2013年夏秋季黃、渤海懸浮顆粒物粒徑分布特征

吳 昊 , 丘仲鋒, , 張艷萍 孫德勇, , 王勝強,

(1. 南京信息工程大學 電子信息工程學院, 江蘇 南京 210044; 2. 南京信息工程大學 海洋科學學院, 江蘇南京 210044; 3. 江蘇省海洋環境探測工程技術研究中心, 江蘇 南京 210044)

水體中的懸浮顆粒物包括有機顆粒物和無機顆粒物[1-2], 無機顆粒物中的大顆粒泥沙易沉降并淤積,對航道、海岸工程造成影響, 而有機顆粒物中的懸浮藻類漂浮于水中, 直接影響光束穿透[3], 進而影響海洋的初級生產力。因此, 監測懸浮顆粒物、研究其粒徑的時空變化特征是非常必要的。

國外學者在懸浮顆粒粒徑分布的監測和反演方面已經開展了大量的研究。Winterwerp[4]提出了細顆粒的絮凝、沉降和再懸浮等動力過程與顆粒粒徑的大小有直接關系; Bowers等[5]基于前人的工作,利用單位散射系數與懸浮顆粒粒徑之間的關系, 建立了顆粒物中值粒徑的遙感反演模型; Lee等[6]基于Bowers等[5]的方法, 利用MODIS月平均數據產品, 分析研究愛爾蘭海懸浮顆粒濃度、粒徑及其動力特征的時空變化。

國內學者已經開展了一些關于懸浮顆粒粒徑時空分布的研究, 主要是基于現場觀測資料。張志忠[7]對長江口河段 1976～1982年不同季節與潮型時的懸浮泥沙進行了粒度分析, 并計算了國內外河口懸沙的平均中值粒徑, 發現細顆粒泥沙占優; 李伯根等[8]基于實測的懸沙粒徑觀測資料, 分析研究椒江河口最大渾濁帶懸沙粒徑分布的區域變化; 王愛軍等[9]分析研究 2003和 2004年枯季在長江口測量的懸沙濃度和粒度數據, 發現2003年11月小潮期間和2004年 2月大潮期間, 中值粒徑(D50)與懸沙濃度之間存在顯著的指數關系; 虞蘭蘭等[10]分析了黃、東海懸浮物的LISST-100(Laser In-Site Scattering and Transmissometry)觀測數據, 研究了黃、東海的懸浮物粒徑和體積濃度分布情況, 并從動力學角度對其進行解釋; 沈芳等[11]以長江口和黃河口的懸浮泥沙顆粒物作為研究對象, 基于實測數據集和Mie散射理論, 分析了懸浮物粒徑與后向散射系數、遙感反射率的定量關系, 其研究結果可為河口二類水體懸浮物遙感建模及懸沙粒徑在遙感模型中的參數化提供依據。

上述研究對懸浮顆粒物粒徑的性質進行了初步介紹, 但對于整個黃、渤海不同季節懸浮顆粒物粒徑的分布特征以及懸浮顆粒物粒徑與水體光學參數的關系, 尚缺乏深入了解[12]。本文針對這個問題, 利用兩個航次的觀測數據, 分析了黃、渤海懸浮顆粒物粒徑夏季和秋季分布特征。

1 數據與方法

1.1 觀測站位

用LISST-100現場激光粒度儀分別于2013年6月和2013年11月兩個航次對黃、渤海區域16個斷面進行了懸浮物濃度和粒徑的測量, 其中黃海 11個,渤海5個。夏季共測量了86個站, 秋季共測量了88個站, 其中秋季測量了2個連續站(圖1)。

圖1 航次調查站位圖Fig.1 Voyage survey stations

1.2 觀測儀器及方法

本實驗所使用的觀測儀器為LISST-100C現場激光粒度儀。它的原理是激光的衍射, 光線照射到粒子上以后衍射光線繞過粒子, 通過一個凸透鏡聚焦到一個由32個圓環構成的光敏二極管檢測器上, 根據每個探測環上接收到的能量換算出該尺寸粒子的濃度, 32級粒子的濃度總和就是懸浮物的總濃度。LISST-100運用Mie散射理論, 可以區分32個呈對數分布的粒級, 測量范圍為 2.5～500 μm, 并可給出每個粒級的體積濃度。

