基于遙感分析渤海灣冬季表層懸浮體濃度變化規(guī)律*

孫思婷 徐繼尚, 3 李廣雪, 3 劉 雪 喬璐璐, 3 周 尚

基于遙感分析渤海灣冬季表層懸浮體濃度變化規(guī)律*

孫思婷1, 2徐繼尚1, 2, 3①李廣雪1, 2, 3劉 雪1, 2喬璐璐1, 2, 3周 尚1, 2

(1. 中國海洋大學海底科學與探測技術教育部重點實驗室 青島 266100; 2. 中國海洋大學海洋地球科學學院 青島 266100; 3. 中國海洋大學海洋油氣開發(fā)與安全保障教育部工程研究中心 青島 266100)

渤海灣是三面環(huán)陸的半封閉淺水海灣, 海底泥沙懸浮與輸運對海洋工程與生態(tài)環(huán)境有重要影響。冬季是渤海泥沙輸運、海床沖刷和海底災害的主要發(fā)生季節(jié), 但冬季觀測(特別是連續(xù)觀測)難度大, 觀測資料相對缺乏, 研究冬季懸浮體分布與輸運規(guī)律對海洋生態(tài)環(huán)境保護和海洋工程維護等具有指導意義, 對認識近海物質及能量循環(huán)有重要科學價值。本文基于海洋水色衛(wèi)星GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)遙感影像資料, 對渤海灣冬季懸浮體濃度進行了長達8年監(jiān)測, 提取2011—2017年冬季(11、12、1、2月)懸浮體濃度(Total Suspended Sediment, TSS)月平均數(shù)據(jù), 對渤海灣冬季懸浮體分布情況及輸運規(guī)律進行研究。結果表明, 渤海灣冬季的表層懸浮體濃度分布呈現(xiàn)近岸高離岸低、南岸高北岸低的規(guī)律, 懸浮體濃度的高值區(qū)主要分布于黃河口附近以及渤海灣南岸一帶, 該海域冬季TSS在80mg/L以上, 最高可達200mg/L; 海河口及遼東灣沿岸流區(qū)域各存在一個低值區(qū), 懸浮體濃度介于0—40mg/L。冬季大風天氣對水體擾動劇烈, 導致渤海灣海底泥沙再懸浮, 風速與懸浮體濃度存在正相關性。同時, 冬季渤海灣沿岸流等環(huán)流增強, 使黃河口再懸浮的沉積物向渤海灣西部和北部擴散。

渤海灣; GOCI(Geostationary Ocean Color Imager); 冬季; 懸浮體; 遙感技術

懸浮體是海水中重要的物質成分, 對水體環(huán)境有重要影響。在海洋中, 懸浮體具有強大的吸附作用, 是營養(yǎng)鹽和各類污染物的重要載體, 其分布和輸運會對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響(Ma, 2001), 研究其時空分布對于海洋環(huán)境保護具有重要意義。此外,懸浮泥沙堆積變化可能導致河口海岸地區(qū)大范圍的演化變遷, 影響港口航道和近岸工程的建設。

渤海灣位于渤海西部, 是渤海三大海灣之一。因其特殊的地理位置和豐富的自然資源, 渤海灣一直是我國海岸帶的重要研究區(qū)域。研究該地區(qū)的懸浮體分布及其輸運規(guī)律, 可以為指導區(qū)域社會經(jīng)濟活動、海洋生態(tài)環(huán)境保護、海洋工程維護和防災減災等提供理論依據(jù)。

