福寧灣海域冬季大潮期懸浮泥沙輸運(yùn)特征

孟令鵬，胡日軍,2，李毅，袁曉東，朱龍海,2，郭俊杰

1.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，青島 266100

2.中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266100

3.華能霞浦核電有限公司，寧德 352000

懸浮泥沙作為研究海洋沉積動力過程中的一個重要因子[1]，其在潮汐、風(fēng)浪等因素的共同作用下發(fā)生懸浮、運(yùn)移以及沉積[2]，這對于研究物質(zhì)循環(huán)以及地形地貌沖淤具有重要的意義[3]。對于近岸潮流流速較大的區(qū)域，懸浮泥沙的運(yùn)動主要受到潮流的控制[4-5]，潮周期內(nèi)懸浮泥沙濃度的變化往往表現(xiàn)出與潮流變化相同的周期性。潮流深刻地影響著懸浮泥沙濃度的時空變化特征以及輸運(yùn)通量，尤其是潮周期內(nèi)潮流的不對稱效應(yīng)以及水體中懸浮泥沙對于潮流的響應(yīng)而引起的滯后性，對于懸浮泥沙的輸運(yùn)通量具有重要的影響[6-7]。

對于水體內(nèi)垂向上的物質(zhì)交換，水體的層化結(jié)構(gòu)的形成與消失是決定海底沉積物、營養(yǎng)鹽以及各種水溶物質(zhì)垂向輸送的重要因素[8]。關(guān)于水體層化結(jié)構(gòu)研究，前人多集中于研究陸架淺海季節(jié)性的溫躍層以及河口地區(qū)水體的垂向結(jié)構(gòu)變化，劉浩等[9]利用三維斜壓海流模式（POM）重現(xiàn)了渤海表底溫差的季節(jié)變化，并進(jìn)一步對其層化狀況以及潮汐鋒面的形成發(fā)展過程做了研究；李霞等[10]根據(jù)Simpson經(jīng)典河口環(huán)流理論，分析了長江口南支南港北槽枯水期水體垂向結(jié)構(gòu)的潮周期變化以及潮汐應(yīng)變對垂向結(jié)構(gòu)的影響。另有研究者對于水體垂向結(jié)構(gòu)的研究也做了許多有意義的工作[11-12]，但是對于陸架淺海海灣短時間尺度內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征以及其對于懸浮泥沙濃度垂向分布的影響研究較少。