觀測船每到一個站位, 使用 LISST-100專用軟件激活儀器, 打開觸發式開關, 將LISST-100儀器下放, 儀器每一秒鐘測量一次。下放過程中需先在表層短暫停留一段時間進行溫鹽校正, 然后緩慢下放至底層, 最后上提儀器直至出水面, 關閉開關。獲取原始數據(.DATE)后, 利用 LISST-100專用軟件去除用純凈水對儀器進行矯正的背景噪聲(.asc), 將原始數據處理為粒徑分布數據(.psd), 最后將它轉換為二進制(.asc), 導入excel表格內(42列)。本文所使用的數據為第42列的衰減系數以及前32列不同粒徑粒子的體積濃度, 將前32列數據求和即得到懸浮物總的體積濃度。將該32列數據從較小粒徑對應的體積濃度值開始相加, 當所加的和等于總的體積濃度值的一半時停止, 此時所對應的粒徑即為中值粒徑D50。根據第37列水深數據選取水面以下1 m作為表層數據, 儀器下放的最大水深為底層數據(一般距離水底3 m左右)。在此將顆粒物近似為球體, 則尺寸間隔為D±0.5?D,D表示對應的粒徑大小, ?D表示每個粒級的尺寸范圍, 32個不同粒級的體積濃度V見公式(1),N表示每單位尺寸、單位體積濃度內的粒子個數(個/(m3·μm)), 單位體積內所含粒子個數為

2 結果與討論

2.1 黃、渤海懸浮物整體分布

2.1.1 懸浮物濃度分布

夏季表層體積濃度(圖 2a)在渤海區域的值為10～30 μL/L, 北黃海區域的值為 5～10 μL/L, 南黃海區域的值為 10～50 μL/L; 夏季底層體積濃度(圖 2b)在渤海區域的值為80～200 μL/L, 北黃海區域的值為8～20 μL/L, 南黃海區域的值為 40～300 μL/L。秋季表層體積濃度(圖 2c)在渤海區域的值為 40～60 μL/L,北黃海區域的值為 8～20 μL/L, 南黃海區域的值為20～200 μL/L; 秋季底層體積濃度(圖 2d)在渤海區域的值為40～100 μL/L, 北黃海區域的值約為30 μL/L,南黃海區域的值為40～250 μL/L; 長江口、黃河口以及魯蘇沿岸夏秋兩季均維持較高的濃度值, 海區近岸濃度明顯高于遠岸, 渤海海峽在夏季表層濃度值較高, 可達到 150 μL, 南黃海 D斷面附近區域夏秋兩季均出現濃度高值區。

綜上, 海區濃度分布基本為秋季比夏季高(渤海海峽表層和近濟州島底層例外), 近岸濃度高, 遠岸濃度低; 渤海海域的濃度明顯高于黃海遠岸海域的濃度; 近底層的懸浮物濃度比上層高[13]。

2.1.2 懸浮物粒徑分布

夏季表層粒徑(圖 3a)在渤海區域的值為 150～250 μm, 北黃海區域的值為 150～300 μm, 南黃海區域的值為 250～300 μm; 夏季底層粒徑(圖 3b)在渤海區域的值為80～150 μm, 北黃海區域的值為80～200 μm,南黃海區域的值為50～100 μm。秋季表層粒徑(圖3c)在渤海區域的值為 40～150 μm, 北黃海區域的值為100～250 μm, 南黃海區域的值為40～200 μm; 秋季底層粒徑(圖 3d)在渤海區域的值為 40～60 μm, 北黃海區域的值約為 60～200 μm, 南黃海區域的值為 40～200 μm; 黃海近岸粒徑值明顯小于遠岸。

圖2 黃、渤海懸浮物濃度分布圖Fig.2 Yellow and Bohai suspension concentration distribution

圖3 黃、渤海懸浮物中值粒徑分布圖Fig.3 Yellow and Bohai suspension median particle size distribution