前人通過對渤海懸浮體分布及輸運規(guī)律研究, 提出懸浮體濃度分布主要受入海徑流、潮汐潮流、季風、海岸類型等因素的影響(秦蘊珊等, 1982; 張經(jīng)等, 1985; 谷國傳等, 1989; 江文勝等, 2002)。龐重光等(2004)根據(jù)2000—2004年SeaWiFS數(shù)據(jù)反演得到渤海表層懸浮體濃度資料, 總結出渤海表層懸浮體濃度時空分布規(guī)律, 認為夏季影響懸浮體濃度的主要因素是入海徑流, 冬季的主要因素則是海浪和潮流造成的沉積物再懸浮; 樊輝等(2007)利用2004年黃河口海區(qū)實測數(shù)據(jù)和Landsat TM遙感數(shù)據(jù), 建立了光譜反射率和表層懸浮體濃度的回歸關系; 喬璐璐等(2010)對2008年渤海灣中北部觀測數(shù)據(jù)進行分析, 指出懸浮體體積濃度垂直分布與溫躍層有關; 陳燕等(2014)建立了渤海灣近岸懸浮體濃度遙感反演的半定量分析模型, 并得出研究區(qū)懸浮體濃度整體偏低, 且近岸海域大于遠海的結論; 周舟等(2017)利用2003—2014年的MODIS遙感數(shù)據(jù)對渤海表層懸浮體濃度的長期變化和分布進行研究, 表明懸浮體濃度呈下降趨勢, 并指出這種變化可能與季風信號減弱、黃河調水調沙以及圍海造田工程有關?？梢? 冬季是渤海懸浮體輸運的主要季節(jié), 但冬季懸浮體觀測資料相對匱乏。衛(wèi)星遙感具有監(jiān)測范圍廣、時空連續(xù)性強等優(yōu)點, 逐漸成為表層懸浮體濃度監(jiān)測的重要手段, 但目前對于長時間尺度的懸浮體濃度分布和輸運規(guī)律研究還需要進一步加強。

GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)是2010年6月27日韓國發(fā)射的全球第一顆地球同步軌道海洋水色衛(wèi)星上搭載的傳感器, 它可以從靜止的平臺不斷觀測環(huán)朝鮮半島的海洋水色, 用來研究海洋、陸地和大氣的快速變化。GOCI衛(wèi)星擁有極高的時間分辨率和較高的空間分辨率, 每天提供8幅影像, 時間分辨率為1h, 空間分辨率為500m, 能夠滿足大范圍內(nèi)快速監(jiān)測懸浮體變化的需求。近年來GOCI被廣泛應用于海水表層懸浮體濃度的研究(He, 2013; Choi, 2014; Doxaran, 2014; 江彬彬等, 2015; 劉波等, 2016), 也有很多學者對GOCI數(shù)據(jù)產(chǎn)品的可靠性進行了檢驗(Lamquin, 2012; Ruddick, 2012; 李豪等, 2016)。本文采用長時間序列的GOCI遙感影像, 對渤海灣2011—2017年冬季懸浮體的分布和輸運機制進行重點研究, 采用GDPS(GOCI Data Processing System)和ENVI(The Environment for Visualizing Images)軟件, 處理獲得渤海灣懸浮體濃度分布(Total Suspended Sediment, TSS)月平均數(shù)據(jù), 總結冬季渤海灣表層懸浮體的分布特點和擴散路徑, 并分析其影響因素和動力機制。

1 研究區(qū)概況

渤海灣是渤海的三大海灣之一, 位于渤海西部, 東部通常以灤河口至黃河口的連線為界。三面環(huán)陸, 與河北省、天津省、山東省相鄰, 包含天津港、黃驊港、曹妃甸港等重要港口, 面積為1.59萬km2, 約占渤海的五分之一, 平均水深12.5m。本文研究區(qū)范圍為(117.2°—119.5°E, 37.7°—39.6°N)(圖1)。該地氣候屬于大陸性季風氣候, 冬季盛行西北風, 寒冷干燥, 常有大風天氣出現(xiàn); 夏季盛行東南風, 溫暖濕潤, 且風力較弱。氣溫年際變化存在較大差異, 1月平均氣溫約為-2℃, 7—8月平均氣溫可達到25℃。渤海的年平均降水量為500—1100mm左右, 降水集中分布在6—8月份, 占全年總降水量的一半以上(高瑞華等, 2008)。渤海的環(huán)流受季風的影響較大, 呈“冬強夏弱”的特征。冬季多偏北大風, 是冬季環(huán)流的主要驅動力(馮士筰, 2007)。渤海灣冬季環(huán)流主要包含兩支水團, 分別是外海的高鹽水和黃河沖淡水, 外海高鹽水包括黃海暖流的分支和黃海冷水團, 沿渤海灣北岸流入渤海灣, 在灣內(nèi)呈逆時針回轉; 黃河沖淡水則沿渤海灣南岸呈順時針方向流動, 呈“北逆南順”的雙環(huán)結構(趙保仁等, 1995)。渤海灣表層余流的流速通常為0.1—0.2m/s, 冬季較強, 可達0.2m/s以上(馮士筰, 2007)。

