2024, Vol. 48
浙闽海域冬季悬沙锋的次中尺度现象
文章信息
- 乔璐璐, 王祥宇, 刘世东, 郭锦. 2024.
- QIAO Lulu, WANG Xiangyu, LIU Shidong, GUO Jin. 2024.
- 浙闽海域冬季悬沙锋的次中尺度现象
- Submesoscale processes of suspended sediment front in Zhejiang–Fujian coastal areas in winter
- 海洋科学, 48(7): 11-21
- Marine Sciences, 48(7): 11-21.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20230216001
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文章历史
- 收稿日期：2023-02-16
- 修回日期：2023-11-14
引用本文
乔璐璐, 王祥宇, 刘世东, 郭锦. 2024. 浙闽海域冬季悬沙锋的次中尺度现象[J]. 海洋科学, 48(7): 11-21.
QIAO Lulu, WANG Xiangyu, LIU Shidong, GUO Jin. 2024. Submesoscale processes of suspended sediment front in Zhejiang–Fujian coastal areas in winter[J]. Marine Sciences, 48(7): 11-21.
浙闽海域冬季悬沙锋的次中尺度现象
1. 中国海洋大学 海洋地球科学学院, 山东 青岛 266100;
2. 海底科学与探测技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266100
2. 海底科学与探测技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266100
摘要：次中尺度运动是海洋中重要的动力过程, 但是目前对浙闽海域悬沙锋的次中尺度现象及其动力特征的关注较少。本文基于高时空分辨率的GOCI卫星遥感影像、实测表层悬沙浓度数据以及海表涡流数据等, 研究了悬沙锋时空分布特征及其次中尺度过程。研究结果表明, 浙闽近岸的悬沙锋在冬季普遍发育, 主要分布在浙闽海域20~25 m等深线附近, 但在浙江北部约29°N海域和台湾岛北部26~27°N海域锋面向海突出, 指示了近海高浓度悬浮泥沙的向海输运; 浙闽悬沙锋次中尺度现象显著, 多表现相对涡度的气旋性涡旋; 悬沙锋位置逐步向南移动, 主要与冬季偏北风产生的西南向沿岸流有关; 冬季大风事件有利于锋面次中尺度过程发育。
关键词：次中尺度涡旋 悬沙锋 浙闽近海 大风 冬季
Submesoscale processes of suspended sediment front in Zhejiang–Fujian coastal areas in winter
1. College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;
2. Key Lab of Submarine Geosciences and Exploring Technique, Ministry of Education, Qingdao 266100, China
2. Key Lab of Submarine Geosciences and Exploring Technique, Ministry of Education, Qingdao 266100, China
Abstract: The submesoscale phenomenon is a critical dynamic process in oceanography. Despite its significance, studies detailing the submesoscale dynamics of the suspended sediment front (SSF) in the Zhejiang–Fujian coastal areas are scarce. In this research, high-resolution Geostationary Ocean Color Imager satellite images, with excellent spatial and temporal resolution, and in situ data (surface suspended sediment concentration data and sea surface eddy current data) are used to study the spatial and temporal distributions of SSF and its mesoscale processes. The results revealed that the coastal SSF generally develops in winter, mainly distributed along the 20–25 m isobaths. Significant protruding cross-front sediment transport was observed in the 29°N sea area of northern Zhejiang and the 26°N–27°N sea area of northern Taiwan Island. The submesoscale phenomena in the Zhejiang–Fujian coastal areas are pronounced, mainly characterized by cyclonic vorticity with positive relative vorticity. The SSF moves southward gradually, primarily affected by the southwesterly coastal current generated by northerly winds in winter. Furthermore, winter gale events significantly promote the development of submesoscale processes within the SSF.