福寧灣位于福建省北部，前人對于該區(qū)域的研究主要集中于近岸海域的水質(zhì)及沉積物地球化學(xué)特征[13-14]，但是缺乏對于該海域懸浮泥沙輸運(yùn)機(jī)制的研究。本文基于2014年冬季在福寧灣附近海域獲得的水文泥沙數(shù)據(jù)，結(jié)合大潮期內(nèi)水體的水文狀況以及懸浮泥沙濃度的時空變化特征，分析了水體的垂向混合狀況對于懸浮泥沙垂向分布的影響以及懸浮泥沙通量，探討了福寧灣附近海域懸浮泥沙的輸運(yùn)機(jī)制。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建北部的福寧灣附近海域，地理坐標(biāo)范圍為 26°36′～26°57′N、120°05′～120°31′E，觀測站位主要分布在水深20 m以淺的區(qū)域（圖1）。該海域?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，冬季多為北風(fēng)，夏季多為南風(fēng)，夏季容易受到臺風(fēng)的影響。半日潮波自西北太平洋傳入東海后，主要部分通過東海北部進(jìn)入黃海和渤海，而另外一部分則向浙江、福建傳播。研究區(qū)主要受進(jìn)入福建東海潮波分支的影響，潮汐類型為規(guī)則半日潮，以M2分潮為主，平均潮差大于4 m[15]。海流以往復(fù)流為主，漲潮流向多為NWW向，落潮流流向?yàn)镾EE向，近岸區(qū)域水深較淺，漲潮流占優(yōu)。研究區(qū)附近海域泥沙來源主要包括陸源來沙和近海泥沙，其中陸域來沙有限，僅在灣頂局部堆積，而近海泥沙在浪、流的作用下原地再懸浮，并隨著漲、落潮流搬運(yùn)是影響研究區(qū)泥沙淤積的主要泥沙來源。作為東海內(nèi)陸架環(huán)流的重要組成部分，閩浙沿岸流（MZCC）冬季在東北季風(fēng)的驅(qū)動下，沿岸線緩慢地向西南流動，其大致分布在50 m以淺的區(qū)域，流速大致為 0.24 m/s[16]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2014年12 月23 —24 日，國家海洋局第三海洋研究所在福寧灣海域進(jìn)行了8個站位連續(xù)27h同步觀測。海流剖面觀測采用美國RDI公司生產(chǎn)的ADCP多普勒海流剖面儀和挪威諾泰克公司生產(chǎn)的AWAC多普勒海流剖面儀，每5分鐘觀測一次，觀測剖面按0.5 m分層，提取數(shù)據(jù)時根據(jù)實(shí)際水深按六點(diǎn)法（表層、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、底層）進(jìn)行提取。考慮到多普勒海流剖面儀的盲區(qū)為0.5～1 m，因此各站均增加一臺日本ALEC公司的EM型電磁海流計進(jìn)行表層海流觀測，以對聲學(xué)海流計的表、底層觀測結(jié)果進(jìn)行修正。懸浮泥沙現(xiàn)場觀測采用加拿大RBR XR-420+Tu濁度儀，按照六點(diǎn)法進(jìn)行觀測?，F(xiàn)場在濁度觀測的同時，每兩小時按照六點(diǎn)法（表層、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、底層）采集現(xiàn)場的水樣，每層水樣不少于500 mL。對現(xiàn)場采集的水樣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行抽濾、烘干、稱重。過濾膜為0.45 μm醋酸纖維膜，樣品在電熱培養(yǎng)恒溫箱經(jīng)一定溫度烘干，稱重在精度1/10 000的天平進(jìn)行。為保證質(zhì)量，烘干稱重反復(fù)進(jìn)行2—3次，保證誤差小于0.5 mg。對實(shí)測濁度數(shù)據(jù)與含沙量稱重結(jié)果進(jìn)行相關(guān)計算，得到相關(guān)公式后計算整個觀測時段的含沙量值，冬季大潮期各站實(shí)測濁度與含沙量相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.8以上（圖2）。

溫度、鹽度采用XR-420-CTD+Tu溫鹽深濁度儀進(jìn)行水溫、鹽度觀測，觀測時間、層次與懸浮泥沙觀測一致。為了更好地了解觀測期間的海洋氣象狀況，在1#、7#站位采用手持風(fēng)向風(fēng)速儀進(jìn)行風(fēng)速觀測，觀測時間為每3小時進(jìn)行一次（表1）。

2.2 研究方法

（1）泥沙通量計算

懸浮泥沙在潮周期內(nèi)的輸運(yùn)主要受到余流和潮不對稱效應(yīng)的影響。為了分析兩者對泥沙輸運(yùn)的影響程度，我們采用通量分解方法[6-7,18]，將總的懸浮泥沙通量分解為：

圖1 福寧灣附近海域調(diào)查站位圖A.東海主要環(huán)流系統(tǒng)（改繪自Guan[17]）。MZCC：閩浙沿岸流；TWC：臺灣暖流。B.研究區(qū)調(diào)查站位圖（水深起算基于85高程基準(zhǔn)面）。Fig.1 Location of Survey stations in the offshore area of Funing Bay A.East China Sea main circulation system（Repainted from Guan[17]）.MZCC：Min-Zhe Coastal Current；TWC：Taiwan Warm Current.B.Survey station map of the study area（The water depth is based on the 85 elevation datum）.