綜上, 粒徑分布特征可概括為表層近岸細, 遠岸粗; 夏季上層粒徑比下層大, 并且比秋季大; 秋、夏兩季表層粒徑均大于底層粒徑, 這與青松[14]的研究成果一致。

2.2 斷面分布

為了更好地研究黃、渤海區域濃度及粒徑隨著水深的變化趨勢, 在此選取了渤海(P)、北黃海(H)和南黃海(D)3個典型斷面進行分析, 如圖1所示。

2.2.1 濃度分布

斷面P夏季濃度(圖4a, 圖中底層表示儀器測量的最大水深)分布變化不大, 分布區間為4～16 μL/L。秋季濃度(圖 4b)高于夏季, 近岸濃度(30～40 μL/L)高于遠岸(10～15 μL/L), 且分布比較均勻; 斷面H夏季濃度(圖 4c)分布層化現象明顯, 近岸底層濃度偏高(20～30 μL/L), 遠岸底層濃度較小(2～4 μL/L)。秋季濃度(圖 4d)分布相對均勻, 近岸濃度(20～60 μL/L)高于遠岸(2～10 μL/L), 底層濃度略高于表層; 斷面 D 夏季濃度(圖 4e)整體偏高, 底層濃度較高(100～250 μL/L),表層相對較低(10～30 μL/L), 分布層化現象明顯。秋季濃度(圖4f)分布比較均勻, 上下層海水混合的較好, 近岸濃度偏高(50～180 μL/L), 遠岸濃度較低(5～20 μL/L)。

3個斷面懸浮物濃度分布呈現顯著的時空差異,在空間上表現為遠岸低、近岸高, 表層低、底層高;在時間上則是秋季濃度比夏季高(斷面 D底層例外),且分布比較均勻, 夏季層化現象比較明顯。

圖4 斷面濃度分布圖Fig.4 Sectional concentration distribution

近岸水深較淺, 受風、波浪和流影響, 水體底層動力比較活躍, 易造成底質的再懸浮, 使得近岸濃度高于遠岸、近岸近底層濃度高于表層; 當水深較大時, 風和波浪對水體底層動力的影響變小, 底質受到擾動產生再懸浮的現象減弱, 濃度相應變低(例如H斷面夏季)。夏季表層 P、H斷面存在濃度高值區漂浮在水體中上層的現象, 跟浮游植物的漂浮區域及水深有一定的關系。

秋季濃度比夏季高, 可能是由于風導致而成。特例斷面D底層與本文3.1.1節中近濟州島底層的特例情況相符合。秋季風變大, 由于風的驅動, 加上溫度降低導致表層水體密度變大而下沉, 使得上下層水體混合比較均勻; 夏季則由于有躍層的存在, 表、底層水體交換不暢, 所以夏季垂向分布不均, 層化現象較明顯(例如P斷面)。

2.2.2 粒徑分布

斷面P夏季(圖5a)粒徑分布比較均勻, 近岸底層粒徑較小(30 μm), 遠岸表層粒徑較大(300 μm)。秋季(圖 5b)粒徑分布分層明顯, 近岸粒徑較小(50 μm),遠岸表層(140～200 μm)粒徑大于底層(50 μm), 夏季粒徑大于秋季粒徑; 斷面H夏(圖5c)、秋(圖5d)兩季粒徑分布均為近岸粒徑較小, 遠岸表層粒徑大于底層粒徑, 夏秋兩季粒徑無明顯的大小變化; 斷面 D夏季(圖 5e)粒徑分布為近岸粒徑較小, 遠岸表層粒徑大于底層粒徑。秋季(圖5f)粒徑分布為近岸粒徑較小(20 μm), 遠岸底層(20 μm)粒徑小于表層(200 μm),夏季粒徑大于秋季粒徑。

3個斷面懸浮物粒徑的空間分布呈現近岸粒徑小、遠岸大的特點。時間上與懸浮物濃度類似, 秋季粒徑垂向分布更加均勻, 夏季則主要是層化分布。此外, 從圖5可以看出, 夏季上層粒徑比下層大, 也比秋季粒徑大, 與虞蘭蘭[10]2011年研究成果一致。

由于近岸水深較淺, 較活躍的底層動力導致底質再懸浮作用顯著, 而再懸浮物質中小粒徑占優[15], 因此使得近岸懸浮物粒徑比遠岸小(例如D斷面夏季)。

圖5 斷面中值粒徑D50分布圖Fig.5 Median particle size distribution of the section

2.3 連續站

秋季航次在渤海海峽和鴨綠江兩處設置了兩個連續站, 分別是HX和YLJ(圖1), 水深分別為22 m和47 m, 期間恰逢大風, 起風前風速范圍是5～8 m/s,而連續站期間的風速達到12～18 m/s。