Key words:
submesoscale eddies suspended sediment front Zhejiang-Fujian Sea coastal area storm event winter
海洋中的次中尺度运动是指水平尺度0.1~10 km, 垂向尺度0.01~1 km, 时间尺度从数小时至一天的动力过程, 是联接中尺度地转运动和小尺度非地转运动的桥梁[1]。随着水色卫星、合成孔径雷达、数值模拟等研究手段的发展, 人们对次中尺度运动的海面特征[2-3]、上层水体结构及其季节变化特征[4-6]等方面的认识逐渐加深。次中尺度运动可以使得混合层深度加深, 海表水平扩散增强[7], 还能够贡献海洋混合层中60%的再分层过程[8], 以及上层海洋超过70%的新增初级生产力[9-10], 因此, 次中尺度运动对海洋生态环境演变、海洋锋面生消、物质能量传递[11-12]以及沉积动力过程等具有重要影响。
海洋锋多为中尺度现象, 其伴随的次中尺度运动可表现为射流、次中尺度涡旋、涡丝等。澳大利亚中东部海流锋的射流速度可达0.5 m/s[13]; 乔治浅滩锋次中尺度运动表现为多流环结构[14]; 我国南海北部陆架锋冬季存在“猫眼”式次中尺度涡旋和“冷丝”“暖丝”现象[15-16]; 苏北潮汐锋在水平方向呈射流结构、垂直方向呈双环结构[17-18]。这些次中尺度现象的产生与混合层斜压不稳定、外强迫(如风)、岛屿岸线作用、中尺度拉伸等因素有关[1, 6, 19-21]。
浙闽海域位于东海内陆架, 岸线自东北向西南延伸, 等深线大致平行岸线分布。冬季是东海北部高浓度悬浮泥沙向南输送的重要季节, 此时浙闽近海的高浊度水体, 与外海低浊度水体之间形成悬浮泥沙浓度(Suspended Sediment Concentration, SSC)的跃变带, 即悬沙锋[22-24]。悬沙锋从杭州湾湾口向南延伸至台湾海峡北部[25], 主要分布在60 m等深线以浅的近岸水域。其产生与地形和潮混合有关, 季节变化上表现为冬季增强, 年际变化上则受到厄尔尼诺-南方涛动的调制[26]。尽管浙闽海域有闽江、瓯江等中小型河流汇入, 但该悬沙锋向陆一侧的高浓度悬浮泥沙主要来自冬季东北风驱动下的长江入海泥沙的向南搬运。冬春季节频繁爆发的寒潮大风, 也对沿岸流加强和近海SSC增大有重要影响, 其他季节由于风力较冬季偏小, 导致再悬浮过程变弱, 且向南输运泥沙减少, 因此, 浙闽海域悬沙浓度整体偏低, 悬沙锋特征不明显。同时, 浙闽海域还发育了我国东部陆架海典型泥质沉积区——东海内陆架泥质沉积区[27-29], 其生成、演化与海洋锋[22, 30]密切相关。目前对于悬沙锋这一类型锋面的次中尺度现象研究较少, 本文将基于高时空分辨率卫星遥感资料开展相关研究。
1 数据与方法 1.1 数据来源 1.1.1 卫星遥感数据本文使用地球静止水色卫星Geostationary Ocean Color Imager(GOCI, http://222.236.46.45/nfsdb/COMS/)的L1级遥感反射率数据进行海表SSC的反演。该传感器每天提供8景数据(世界时00: 15—07: 15), 时间分辨率1 h, 空间分辨率500 m。将卫星遥感反射率与实测海表SSC建立拟合公式, 可以实现海表SSC的反演。
1.1.2 实测SSC数据本文收集了2011年6月、2015年6月、2016年6月、2016年9月、2016年10月、2017年5月、2017年9月、2018年9月、2020年8月国家自然科学基金委9个共享航次的实测表层SSC数据。利用SeaBird 911 CTD及采水系统对表层海水取样, 使用孔径0.045 μm的醋酸纤维膜, 现场过滤1~2 L体积的海水, 并进行滤膜烘干、称重等处理, 可以计算得到SSC。考虑到个别天气条件下遥感资料缺失, 因此在站位距离小于500 m, 观测时间差小于2 h的条件下获得49组实测与遥感数据(站位分布如图 1所示), 用于建立反演模型。
为分析冬季风场对悬沙锋次中尺度现象的影响, 本文使用美国国家环境预报中心气候预报的风场产品National Center for Environmental Prediction Climate Forecast System Version 2(NCEP-CFSv2, https://rda.ucar.edu/)。该数据时间分辨率1 h, 空间分辨率0.2°× 0.2°。使用该风场数据讨论不同风速条件下次中尺度变化。