圖2 實(shí)測濁度與含沙量相關(guān)曲線圖 （冬季 3#站）Fig.2 The curve of turbidity and sediment concentration was measured at No.3 station in winter

其中，u代指流速，C代指懸浮泥沙濃度，“＜ ＞”指潮平均算子。公式右側(cè)的第一項(xiàng)指余流和潮平均懸浮泥沙濃度導(dǎo)致的輸運(yùn)項(xiàng)，即平流輸運(yùn)項(xiàng)；右側(cè)第二項(xiàng)指兩個潮脈動項(xiàng)互相作用導(dǎo)致的輸運(yùn)項(xiàng)，即潮泵項(xiàng)，與潮流不對稱和懸浮泥沙的滯后效應(yīng)有關(guān)[19]。

（2）層化特征指標(biāo)

利用梯度Richardson數(shù)（Rig）[20]描述水體的穩(wěn)定程度，其計算方法為：

公式中：z′為垂向距離，ρ為密度，u為各層流速，g為重力加速度。梯度Richardson數(shù)可以用于判斷水體的混合狀態(tài)，基于線性穩(wěn)定理論，當(dāng)Rig＜0.25時，水體是不穩(wěn)定的，混合增強(qiáng)；當(dāng)Rig＞0.25時，流體穩(wěn)定，混合被抑制[20]。

在計算梯度Richardson數(shù)時，水體密度ρ利用的海水狀態(tài)方程[21]求得：

公式中：ρ0，A，B，C皆為水體溫度的函數(shù)；S為水體鹽度；T為水溫。

（3）水體勢能的變化

根據(jù)Simpson等的研究，陸架淺海水體完全混合所需要的勢能φ可根據(jù)如公式下計算[22-24]：

其中：h為水深，為水深平均后的密度，z為沿垂向水深坐標(biāo)。

勢能φ的數(shù)值大小主要受到3個因素的控制，即海表的熱輻射通量、潮流以及風(fēng)的攪動[23]。前者由于海水吸收太陽熱輻射抑制水體的垂向混合，后兩者分別通過水體與海底摩擦以及水體各層之間的剪切流導(dǎo)致水體的湍流混合和風(fēng)對表層海水的攪動，增強(qiáng)水體的垂向混合。φ值越大代表水體的垂向分層越好，近于或等于0則代表垂向混合較好[22-23]。

當(dāng)海面風(fēng)速較小時，相對于潮流而言，風(fēng)對水體混合的促進(jìn)作用是比較小的，這時潮流對于水體的混合起主要作用[23]。由于本研究區(qū)橫跨范圍不大，在最外側(cè)和最內(nèi)側(cè)的風(fēng)速觀測結(jié)果可以代表整個研究區(qū)的情況，另根據(jù)冬季大潮期間在灣內(nèi)的1#站位和灣外的7#站位進(jìn)行的風(fēng)速觀測結(jié)果（表1），在整個海流觀測期間，大多數(shù)時間段內(nèi)海表的風(fēng)速小于4 m/s，并且灣內(nèi)風(fēng)速小于灣外，僅在海流觀測末期東北風(fēng)開始增強(qiáng)，在這種風(fēng)況下風(fēng)的作用可以不進(jìn)行討論[25-26]。并且當(dāng)研究區(qū)域跨度較小時，在相同的時間段內(nèi)各站位海表熱輻射通量可視為一定值。因此本文中我們重點(diǎn)討論潮流的作用，即潮汐紊動（STI）對于水體混合的影響，潮動力引起的勢能變化率（STI）的計算公式為[23]：

式中ε為有效混合系數(shù)，k為底部拖曳系數(shù)，ud為底層流速。在這里根據(jù)Simpson的研究[23]，k值取0.002 5，ε取 0.003 8。