HX站表、底層中值粒徑(圖6b)在起風前夕分別為78 μm和122 μm, 起風后粒徑均變小; YLJ站表、底層體積濃度(圖6c)起風前夕分別為6 μL/L和4 μL/L,起風后體積濃度均明顯增加。由此可推斷: 在一定的水深范圍內, 大風可導致底層細小顆粒物再懸浮,從而改變懸浮物的空間分布格局。這與崔廷偉等[16]研究結果相一致, 即大風在短期時間內(1～3 d)可改變懸浮物的空間分布格局, 尤其是底層。

從圖6還可以看出, YLJ站的粒徑及體積濃度均出現約 12 h的周期變化特征, 考慮到研究區域的潮型屬于半日潮, 可以得出潮流對懸浮物的時空分布有著重要影響, 特別在近岸潮流作用顯著的區域。

圖6 連續站HX(a, b)和連續站YLJ(c, d)的數據Fig.6 Data from continuous station HX (a, b)and YLJ (c, d)

2.4 衰減系數

衰減系數是衡量水體光場的重要參數, 對于了解水下光場變化具有重要作用, 與水體懸浮物性質密切相關。本文使用的LISST-100傳感器感應的為670 nm波長處的能量[17], 因此所測衰減系數為Cp(670)。

圖7給出了衰減系數與體積濃度Vc及中值粒徑的關系(以秋季航次D2站點為例), 從中可以看出,Vc和Cp(670)具有很好的一致性, 而D50與Cp(670)相關性較差, 說明衰減系數與體積濃度密切相關, 受粒徑影響較小。此外, 我們取秋季航次88個站位的表層Vc和Cp(670)進行擬合(圖8), 從中也可以看出,Vc和Cp(670)具有顯著的正相關性。

2.5 粒徑的尺度分布

粒徑的尺度分布(PSD)在海洋生態系統研究中被廣泛提及, 目前已有一些數學模型用來描述 PSD,包括Junge分布, 高斯分布、對數正態分布和伽瑪函數等[18-20]。相比其它模型, Junge分布能夠更加直接推導出PSD的相關特性[21]。其表達式為

其中,N表示每單位尺寸、單位體積濃度內的粒子個數(個/(m3·μm)),D0為參考粒徑(μm),N0表示D0處的N,j為粒徑分布的斜率(也稱為Junge指數)。

本文根據實測粒徑資料, 計算了Junge指數, 以H2站為例(圖9), 從中可以看出, 采用Junge分布可以很好擬合PSD。從Junge指數在黃、渤海的分布(圖10)可以看出, 表層j值的大小分布區間為 3.5～5, 底層j值的大小分布區間為 3～4.5, 其中, 渤海和黃海近岸j的取值偏大, 北黃海及南黃海遠岸j的取值則相對較小。

圖7 秋季站位B2衰減系數與變量的關系圖Fig.7 Autumn station B2 attenuation coefficient and variable

3 結論

圖8 秋季88個站位表層衰減系數與體積濃度的關系圖Fig.8 Autumn 88-station attenuation coefficient and surface volume concentration diagram

圖9 粒徑分布的Junge分布圖(H2站位)Fig.9 Junge distribution of particle sizes (H2 station)

本文研究了黃、渤海區域懸浮物粒徑和濃度的整體分布情況, 還分析了渤海、北黃海和南黃海3個典型斷面的懸浮物粒徑和濃度隨著水深的變化趨勢;根據連續站數據分析大風對底層顆粒物的再懸浮作用以及潮流對懸浮物時空分布的影響; 研究了衰減系數與體積濃度及中值粒徑之間的關系; 探討了Junge分布在黃、渤海區域的適用性。得出以下結論:

1) 黃、渤海懸浮物濃度分布特征基本為秋季比夏季高(少數區域例外), 近岸濃度高, 遠岸濃度低;近底層的懸浮物濃度比上層濃度高。粒徑分布特征為表層近岸細, 遠岸粗; 夏季上層粒徑比下層大, 并且比秋季大; 秋、夏兩季表層粒徑均大于底層粒徑。

2) 典型斷面濃度分布為: 空間上, 近岸高于遠岸, 底層高于表層; 時間上, 秋季濃度比夏季高, 分布比較均勻; 夏季層化現象比較明顯。粒徑分布為近岸粒徑小、遠岸大; 時間上, 秋季粒徑垂向分布更加均勻, 夏季則主要是層化分布。并且夏季上層粒徑比下層大, 也比秋季粒徑大。