大量河流匯入渤海灣, 主要包括黃河、灤河、海河、薊運河等, 河口有黃河口、大清河口、大沽河口等, 這些河流攜帶大量泥沙入海。黃河作為我國第二大河, 其最大特點是水少沙多。根據(jù)泥沙公報1950—2005年統(tǒng)計資料, 黃河年平均徑流量為313.3×108m3, 利津站年均輸沙量可達7.78×108t, 是渤海灣現(xiàn)代沉積物的主要來源, 對渤海灣水體環(huán)境產(chǎn)生重大影響。其中, 黃河口沉積物是黃河攜帶的大量泥沙在入海處淤積而成, 表層沉積物以粉砂為主, 整體較為松散, 穩(wěn)定性差, 易受風浪、潮流等影響而擴散和輸運(王楠, 2014)。

注：S1: 海河口低值區(qū); S2: 渤海灣沿岸流區(qū); S3: 黃河口高值區(qū); S4: 遼東灣沿岸流區(qū); 黑框: 研究區(qū)范圍; 紅框: 黃河口高值區(qū)取值范圍

2 數(shù)據(jù)與方法

本研究使用GOCI遙感影像和風場數(shù)據(jù)進行分析。GOCI影像選取的是2011—2017年1、2、11、12月由韓國海洋衛(wèi)星中心(Korea Ocean Satellite Center, KOSC)提供的基于GOCI數(shù)據(jù)的表層TSS(單位: mg/L)二級產(chǎn)品, TSS是GDPS基于Case-2算法(Min, 2013)得到的可應用于極度渾濁海域的產(chǎn)品, 算法為:

其中,0=0.08823,1=1.627,2=1.121, Rrs表示遙感反射率。

由于云層、海冰等因素的影響, 遙感影像無法完全覆蓋所研究的海區(qū), 在海區(qū)邊緣存在數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象。為了提高數(shù)據(jù)準確性, 使用ENVI軟件對每年1、2、11和12月的數(shù)據(jù)進行平均, 獲得月平均懸浮體濃度分布圖; 再將每個月和每個年度冬季的數(shù)據(jù)進行平均, 分析渤海灣冬季懸浮體的整體分布情況。其中2013年1月和2015年11月的數(shù)據(jù)存在缺失或質量不好的現(xiàn)象, 無法進行分析。具體數(shù)據(jù)應用情況見表1。

表1 GOCI原始數(shù)據(jù)質量情況

Tab.1 Quality of the GOCI raw data

為了研究天氣因素對懸浮體分布的影響, 本文收集了渤海灣西部觀測站實測資料(38.5°N, 118°E, 圖1), 分析觀測站的風場和氣溫變化與懸浮體分布之間的關系。所用的ERA-Interim海面風場資料是由歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的再分析產(chǎn)品, 空間分辨率為1/8°, 時間分辨率為6h。