1.1.4 海表涡流数据及实测海流数据本文使用了哥白尼海洋环境观测服务平台European Copernicus Marine Environment Monitoring Service(CMEMS, https://resources.marine.copernicus.eu)提供的全球海洋涡流解析产品, 时间分辨率1 d, 空间分辨率为1/12°×1/12°。该数据广泛应用于海洋锋面和东海海流研究[31-33], 数据网址为https://resources.marine.copernicus.eu/?option=com_csw&view=details&product_id=GLOBAL_REANALYSIS_PHY_001_030。
为了对CMEMS海流数据精度进行验证, 本文收集了文献[34-35]在浙闽海域的实测海流结果(站位如图 1所示)。该数据基于4个集成ADCP的海床基同步观测获得, 观测日期为2009年1月1日至2月24日, 仪器采样间隔为20 min, 本文使用该观测数据2 m水深层位的余流结果, 与CMEMS表层海流数据进行对比。
1.2 数据处理方法 1.2.1 遥感海表SSC反演利用SeaWiFS Data Analysis System (SeaDAS, version7.4)软件对GOCI的L1级数据进行大气校正、除云等处理, 得到L2级数据。在49组实测海表SSC和遥感反射率数据中, 随机选取39组用于建立反演模型, 另外10组数据用于验证。反演公式如式(1)。
| C=0.01913×exp(254.3×Rrs555), | (1) |
其中C表示SSC, Rrs555表示555 nm遥感反射率。所建立的拟合关系如图 2所示, 拟合系数为0.977, 10组验证数据的平均相对误差为1.26 mg/L。
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| 图 2 实测表层SSC与555 nm波段反射率拟合关系 Fig. 2 Fitting relationship between the measured surface SSC and the reflectance of the 555-nm band |
为进一步验证遥感反演公式的合理性, 将获得的浙闽海域表层SSC与前人在浙闽海域遥感反演或实测的结果[25, 36-37]进行对比, 量值接近, 因此认为本文建立的反演公式较为合理。
1.2.2 SSC梯度计算与悬沙锋识别为了研究浙闽海区悬沙锋分布特征, 本文利用Sobel算法对该海区SSC梯度进行了统计计算。该Sobel算子为两组3×3矩阵, 用两组算子分别乘以以计算点为中心的3×3数据矩阵, 分别求沿经线与纬线方向的两组梯度值后再求得总梯度。这种算法具有原理简单, 对经线和纬线两个方向边缘检测效果较好的特点。Sobel算子两组矩阵分别如下:
| [−101−202−101][121000−1−2−1]. | (2) |
梯度计算公式如下:
| G=√(∂C∂x)2+(∂C∂y)2 | (3) |
其中, G表示SSC总梯度值, ∂C表示浓度变化, ∂x、∂y分别代表沿纬线方向和沿经线方向的坐标距离(单位km)变化。选择SSC梯度的某一临界值或从梯度值空间分布中识别悬沙锋。
1.2.3 基于Canny方法的边缘检测本文使用Canny[38]方法对悬沙锋边缘的次中尺度现象进行识别和提取。该算法是1986年由John Canny提出, 在加利福尼亚、佛罗里达海峡等海域的海洋锋及其边缘检测的研究中被广泛使用[39-41]。Canny边缘检测主要分为以下几步:
滤波处理: 利用高斯滤波对整幅图像中的数据进行加权平均, 以消除图像中的噪音, 达到平滑图像的目的。
梯度计算: 利用Sobel算子提取图像的梯度信息。
非极大值抑制NMS(Non-Maximum Suppression): 通过Sobel梯度提取的边缘线通常较粗糙, NMS方法是沿着正负梯度方向将某点的梯度大小与邻近两点进行比较, 若该点梯度值与另外两点相比较大, 则保留该点为边缘点, 否则将被抑制。该方法可以去除非极大值, 只保留变化率最大的点, 将边缘线降噪。
