基于遙感反演的山東半島東北部海域懸浮體時(shí)空變化規(guī)律探討*

劉 燾 朱龍海, 2 胡日軍, 2 尹硯軍 冷 星

基于遙感反演的山東半島東北部海域懸浮體時(shí)空變化規(guī)律探討*

劉 燾1朱龍海1, 2①胡日軍1, 2尹硯軍1冷 星1

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院 青島 266100;2. 中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266100)

基于2003—2018年中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)衛(wèi)星遙感影像資料, 結(jié)合2018年春季、夏季和冬季大面站懸浮體取樣分析結(jié)果, 構(gòu)建了表層懸浮體濃度遙感反演模型; 在此基礎(chǔ)上, 分析了山東半島東北部海域年際和月份表層懸浮體濃度時(shí)空分布規(guī)律, 探討了表層懸浮體濃度變化的主控因素和水體結(jié)構(gòu)季節(jié)變化及其對(duì)懸浮體分布輸運(yùn)的影響。結(jié)果表明: 山東半島東北部海域表層懸浮體總體呈近岸高遠(yuǎn)岸低的分布特征, 東部成山頭區(qū)域懸浮體濃度較高且向海擴(kuò)散較遠(yuǎn), 西部威海灣及外側(cè)海域懸浮體濃度較低且擴(kuò)散范圍小于東部。研究區(qū)懸浮體濃度季節(jié)性變化顯著但對(duì)應(yīng)季節(jié)年度變化較小, 冬季懸浮體濃度達(dá)到最大, 春秋季次之, 夏季最低。研究區(qū)春季、秋季和冬季表層懸浮體濃度主要受控于北向風(fēng)浪和潮流, 而夏季懸浮體濃度主要受潮流控制。夏季, 溫躍層阻礙了懸浮體垂向擴(kuò)散, 導(dǎo)致表層懸浮體濃度極低; 冬季, 研究區(qū)東部成山頭附近水平分布的弱溫躍層雖然會(huì)在一定程度上抑制懸浮體的再懸浮, 但再懸浮擴(kuò)散仍是造成研究區(qū)高懸浮體濃度的主要因素。山東半島東北部存在類似“夏儲(chǔ)冬輸”的特征, 海底沉積物再懸浮物質(zhì)及成山頭附近懸浮體的水平擴(kuò)散是研究區(qū)懸浮體的主要來(lái)源。

山東半島; 遙感反演; 懸浮體濃度; 時(shí)空變化

黃海是典型的半封閉淺海, 受大河與沿岸中小河流雙重影響, 一直以來(lái)都是研究陸源沉積物源匯過(guò)程以及沉積體系形成和演化規(guī)律的重要研究區(qū)域。中國(guó)東部陸架海沉積物具有“夏儲(chǔ)冬輸”的輸送格局: 冬季北風(fēng)強(qiáng)勁, 是陸架海泥沙輸送的盛行期; 夏季則以沉積為主。作為黃河物質(zhì)遠(yuǎn)端輸運(yùn)的重要通道, 山東半島北部沿岸和成山頭海域以高懸浮體濃度為顯著特征(秦蘊(yùn)珊等, 1989; 楊作升等, 1992; 鮑獻(xiàn)文等, 2010)。環(huán)山東半島存在一個(gè)最大厚度約40 m, 呈“Ω”狀的巨大泥楔(圖1a), 向外逐漸變薄, 最遠(yuǎn)可到80 m等深線處(Yang, 2007)。楊子賡(2004)認(rèn)為, 該泥區(qū)是魯北沿岸流將黃河及沿岸短源河流物質(zhì)搬運(yùn)到山東半島沿岸形成的。山東半島北部位于渤海和北黃海交界區(qū)域, 水動(dòng)力強(qiáng), 沉積物輸運(yùn)非常活躍, 是沉積物從渤海向南黃海輸運(yùn)的主要通道(Yang, 2007), 也是研究黃河物質(zhì)源匯輸運(yùn)過(guò)程的關(guān)鍵研究區(qū)。

