悬浮体是指能够长时间悬浮于水体中的颗粒物质, 在陆架海中主要是陆源泥沙颗粒, 通常也包括浮游植物、生物骨屑和絮凝体等。海洋悬浮体的“源”与“汇”已成为国际大陆边缘研究MARGINS S2S、陆海相互作用研究(LOCIZ)等国际合作计划的核心内容之一^[1-2]。东海作为一个拥有宽阔大陆架的边缘海, 受到长江冲淡水、浙闽沿岸流、台湾暖流、黑潮等水系影响, 水动力环境复杂, 季节差异显著。东海海域的物质输运和能量交换受季风、陆架环流、水深地形等多种因素的影响, 其过程和机制非常复杂。研究东海陆架区的悬浮体分布及其运移扩散规律, 对于认识长江与东海之间的河海相互作用、陆架泥质沉积体系的形成及演化规律、陆源物质跨陆架向深海输运过程等具有重要的意义^[3]。

自20世纪50年代全国海洋普查以来, 已有众多专家学者对东海悬浮体的分布、输运及控制因素开展了深入研究。杨作升等^[4]通过研究东海悬浮体的分布和输运规律, 指出“夏储冬输”是东海悬浮体向深海输送的基本格局。崔倩芳等^[5]通过对东海陆架表层水体4个季节的总悬浮体和无机悬浮体浓度分析, 指出在长江口和浙江中部沿海海域存在高值区, 秋、冬季浓度显著高于春、夏季。郭志刚等^[1]分析了冬、夏季东海北部悬浮体的分布及海流的影响作用, 指出东海环流及其季节性变化是影响东海北部悬浮体分布的主要影响因素, 受台湾暖流的阻隔冬季和夏季长江入海泥沙基本不能越过124°E以东海域。刘芳等^[6]对黄、东海海域春、秋季悬浮体浓度实测数据分析, 结果指出秋季悬浮体以苏北浅滩高值区为中心向外海扩散, 在长江口和杭州湾近岸迅速沉降, 基本不能到达123.5°E以东。徐韧^[7]提出浙闽海域浊度的平面分布表现出以50 m等深线为界, 等深线以东浊度很小。白虹等^[8]通过分析夏季东海透光度的分布情况, 指出温跃层的存在是底层高悬浮体浓度的海水难以到达表层的主要原因。Li等^[9]通过分析黄、东海四季的水动力和悬浮体分布情况, 指出沿岸流和表层冲淡水是悬浮体输运的主要通道, 黑潮及其衍生的暖流分支控制悬浮体的扩散, 高悬浮体浓度区主要集中在沿海海域和冷水团区域。Liu等^[10]利用大面实测资料分析了冬季东海悬浮体垂向分布特征, 指出冬季偏北风作用下的底Ekman输运是底层悬浮体跨陆架输运的主要控制因素。Qiao等^[11]提出受温跃层和温盐锋面影响, 东海悬浮体浓度的季节性变化明显, 风尤其是冬季风控制了高浓度悬浮体向南的输运距离, 冬季浙闽温盐锋面浅水侧的高浓度悬沙与风产生的再悬浮和平流输运有关, 而深水侧悬浮体主要来自于跨锋面输运。Liu等^[12]提出海流切变锋影响东海悬浮体的输运过程, 风、温度和盐度是影响东海海流切变锋的主要因素。

由于东海悬浮体高浓度区多集中在浙闽沿岸泥质区^[9], 仅有20%~30%的入海物质可以跨过台湾暖流向东海外陆架扩散^[13], 因此对于东海悬浮体的研究主要集中在内陆架海域。从时间上看, 目前对于东海悬浮体的研究多集中在夏、冬两季。秋季是一个重要的过渡季节, 夏季风逐渐减弱, 冬季风开始增强, 长江冲淡水、浙闽沿岸流和台湾暖流季节性变化较大^[14], 关于该时期的悬浮体分布特征的研究较少。本文通过分析2016、2017及2018年的悬浮体浓度实测数据, 结合温盐分布特征, 分析东海陆架区悬浮体的水平、垂向分布特征, 并对其影响因素进行初步探讨。

