海洋锋作用下环山东半岛海域悬沙浓度多时间尺度变化.pdf

第41卷第3期2023年6月Vol.41 No.3Jun.2023沉 积 学 报ACTA SEDIMENTOLOGICA SINICA海洋锋作用下环山东半岛海域悬沙浓度多时间尺度变化韩岩松1，张璐1，乔璐璐1，2，仲毅1，缪红兵11.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东青岛 2661002.海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东青岛 266100摘 要 山东半岛附近海域是渤海高浓度泥沙向黄海输运的重要通道，且发育大型楔状泥质沉积体，研究水体中悬浮泥沙的输运特征和影响因素，对渤黄海物质交换、泥质沉积区发育机制研究具有重要意义。基于20112020年的MURSST海表温度数据和GOCI卫星影像反演的表层悬沙浓度数据，获得山东半岛附近海域海表温度及其温度锋面、海表悬沙浓度的时空变化特征，并初步分析了温度锋面、风等因素对悬沙输运的影响。研究结果显示：山东半岛附近海域温度锋面和悬沙浓度总体表现为“冬强夏弱”的季节变化特征，且温度锋面与悬沙浓度高值区边界分布一致；从年际变化来看，20122020年逐年1月温度锋面的东西向摆动和近岸高浓度悬沙向海扩散距离都与冬季风的强弱相关，总体呈现水体温度上升、悬沙浓度降低的趋势。关键词 环山东半岛海域；温度锋面；悬浮泥沙；多年变化第一作者简介 韩岩松，男，1998年出生，本科，地球信息科学与技术，E-mail:通信作者 乔璐璐，女，教授，E-mail:中图分类号 P736.21 文献标志码 A0 引言 悬浮泥沙的输运扩散是陆海相互作用的重要内容1，陆源输入和海洋动力共同作用下海洋沉积物的侵蚀、搬运和堆积过程是国内外学者关注的重要科学问题。环山东半岛海域是渤海与北黄海、北黄海与南黄海的过渡区域，是现代黄河物质向外海扩散的重要通道，同时发育全新世大型楔状泥质沉积体23。研究该海域悬浮泥沙的输运特征和影响因素，可以为渤黄海物质交换、泥质沉积体发育机制提供科学依据。同时，山东半岛附近海域建有大规模海洋牧场，是支撑海洋经济发展的重要战场，悬浮泥沙浓度影响了水体浊度和透光度4，是影响海洋生态环境的重要因子。因此，研究悬浮泥沙的变化对山东半岛海洋经济发展也有重要意义。前人对山东半岛附近海域的悬沙浓度分布、悬沙锋面和温度锋面做了大量研究。鲍献文等5利用冬、夏季北黄海调查海域的浊度资料通过线性拟合得到悬浮体的大面分布，认为风场的不同导致水体悬浮物分布特征和输运机制有明显的季节性差异。余佳6利用MODIS月平均数据反演了黄海的悬浮泥沙浓度，并认为悬浮泥沙的输运具有显著的季节变化特征，冬季风浪及沿岸流的强盛，使山东半岛北岸和成山头附近海域存在悬浮泥沙浓度高值区。刘传玉7对中国东部近海温度锋面的分布特征和变化规律开展研究，分析了山东半岛温度锋的形态、演变和成因。杨扬等8使用SeaWiFS卫星数据，反演出黄东海表层悬沙浓度并使用Sobel算法获取悬沙锋面，认为黄东海悬沙次级锋面的季节变化是水动力条件季节变化的作用结果，其中风浪的掀沙作用和冬夏季显著不同的环流结构是主要控制因子。王勇智等911通过潮流观测和悬浮体通量计算，表明部分悬浮体可跨越沿岸流与黄海暖流形成的海流切变锋进行跨锋面输送，同时认为夏季黄海冷水团或冬季黄海暖收稿日期：20210604；修回日期：20210825；录用日期：20211018；网络出版日期：20211018基金项目：国家自然科学基金项目（42076179，40906025）；山东省重点研发计划（2019GHY112057）；政府间国际科技创新合作重点专项（2017YF E0133500）Foundation：National Natural Science Foundation of China,No.42076179,40906025;Key Research and Development Plan of Shandong