3 研究結果

3.1 渤海灣冬季懸浮體的區(qū)域分布特征

渤海灣冬季懸浮體的空間分布不均勻。根據(jù)2011—2017年度懸浮體濃度平均分布情況(圖2), 將渤海灣分為四個區(qū)域(圖1): 黃河口高值區(qū)、渤海灣沿岸流區(qū)、海河口低值區(qū)和遼東灣沿岸流區(qū)。黃河口高值區(qū)和渤海灣沿岸流區(qū)為濃度較高的區(qū)域, 其中, 黃河口高值區(qū)位于東南部黃河入?？诟浇? 懸浮體濃度超過80mg/L, 最高值在200mg/L以上; 渤海灣沿岸流區(qū)位于渤海灣中部和南部沿岸區(qū)域, 區(qū)域內(nèi)的懸浮體主要來源于黃河口沉積物再懸浮后向西、向北擴散, 懸浮體濃度在50—100mg/L左右。部分懸浮體在渤海灣中部沉積, 這也為渤海北部泥質沉積區(qū)的形成提供了物質來源(劉建國, 2007)。海河口低值區(qū)和遼東灣沿岸流區(qū)懸浮體濃度整體偏低, 海河口低值區(qū)位于渤海灣西北部的海河入海口附近, 為懸浮體濃度最低的區(qū)域, 通常在0—30mg/L之間; 遼東灣沿岸流區(qū)位于東北部遼東灣沿岸流南下區(qū)域, 其懸浮體濃度通常介于0—40mg/L。

圖2 2011—2017年冬季渤海灣基于GOCI影像的多年平均ln(TSS)圖

注：TSS表示懸浮體濃度, 單位為mg/L

3.2 渤海灣冬季懸浮體的年度變化

圖3為2011—2017各年懸浮體濃度冬季平均分布。2011—2012年冬季懸浮體濃度較高, 黃河口高值區(qū)最高值為170mg/L, 在渤海灣沿岸流區(qū)的北部存在一個明顯的懸浮體濃度鋒面。2012—2013年冬季懸浮體濃度整體偏低, 濃度鋒面不明顯且靠近渤海灣南部, 黃河口高值區(qū)和渤海灣沿岸流區(qū)南岸一帶懸浮體濃度最高值100mg/L左右, 大部分地區(qū)不超過70mg/L, 且沿岸高濃度懸浮體向北擴散范圍較小, 遼東灣沿岸流區(qū)低濃度水體影響范圍較廣, 懸浮體濃度大多在20mg/L以下。2013—2016年渤海灣冬季懸浮體平均濃度整體呈逐漸升高的趨勢, 且高濃度懸浮體持續(xù)向北擴散。其中, 2014—2015年冬季懸浮體平均濃度較2013—2014年略有增加, 但最大濃度在150mg/L以下, 懸浮體整體擴散范圍較廣, 濃度鋒面不明顯, 且遼東灣沿岸流區(qū)和海河口低值區(qū)均存在明顯的低濃度水體影響, 懸浮體濃度整體偏低, 不超過20mg/L; 2015—2016年冬季懸浮體濃度普遍較高, 濃度鋒面北移, 最遠可延伸至渤海灣北岸, 黃河口高值區(qū)濃度大多在100mg/L以上, 最高可達200mg/L, 中部海區(qū)濃度也普遍達到70mg/L, 遼東灣沿岸流區(qū)與海河口低值區(qū)懸浮體濃度也明顯增加。整體來看, 2012—2016年冬季渤海灣南岸懸浮體濃度呈逐漸增加的趨勢, 高濃度懸浮體向北擴散范圍增大, 遼東灣沿岸流區(qū)與海河口低值區(qū)低濃度水體影響減弱。2016—2017年冬季懸浮體濃度及擴散范圍出現(xiàn)一定程度的減小, 但渤海灣中部大部分海域懸浮體濃度也在70mg/L以上, 黃河口高值區(qū)和渤海灣沿岸流區(qū)南岸濃度可達100mg/L, 遼東灣沿岸流區(qū)與海河口低值區(qū)濃度增高, 多在10—40mg/L之間。

