威海灣夏季上升流現(xiàn)象及其對懸浮體輸運的影響

鐘偉，朱龍海,2，吳建政,2，胡日軍,2，朱穎濤，岳娜娜

1.中國海洋大學海洋地球科學學院，青島 266100

2.中國海洋大學海底科學與探測教育部重點實驗室，青島 266100

3.自然資源部第一海洋研究所，青島 266061

上升流是指海水由中、深層向海表的垂直運動，通常伴隨有表層海水低溫、高鹽等特征，夏季普遍存在于我國沿岸海域[1-2]。沿岸上升流是近岸環(huán)流的重要組成部分，通過垂向輸運可將深層海水中的營養(yǎng)物質帶至真光層，影響海區(qū)的初級生產(chǎn)力，是漁場形成的重要動力環(huán)境，也與赤潮等事件密切相關[3-4]；同時，上升流的存在對于沿岸海區(qū)生物、化學等要素的分布和懸浮泥沙的輸運也有重要影響[5-7]。

我國沿岸上升流的研究始于20 世紀60 年代，主要集中在東海和南海沿岸，包括長江口外及浙江沿岸上升流[4,8]，粵東、閩南沿岸上升流[9-11]和瓊東沿岸上升流[1, 12]等。對于黃海的上升流則報道較少，而且已有的研究主要針對陸架潮汐鋒及表層冷水現(xiàn)象。夏季黃海表層存在多個冷水斑塊，其分布具有地點選擇性，發(fā)生在山東、遼東半島頂端、蘇北淺灘外側和朝鮮半島西岸，近岸水溫較外海低約2～5 ℃[13-15]。夏綜萬和郭炳火將其解釋為潮流繞半島形成的上升流[14]；趙保仁將其歸因于潮混合作用，由底層低溫水體和表層高溫水體混合形成，鋒面處伴有鋒面上升流[13,16]；呂新剛通過數(shù)值模擬的方法認為該現(xiàn)象由潮致上升流和垂向混合效應共同作用形成，并給出了黃海夏季上升流的分布及其潮生機制[15, 17]。

前人對于夏季黃海上升流的研究主要集中在其分布特征和機制解釋方面，采用的實測資料多基于20 世紀80 年代的調查成果，缺乏高精度、高分辨率的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和同步的海面風場、潮流觀測資料，相對于南海和東海沿岸，對黃海上升流缺乏系統(tǒng)的研究，對其空間結構、演變、對海面風場的響應和水體濁度的影響等鮮有論及。黃海是典型的高濁度陸架海區(qū)，受黃河、長江等大型河流入海物質的影響，發(fā)育有多個全新世泥質沉積體[18-19]，夏季冷水斑塊發(fā)生的地方往往也是懸浮體的高濃度區(qū)[20]，因此研究黃海上升流及其對懸浮體運移的影響具有重要意義。

2018 年夏季，中國海洋大學在威海灣及鄰近海域進行了海洋水文綜合調查，發(fā)現(xiàn)威海灣存在上升流現(xiàn)象。本文根據(jù)2018 年7—8 月的實測海水溫度、鹽度、濁度、潮流等水文資料，結合海面風場和同期遙感SST 數(shù)據(jù)，討論分析了夏季威海灣上升流現(xiàn)象及對懸浮體輸運的影響。

1 研究區(qū)概況

威海灣位于山東半島東北部，瀕臨北黃海，平均水深7 m，面積約60 km2，近似屬于半開敞型海灣[21-22]。劉公島將海灣灣口分為南北兩部分（圖1），北側口門較窄，約1.8 km，水深為8～20 m；南側口門較寬闊，寬約3.8 km，水深為12～16 m。海灣的潮流運動受北黃海左旋潮波控制，平均潮差1.3 m，屬于不正規(guī)半日潮[23]。北側口門流速較大，潮流運動形式為往復流，南側口門以旋轉流為主，流速較小[24]。灣內的沉積物以黏土質粉砂為主，中值粒徑為5.7～6.7Φ，約占整個海灣的80%；以砂為主的粗粒沉積主要分布在近岸破波帶內，中值粒徑為2.3～2.9Φ[23]。威海灣地處東亞季風區(qū)，夏季盛行東南風，冬季以西北風為主。注入威海灣最大的河流為風林河，全長10 km，屬于季節(jié)性雨源河流，年輸沙量約1.02 萬t[25]。

