2016, Vol. 47
中国海洋湖沼学会主办。
文章信息
- 仲毅, 乔璐璐, 王震, 李建超, 刘世东, 赵科. 2016.
- ZHONG Yi, QIAO Lu-Lu, WANG Zhen, LI Jian-Chao, LIU Shi-Dong, ZHAO Ke. 2016.
- 南黄海中部悬浮体垂直分布及其季节变化
- VERTICAL DISTRIBUTION AND SEASONAL VARIATION OF SUSPENDED PARTICULATE MATTER IN THE CENTRAL SOUTH YELLOW SEA
- 海洋与湖沼, 47(3): 518-526
- Oceanologia et Limnologia Sinica, 47(3): 518-526.
- http://dx.doi.org/10.11693/hyhz20150800207
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文章历史
- 收稿日期：2015-08-05
- 改回日期：2015-11-28
2. 海底科学与探测技术教育部重点实验室 青岛 266100
2. The Key Lab of Sea Floor Resource and Exploration Technique, Ministry of Education, Qingdao 266100, China
黄海是海陆相互作用显著的陆架边缘海。海洋环流复杂，冬季风驱动下形成黄海沿岸流和朝鲜沿岸流，中部是从济州岛附近北上的黄海暖流，后者平均流速可达0.5m/s(管秉贤，1985; 袁业立等，1993; Ichikawa et al，2002; Xu et al，2009); 夏半年，海域中部底层水体则被低温的黄海冷水团占据(乔方利，2012)。在各种动力作用下，来自黄河与长江的大量颗粒物向黄海输送(Lu et al，2011)，在南黄海中部34.5°—36.5°N，122°—124.5°E海域形成泥质区，物质组成以细颗粒的黏土、粉砂为主，该泥质区被认为是细颗粒沉积物和碳的“汇”(吴德星等，2006; 徐刚等，2010; Wang et al，2014)。悬浮体浓度分布及其季节变化对南黄海中部泥质区的形成有重要影响。
关于悬浮体浓度的水平分布特征，王勇智等(2007)利用HAMSOM模型模拟了冬、夏季渤、黄、东海悬浮物质量浓度变化，得出渤、黄、东海悬浮物质量浓度分布存在明显的季节变化，冬季由于强风作用，再悬浮作用相比夏季明显。Bian等(2013)利用实测的风场、浊度、温盐等数据分析了黄东海悬浮泥沙的季节与水平分布及其动力机制。肖合辉(2014)综合实测资料及遥感反演结果，分析出渤、黄海悬浮体浓度的平面分布特征。Pang等(2011)将海色遥感、实测资料、数值模拟方法相结合建立了黄东海悬浮泥沙三维通量场，指出悬浮泥沙的输送主要受控于研究海域的整个环流体系，特别是冬季环流。关于悬浮体浓度的垂直分布特征，秦蕴珊等(1989)通过对南黄海水样的过滤、分析及结合海水透光度测量，发现夏季悬浮体垂直分布存在层化现象，并且悬浮体水平扩散和垂直扩散受到了南黄海中部冷水团的影响。李建超等(2013)利用LISST观测的悬浮体浓度数据，结合水样抽滤、CTD温盐等数据分析了冬季南黄海悬浮体分布规律，发现不同水团与流系控制下悬浮体颗粒大小不同，且温盐跃层与悬浮体浓度跃层对应较好。虞兰兰等(2011)用LISST观测数据研究了黄东海细颗粒悬浮体体积浓度分布，仅通过表、底层中值粒径的分析得出南黄海中部35°N断面夏季粒径比冬季细。
对于南黄海中部悬浮体的研究，多局限于表、底层的水平分布，有限的对垂直分布的研究(虞兰兰等，2011; 李建超等，2013)或者只局限冬季，或者缺乏对不同粒径悬浮体垂直分布的描述，尤其是对季节变化的认识不够深入。本文将夏、冬季LISST测得的32个粒级的悬浮体体积浓度数据、四季水样抽滤数据以及四季CTD测得的温盐数据相结合，对南黄海中部典型断面的悬浮体垂直分布及其季节变化进行分析，为黄东海物质交换及南黄海中部泥质区的形成机制提供理论依据。