懸浮體濃度是表征沿岸水體沉積動(dòng)力特征的重要參數(shù), 研究其空間分布規(guī)律和時(shí)間變化特征, 對(duì)了解近岸海域懸浮體擴(kuò)散及輸運(yùn)過(guò)程具有重要意義(徐寧等, 2004)。黃河流域-渤海-黃海是當(dāng)今世界研究大河流域陸源物質(zhì)從源到匯過(guò)程的典型區(qū)域, 吸引了眾多研究者的關(guān)注(Pang, 2003; 李廣雪等, 2004; Liu, 2007)。山東半島北岸作為黃河物質(zhì)向山東半島南部和南黃海中部泥區(qū)輸運(yùn)的中轉(zhuǎn)站, 同時(shí)也是黃河物質(zhì)向遼東半島東岸的主要物源供給區(qū)(石勇等, 2019), 是黃河物質(zhì)從源到匯輸運(yùn)鏈條的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此, 分析該地區(qū)懸沙濃度的時(shí)空分布和變化規(guī)律, 有助于從沉積動(dòng)力角度掌握泥沙動(dòng)態(tài)變化規(guī)律, 進(jìn)而從物源供給角度認(rèn)識(shí)整個(gè)北黃海泥質(zhì)區(qū)的形成和演化規(guī)律。

目前, 對(duì)近岸懸浮體的時(shí)空分布監(jiān)測(cè)主要手段包括: 現(xiàn)場(chǎng)抽濾、遙感反演及數(shù)值模擬等。通常懸浮體數(shù)據(jù)的獲取是用船采樣, 現(xiàn)場(chǎng)抽濾分析, 測(cè)試過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng), 且很難在時(shí)間和空間同步, 具有很大的局限性(孫效功等, 2000)。空間觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展, 使得水色遙感衛(wèi)星在大范圍、長(zhǎng)時(shí)間尺度的懸浮體濃度監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用(Choi, 2014), 為懸浮體濃度的時(shí)空變化規(guī)律的研究提供了方便(余佳等, 2014; 劉琳等, 2019)。中分辨率成像光譜儀(moderate resolution imaging spectroradiometer, MODIS)-Terra衛(wèi)星數(shù)據(jù)在海洋遙感反演中被廣泛應(yīng)用, 其遙感產(chǎn)品時(shí)間尺度長(zhǎng), 數(shù)據(jù)質(zhì)量較好, 而且處理手段成熟, 因此本文選擇MODIS-Terra衛(wèi)星數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)山東半島東北部海域進(jìn)行懸浮體反演。目前, 大多數(shù)研究學(xué)者對(duì)懸浮體濃度的遙感反演都集中于渤黃海、東海等大范圍區(qū)域, 對(duì)大尺度的懸浮體分布特征及輸運(yùn)格局進(jìn)行了研究分析。但針對(duì)諸如山東半島北岸這類區(qū)域相對(duì)較小, 但沉積動(dòng)力過(guò)程復(fù)雜的關(guān)鍵研究區(qū)的精細(xì)化研究仍鮮有報(bào)道(李廣雪等, 2004; 楊作升等, 2005)。而該項(xiàng)研究不但對(duì)于完善山東半島泥質(zhì)區(qū)沉積物輸運(yùn)機(jī)制具有重要意義, 也可為該區(qū)域的水質(zhì)環(huán)境及海洋工程維護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

基于以上認(rèn)識(shí), 本文基于MODIS遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù), 結(jié)合實(shí)測(cè)懸浮體數(shù)據(jù)建立山東半島東北部海域的懸浮體濃度遙感反演模型, 對(duì)山東半島東北部海域2003、2006、2009、2012、2015及2018年(當(dāng)年3月至次年2月)的表層懸浮體濃度進(jìn)行反演的基礎(chǔ)上, 研究該地區(qū)不同季節(jié)和年份之間懸浮體的空間分布規(guī)律, 探討表層懸浮體濃度變化的主控因素及研究區(qū)水體結(jié)構(gòu)季節(jié)變化及其對(duì)懸浮體分布和輸運(yùn)的影響。

圖1 黃海環(huán)流系統(tǒng)(a)及調(diào)查站位(b、c)示意圖

注: SDCC: 山東半島沿岸流; SLCC: 遼南沿岸流; YSWC: 黃海暖流; 泥質(zhì)體等深線改繪自Yang等(2007);環(huán)流改繪自蘇紀(jì)蘭等(2005)