1 数据与方法

本文使用的数据来源于2016—2018年国家自然科学基金委秋季东海共享航次的实测数据。三个航次的观测时间、站位设置如图 1和表 1所示。其中, 2016年调查期间受1617号台风“鲇鱼”、1618号台风“暹芭”、1622号台风“海马”影响, 共进行3次避风, 虽台风期间未进行调查, 但东海水文环境也受台风影响发生变化。2017年及2018年调查期间未受台风天气影响。

三个航次均利用美国SEA-BIRD ELECTRONICS INC.(海鸟公司)生产的SEA-911plus温、盐、深综合测量系统(CTD)对研究区水文要素进行数据采集, 后期数据处理过程中删除其感温过程中的无效数据后对每个站位的垂向数据按照1 m的间距进行了分层平均。用CTD系统携带的采水器采集包括表层和底层在内的标准层位水样(表 2), 在船载实验室中使用提前烘干称重的孔径0.45 μm、直径47 mm的微孔醋酸纤维膜对水样进行过滤、洗盐, 以除去滤膜上残留的盐分。带回实验室后放在60 ℃的烘箱中烘干24 h, 用十万分之一精度的天平称重。考虑到抽滤过程中海水对滤膜的影响, 因此采用双层膜进行抽滤以矫正海水对滤膜造成的误差影响。用以下公式计算获得悬浮体质量浓度(单位: mg/L):

$ {C_{\rm{SS}}} = \frac{{\left( {{M_2} - {M_1}} \right) - \left( {{M_4} - {M_3}} \right)}}{V} $

(1)

式中, C_SS为悬浮体的质量浓度(简称“悬浮体浓度”, 单位: mg/L), M₁、M₂分别代表抽滤前后上膜的质量(单位: mg), M₃、M₄分别代表抽滤前后下膜的质量(单位: mg), V为实际抽滤的海水体积(单位: L)。

为减小误差, 保障数据的准确性, 三个航次观测数据的取样方法、数据处理方法和实验室样品分析流程一致, 均严格按照海洋地质调查技术规范要求进行。

2 秋季悬浮体水平分布特征

东海陆架区秋季各标准层位水体温度主要集中在17~28 ℃, 随水深增加, 水体温度呈现出降低的趋势。表层水体温度25~28 ℃, 其中东北部和台湾岛北部海域水体温度偏高, 可达27 ℃以上, 近岸海域主要受长江冲淡水及浙闽入海径流影响, 温度较低, 最低温度出现在舟山群岛东侧海域。图 2a、图 2b及图 2a1、图 2b1显示2016年与2017年在28°N~29°N附近海域存在低温水体通道贯穿研究区中部, 将南北两侧高温水体分隔并存在向东南扩散的趋势, 大量近岸低温海水从表层及30 m深度输送到东海外陆架海域。研究区底层水体温度较低, 受台湾暖流影响, 底层水体温度高值区出现在福建沿岸浅水海域, 低温的台湾暖流底层水和黑潮水控制了东海陆架区大部分海域。研究区东南部海域在黑潮爬升水的影响下, 水体温度普遍低于20 ℃。

秋季, 东海陆架区水体盐度主要集中在30~35, 盐度分布近岸低于远岸。近岸海域受长江冲淡水和浙闽入海径流的影响, 主要为低盐水体控制, 等盐度线大致平行于等深线, 高盐度水体(> 34)主要分布在研究区东南且存在随水深增加向东海中部陆架区扩散的趋势。从表层向下, 近岸水体盐度逐渐增大, 反映出陆源冲淡水随水深增加, 垂向上影响范围逐渐减小的变化趋势。研究区东部底层海域受黑潮次表层爬升水影响, 出现盐度超过34.5的高盐度水, 主要分布在80 m等深线以外海域。