3 結(jié)果

3.1 溫鹽時空變化特征

本文中為了方便討論，根據(jù)站位的位置將1#、2#站位歸為灣內(nèi)站位，3#、5#、6#站位歸為灣口站位，4#、7#、8#站位歸為灣外站位。從溫度、鹽度時間序列圖來看（圖3），灣內(nèi)站位的溫度變化范圍為11.6～13.59 ℃，鹽度變化范圍為25.55～26.88PSU；灣口站位的溫度變化范圍為13.16～14.6 ℃，鹽度變化范圍為27.00～27.7PSU；灣外站位溫度變化范圍為12.5～14.65 ℃，鹽度變化范圍為26.45～29.1PSU。從灣內(nèi)向?yàn)惩?，溫度、鹽度值整體呈現(xiàn)遞增的趨勢。

在一個潮周期內(nèi)，6#站位的溫度、鹽度變化不大，其余各站位溫度、鹽度的變化特征表現(xiàn)為漲潮時溫度、鹽度升高，落潮時溫度、鹽度降低，各站位溫度、鹽度表現(xiàn)出隨潮流變化的周期性。灣外的7#站位，潮周期內(nèi)多數(shù)時刻溫度、鹽度在垂向上存在分層，表層溫度、鹽度低，底層溫度、鹽度高，同一時刻其表、底層鹽度差值最大可達(dá)到2.06PSU，這與前人對該區(qū)域進(jìn)行調(diào)查取得的結(jié)果一致[27]。其余各站位在一個潮周期內(nèi)，水體的垂向混合狀況好于7#站位，只在漲憩時刻附近水體存在微弱的分層現(xiàn)象。同時受太陽輻射的影響，在12～14時之間，各站位表層水溫會出現(xiàn)微弱的高值。

3.2 流速時空變化特征

研究區(qū)各站位海流流向以NW-SE向、E-W向?yàn)橹?，其?#、2#站位由于位于灣內(nèi)且水深較淺，潮流運(yùn)動形式明顯受海灣地形的影響表現(xiàn)為往復(fù)流，向?yàn)惩怆S著地形變得開闊潮流逐漸具有旋轉(zhuǎn)性，并且海流矢量的垂向平均值也向?yàn)惩膺f增（圖4）。根據(jù)海流流速的時間序列圖（圖6），灣外的站位流速最大，且各站位中上層流速明顯大于底層。灣內(nèi)各站位漲潮最大流速為53～73 cm/s，落潮最大流速為48～57 cm/s，漲落潮流速最大值分別出現(xiàn)在1#站位的0.2H和2#站位的表層；灣口各站位漲潮最大流速為 40～64 cm/s，落潮最大流速為 43～72 cm/s，漲落潮流速最大值分別出現(xiàn)在5#站位0.4H和6#站位表層；灣外各站位漲潮最大流速為50～75 cm/s，落潮最大流速為58～92 cm/s，漲落潮流速最大值分別出現(xiàn)在7#站位表層和8#站位0.2H。

表1 冬季大潮期海面風(fēng)速觀測表（1#、7#站）Table 1 Observations of sea surface wind speed at No.1 and No.7 station during the winter spring tide

圖3 各站位溫度（℃）、鹽度（PSU）時間序列圖Fig.3 Temperature （℃） and salinity （PSU） time series of each station

研究區(qū)各站位漲、落潮流在最高潮位前后大約3h達(dá)到最大值。在整個觀測期間（包含兩個完整的潮周期），各站位第二個潮周期的漲潮階段流速明顯大于第一個潮周期的漲潮階段，第一個潮周期落潮階段流速明顯大于第二個潮周期的落潮階段，相鄰潮周期潮流的不對稱現(xiàn)象明顯。1#、2#站位漲潮流明顯占優(yōu)，其余站位兩個潮周期內(nèi)最大流速均出現(xiàn)在第一個潮周期的落潮階段。從灣內(nèi)到灣外隨著水深的增大，落潮流的優(yōu)勢變得更為明顯。