1 研究區(qū)概況

山東半島東北部位于北黃海南部, 海岸線變化曲折, 最大水深42 m, 平均水深25 m。主要為正規(guī)半日潮, M2分潮是該海域的主導(dǎo)分潮, 成山頭海域?yàn)閺?qiáng)潮區(qū), 潮流流速可達(dá)到80 cm/s(蘇紀(jì)蘭等, 2005)。該海域冬季盛行西北風(fēng), 夏季則以東南風(fēng)為主; 在季風(fēng)及環(huán)流系統(tǒng)影響下, 研究區(qū)冬季平均波高約為夏季的兩倍, 春秋季介于之間, (趙保仁, 1985; 蘇紀(jì)蘭, 2001)。低溫低鹽的山東半島沿岸流沿山東半島北岸東流, 繞過(guò)成山角后, 流向轉(zhuǎn)向南, 大致沿著山東半島南岸向西南方向流動(dòng)(劉愛(ài)菊等, 1983); 高溫高鹽的黃海暖流自濟(jì)州島西南部海域, 沿黃海海槽西側(cè)向北進(jìn)入北黃海, 之后轉(zhuǎn)向西運(yùn)動(dòng)(Lin, 2011; Xu, 2009)(圖1a)。表層沉積物類型以砂質(zhì)粉砂和粉砂為主(Zhu, 2020)。

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源

搭載在Terra和Aqua兩顆衛(wèi)星上的MODIS是美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)(earth observation system, EOS)計(jì)劃中用于觀測(cè)全球生物和物理過(guò)程的重要儀器, 其第四波段(545—565 nm)反射率強(qiáng)度和懸浮體濃度具有較好的相關(guān)性, 能夠用于反演水體懸浮體(Wang, 2011)。在調(diào)查期間, 對(duì)應(yīng)地選取無(wú)云的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 建立反射率與懸浮體濃度的擬合關(guān)系。本文共選取了2003、2006、2009、2012、2015和2018年(3月至次年2月), 6個(gè)年度383景無(wú)云影像(圖2)。

中國(guó)海洋大學(xué)于2018年夏季(8月1—5日, 87個(gè)站位)、冬季(2018年12月22—25日, 87個(gè)站位; 2019年1月4—5日, 45個(gè)站位)和春季(4月20—28日, 57個(gè)站位)在山東半島東北部海域進(jìn)行了4個(gè)航次的大面站調(diào)查。各站位調(diào)查均同步搭載濁度計(jì)、溫鹽深儀(conductivity temperature depth, CTD), 進(jìn)行了表、中、底3層水體取樣, 表層(距海面約1 m)、中層(0.5,為水深)和底層(距海底約1 m)水樣, 體積約1000 mL, 用于懸浮體質(zhì)量濃度的測(cè)定, 取樣時(shí)間內(nèi)天氣較好, 建立遙感反演模型只用到了表層懸浮體濃度。海水濁度利用Aqualogger 310TY型濁度儀進(jìn)行測(cè)量, 采樣頻率1 Hz, 精度為±0. 01 FTU。濁度垂向分布圖采用surfer11軟件繪制, 采用克里金插值方法。水體溫度(°C)、鹽度采用CTD-NV型溫鹽深儀進(jìn)行測(cè)量, 采樣頻率5 Hz, 溫度和鹽度測(cè)量精度±0.005°C和±0.005; 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)及有效波高數(shù)據(jù)來(lái)自歐洲氣象中心(http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/ levtype=sfc/), 分辨率為1/4 d, 使用MATLAB對(duì)下載風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)及有效波高數(shù)據(jù)進(jìn)行提取整理, 得到研究區(qū)平均風(fēng)速、風(fēng)向及有效波高。

圖2 不同年份MODIS影像數(shù)量

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

懸浮體濃度測(cè)定使用抽濾稱重法, 將孔徑為45 μm的濾膜在55℃的烘箱中干燥10 h, 然后在干燥器內(nèi)放置約4 h后進(jìn)行稱重、記錄。抽濾后, 將覆有沉積物的濾膜再進(jìn)行烘干及稱重。懸浮體濃度為泥沙重量與海水體積的比值。其中, 20%的濾膜經(jīng)過(guò)雙膜校正, 以消除濾膜損失的影響(Gao, 1990)。