根据悬浮体浓度分布情况, 可以将研究区分为西部近岸高值区和东部远岸低值区。受入海河流携带的大量陆源物质、沿岸流输运及再悬浮影响, 高浓度区主要集中在近岸海域, 且悬浮体等浓度线大致平行于等深线。秋季表层悬浮体浓度较低, 大多站位均未超过2 mg/L, 最大值出现在舟山群岛附近海域, 浓度可超过8 mg/L。北上的台湾暖流阻碍悬浮体进一步向外海输运, 若以1 mg/L等浓度线为界, 绝大多数表层悬浮体分布在60 m等深线以浅海域。前人研究中也提到了高浓度悬沙限制在50 m等深线以西海域^[7]。

研究区30 m与50 m层位悬浮体分布特征类似, 悬浮体浓度较表层有所增加且出现由近岸向外海扩散的趋势, 研究区北部30 m层出现悬浮体浓度高值, 中心浓度超过1.5 mg/L, 边缘0.5 mg/L等浓度线向南可扩展至29°N附近。结合该区域同层位温度分布情况发现, 高浓度区域中心温度较低, 推测可能与研究区北部的黄海沿岸流携带大量悬浮泥沙输入有关。受底层悬浮体再悬浮影响, 研究区北部50 m层悬浮体浓度高于30 m层。

研究区底层高浓度悬浮体主要分布在浙闽沿岸泥质区内, 分别是研究区西北部舟山群岛东侧海域和浙江东南部海域。研究区西北部有长江及钱塘江等河流入海, 同时黄海沿岸流携带大量泥沙自北向南进入研究区, 从而使该海域有丰富的物源供应, 秋季浙闽沿岸流强度较弱, 有利于悬浮泥沙在该海域沉积, 造成该海域底层悬浮体浓度偏高。浙江东南部瓯江入海口附近海域悬浮体浓度超过15 mg/L。瓯江是浙江省第二大河流, 多年平均入海悬沙量1.952× 10⁶ t^[15], 每年7—9月份为台汛期, 雨势迅猛, 对河床冲刷明显, 大量泥沙随瓯江入海, 向外海输运过程中发生沉降, 同时浙闽沿岸泥质区底层沉积物的再悬浮作用也导致该海域悬浮体浓度偏高。此外, 研究区东北部海域存在一处悬浮体浓度高值区, 该位置位于济州岛西南泥质区南侧, 泥质区秋冬季节存在一个大范围的冷涡并伴有上升流, 涡旋和上升流引起的悬浮体辐聚效应^[16]造成底层悬浮体浓度较高。

2016—2018年在浙江北部(29°N附近)和台湾岛北部(27°N附近)底层海域均存在一个从近岸向深海运移的高悬浮体浓度舌, 向海可扩散至80 m等深线处。29°N附近海域等深线向外海弯曲现象明显, 该海域与南海北部陆架等深线分布类似, 与水体斜压结构有关^[17], 悬浮体发生跨陆架输运, 部分悬浮体由近岸输运到外海海域。而南部的高浓度区位于27°N附近, 高浓度舌的位置与台湾暖流分叉位置一致, 且该海域海流切变锋向外海突出, 其对悬浮体向外海输运的屏障作用减弱^[11], 推测其形成的原因也与该处等深线向海弯曲有关, 在地形诱导下台湾暖流向东分叉^[18-19], 携带悬沙向东运移。在2006—2008年秋季的调查中, 也同样可以看到该海域高浓度悬沙向外海的输运^[7]。

不同年份调查期间的悬浮体分布情况也存在较为明显的差异。2017年、2018年秋季近岸中层海域悬浮体含量较2016年明显降低。产生该现象的原因可能与2016年受到台风外围风圈影响, 东海海洋动力有所增强有关。另外, 中国河流泥沙公报^[20-22]显示, 2016年8月与9月长江大通站月均输沙量分别为1.806×10⁷ t与6.88×10⁶ t, 远超2017年同期月均输沙量(8.85×10⁶ t与5.77×10⁶ t), 2018年同期月均输沙量(1.515×10⁷ t, 6.16× 10⁶ t)也略低于2016年。2016年30 m层悬浮体浓度最高值出现在浙江东南沿岸, 悬浮体浓度超过50 mg/L, 2017年与2018年30 m层水体中悬浮体浓度普遍在4 mg/L以下, 浓度梯度较小。图 4b与图 4b1中显示, 2016年及2017年研究区北部在30 m层存在一个高悬浮体浓度区, 2018年同层位却未出现最大值。2016年秋季舟山群岛附近站位离岸更近, 底层悬浮体浓度为近三年调查最高值, 达到182 mg/L。2017年与2018年秋季底层水体中悬浮体浓度与2016年秋季相比, 调查区域中部、西部浓度较高, 浙江东南海域的悬浮体高浓度区位置偏北, 在29°N附近海域悬浮体向海扩散现象更显著, 且扩散量较2016年有所增加。