1 资料与方法 1.1 站位与数据来源本文采用的数据来源于2006年至2009年南黄海中部35°N断面的垂直观测数据(图 1)。四季节观测时间分别为春(2009.5.15—5.16)、夏(2006.7.14—7.15)、秋(2007.11.22—11.24)、冬(2007.2.12—2.13)。其中CTD(Seabird911，美国海鸟公司)观测了四个季节水体温度、盐度等数据，垂直分辨率为1m。取包括表层和底层在内的标准层位(表 1)水样在室内进行了抽滤实验以测定春、夏、秋、冬四季悬浮体质量浓度(单位mg/L)。LISST激光粒度仪利用光学原理测量了夏、冬两季水体中32个粒度级别颗粒物质的体积浓度(单位μL/L)，其中夏季采用LISST-100B，测得粒级范围为1.25—250μm，测量方式为取标准层水样，在实验室观测32个粒级的悬浮体体积浓度; 冬季采用LISST-100C，测得粒级范围为2.5—500μm，测量方式为现场采用绞车匀速下放，垂直分辨率为1m。
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| 图 1 南黄海调查站位、泥质区及冬季环流体系 Fig. 1 The survey site，currents in winter，and mud area in the South Yellow Sea(SYS) |
| 水深范围(m) | 标准层位(m) |
| <50 | 表层、5、10、15、20、25、30、底层 |
| 50—100 | 表层、5、10、15、20、25、30、50、75、底层 |
悬浮体不仅包括矿物颗粒，还包括生物碎屑、生物粪球、有机薄膜、胶态的矿物集合体等(秦蕴珊等，1989)。尽管LISST测量具有较高垂直分辨率以及分粒级的优势，但在现场观测时往往受到生物碎屑等的影响，并且这些生物物质通常体积较大，所以会测得较大的LISST值。水样抽滤法由于烘干称重的过程，测得的是矿物颗粒的质量浓度，受生物组分以及矿物集合体的影响较小(翟世奎等，2005); 但是受观测能力限制，一般仅进行标准层取样。因此，将LISST体积浓度与抽滤所测得的质量浓度结合分析，可以得到具有较高垂直分辨率且分粒级的悬浮矿物颗粒的质量浓度数据。
将夏季和冬季LISST各个粒级组分的累积体积浓度分别与抽滤质量浓度进行相关性分析，求出R2，如图 2所示。冬夏两季相关性都比较高，整体上都呈现出随着粒径的增加，相关性先急剧增高、后缓慢降低的趋势。夏季R2约为0.92—0.99，冬季R2约为0.68—0.95，与冬季相比，夏季的LISST各个粒级组分累积体积浓度与抽滤质量浓度具有更好的对应关系; 夏季相关性在粒径为19.2μm时达到最大，随后缓慢下降，冬季相关性在粒径为32.57μm时达到最大，随后缓慢下降。夏季抽滤值与LISST体积浓度的相关性极高，原因可能是由于夏季观测手段为取水样实验室分析而非仪器现场观测，从而受到现场生物影响较小的缘故。
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| 图 2 南黄海中部断面各粒级累积体积浓度数据与抽滤质量浓度数据相关性分析 Fig. 2 Correlation in volume concentration and mass concentration of suspended particulate matter(SPM)at the transect in the central SYS |
海水中悬浮体和底质沉积物关系密切，南黄海中部底质主要分布以黏土、粉砂占多数的细颗粒泥沙(秦蕴珊等，1986; 刘锡清，1990; 李广雪等，2005)。在保证高相关性且可用于换算的粒级尽可能多的条件下，加之研究区水动力较弱的特征，选取极细砂的粒径(LISST-100C中为122.42μm，LISST-100B中为119μm)作为代表矿物颗粒的LISST数据。夏冬两季利用该粒径下的LISST累积体积浓度转化为质量浓度的拟合公式如下:
其中，y为悬浮体质量浓度(mg/L)，x为LISST悬浮体体积浓度(μL/L)，Q2为判定系数。