本文使用的是Terra衛(wèi)星的MODISL1B數(shù)據(jù), 格式為HDF, 利用ENVI軟件對(duì)MODIS L1B數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、大氣校正、太陽(yáng)天頂角校正處理, 得到分辨率1 km的第四波段反射率強(qiáng)度數(shù)據(jù), 經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn), 水體反射率強(qiáng)度與懸浮體濃度之間呈對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系(余佳等, 2014; 肖合輝等, 2015)。將實(shí)測(cè)表層懸浮體濃度與衛(wèi)片信息相匹配, 并提取對(duì)應(yīng)衛(wèi)片的反射率強(qiáng)度信息。其中, 將取樣時(shí)間段內(nèi)的對(duì)應(yīng)無(wú)云衛(wèi)片反射率作為擬合公式對(duì)應(yīng)的反射率。據(jù)此挑選出77組數(shù)據(jù), 建立實(shí)測(cè)懸浮體濃度和水體反射率的擬合公式(1), 用來(lái)反演山東半島東北部海域懸浮體濃度(圖3a)。

SS=0.2733×exp(15.01×555), (1)

其中,SS為懸浮體濃度值(單位: mg/L),555為第4波段反射率值。

圖3 第4波段反射率(R555)與懸浮體濃度的擬合結(jié)果(a)、反演質(zhì)量評(píng)估曲線(b)、冬季懸浮體濃度與濁度對(duì)應(yīng)關(guān)系(c)

注:2: 決定系數(shù);: 總樣本數(shù)

為了檢驗(yàn)反演公式的可適用性, 選取除擬合公式所用站位外的25個(gè)實(shí)測(cè)站位與反演濃度進(jìn)行驗(yàn)證(圖3b)。結(jié)果為: 決定系數(shù)2=0.93, 均方根誤差RMS=0.84mg/L, 平均相對(duì)誤差MR=0.38。對(duì)比表明, 利用2018年春季、夏季及冬季77個(gè)站位的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的反演公式是可信的。

前人研究表明, 濁度和懸浮體濃度具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(秦蘊(yùn)珊等, 1982)。本文將冬季所取三層水樣抽濾所得懸浮體濃度與相應(yīng)濁度進(jìn)行擬合(圖3c所示), 相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.94, 由于只取了3層水樣, 濁度計(jì)采樣精度更高, 故本文將利用2019年1月冬季大面站濁度數(shù)據(jù)近似的代替懸浮體濃度進(jìn)行分析。

3 結(jié)果

3.1 懸浮體濃度年際變化

研究區(qū)夏季和冬季表層懸浮體濃度均表現(xiàn)出明顯的年際變化(圖4), 夏季平均懸浮體濃度最低, 春秋季次之, 冬季達(dá)到最高。從空間分布來(lái)看, 夏季懸浮體高濃度區(qū)蜷縮在近岸, 僅在成山頭海域濃度較高且出現(xiàn)向外海擴(kuò)散的趨勢(shì); 冬季研究區(qū)出現(xiàn)了一條連續(xù)的渾濁帶, 東部成山頭區(qū)域懸浮體向海擴(kuò)散距離較遠(yuǎn)且濃度相對(duì)較高; 西部為威海灣及外側(cè)海域, 懸浮體向海擴(kuò)散距離較近, 同時(shí)懸浮體濃度較東部低。其次, 從年際變化來(lái)看, 夏季在2003、2009和2015年間懸浮體濃度較高, 成山頭海域高值區(qū)懸浮體濃度最高值2 mg/L左右, 大部分區(qū)域低于1 mg/L; 冬季僅在2003年懸浮體濃度整體較高, 近岸海域最高可達(dá)到28 mg/L, 另外, 2006—2018年間懸浮體濃度整體較低且在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。整體來(lái)看, 冬季存在明顯的懸浮體濃度鋒面, 該結(jié)果與實(shí)測(cè)濁度鋒面位置分布較一致, 東部成山頭區(qū)域表層懸浮體出現(xiàn)了向北部、西部擴(kuò)散輸運(yùn)的特征。

3.2 懸浮體濃度月變化

圖5為2003—2018年間逐月平均懸浮體濃度分布, 可以看出研究區(qū)懸浮體濃度分布存在明顯的時(shí)空變化: 空間上, 所有月份的懸浮體高濃度區(qū)集中在近岸, 以渾濁帶最為顯著; 此外, 所有月份的懸浮體濃度均呈現(xiàn)東高西低的分布格局; 時(shí)間上, 12月至次年2月, 在強(qiáng)盛的冬季風(fēng)和環(huán)流系統(tǒng)影響下, 表層懸浮體高濃度范圍急劇擴(kuò)大; 3—5月表層懸浮體濃度分布由高變低, 同時(shí)向外海擴(kuò)散的強(qiáng)度逐漸減弱; 6—8月, 本區(qū)域水動(dòng)力較弱, 水體層化明顯, 溫躍層極大的阻擋了懸浮體進(jìn)行垂向擴(kuò)散, 使得表層懸浮體濃度保持低值并基本不變; 9—11月, 隨著季風(fēng)作用的加強(qiáng), 表層懸浮體濃度呈現(xiàn)增大的態(tài)勢(shì)。