Province,No.2019GHY112057;Key Intergovernmental Projects for International Science and Technology Innovation Cooperation,No.2017YF E0133500DOI:10.14027/j.issn.10000550.2021.118文章编号：10000550（2023）03077813第3期韩岩松等：海洋锋作用下环山东半岛海域悬沙浓度多时间尺度变化流都对再悬浮沉积物有“水障”作用，并分别对其输运机制做出分析，认为山东半岛东侧外海两道强海流切变锋控制了楔型泥质区底积层上大量再悬浮体沉积物的分布，有利于泥质沉积体的发育。陈标等12系统总结了中国近海27条典型海洋锋的时空分布特征，并按照锋面系统的分布特征对中国海区进行分区，分析各分区内海洋锋特征参数。藏政晨等13认为锋面的空间分布和季节性变化对黄海悬浮沉积物的输运有重要的控制作用，悬浮沉积物集中在温度锋面的向岸一侧，难以跨越锋面输运，锋面对悬浮沉积物产生捕集效应。前人的研究集中于山东半岛附近海域悬沙浓度水平分布的季节变化特征，而对其在以温度锋为主要表现形式海洋锋面控制下的时空格局，尤其是年际变化研究较少。本文基于近十年海表温度和悬沙浓度数据，开展月、季节和年际不同时间尺度下，温度锋面和悬沙浓度时空变化及两者关系的研究，并进一步探讨冬季风的作用。1 资料与方法 1.1数据来源本文使用的海表温度遥感数据MURSST（Multi-scale Ultra-high Resolution Sea Surface Temperature）来源 于 https:/coastwatch.pfeg.noaa.gov/erddap/files/jplMURSST41/网站，空间分辨率为0.01，时间分辨率为 1 天。使用的数据时间长度为 2011 年 1 月至2020年12月。悬沙遥感数据来源于韩国海洋卫星中心（http:/kosc.kiost.ac.kr/index.nm）GOCI（Geostationary Ocean Color Image），空间分辨率为500 m。GOCI提供每天从上午8点到下午3点（北京时间）共8个时刻的观测数据，时间间隔1 h。使用的数据覆盖的时间段是2011年4月至2021年3月。GOCI共有8个波段，用于此次悬沙浓度反演的是 490、555 和 660 三个波段。笔者还收集了88个站位的实测悬沙浓度数据，用于建立悬沙反演模型。实测悬沙数据站位分布于山东半岛附近海域，数据观测时间分别在2011、2012和20172020年。在调查站位利用CTD对标准层海水取样，使用孔径0.045 m的醋酸纤维膜过滤定量体积的海水并烘干称重，获得单位体积海水的悬浮颗粒物质量。本文所用到的风数据来源于 https:/hycom.org/dataserver/ncep-cfsr 网 站 的 CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）。该数据提供海面10 m高度的风场数据，时间分辨率是1 h，空间分辨率是0.2。1.2数据处理（1）悬沙浓度的反演首先将GOCI的L1级遥感数据经过大气校正等处理后，批量处理成L2级遥感反射率（Rrs）。基于收集的88个实测表层悬沙浓度数据，使用其中的44个建 立 由 遥 感 反 射 率 反 演 表 层 悬 沙 浓 度（SSC，Suspended Sediment Concentration）的算法公式：log(SSC)=29.17 (Rrs555+Rrs660)-2.06 Rrs490Rrs555+1.477（1）式中：Rrs555、Rrs660、Rrs490分别为555、660和490三个波段的遥感反射率。再使用另外44个实测数据验证公式的准确性，经验证，该公式反演获得的表层悬沙浓度与实测值的拟合系数R2达到0.78，均方根误差（RMSE）为0.32 mg/L。