3.3 懸浮泥沙濃度時空變化特征

在平面上，研究區(qū)各站位懸浮泥沙濃度從灣內(nèi)向?yàn)惩膺f減，灣內(nèi)站位平均含沙量為111.8～120.2 mg/L，灣口站位平均含沙量為 63.6～91.2 mg/L，灣外站位平均含沙量為32.2～82.9 mg/L。根據(jù)各站位漲、落潮垂向平均懸浮泥沙濃度平面分布圖（圖5），漲、落潮階段的垂向平均懸浮泥沙濃度的最大值分別出現(xiàn)在2#站位和1#站位，為131.4和112.8 mg/L；最小值均出現(xiàn)在7#站位，分別為27.2和34.9 mg/L。除灣外的7#、8#站位以及灣內(nèi)的1#站位，落潮階段的垂向平均懸浮泥沙含量大于漲潮階段外，其余各站位漲潮階段的垂向平均懸浮泥沙含量均大于落潮階段。

圖4 各站位垂向平均海流矢量圖Fig.4 Vertical average current vector of each station

圖5 各站位漲、落潮垂向平均懸浮泥沙濃度平面分布圖Fig.5 Horizontal distribution of vertical mean suspended sediment concentration at each station

根據(jù)懸浮泥沙濃度時間序列圖（圖6），各站位表層懸浮泥沙濃度低，底層懸浮泥沙濃度高，懸浮泥沙濃度變化滯后于流速變化。各站位表、底層潮平均懸浮泥沙濃度的最大差值出現(xiàn)在5#站位，差值為153.1 mg/L；最小差值出現(xiàn)在7#站位，差值為48.7 mg/L。對比流速與懸浮泥沙濃度時間序列圖，從漲潮初期開始，各站位隨著流速逐漸增大，底部泥沙的再懸浮作用以及水體垂向各層剪切形成湍流增強(qiáng)，底層泥沙再懸浮導(dǎo)致水體中懸浮泥沙濃度逐漸升高[28-29]；漲憩時刻由于流速較小，湍流混合減弱，泥沙顆粒受到的重力與湍流提供的支持力的平衡被打破，懸浮泥沙加速沉降到底層從而導(dǎo)致表底層的懸浮泥沙差值增大[30]，中上層懸浮泥沙濃度的低值會一直持續(xù)到落潮初期；隨著落潮階段流速的逐漸增大，再懸浮作用和湍流混合作用逐漸增強(qiáng)，水深逐漸減小，水體中懸浮泥沙濃度增高并向上擴(kuò)散，并持續(xù)到落憩時刻。

圖6 流速（cm/s）、懸浮泥沙（mg/L）濃度時間序列圖Fig.6 Time series diagram of flow rate （cm/s） and suspended sediment concentration （mg/L）

3.4 懸浮泥沙輸運(yùn)通量

為了更好地分析垂向上懸浮泥沙輸運(yùn)的差異，本文在垂向上將水體分為6層，并根據(jù)通量分解算法，將整個懸浮泥沙通量分為兩個部分：即平流輸運(yùn)項(xiàng)和潮泵項(xiàng)。前者主要受到余流和潮周期平均含沙量的控制，后者主要與潮不對稱現(xiàn)象相關(guān)[6-7,18]。根據(jù)計算結(jié)果（圖7），灣內(nèi)及灣口處的站位除底層外，其余各分層懸浮泥沙輸運(yùn)均是向陸的；灣外的4#、8#站位懸浮泥沙輸運(yùn)在垂向上存在轉(zhuǎn)向，表層輸運(yùn)向陸，向下各層則逐漸轉(zhuǎn)向海，而7#站位則相反，上層的懸浮泥沙向海輸運(yùn)，向下逐漸轉(zhuǎn)向陸。各站位各層懸浮泥沙輸運(yùn)的最大量值出現(xiàn)在3#站0.6H，為 13.012 g·m?2·s?1；最小量值出現(xiàn)在 8#站表層，為 1.483 g·m?2·s?1。綜合各站位垂向上整體的懸浮泥沙輸運(yùn)趨勢，在灣內(nèi)及灣口處是向陸的，在灣外轉(zhuǎn)為向海輸運(yùn)。