2 南黄海中部水体温盐特征研究海域的温度、盐度数据较好地体现了南黄海中部环流特征(图 3)。春季，近岸浅水升温快，前一年冬季表层海水冷却下沉残留在海底(赫崇本等，1959)，底层西侧坡地处形成低温高盐的水体，15m水深左右出现弱的温跃层。前人研究结果显示，春季断面温跃层以下东西两侧存在两个闭合冷水块(乔方利，2008)，此次春季调查航次温跃层以下也表现出同样的特点(图 3a)。夏季，温跃层强盛，最大温度梯度为-2°C/m，底层西侧坡上的冷水汇入中部冷水团主体中，冷水团势力增强，核心水温约8.6°C，盐度33.9。秋季，温跃层下降至40m水深左右，其上水体垂直混合较好，西部被低温低盐水体控制。冬季，断面西部水体低温低盐，对应黄海西部沿岸流; 受到黄海暖流的影响，海域中部中下层为高温高盐水体，在122.5°—123°E海域甚至能扩展至表层，水体中心最高水温可达10.8°C，盐度33.2。
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| 图 3 南黄海中部35°N断面水体四季温盐垂直剖面(各个图上方横轴数字代表站位号) Fig. 3 Vertical distributions of temperature and salinity along the 35°N transect in the central SYS in four seasons [The numbers above horizontal axis of each subfigure represent the survey site.] |
图 4显示了研究海域四个季节悬浮体质量浓度的垂直分布，其中春、秋季悬浮体质量浓度通过抽滤实验得到，夏、冬季悬浮体质量浓度由LISST测得的体积浓度通过1.2中的转换公式得到。众多研究表明，南黄海中部水动力较弱，是低悬浮体浓度区(董礼先等，1989，石学法，2001，高抒，2013， 2013; Zhou，2014)。春季，整个断面悬浮体浓度范围在0.2—3.8mg/L，并在底层对应121.5°E南黄海中部西侧冷水区、122.5°E南黄海中部冷水区西边界、124.5°E南黄海中 部冷水区核心处，均存在悬浮体浓度的高值区。夏季悬浮体浓度垂向差异较大，范围在0.2—26.5mg/L，整体上表层低于底层，悬浮体层化现象较为明显，这与前人研究相符(秦蕴珊等， 1989; 李凡等， 1996; 韦钦胜等， 2013)，其中最高值出现在122°E底部，即黄海中部冷水团西边界海域，达到了26.5mg/L，20m水深以浅的上层水体悬浮体浓度低于2mg/L。秋季断面悬浮体浓度西高东低，西部黄海沿岸流海域悬浮体浓度1.5—7.9mg/L，东部0—7.3mg/L，此外消亡中的南黄海中部冷水团西边界122.5°E区域存在悬浮体浓度高值区，最大浓度高达11.6mg/L。冬季，风浪较大使得水体混合充分，中上层水体中悬浮体浓度变化较小(虞兰兰等，2011; Lu et al， 2011; Bian et al，2013)，总体上悬浮体浓度低于3mg/L，但在黄海暖流海域和黄海槽底部悬浮体浓度值较高，分别为1.2mg/L和2.8mg/L。四个季节，南黄海中部122.5°—124.5°E海域的20m以浅水体，悬浮体浓度始终小于1mg/L，即使在受台风影响的夏季，尽管下层水体悬浮体浓度异常增高，上层依然保持低值。
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| 图 4 南黄海中部35°N断面质量浓度垂直剖面 Fig. 4 Vertical distribution of mass concentration of SPM along the 35°N transect in the SYS |
潮流是控制南黄海悬浮体分布的重要动力因素(董礼先等，1989; 吴晓涛，1995)。冬春季观测时间处于小潮期，而秋季观测时间处于大潮期，故此次调查秋季观测到的悬浮体浓度较高。南黄海中部夏季悬浮体含量总体上较低，前人研究结果在0—3.5mg/L之间(郑铁民等，1990; 王保铎，2013)。而此次调查结果得出的夏季悬浮体浓度较高，范围在0.2—26.9mg/L，推测其原因，可能是由于夏季调查受到了台风“艾云尼”的影响。台风“艾云尼”于2006年6月29日14时在菲律宾以 东洋面生成并于7月10号中午从韩国西南部登陆，此时中心气压980—990hPa，最大风速23—30m/s，向东北方向移动，在此期间，台风对南黄海中部水体环境影响较大。本次调查夏季航次在7月15日，此时虽然台风已经远离南黄海，但此前其引起的涌浪使南黄海中部底质沉积物发生了较强的再悬浮过程(虞兰兰等，2011)，使得夏季断面悬浮体浓度高于冬季以及台风影响较弱的夏季。