圖3 2011—2017年渤海灣基于GOCI影像的冬季平均ln TSS圖

3.3 渤海灣冬季懸浮體的月平均變化

圖4為2011—2017年冬季各月懸浮體濃度平均分布, 渤海灣海區(qū)懸浮體主要來自黃河口高值區(qū)的大量泥沙再懸浮, 11月懸浮體濃度高值主要集中在南岸黃河口高值區(qū)和渤海灣沿岸流區(qū), 12月開始受冬季風影響, 水體擾動強烈, 在波浪、環(huán)流系統(tǒng)作用下懸浮體沿渤海灣南岸向西輸運的同時也在向北擴散, 11月到次年2月渤海灣內(nèi)懸浮體濃度逐漸增大。遼東灣沿岸流區(qū)與海河口低值區(qū)懸浮體濃度在12月和1月增加, 低濃度水體擴散范圍較小。到了2月, 遼東灣沿岸流區(qū)懸浮體濃度始趨降低。

圖4 2011—2017年冬季渤海灣基于GOCI影像的各月平均ln TSS圖

4 討論

4.1 懸浮體濃度變化機制

渤海灣懸浮體主要來源有河流入海輸沙以及沉積物在冬季強風作用下發(fā)生的再懸浮。根據(jù)中國河流泥沙公報(http://www.mwr.gov.cn/sj/tjgb/zghlnsgb/)顯示, 2014年以來黃河入海的年徑流量和年輸沙量都明顯減小, 且呈現(xiàn)逐年降低的趨勢。而圖3顯示2012—2016年冬季懸浮體濃度逐漸升高, 因此黃河入海泥沙擴散對渤海灣冬季懸浮體的貢獻減弱, 該區(qū)域懸浮泥沙主要來自于近岸侵蝕及沉積物再懸浮, 并在風浪、環(huán)流等作用下擴散。

為研究風浪對懸浮體濃度的影響, 選取2011—2017年冬季黃河口遙感影像質量較好的日期, 求得渤海灣東南部黃河口高值區(qū)(圖1紅色區(qū)域)懸浮體濃度平均值, 繪制懸浮體濃度與日平均風速散點圖(圖5), TSS與風速的相關系數(shù)為0.67, 二者存在較好的正相關性。這說明冬季強風天氣對渤海灣懸浮體濃度分布有重要影響, 強風浪會增強對海岸和海底的侵蝕作用, 造成大量泥沙再懸浮, 從而導致懸浮體濃度增加。

4.2 懸浮體濃度區(qū)域分布機制

圖6為渤海灣冬季環(huán)流示意圖, 渤海灣主要有兩支流體, 分別為外海高鹽水和黃河沖淡水。黃海暖流的余脈在進入渤海灣后向南轉折, 呈逆時針方向流動; 黃河沖淡水沿渤海灣南岸向西, 呈順時針方向流動, 所以渤海灣的環(huán)流呈北部為逆時針環(huán)流、南部為順時針環(huán)流的雙環(huán)結構(趙保仁等, 1995)。結合懸浮體分布情況分析, 冬季受強風天氣的影響, 風浪作用強烈, 黃河口的沉積物被掀起再懸浮, 產(chǎn)生大量懸浮泥沙。含高濃度懸浮體的水體在環(huán)流、潮流、波浪等作用下一部分向灣內(nèi)運移, 遇黃海暖流阻隔, 在渤海灣中部形成懸浮體濃度鋒面, 并沿鋒面在渤海灣中部轉為東向輸運。

圖5 黃河口高值區(qū)懸浮體濃度與風速散點圖

圖6 2011—2017渤海灣冬季懸浮體平均分布及環(huán)流示意圖

注：改繪自趙保仁等(1995)

5 結論

本文利用2011—2017年11、12、1、2月GOCI傳感器的月平均TSS數(shù)據(jù), 對渤海灣冬季的懸浮體分布輸運規(guī)律進行了研究, 并結合觀測站的風場和氣溫數(shù)據(jù)綜合分析了其影響因素。研究發(fā)現(xiàn):