比較各站位垂向各分層的平流輸運(yùn)項(xiàng)和潮泵項(xiàng)的量值（表2），1#站位垂向各層均以平流輸運(yùn)項(xiàng)占優(yōu)，2#、5#站位表層至0.4H以潮泵項(xiàng)占優(yōu)，而0.6H至底層則以平流輸運(yùn)項(xiàng)占優(yōu)。向?yàn)惩怆S著潮流的不對稱現(xiàn)象變得明顯，各站位的潮泵項(xiàng)輸運(yùn)占據(jù)主導(dǎo)地位?？傮w而言，潮泵項(xiàng)對于研究區(qū)的懸浮泥沙輸運(yùn)起主要貢獻(xiàn)。

圖7 各站位各分層懸浮泥沙輸運(yùn)通量Fig.7 Vertical stratified suspended sediment transport capacity of each station

4 討論

4.1 水體垂向混合對懸浮泥沙垂向分布的影響

對于陸架淺海區(qū)域，水體的垂向混合主要控制因素包括海表面的熱輻射、潮流剪切以及風(fēng)的攪動，前者抑制水體的垂向混合，后兩者起到促進(jìn)作用[22-23]。水體的垂向混合狀態(tài)對懸浮泥沙的垂向分布有明顯的影響，水體垂向混合較弱而出現(xiàn)層化時會抑制底層懸浮泥沙的向上擴(kuò)散[18,30]。為了描述水體的垂向混合狀態(tài)，我們利用梯度Richardson數(shù)來描述水體的穩(wěn)定程度，并根據(jù)In（Rig/0.25）進(jìn)行繪圖，當(dāng)In（Rig/0.25）＜0時表示水體垂向混合較好，In（Rig/0.25）＞0時表示水體的垂向混合得到抑制。并根據(jù)各站位隨時間變化的水體完全混合所需要的勢能φ，估算水體的混合狀態(tài)；根據(jù)公式計算得到潮汐紊動引起的勢能變化率（STI），評估潮流對于水體混合起到的作用。

表2 各站位各層總懸浮泥沙輸運(yùn)通量中各輸沙項(xiàng)占比（單位：%）Table 2 Proportion of each sediment transport item in the total suspended sediment transport amount of each layer at each station （unit:%）

灣內(nèi)的1#、2#站位由于水深較淺，根據(jù)梯度Richardson數(shù)的結(jié)果只有在部分時刻水體出現(xiàn)微弱的層化（圖8）。水體完全混合所需的勢能φ值較小，最大僅約 1 J·m?3，并且φ值多數(shù)時間內(nèi)近于或等于0，僅在漲憩時刻前后出現(xiàn)較小的峰值（圖9），潮周期內(nèi)灣內(nèi)的水體垂向混合較好。潮汐紊動引起的勢能變化率（STI）在漲急和落急時刻出現(xiàn)峰值，同時由于水深較小潮動力的作用更為明顯，STI的數(shù)值超出其余站位大概一個數(shù)量級，在漲憩和落憩時刻STI值近于或等于0。因?yàn)樗w的垂向混合較好，除漲憩時刻開始至落潮初期潮流流速較小，泥沙沉降導(dǎo)致垂向上懸浮泥沙濃度出現(xiàn)明顯差異外，大多數(shù)時間段內(nèi)懸浮泥沙濃度垂向差異較小。