3.2 悬浮体各粒级质量浓度垂直分布与抽滤数据相比，LISST数据最大的优势是可以测量悬浮体各个粒度级别的体积浓度，因此可以分粒级分析悬浮体垂直分布情况。根据温德华粒度分级标准以及仪器测量范围，将LISST-100C数据划分为黏土(clay，≤3.79μm)、细粉砂(fine silt，3.79— 16.8μm)、中粉砂(middle silt，16.8—32.57μm)、粗粉砂(coarse silt，32.57—63.14μm)、极细砂(very fine sand，63.14—122.42μm)、细砂(fine sand，122.42—280.07μm)、中砂(middle sand，280.07—460.16μm)7个级别; 将LISST-100B数据划分为黏土(clay，≤3.67μm)、细粉砂(fine silt，3.67—16.3μm)、中粉砂(middle silt，16.3— 31.6μm)、粗粉砂(coarse silt，31.6—61.2μm)、极细砂(very fine sand，61.2—119μm)、细砂(fine sand，119—230μm)6个级别。研究海域水动力较弱，本文着重分析了黏土到极细砂粒级的悬浮体浓度。
研究海域西侧底部沉积物主要以粉砂质砂为主，冬季风浪较大，能够在较浅的海域引起沉积物再悬浮(秦蕴珊等，1986; 刘锡清，1990; 李广雪等，2005)。结合图 5-图 7分析得知，冬季，黄海西部沿岸流所携带的悬浮体，和细颗粒相比，粗颗粒的极细砂和粗粉砂粒级的悬浮体浓度较大; 中部受到黄海暖流的搬运作用，122.5°E至123.5°E水域底层各个粒级悬浮体浓度都比较高; 而124.5°E黄海槽水域附近悬浮体浓度也相对较高，主要是受粗颗粒影响，说明黄海暖流海域和黄海槽海域的高温高盐水体生物活动较为剧烈。
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| 图 5 南黄海中部35°N断面水体冬季分粒级悬浮体浓度垂直分布 Fig. 5 Vertical distribution of the SPM concentration in each grain size along the 35°N transect in the SYS in winter |
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| 图 6 南黄海中部35°N断面水体夏季分粒级悬浮体浓度垂直分布 Fig. 6 Vertical distribution of the SPM concentration at each grain size along the 35°N transect in the SYS in summer |
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| 图 7 03断面春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)四季悬浮体浓度大小与温盐场关系图 Fig. 7 Relationship between the SPM concentration and the distributions of temperature and salinity along the transect 03 in spring(a)，summer(b)，autumn(c)，and winter(d) |
夏季，粉砂粒级的悬浮体浓度较高，其中最高浓度值出现在细粉砂中，达到了11.8mg/L，主要是和台风产生的局地再悬浮有关。悬浮体浓度在122°E附近存在一个明显的高值区域，以细粉砂为主，可能与黄海冷水团西边界锋面的辐聚效应有关(韦钦胜等，2013; Zhou，2014)。