双阈值边缘筛选: 非极大值抑制后, 检测的边缘线较多, 通过双阈值筛选能够滤掉较暗的边缘, 保留主要边缘, 即用弱梯度值过滤掉边缘元素, 保留具有高梯度值的边缘元素, 从而过滤掉具有噪音和颜色变化引起的边缘元素。选取两个阈值, 若元素大于高阈值, 全部保留, 低于低阈值全部删除, 取值在低阈值与高阈值之间的元素, 判断与其相邻的8个元素中是否有高阈值及以上的元素, 若与高阈值及以上数值元素邻近则元素保留, 若未连接则元素删除。
1.2.4 CMEMS海流数据验证经过对比, CMEMS能够较好地反映研究海域的海流特征(图 3), 由于S1、S2站离岸较近, 水深地形复杂, CMEMS模拟有偏差, 尤其是流速的南北分量误差相对较大, 但在S3、S4站位模拟效果均较好。
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| 图 3 S1—S4站位的实测2 m层余流(蓝色线, 数据来自文献[33-34])与CMEMS表层海流数据的u(东西方向)、v(南北方向)分量对比 Fig. 3 Comparison of the u (east-west direction) and v (north-south direction) components between the measured residual current at the 2-m layer (blue lines, data from reference[33-34]) and the surface current data from CMEMS at S1 to S4 stations |
本文基于CMEMS海表涡流数据计算了海表相对涡度(ζ)和罗斯贝数(Ro), 公式如下:
| ζ = δvδx - δuδy, | (4) |
| Ro=ζf, | (5) |
其中u、v是海流速度的东、北向速度分量, f为科氏参数。ζ绝对值越大, 次中尺度涡旋特征也就越明显, 次中尺度过程也就越活跃[19]。Ro是次中尺度过程诊断的重要参数, 可以作为次中尺度过程活跃程度的表征。
2 结果分析 2.1 表层SSC分布及悬沙锋的季节变化基于反演获得的2011—2020年浙闽海域的海表SSC, 分别进行春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—次年2月)四个季节的10 a平均处理, 获得各季节平均表层SSC(如图 4所示)。浙闽海域表层SSC等值线基本沿等深线分布, 在量值上表现为近海高、外海低的空间分布特征, 其中冬春季的近岸高值区浓度可达50 mg/L以上, 外海的低值区小于3 mg/L。从季节变化来看, 冬季高浓度区分布范围最广, 表层SSC最大, 春季个别海湾SSC较高, 夏季高浓度区分布面积最小。
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| 图 4 季节平均表层SSC分布 Fig. 4 Seasonal averaged surface SSC distribution (filling color indicated SSC, and the solid black lines show isolines of SSC) 注: 填色为SSC, 黑色实线为SSC等浓度线 |
基于Sobel算子计算表层SSC的梯度(图 5), 结果显示, 春、夏季节的表层悬沙高梯度值在20 m等深线以浅海域都有分布, 指示了SSC的快速变化, 不能识别为悬沙锋。而秋、冬季节分别沿20、25 m等深线位置, 存在表层SSC梯度的高值区, 梯度值可达4 mg/(L·km), 明显大于两侧SSC梯度, 表明该水深处表层SSC迅速减小, 结合图 4(d)可以看到, SSC由30 mg/L迅速减小到10 mg/L, 因此, 可以判断该水深处存在悬沙锋, 强度最大处可超过4 mg/(L·km)。从季节变化来看, 冬季悬沙锋的长度最长、强度最大、分布位置更向外海推进。
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| 图 5 浙闽海域多年平均的不同季节海表SSC梯度分布 Fig. 5 Multi-year averaged surface SSC gradient in Zhe-Min coastal seas in different seasons (the filled colors indicate SSC gradient, and the solid lines of black, white and green represent isobaths of 20 m, 50 m, and deeper than 75 m, respectively) 注: 图中填色为SSC梯度, 黑色、白色和绿色实线分别表示20 m、50 m和≥75 m的等深线 |