灣口的3#、5#、6#站位，在漲憩時刻前后部分層位In（Rig/0.25）＞0，說明此時水體的垂向混合得到抑制。各站位的勢能φ在漲憩時刻前后出現(xiàn)微小的峰值，且峰值較灣內(nèi)的站位有所增加，在大多數(shù)時間段內(nèi)φ值同樣近于或等于0，水體以垂向混合為主。潮流流速較大的時刻各站位潮汐紊動引起的勢能變化率（STI）出現(xiàn)極值，但STI的極值較灣內(nèi)的站位小，在漲憩時刻附近STI的值近于等于0，當(dāng)勢能φ出現(xiàn)峰值并且潮汐紊動引起的勢能變化率（STI）較小的時刻（圖9），懸浮泥沙濃度垂向梯度較大。

灣外的4#、7#、8#站位，由于水深進(jìn)一步增大，勢能φ的量值有所增加，并且大多數(shù)時間段內(nèi)φ值大于0。但由于水深較深，潮流的混合作用減弱，潮汐紊動引起的勢能變化率（STI）相比其余站位小，較高的φ值和較低的STI使得水體的垂向混合較弱，這在漲憩時刻附近更為明顯。根據(jù)圖8的結(jié)果，在漲憩時刻前后部分層位In（Rig/0.25）＞0，水體出現(xiàn)層化，但各站位潮周期內(nèi)水體中層化的范圍明顯大于灣內(nèi)及灣口的站位，水體層化導(dǎo)致的表底懸浮泥沙濃度差異更為明顯。尤其是7#站位，相比其余各站位，其水深最深，勢能φ的極值也最大，且在潮周期內(nèi)φ值一直為正。但由于水體各層流速剪切以及潮流與底床摩擦引起的湍流混合作用較弱，使得潮汐紊動引起的勢能變化率（STI）最小，水體的垂向混合較差[31]。同時水體中上部的層化也抑制了懸浮泥沙的上浮，并使得上層的懸浮泥沙加速回落到底層，表底懸浮泥沙濃度差增大[30]，導(dǎo)致了漲憩時刻前后中上層懸浮泥沙濃度出現(xiàn)低值。

圖8 各站位垂向梯度 Richardson 數(shù)時間序列圖Fig.8 Time series of gradient Richardson Numbers for each station

4.2 懸浮泥沙輸運(yùn)機(jī)制

研究區(qū)灣內(nèi)的1#、2#站位，其平流輸運(yùn)項(xiàng)量值在垂向上差異不大，且各層的泥沙輸運(yùn)均向陸（見圖7）。1#站位表層至0.6H潮泵項(xiàng)輸運(yùn)向陸，但0.8H和底層，由于落潮階段懸浮泥沙的濃度大于漲潮階段，造成了底層潮泵項(xiàng)向海輸運(yùn)[18]；而2#站位潮泵項(xiàng)的量值在垂向上有向下遞減的趨勢，但其輸運(yùn)方向均為向陸輸運(yùn)。需要注意的是，1#和2#站位位置相近，但潮泵項(xiàng)的量值卻差異較大，這可能是因?yàn)?#站位漲、落潮階段懸浮泥沙濃度相近，導(dǎo)致其潮泵項(xiàng)輸運(yùn)量值較低。

灣口的3個站位，3#站位的平流輸運(yùn)項(xiàng)和潮泵項(xiàng)的輸運(yùn)均向陸，相近的輸運(yùn)方向?qū)е聝烧忒B加后總泥沙通量量值較高。5#站位垂向各層的平流輸運(yùn)項(xiàng)的輸運(yùn)方向和量值近似，表層至0.8H潮泵項(xiàng)的輸運(yùn)向陸，而底層則同樣因落潮階段較高的懸浮泥沙濃度導(dǎo)致潮泵項(xiàng)的輸運(yùn)轉(zhuǎn)為向海。6#站位垂向各層的潮泵項(xiàng)輸運(yùn)均向陸，但各層的平流輸運(yùn)的方向則存在差異，其中表層至0.6H的輸運(yùn)向陸，而0.8H和底層則向海。結(jié)合4.1節(jié)的內(nèi)容，在海流觀測的兩個潮周期內(nèi)，6#站位在漲憩時刻前后水體中出現(xiàn)層化結(jié)構(gòu)（圖8），而在淺海區(qū)域，當(dāng)水體中存在層化結(jié)構(gòu)時，其會對潮流和余流的垂向結(jié)構(gòu)造成明顯的影響[32,33]，水體中表底的潮余流流速值和方向會存在較大的差異（圖10），這可能是導(dǎo)致平流輸運(yùn)方向轉(zhuǎn)向的主要原因。同時由于層化現(xiàn)象的存在，底層泥沙的懸浮擴(kuò)散得到抑制，而表層泥沙也會加速沉降，底層的懸浮泥沙濃度較高[30]，導(dǎo)致了除底層外，其余垂向各分層各輸運(yùn)項(xiàng)的量值較小。

