 将悬浮体沿山东半岛输往外海; 而且在春季和夏季, 贴近岸边的悬浮体高值区也是本地局部沉积物再悬浮造成的。因此, 山东半岛沿岸海域的悬浮体主要来源于海底细颗粒沉积物的再悬浮[3, 24]。
5 结论本文使用GOCI悬浮体数据以及风场等开源数据对山东半岛沿岸海域悬浮体浓度和锋面季节变化特征展开详细的研究, 得到以下3点主要结论:
1) 研究区悬浮体浓度季节变化为冬季最高, 春季减小, 夏季最低, 秋季增大。山东半岛沿岸存在着一条高悬浮体含量的浑浊水体, 该浑浊带在秋季开始形成, 冬季浑浊带的悬浮体浓度、幅宽及延伸范围都达到最大, 春季开始减弱, 并在夏季消失。
2) 山东半岛海域悬浮体锋面的季节变化规律是悬浮体向外海扩散有着“夏储冬输”的时空分布格局, 1月向外海扩张的最远, 8月离岸最近, 整体分为4个阶段:冬季是向外海扩散稳定阶段, 春季是向岸退缩阶段, 夏季是近岸贮存阶段, 秋季是不断向外海扩张阶段。
3) 山东半岛沿岸海域的悬浮体主要来源于海底沉积物的再悬浮。风场和海浪与山东半岛海域悬浮体含量的季节变化趋势基本同步, 风浪影响海底沉积物再悬浮作用的强烈程度, 使不同季节表层悬浮体含量发生变化; 鲁北沿岸流的季节变化是该海域高浓度悬浮体输运的时空分布格局的主要控制因素。
致谢: 感谢“东方红2号”考察船的全体成员对本研究海上调查工作的大力支持。感谢韩国海洋卫星中心(KOSC)、美国遥感系统科学研究公司(RSS)、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、亚太数据研究中心(APDRC)网站共享的GOCI卫星遥感数据、风速数据、有效波高数据以及海表温度数据。
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