3 秋季悬浮体垂向分布特征

2016年—2018年断面1位置一致, 均位于30°N附近, 西起舟山群岛东侧海域, 东至125.9°E, 位于长江口东南海域, 钱塘江口外侧。

2016年与2017年断面1悬浮体浓度空间分布特征相似。断面西侧舟山群岛附近海域为悬浮体浓度高值区, 长江及钱塘江携带大量泥沙在该海域交汇并汇入浙闽沿岸流。结合断面1的温盐分布特征可知, 低温低盐的沿岸流与高温高盐的台湾暖流在123°E附近相遇, 阻碍了高浓度悬浮体继续向外海扩散, 悬浮体在此处发生沉降并最终沉积在舟山群岛东侧的泥质区内。断面中部及西侧悬浮体浓度较低且层化现象明显, 结合断面1水温分布特征发现, 123.5°E以东海域高浓度悬浮体主要分布在温跃层以下, 跃层之上悬浮体浓度小于2 mg/L。

2016年与2017年断面1悬浮体浓度分布特征也存在一定的差异, 图 5b、图 5b1显示, 2017年断面1水温整体偏高, 与其它年份相比几乎没有冷水区, 中部悬浮体低值区为高温高盐水体, 温度高于26.5 ℃, 盐度大于33.5, 表明该年份台湾暖流大面积入侵, 对断面中部影响较大。2016年可能受调查前期台风影响, 导致该断面悬沙浓度较其他年份偏高, 从图 5a中西侧站位低温水的上涌也可以看到近岸的强混合现象。2017年断面1中部及东部的悬浮体浓度要高于2016年, 结合断面西侧底部的温盐分布特征发现, 受东海北部冷涡及其伴生的上升流影响^[15], 中下层水体中悬浮体辐聚, 导致浓度较高。

分析2018年秋季温盐和悬浮体浓度垂向分布特征可以发现, 与2016年与2017年相比, 2018年表层海水温度偏高, 北部断面的表层海水温度在28 ℃以上, 底层海水温度偏低, 大部分海域底层水体温度低于20 ℃, 水温垂向变化大。结合断面1的盐度与悬浮体分布特征, 2018年长江冲淡水向外海扩散趋势更加明显, 在表层海域少量悬浮体可扩散至124°E, 同时台湾暖流与沿岸流混合作用较强。受东海北部冷涡影响^[23], 125.5°E东侧底层海域悬浮体浓度偏高。

2016年—2018年断面2位置相近, 均位于29°N附近海域, 该海域等深线向外海方向突出, 地形变化复杂。如图 6所示, 2016年—2018年断面2悬浮体浓度分布特征相似, 高浓度悬浮体主要分布在浙闽沿岸泥质区底层海域, 悬浮体浓度可达10 mg/L以上, 外海海域浓度较低且层化现象明显, 断面2底部悬浮体向远海扩散现象较为明显, 浓度超过5 mg/L的高浓度悬浮体可以扩散至124.5°E以西海域。断面东侧底部存在低温高盐的黑潮爬升水, 温度低于20 ℃, 盐度超过34.5, 阻碍了底部悬浮体向外海输运。

结合温盐分布特征可知, 断面2主要受上层高温高盐的台湾暖流表层水和下层低温高盐的台湾暖流深层水控制, 沿岸流较弱且影响范围小。悬浮体的垂向分布主要受温跃层影响, 跃层所在位置, 上下层水体温盐性质差异较大, 层内水体层结稳定, 海水垂直扩散系数小, 跃层以下的底层海域受沉积物再悬浮影响悬浮体浓度偏高, 高浓度悬浮体向上扩散过程中受温跃层阻碍, 无法继续向表层输运, 进而导致跃层上下悬浮体浓度差异显著, 跃层之上悬浮体浓度普遍低于1 mg/L。