3.3 懸浮體濃度垂向分布特征

夏季黃海海域高濃度懸浮體通常富集于底邊界層, 垂向分層明顯, 研究區(qū)溫躍層多出現(xiàn)在海面以下10—15 m處(王勇智等, 2014; 朱穎濤, 2020)。冬季水體混合較為強(qiáng)烈, 利用2019年1月水文泥沙調(diào)查資料, 溫鹽以斷面Ⅲ為例, 近岸為低溫低鹽水體, 而遠(yuǎn)岸表現(xiàn)為高溫高鹽(圖6), 與其對(duì)應(yīng)的濁度斷面也表現(xiàn)出近岸高、遠(yuǎn)岸低類似的特征, 底層濁度高的地方表層濁度也對(duì)應(yīng)較高(圖7); 其次, 斷面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ出現(xiàn)了明顯的鋒面, 鋒面分別位于WH05—WH06站位之間、WH28—WH29站位之間和WH64—WH65站位之間, 鋒面兩側(cè)濁度差異較大, 約2—4 FTU。表層濁度擴(kuò)散范圍與遙感反演結(jié)果吻合, 間接地驗(yàn)證了反演模型的準(zhǔn)確性。

圖4 研究區(qū)夏、冬季表層懸浮體濃度年際變化圖

圖5 2003—2018年多年累月平均懸浮體濃度分布

4 討論

4.1 懸浮體濃度變化的主控因素

在季節(jié)性風(fēng)浪作用下, 表層懸浮體濃度會(huì)表現(xiàn)出一定的響應(yīng)關(guān)系(艾喬等, 2019)。研究區(qū)海域范圍較小, 風(fēng)場(chǎng)較為穩(wěn)定, 為深入研究影響山東半島東北部海域表層懸浮體濃度變化的主控因素, 本文將研究區(qū)累年月均懸浮體濃度與相應(yīng)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)及有效波高進(jìn)行了分析。從圖8可以看出, 研究區(qū)除5—7月份外, 風(fēng)速及有效波高與懸浮體濃度的變化趨勢(shì)一致, 尤其是在冬季, 表明強(qiáng)盛的北風(fēng)及偏北風(fēng)更有助于懸浮體的擴(kuò)散及輸運(yùn)。值得注意的是, 5—7月風(fēng)速較大, 但有效波高及懸浮體濃度卻很小, 這可能是夏季研究區(qū)偏南風(fēng)居多, 且風(fēng)區(qū)較短的影響; 此外, 已有研究指出最大臨界水深小于有效波高的10倍(Whitehouse, 2000), 根據(jù)有效波高資料得到研究區(qū)夏季最大臨界水深多小于10 m, 而溫躍層出現(xiàn)在水深10—15 m處, 故除極端天氣外, 夏季風(fēng)浪作用只能影響到近岸及溫躍層上部, 水體層化所產(chǎn)生的溫躍層阻隔了懸浮體垂向擴(kuò)散, 因此季風(fēng)極大的影響了研究區(qū)表層懸浮體的分布格局及輸運(yùn)。山東半島東北部海域各個(gè)季節(jié)表層懸浮體在空間分布特征上與潮流一致, 均表現(xiàn)為懸浮體濃度高值區(qū)對(duì)應(yīng)成山頭區(qū)域強(qiáng)潮流區(qū), 懸浮體濃度相對(duì)較低的區(qū)域?qū)?yīng)的潮流較弱(喬方利等, 2004; 朱學(xué)明等, 2012), 故潮流在一定程度上控制了懸浮體濃度的水平分布。