海洋中尺度涡旋一直是海洋学家关注的焦点，黄海冷水团是中国东部陆架海重要的物理现象，冷涡环流的强上升流区离涡旋中心有一定距离(锋面附近)而非涡旋的中心处(张庆华等，2002; 乔方利等，2008)。Zhou(2014)利用三维水动力模型计算出黄海冷水团环流最大上升流速出现在锋区附近，冷水团中心流速很低，上升流可能是悬浮体在其附近海域富集的重要因素。加之南黄海西侧海域来自老黄河和现代黄河的物质来源丰富，夏季悬浮体高浓度区对应了南黄海中部泥质区西侧的高厚度带(高飞，2013)。因此，南黄海中部泥质区西北厚东南薄的分布特征可能与冷水团西边界锋面上升流及西侧的高浓度悬浮体有关。
4 讨论 4.1 水团与悬浮体的关系不同水团与悬浮体浓度有较好的对应关系。如图 8所示，春季高温低盐的西部沿岸流与低温高盐的底部冷水团控制水域的悬浮体浓度都比较高; 夏季，底部冷水团势力增加，在其控制下悬浮体浓度很高; 秋季与春季相仿，在沿岸水与深部冷水控制下，悬浮体浓度都比较高; 冬季，断面中部为强盛的高温高盐的黄海暖流，在此水体控制下悬浮体浓度明显较高。
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| 图 8 306站位夏季(a)、冬季(b)各粒级含量变化图 Fig. 8 Variation of content of each grain size at station 306 in summer(a)and winter(b) |
不同水团影响下悬浮体颗粒组成也不同。从图 3可以看到，306站位夏季处于黄海冷水团海域、冬季受黄海暖流控制，悬浮体颗粒组成有所差异(图 8)。夏季，在水深5—10m左右即冷水团顶部出现温盐跃层，悬浮体浓度在此深度也出现跃层，10m以深悬浮体含量逐渐增加，即使在台风影响下，高浓度悬浮体也未突破温跃层影响，悬浮体以再悬浮的细粉砂粒级为主。冬季，由于高温高盐的黄海暖流存在，40m水深附近出现温盐跃层，温盐跃层附近，悬浮体同样出现跃层，35m以深水域中、粗粉砂粒级的悬浮体含量明显增加。
4.2 不同深度水体中悬浮体粒级差异图 9显示了夏冬两季不同水深悬浮体主要粒级含量。夏季，温跃层以浅即≤10m的水体中，悬浮体粒级表现出两个峰值，即5.11μm和44μm，其中后者为主，可能是与生物活动有关; 而在水深大约20m的中下层水体，以细粉砂粒级(3.67—16.3μm)的悬浮体为主。冬季，总体趋势是各个粒级的悬浮体浓度含量随着深度而增加，而在整个水体中极细砂粒级(63.14—122.42μm)的悬浮体含量较多。
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| 图 9 03断面夏(a)、冬季(b)不同水深各粒级含量变化图 Fig. 9 Variation in the content of each grain size at different depth along transect 03 in summer(a)and winter(b) |
本文通过对四季节南黄海中部35°N断面11个站位的温度、盐度、悬浮体浓度垂直分布特征进行研究，得到以下结论:
(1)潮流是控制南黄海悬浮体分布的重要动力因素，南黄海中部断面秋季大潮期悬浮体浓度为0—11.6mg/L，冬季小潮期悬浮体浓度为0.2— 3.2mg/L，而春季悬浮体浓度为0.2—3.8mg/L; 受强台风影响，夏季悬浮体浓度达到26.5mg/L，明显高于其他季节。
(2)春、夏、秋季冷水团的西边界、秋季黄海西部沿岸流以及各季节海槽处为悬浮体高浓度区。南黄海中部122.5°—124.5°E海域20m以浅水体，四季节悬浮体浓度始终小于1mg/L，即使在受台风影响的夏季，高浓度悬浮体亦未突破温跃层限制。
(3)夏季，细粉砂、中粉砂粒级等较细颗粒的悬浮体占主导地位，黄海冷水团西边界锋面处为粉砂为主的高悬浮浓度区，与南黄海中部泥质区西侧厚沉积带对应，温跃层以浅悬浮体以粗粉砂粒级为主，温跃层以深以细粉砂粒级为主; 冬季，黄海西部沿岸流区域悬浮体以极细砂粒级为主，黄海暖流区域各个粒级悬浮体浓度都比较高，以粉砂以及更大粒级为主，整个断面中各个粒级的悬浮体浓度含量随着深度而增加，较粗颗粒的悬浮体含量较多。