对每小时遥感数据进行月平均，基于公式（1）可反演获得各月平均的表层悬沙浓度，继而对十年各月数据分别平均，得到多年平均的112月各月海表悬沙浓度，再分季节平均得到四个季节的季节平均浓度。为定量研究海表温度和悬沙浓度的年际变化，还对研究区（图1b）范围内的海表温度和悬沙浓度做了区域平均。（2）锋面强度提取方法海表温度锋是指海表温度明显不同的两种或几种水体之间的狭长过渡带14，是海表温度的跃变带。本文使用梯度法提取海表温度锋面，取温度矩阵数据每个点的x，y方向梯度，温度梯度值GM由公式（2）计算15。GM=(SSTx)2+(SSTy)2（2）式中：SST为该像元上的海表温度值。目前关于温度锋的判别标准尚未统一，万邦君等16对东海东北部的温度梯度取值为0.1/n mile，刘传玉7对黄海暖流锋的判别标准为3/100 km，在不同的研究海域和不同的季节，划分标准有所不同。本文主要研究多时间尺度下温度锋面的变化，为了避免弱温度梯度对研究过程的干扰，在月变化和季节变化分析中仅绘制了强度大于0.1/km的温度锋779第41卷沉 积 学 报面，而由于冬季锋面较强，在研究多年1月温度锋面变化时，仅绘制强度大于0.12/km的温度锋面。2 海表温度水平分布和温度锋的时空变化 基于前人研究，海流切变锋表现为锋面两侧海流流向相反。在悬沙浓度值最高的冬季，山东半岛东端外海的北向逆风补偿流与南向风海流形成了两道强海流切变锋11。通过对比数值模拟的37 N断面海流南北向流速分量17与近十年平均表层温度分布（图2），可以明显看到该断面冬季126.7 E和123.2 E附近存在海流切变锋，北向的逆风补偿流表现为高温性质，而南向风海流表现为低温性质，因此海流切变锋也表现出强温度梯度特征，位置与温度锋面一致。而春、秋季由于南向风海流较弱、流幅窄，海流切变锋强度弱且位置向西摆动，温度梯度也较小，所以温度锋也较弱。夏季研究海域尽管也有海流反向特征，但悬沙浓度极低，在悬沙输运过程中贡献也小。总体来看，在悬沙浓度高、输运通量大的冬季，海流切变锋与温度锋面位置对应良好，考虑到不同时间尺度，尤其是长时间尺度的海流数据不易获得，本文将基于海表温度指示海洋锋面的位置，用温度梯度指示锋面的强度，研究海洋锋面与悬沙分布的关系，并重点关注冬季过程。2.1月变化山东半岛附近海域海表温度分布有明显的时间和空间变化特征。从时间上看，研究区海域8月水温最高，然后开始降低，直到翌年2月水温最低。从空间上看，研究区海域的海表温度等值线呈沿等深线环绕山东半岛分布特征，尤其是11月至翌年3月沿岸冷水在偏北风作用下从莱州湾向山东半岛东部扩展，整个海域表层温度具有“近岸低，远岸高”的特征，5月起，莱州湾由于水深较浅对海表热通量升高反应迅速，因此相较于山东半岛其他海域表现为高温特征。海表温度锋面月变化特征如下（图3）：1月份海表温度锋面最强，可达0.2/km，可能与1月海表热损失多近岸冷却快，且强劲北风下渤海冷水向黄海输运通量大有关；2月开始温度锋面强度逐月减弱，至9月温度锋面最弱。空间分布上，近岸冷水使得1月温度锋面可环绕山东半岛北部、东部、南部连续分布，形状似一个反“C”型，其中山东半岛东南段的锋面最强。12月和2月温度锋面虽与1月形态基本一致，但是东北段锋面明显变弱，这一现象将在第4部分展开讨论。3月强锋面只存在于山东半岛东侧。46月山东半岛北部出现局部的强度较弱的温度锋面。79月温度锋面只存在于山东半岛北部沿岸区域。10月开始，山东半岛东南海岸出现较强温度锋面，11月山东半岛东南部温度锋面继续加强，到12月山东半岛北部和东部近岸海域的温度锋面明显增强，但是空间分布不连续。图 1研究区站位和水深图（红色线段示意为 37 N 剖面）Fig.1Observation stations and water depth in the study area(red line indicates a section at 37 N)780第3期韩岩松等：海洋锋作用下环山东半岛海域悬沙浓度多时间尺度变化锋面的各月强度变化特征与表层温度的月变化显著相关，1月海面失热多，偏北风