圖6 2019年1月斷面Ⅲ溫度、鹽度垂向分布

圖7 2019年1月斷面濁度垂向分布

考慮到多期遙感影像數(shù)據(jù)平均及風(fēng)速、有效波高平均會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定影響, 故選取2015和2018年的四個(gè)季節(jié)研究區(qū)質(zhì)量較好的遙感影像, 進(jìn)而獲取對(duì)應(yīng)風(fēng)場(chǎng)及有效波高數(shù)據(jù), 從圖9可以看出, 與上述分析結(jié)果一致, 夏季總體懸浮體濃度較低, 其與風(fēng)速、有效波高不存在相關(guān)性; 冬季、秋季和春季表層懸浮體濃度均與有效波高、風(fēng)速存在較高的正相關(guān)關(guān)系, 且與有效波高相關(guān)性更高, 表明波浪直接作用于表層懸浮體, 而風(fēng)速是引起波高變化的直接因素。綜上所述, 研究區(qū)春季、秋季和冬季表層懸浮體濃度主要受控于北向風(fēng)浪和潮流, 而夏季則以潮流控制為主。

圖8 懸浮體濃度與風(fēng)和有效波高的年內(nèi)變化關(guān)系

圖9 不同季節(jié)懸浮體濃度與風(fēng)速、有效波高的對(duì)應(yīng)關(guān)系

注: a: 春季; b: 夏季; c: 秋季; d: 冬季;2: 決定系數(shù)

4.2 水體結(jié)構(gòu)季節(jié)變化及其對(duì)懸浮體分布和輸運(yùn)的影響

渤黃海溫度、鹽度及懸浮體濃度存在明顯的季節(jié)性變化(秦蘊(yùn)珊等, 1989; 鮑獻(xiàn)文等, 2009)。夏季水體層化現(xiàn)象突出, 波浪作用較弱, 近水平分布的溫躍層對(duì)懸浮體起到了屏障作用, 平流輸運(yùn)的沉積物補(bǔ)給也有限, 導(dǎo)致夏季表層懸浮體濃度處于全年最低水平, 而底層懸浮體濃度則為較高值, 表底層懸浮體交換能力弱(王勇智等, 2014)。

冬季緯向魯北沿岸流所形成的溫鹽鋒阻擋了近岸懸浮體向外海輸運(yùn), 大量懸浮體只分布于鋒面內(nèi)側(cè), 呈現(xiàn)為近岸分布的渾濁帶。利用2019年1月4—5日大面站調(diào)查表中底3層懸浮體濃度數(shù)據(jù), 對(duì)研究區(qū)冬季水體結(jié)構(gòu)及其對(duì)懸浮體的分布輸運(yùn)進(jìn)行研究。WH84—WH87站位位于研究區(qū)東部成山頭海域(圖10), 在海面以下10—20 m存在0.03 oC/m的弱溫躍層。已有研究指出, 1月份出現(xiàn)在山東半島北部沿岸的較弱逆溫躍層現(xiàn)象, 主要是由于冬季氣溫的冷卻作用導(dǎo)致(管秉賢, 2000; 葛人峰等, 2006)。該溫躍層的存在抑制了底層及中層的懸浮體向表層擴(kuò)散, 表層懸浮體獲取下層的補(bǔ)償較小, 導(dǎo)致底層懸浮體濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表層, 為懸浮體濃度高值分布區(qū)(圖11)。此外, 絕大多數(shù)站位表層懸浮體濃度與中層懸浮體濃度相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95, 而與底層懸浮體濃度相關(guān)系數(shù)為0.82, 表明在研究區(qū)西部和中部懸浮體垂向上呈顯著的再懸浮擴(kuò)散。因此, 研究區(qū)東部成山頭附近存在的弱溫躍層雖然會(huì)在一定程度上抑制懸浮體的再懸浮, 但再懸浮擴(kuò)散仍是造成研究區(qū)高懸浮體濃度的主要因素。

圖10 典型站位WH86弱溫躍層示意圖

圖11 冬季懸浮體濃度(CSS)在表層與中層底層的分布

本文通過(guò)遙感反演及實(shí)測(cè)資料表明, 研究區(qū)東部成山頭區(qū)表層懸浮體濃度高于西部, 表層懸浮體有自東向西擴(kuò)散的趨勢(shì); 冬季, 表層懸浮體在較強(qiáng)的沿岸流和波浪作用下呈現(xiàn)出向四周“輸送”的格局, 并且成山頭附近海域懸浮體擴(kuò)散距離更遠(yuǎn), 另外, 在山東半島東部研究表明懸浮體以平流輸運(yùn)為主(冷星等, 2019), 因此研究區(qū)內(nèi)懸浮體主要來(lái)源于海底沉積物的再懸浮及成山頭附近懸浮體的水平擴(kuò)散(圖12), 懸浮體輸運(yùn)主要是已有沉積物在潮流及風(fēng)浪作用下再分配的過(guò)程(龐重光等, 2004)。