灣外的3個站位，4#站位各層的平流輸運(yùn)在垂向上存在轉(zhuǎn)向（圖7），潮流的不對稱導(dǎo)致垂向各層的潮泵項(xiàng)輸運(yùn)是向海的。7#站位垂向各層的平流輸運(yùn)存在差異，在表層和0.2H向海，而中下層則因底層鹽度相對較高的海水隨著潮流沿地形上涌時，在下部形成向陸的正壓力，導(dǎo)致平流輸運(yùn)轉(zhuǎn)向陸[18]；流速較高的落潮流以及落潮階段較高的懸浮泥沙濃度導(dǎo)致潮泵項(xiàng)輸運(yùn)向海。同時潮周期內(nèi)水體中形成的層化結(jié)構(gòu)使得泥沙的再懸浮及擴(kuò)散得到抑制，表層懸浮泥沙濃度較低，雖然表層余流值較大但其輸運(yùn)通量值較?。▓D10），總的泥沙通量從表至底逐漸遞增。8#站位同樣由于層化結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致垂向各層的余流存在差異，進(jìn)而影響了各層的泥沙輸運(yùn)，表層及0.2H的平流輸運(yùn)方向不同于其余各分層；而落潮流占優(yōu)以及落潮階段的高濃度懸沙，導(dǎo)致了潮泵項(xiàng)向海輸運(yùn)。

5 結(jié)論

（1）冬季福寧灣附近海域從灣內(nèi)向?yàn)惩?，溫度、鹽度值整體呈現(xiàn)遞增的趨勢，并且在時間上表現(xiàn)出隨潮流的變化的周期性。

圖9 各站位水體混合所需勢能φ（實(shí)線）、潮汐紊動引起的勢能變化率STI（虛線）隨時間的變化Fig.9 Time series diagram of the potential energy required for water body mixing at each station （solid line） and the potential energy change rate （dotted line） caused by tidal turbulence

（2）研究區(qū)懸浮泥沙濃度整體呈現(xiàn)由灣內(nèi)向?yàn)惩膺f減的趨勢，潮周期內(nèi)懸浮泥沙濃度變化存在不對稱性，總體來說，灣內(nèi)及灣口處漲潮階段懸浮泥沙濃度高，灣外落潮階段懸浮泥沙濃度較高。

（3）從灣內(nèi)向?yàn)惩猓S著水深的增加，水體混合所需要的勢能φ增大，潮汐紊動引起的勢能變化率（STI）減小，潮周期內(nèi)水體的垂向混合逐漸減弱，懸浮泥沙濃度的垂向差異逐漸增大。

（4）研究區(qū)懸浮泥沙輸運(yùn)通量主要為1.483～13.012 g·m?2·s?1，各站位垂向上整體的懸浮泥沙輸運(yùn)趨勢，在灣內(nèi)及灣口為向陸輸運(yùn)，在灣外轉(zhuǎn)為向海輸運(yùn)；研究區(qū)懸浮泥沙輸運(yùn)主要是由潮泵項(xiàng)輸運(yùn)引起的。

圖10 各站位表層、0.6H、底層余流流矢圖Fig.10 Residual vector diagram of surface layer,0.6h and bottom layer of each station