3) 大風導致底層細小顆粒物再懸浮, 對底層體積濃度和粒徑的變化效果明顯; 潮流對懸浮物的時空分布有著重要影響, 特別在近岸潮流作用顯著的區域。

圖10 黃、渤海Junge指數j的分布圖Fig.10 Yellow, BohaiJunge distribution index of j

4) 衰減系數與體積濃度具有顯著的正相關性。

5) 黃、渤海區域的粒徑分布符合 Junge分布,Junge指數j與體積濃度和中值粒徑之間存在著一定的相關性。這需要以后利用更多有效的實測數據進行驗證分析。

致謝: 感謝中科院海洋所、中國海洋大學等單位同仁辛苦的數據采集工作。

[1]Babin M, Morel A, Fournier-Sicre V, et al. Light scattering properties of marine particles in coastal and open ocean waters as related to the particle mass concentration[J]. Limnology and Oceanography, 2003, 48(2):843-859.

[2]Alpine A E, Cloern J E. Phytoplankton growth rates in a light-limited environment, San Francisco Bay[J]. Marine ecology progress series. Oldendorf, 1988, 44(2):167-173.

[3]楊生光, 張坤誠. 海洋“生物學-光學狀態”[J]. 海洋科學, 1984, (4): 44-47.

[4]Winterwerp J C. On the flocculation and settling velocity of estuarine mud[J]. Continental Shelf Research,2002, 22(9): 1339-1360.

[5]Bowers D G, Binding C E, Ellis K M, et al. Satellite remote sensing of the geographical distribution of suspended particle size in an energetic shelf sea[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2007, 27: 457-466.

[6]Lee E M, Bowers D G, Kyte E, et al. Remote sensing of temporal and spatial patterns of suspended particle size in the Irish Sea in relation to the Kolmogorov microscale[J].Continental Shelf Research, 2009, 29:1213-1225.

[7]張志忠. 長江口細顆粒泥沙基本特性研究[J]. 泥沙研究, 1996, (1): 67-73.

[8]李伯根, 謝欽春, 夏小明, 等. 椒江河口最大渾濁帶懸沙粒徑分布及其對潮動力的響應[J]. 泥沙研究,1999, (1): 18-26.

[9]王愛軍, 汪亞平, 高抒, 等.長江口枯季懸沙粒度與濃度之間的關系[J]. 海洋科學進展, 2005, 23(2):159-167.

[10]虞蘭蘭, 江文勝. 黃, 東海懸浮細顆粒物濃度和粒徑分布變化研究[J]. 海洋與湖沼, 2011, 42(4): 474-481.

[11]沈芳, 周云軒, 李九發, 等. 河口懸沙粒徑對遙感反射率影響的理論分析與實驗觀測[J]. 紅外與毫米波學報, 2009, 28(3): 168-172.

[12]王芳, 李國勝. 海洋懸浮泥沙二元特征參數 MODIS遙感反演模型研究[J]. 地理研究, 2007, 26(6): 1186-1196.

[13]Dong L X, Guan W B, Chen Q, et al. Sediment transport in the Yellow Sea and East China Sea[J]. Estuarine,Coastal and Shelf Science, 2011, 93(3): 248-258.

[14]青松. 渤海鹽度和懸浮顆粒粒徑的遙感反演及應用研究[D]. 青島: 中國海洋大學, 2011.

[15]雷坤, 楊作升, 郭志剛, 等. 東海陸架北部泥質區懸浮體的絮凝沉積作用[J]. 海洋與湖沼, 2001, 32(3):288-295.

[16]崔廷偉, 張杰, 馬毅, 等. 渤海懸浮物分布的遙感研究[J]. 海洋學報, 2009, 31(5): 10-18.

[17]Astoreca R, Doxaran D. Influence of suspended partical concentration, composition and size on the variability of inherent optical properties of the Southern North Sea[J]. Continental Shelf Research, 2012, 35: 117-128.

[18]Bader H. The hyperbolic distribution of particle sizes [J].J Geophys Res, 1970, 75: 2822-2830.

[19]Jonasz M. Particle size distribution in the Baltic [J].Tellus B, 1983, 35: 346-358.

[20]Risovic D. Two-component model of sea particle size distribution[J]. Deep-Sea Res, 1993, 40: 1459-1473.

[21]Reynolds R A, Stramski D, Wright V M, et al. Measurements and characterization of particle size distributions in coastal waters[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans (1978–2012), 2010, 115: C08024.