2016年断面7, 2017年断面5及2018年断面5均位于27°N附近海域。2016年断面7近岸海域悬浮体存在明显的向远海扩散趋势(图 7a2), 中上层海域主要受高温的台湾暖流影响, 台湾暖流向东扩展的过程中促进底层高浓度悬浮体向外海输运, 同时断面东侧底层海域存在低温高盐的黑潮入侵水, 黑潮水向陆架区内部爬升的过程中也阻碍了底部悬浮体向外海扩散。

图 7b2与图 7c2分别显示2017年与2018年断面5悬浮体浓度分布情况, 断面中上层水体中的悬浮体浓度较高, 高浓度悬浮体可以由近岸输运至121.75°E附近海域。结合断面5温盐分布特征推测该区域悬浮体向外海的运输可能受台湾暖流东分支影响, 发生跨陆架输运。

4 讨论

结合研究区调查期间风场的平面分布特征可以发现, 该海域秋季盛行偏北风且内陆架海域东北风较为强盛。对比2016年、2017年与2018年内陆架海域风场分布可以发现, 2016年近岸海域风速明显高于其他两年, 且2017年近岸风场最弱, 盛行的东北风有利于近岸物质向南输运, 也会造成近岸浅水区较强的再悬浮过程。

东海陆架区悬浮体浓度分布特征显示, 研究区悬浮体分布存在明显的跨陆架输运特征。研究区共存在两条较为明显的跨陆架输运通道, 分别位于浙江北部29°N附近海域和台湾岛以北27°N处。在研究区底层29°N附近海域可以看到存在明显的高悬浮体浓度舌, 从近岸海域延伸至中陆架。27°N附近的30 m层和底层均可以看到悬浮体浓度等值线向外海凸出, 北上的台湾暖流与南下的浙闽沿岸流在该海域相遇, 使台湾暖流产生向东的离岸流并携带部分物质发生跨陆架输运。这两处跨陆架输运通道, 皆与等深线的向海弯曲有关, 地形诱导下海流转向, 驱动了跨陆架输运的发生^[24]。

5 结论

本文通过利用2016年、2017年与2018年秋季东海陆架区实测的温盐、悬浮体浓度数据, 结合研究区域水动力环境, 对研究区域悬浮体水平、垂向分布情况及影响因素进行了初步分析, 结论如下:

1) 研究区悬浮体分布特征存在时间、空间差异性。时间上, 不同年份的悬浮体分布情况有所区别, 2016年受调查前台风过境影响, 近岸悬浮体浓度普遍高于2017年与2018年, 而2017年及2018年底层海域高浓度悬浮体向外海方向输运更为明显。在空间上, 东海内陆架悬浮体浓度分布特征主要表现为近岸浓度明显大于远岸, 底层浓度明显高于表层。受河流泥沙输入和沉积物再悬浮作用影响, 高值区主要分布在浙闽沿岸泥质区底层海域, 特别是钱塘江、瓯江等河流入海口附近, 而低值区主要集中在研究区中部、东部海域的中上层水体中。

2) 东海内陆架悬浮体分布受长江冲淡水、浙闽沿岸流、台湾暖流等环流系统影响明显, 同时东海北部冷涡、地形、温盐跃层作用也影响着研究区悬浮体浓度分布。

3) 浙江北部29°N附近底层海域和台湾岛北部27°N附近30m层和底层海域向海凸出的高悬浮体浓度舌, 指示了东海29°N和27°N附近海域存在跨陆架输运通道。

致谢: 本研究的数据及样品采集得到国家自然科学基金委员会共享航次计划项目(项目批准号: 41549902, 41649902, 41749902)的资助。该航次(航次编号: NORC2016-02, NORC2017-02, NORC2018-02)由“科学三号”科考船和“向阳红18号”科考船实施, 在此一并致谢。