从2013—2019年冬季随机选取浙闽沿岸遥感影像质量较高的时刻, 采用前文介绍的Canny方法基于表层SSC梯度提取悬沙锋边缘线(图 6)。可以看到, 在随机选择的冬季6个时刻, 悬沙锋表现出较类似的特征: 锋面从北到南大体沿等深线分布, 但在浙江北部约29°N海域和台湾岛北部26°~27°N海域存在向海突出的特征(如图 6中黑色箭头所示), 这与前人提出的跨锋面输运位置一致[42], 指示了近海高浓度悬浮泥沙向海输运过程, 该两处跨锋面运动将成为跨陆架输运的重要通道[43]。表层悬沙锋边缘提取结果表明, 悬沙锋边缘并非为光滑直线, 而是呈现半封闭涡旋或涡丝结构。
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| 图 6 冬季不同时刻的表层悬沙锋边缘提取 Fig. 6 Edges of surface suspended sediment front at different times in winter 注: 黑线为提取的锋面边缘, 填色为SSC, 75 m等深线以东海域未绘制, 黑色箭头指示跨锋面运动, 左上角代表影像时间, 如2013120305代表世界时2013年12月3日5时 |
从时间上来看, 在不同年份的冬季悬沙锋都可能出现(图 6), 并且, 在落潮过程中, 锋面边缘随着落潮流向南微弱平移(图 7), 相邻时刻边缘线形态变化不大, 但落急时刻[图 7(d)]锋面边缘形态明显更为复杂, 尤其是浙江北部跨锋面输运海域, 锋面扩展范围更宽, 更向海推进, 这可能与该时刻潮致混合增强有关。整个落潮过程的始末对比来看, 锋面位置变化较为显著, 总体表现为随落潮流向西南方向移动, 移动距离约为10 km, 锋面边缘形态在29°N和27°~28°N附近变化较大[图 7(f)]。除了受落潮流影响, 由于研究海域冬季受东北风控制, 其产生的西南向沿岸流也可能是悬沙锋向南移动的原因。
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| 图 7 表层悬沙锋次中尺度过程随时间变化 Fig. 7 Temporal variations of the sub-mesoscale processes in the surface suspended sediment 注: 图例中2016120701表示世界时2016年12月7日1时, 图(a)—(e)显示了相邻1 h锋面边缘变化, 图f为落潮过程始末的锋面边缘变化, 图中左上角曲线为潮位, 曲线上的矢量箭头表示前(蓝色箭头)、后(橙色箭头)两个潮时的海流矢量, 潮位和海流位于27.5°N, 122°E站位, 数据均来自CMEMS(如图中绿色点所示), 75 m等深线以深范围未绘图 |
在图 7所示的2016年12月7日落潮过程中, 悬沙锋有向西南移动趋势, 对比12月23日涨潮过程的两个不同时刻, 锋面随涨潮流仍表现出向南移动的特征[图 8(a)], 说明冬季西南向沿岸流对锋面位置变化的重要控制作用。
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| 图 8 (a) 大风过程中悬沙锋随潮时变化及(b)大风与风速相对较小天气下锋面形态对比 Fig. 8 (a) Change in the suspended sediment front edge at different tidal times during the strong wind event and (b) comparison of the front edge under relatively weak and strong wind events 注: 左上角矢量箭头代表风向, 量值代表风速, 黑色虚、实曲线代表水位, 分别对应2016年12月7日和12月23日(UTC)潮位曲线(潮位与流场方向数据分别取自27.5°N, 122°E站位, 如绿色点所示), 曲线上蓝色和橙色箭头分别指示两个不同潮时对应的表层流矢量(数据来自CMEMS), 75 m等深线以深范围未绘图 |