(1)渤海灣冬季表層懸浮體空間分布不均勻, 呈現(xiàn)出近岸高、離岸低; 南岸高、北岸低的趨勢。受圍填海工程及其他人類活動的影響, 渤海灣西北部曹妃甸港附近普遍存在一個懸浮體濃度偏高的區(qū)域, 平均在40—60mg/L; 黃河口附近以及渤海灣南岸一帶為懸浮體濃度高值區(qū), 懸浮體濃度通常在80mg/L以上, 最高值可達200mg/L; 海河口附近和遼東灣沿岸流流經(jīng)的區(qū)域都受到低濃度水體流入的影響, 存在一個懸浮體濃度偏低的區(qū)域, 濃度低于40mg/L。

(2) 渤海灣懸浮體的主要來源是黃河入海攜帶的泥沙在黃河口淤積, 冬季受強風浪以及冬季風的影響, 水體擾動強烈, 黃河口的沉積物發(fā)生再懸浮, 懸浮體濃度增加, 并在環(huán)流、潮流、波浪等作用下向渤海灣西部和北部擴散; 遼東灣沿岸流攜帶的低濃度水體南下使得懸浮體濃度降低。

(3) 冬季渤海灣的風速與懸浮體濃度存在一定的正相關性, 強風浪會加強對海岸和海底的侵蝕作用, 導致渤海灣近岸黃河口高值區(qū)懸浮體濃度明顯增加。

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SUN Si-Ting1, 2, XU Ji-Shang1, 2, 3, LI Guang-Xue1, 2, 3, LIU Xue1, 2, QIAO Lu-Lu1, 2, 3, ZHOU Shang1, 2

(1. Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Qingdao 266100, China; 2. College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. Engineering Research Center of Marine Petroleum Derelopment and security Safeguard, Ministry of Education, Qingdao 266100, China)

Bohai Bay is a semi-enclosed shallow bay of the Bohai Sea, North China. Understanding the material and energy circulation in coastal areas at seabed is important for local marine engineering and ecological environment. Winter is the main season of sediment transportation, seabed erosion, and geologic hazards in the Bohai Sea. However, observation of the suspending sediment in winter (especially continuous observation) is difficult, and the observation data are relatively scarce. Based on the GOCI (Geostationary Ocean Color Imager) remote sensing image data, we conducted an 8-year observation to monitor the concentration of suspended sediments in Bohai Bay in winter (November, December, January, and February) from 2011 to 2017. The monthly averaged data of Total Suspended Sediments (TSS) concentration were obtained, with which distribution and transportation of suspended sediments in winter were analyzed. Results show that the TSS of near-shore areas was much higher than that of the offshore, and higher in the south coast than that of the north coast. The high-TSS areas distributed mainly near the Huanghe (Yellow) River estuary and on the southern coast of the Bohai Bay. In winter, TSS concentration was often above 80 mg/L, and the maximum could reach 200 mg/L occasionally. A low-TSS area was observed each in Haihe River estuary and Liaodong Bay coastal current area, where the TSS concentration was between 0 and 40mg/L. The strong wind in winter disturbed the water seriously, which resulted in the resuspension of sediment in the Bohai Bay. At the same time, circulation systems such as coastal current in Bohai Bay were strengthened in winter, making the sediments of the Huanghe River estuary re-suspended and diffused westward and northward in the Bohai Bay.

Bohai Bay; GOCI; winter; suspended sediments; remote sensing technology

* 國家自然科學基金, 41976198號, 41806072號; 國家重點研發(fā)計劃政府間國際科技創(chuàng)新合作重點專項, SQ2017YFGH001475號。孫思婷, 碩士研究生, E-mail: sunsiting96@163. com

徐繼尚, 碩士生導師, 副教授, E-mail: jishangxu@ouc.edu.cn

2019-07-31,

2019-11-12

P736

10.11693/hyhz20190700151