圖12 山東半島東北部海域冬季懸浮體輸運(yùn)模式圖

5 結(jié)論

(1) 山東半島東北部海域表層懸浮體濃度呈現(xiàn)近岸高遠(yuǎn)岸低的特征, 東部成山頭附近濃度較高且向海擴(kuò)散較遠(yuǎn), 西部威海灣及外側(cè)海域懸浮體濃度較低且擴(kuò)散范圍小于東部; 懸浮體濃度季節(jié)性變化顯著, 冬季懸浮體濃度達(dá)到最大, 春秋季次之, 夏季最低; 2003—2018年春夏秋冬四季研究區(qū)表層懸浮體濃度在一定范圍內(nèi)波動(dòng), 無(wú)明顯變化趨勢(shì)。

(2) 研究區(qū)春季、秋季和冬季表層懸浮體濃度主要受控于北向風(fēng)浪和潮流, 而夏季則以潮流控制為主。夏季, 溫躍層阻礙了懸浮體垂向擴(kuò)散, 導(dǎo)致表層懸浮體濃度極低; 冬季, 研究區(qū)東部成山頭附近水平分布的弱溫躍層雖然會(huì)在一定程度上抑制懸浮體的再懸浮, 但再懸浮擴(kuò)散仍是造成研究區(qū)高懸浮體濃度的主要因素。

(3) 山東半島東北部海域存在類似“夏儲(chǔ)冬輸”的特征, 海底沉積物再懸浮物質(zhì)及成山頭附近懸浮體的水平擴(kuò)散是研究區(qū)懸浮體的主要來(lái)源。

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THE temporal and spatial variation of suspended matter in the northeast Shandong Peninsula based on remote sensing inversion

LIU Tao1, ZHU Long-Hai1, 2, HU Ri-Jun1, 2, YIN Yan-Jun1, LENG Xing1

(1. College of Marine Geoscience, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. The Key Lab of Submarine Geoscience and Prospecting Techniques, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Based on the MODIS satellite remote sensing image data during 2003—2018 and the suspension sampling analysis results of at-sea-surface stations in spring, summer, and winter of 2018, a remote sensing inversion model for surface suspension concentration was constructed. The temporal and spatial distribution of surface suspension concentration in the sea area off northeast Shandong Peninsula was analyzed, and the main controlling factors of the variations in surface suspension concentration, seasonal water structure were examined, and their influence on the distribution and transport of suspended matter were discussed. Results show that the surface suspension in the study area is generally distributed near shore higher than far shore lower, the concentration of suspension in the eastern Chenshan area was higher and spread far to the sea, and the concentration of suspension in the western Weihai Bay and the outer sea area was lower and the diffusion range was smaller than that in the eastern sea. The concentration of suspended matter in the study area had a significant seasonal change, but the corresponding seasonal annual change was small. The concentration of suspended matter reached the maximum in winter, followed by spring and autumn, and the lowest in summer. The surface suspension concentration in spring, autumn, and winter was controlled mainly by northerly wind waves and tidal currents, while the concentration in summer was mainly controlled by tidal currents. In summer, the thermocline obstructed the vertical diffusion of suspension, resulting in extremely low surface suspension concentration. In winter, the weak thermocline distributed horizontally near Chenshan in the east of the study area, which inhibited the re-suspension to a certain extent, but the re-suspension diffusion was still the main factor for causing the high concentration of suspended matter in the study area. Similar characteristics of “summer storage and winter transport” exist in the northeastern part of Shandong Peninsula, and the horizontal diffusion of suspended matter in seabed sediments and near Chenshan were the main sources of suspended matter in the study area.

Shandong Peninsula; remote sensing inversion; suspension concentration; time and space variation

* 國(guó)家自然科學(xué)基金“山東半島海灣對(duì)泥沙的捕獲機(jī)制—以威海灣為例”, 41776059號(hào)。劉 燾, 碩士研究生, E-mail: 1027497886@qq. com

朱龍海, 教授級(jí)高級(jí)工程師, E-mail: zhulonghai@ouc.edu.cn

2020-09-29,

2020-12-28

P736

10.11693/hyhz20200900268