进一步选择潮时相同但风速明显不同的两个时刻对锋面进行对比。2016年12月7日和12月23日同为大潮期, 都受东北风控制, 但风速明显不同, 前者风速约为6.05 m/s, 后者风速8.92 m/s。与一般风况(12月7日)相比, 风速越大(12月23日)悬沙锋位置向海方向扩展越远[图 8(b)中橙色线], 尤其是29°N和26°~ 27°N两个跨锋面海域, 锋面向海突出更明显[图 8(b)]。这可能是由于大风天气下浅水区混合加剧, 高SSC的水体范围扩大, 因此SSC梯度最大值区也随之向东(向海方向)移动, 所以悬沙锋位置向东推移。从图 8(b)中可以看到, 锋面边缘形态在大风时变得更加复杂。
3.2 锋面次中尺度现象的动力特征浙闽沿岸海域罗斯贝数的空间分布[图 9(a)和(c)]显示, 该海域上层海洋存在明显的锋面结构, 并且锋面附近Ro绝对值介于0.5~1, 表明该海域锋面伴随的次中尺度过程较为发育。从图 6中可以看到, 该次中尺度过程主要表现为涡旋和涡丝结构(图 6)。通过相对涡度可以判断次中尺度涡旋的旋转方向以及极性, 结果显示, 冬季浙闽沿岸海域悬沙锋附近表现为正负相对涡度交替出现, 表明该海域存在较强的辐合辐散过程, 其中以正相对涡度的气旋性涡旋较多[图 9(b)和(d)], 水平尺度约15 km。
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| 图 9 2016年12月7日(a, b, 大潮)和12月23日(c, d, 大潮)日均罗斯贝数空间分布和表层涡度(填色)及流线图(黑色带箭头曲线) Fig. 9 Spatial distribution of the daily Rosby number and surface vorticity (filled color) and stream lines (black line with arrows) on December 7, 2016 (a, b, spring tide, wind speed about 6.0 m/s) and December 23, 2016 (c, d, spring tide, wind speed about 8.8 m/s) |
前人研究中认为, 该次中尺度过程是由于浙闽近岸混合层不稳定、锋生作用以及湍流热成风共同作用而产生[34]。考虑到较难获得连续的海表SSC及悬沙锋数据, 本文通过罗斯贝数, 及其对风速、流速南北向分量及其剪切的响应变化, 分析影响次中尺度变化的动力因素。研究海域2016年12月盛行东北风(图 8), 共出现6次风速超过10 m/s的大风过程[图 10(b)]。在大风过程中, 东北风驱动下的南向浙闽沿岸流也显著增强[图 10(c)], 沿岸流与其东侧的北向台湾暖流之间形成的流速剪切也明显增大[图 10(d)], 此时锋面将更不稳定, Ro也对应增强([图 10(a)], Ro增大的正值指示了增强的气旋性涡旋, 说明大风过程中次中尺度过程更为活跃。次中尺度涡旋可能加强近海高悬沙浓度水体与外海低浓度水体的混合, 未来需结合高分辨率的数值模式与精细化观测, 对次中尺度过程对跨锋面输运的影响开展深入研究。
本文基于高时空分辨率的GOCI卫星遥感影像和实测表层SSC数据, 反演了浙闽近海不同季节的海表悬沙浓度, 进一步提取了该海域表层悬沙锋及锋面边缘形态, 并研究了悬沙锋的次中尺度过程及其动力特征, 研究结果表明:
(1) 浙闽近海的悬沙锋主要分布在浙闽海域20~ 25 m等深线附近, 但在浙江北部约29°N海域和台湾岛北部26°~27°N海域向海突出, 指示了近海高浓度悬浮泥沙的向海输运; 悬沙锋在冬季普遍发育, 与秋季相比冬季锋面更长、强度更大、位置更向外海。
(2) 通过锋面边缘提取和相对涡度计算, 浙闽悬沙锋次中尺度过程主要表现为半封闭涡旋或涡丝, 正负相对涡度沿着锋面交替出现, 其中以正相对涡度的气旋性涡旋为主。
(3) 悬沙锋位置在冬季偏北风控制下有向南移动趋势, 与沿岸流输运有关, 在流速较大时次中尺度过程更加发育; 冬季大风事件下, 悬沙锋尤其是两个跨锋面输运位置, 向海扩展更远, 冬季大风有利于锋面次中尺度过程发育, 气旋性涡旋更为活跃, 锋面边缘形态更加复杂。
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