2 資料來源與方法

大面站海水溫度、鹽度、濁度剖面數(shù)據(jù)取自2018 年夏季在威海灣及鄰近海域進行的水文要素的走航觀測結果，共包括87 個站位，設7 條主要斷面，觀測時間為2018 年7 月31 日至8 月4 日。調查期間采用美國TRDI 公司生產(chǎn)的CTD-NV 溫鹽深儀（溫度數(shù)據(jù)精度為±0.005 ℃，電導率精度為±0.009 mS/cm，壓力精度為±0.05%）和英國AQUATEC 公司生產(chǎn)的Logger 210TY 濁度計（量程0～2 000 FTU）獲取水體剖面溫鹽和濁度數(shù)據(jù)，采樣頻率分別為5 Hz和1 Hz，垂向分辨率一般小于0.5 m。調查期間以南風為主，風速小于5 m/s。調查站位布設見圖1。

水位、潮流和近底溫度數(shù)據(jù)取自2018 年夏季布放于威海灣南北兩個口門中部的座底三角架觀測系統(tǒng)（布設位置見圖1），T1、T2 的平均水深分別為13.5 和15.5 m，觀測時間為2018 年8 月5—15 日。搭載儀器包括一臺美國LinkQuest 公司生產(chǎn)的600 kHz ADCP、一臺挪威Nortek 公司生產(chǎn)的6 MHz ADV 和一臺CTD-NV 溫鹽深儀。其中ADCP 用于測量垂向海流剖面，流速精度為±0.25%或±2.5 mm/s，垂向分辨率為1 m，向上發(fā)射脈沖；近底流速數(shù)據(jù)由ADV 獲得，流速精度為±0.5%或±1 mm/s，用于彌補由于ADCP 換能器高度及盲區(qū)造成的底層數(shù)據(jù)缺失；CTD 用于觀測近底海水溫度和水位變化。為便于分析海灣水體交換情況，對潮流矢量進行了垂直口門方向和平行口門方向的分解，T1、T2 站位垂直口門方向分別為與正北夾角28°和66°。所有儀器采樣間隔均為60 min，三角架觀測系統(tǒng)儀器布設情況見表1。

海面上空10 m 處的風場數(shù)據(jù)獲取自美國環(huán)境預測中心（NCEP）提供的第二代氣候預報系統(tǒng)（CFSv2），空間分辨率為0.2°×0.2°，時間分辨率為1 h。本文選取座底三角架觀測系統(tǒng)所在站位的風場數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址為https://rda.ucar.edu/。海表溫度（SST）數(shù)據(jù)選用全球高分辨率海表面溫度（GHRSST）項目提供的融合網(wǎng)格化日平均海表溫度數(shù)據(jù)，其空間分辨率為0.01°×0.01°，時間分辨率為1 d。數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址為https://www.ghrsst.org/ghrsst-dataservices/services/。

圖 1 研究區(qū)地理位置及調查站位分布Fig.1 Location of the study area and sampling stations

表1 三角架觀測系統(tǒng)儀器布設及參數(shù)設定情況Table 1 Summary of instruments and sampling parameters at tripod stations

3 結果

3.1 威海灣的上升流現(xiàn)象

圖2和圖3分別為2018年7月31日至8月4日大面站調查期間研究區(qū)的海水溫鹽平面分布及典型斷面溫度分布圖。由圖2a 可以看出，表層（海面下2 m）出現(xiàn)2 處孤立的冷水斑塊，較周圍水溫低約4～5 ℃，分別位于威海灣內和研究區(qū)東側靠近成山頭處。威海灣內表層水溫低于23 ℃，冷水中心溫度約為20 ℃，2 條低溫水舌近似垂直于口門向灣外擴展，于口門處形成較強的溫度鋒面，變化梯度可達0.6～0.8 ℃/km。表層溫度由近岸向海逐漸升高，灣外普遍高于25 ℃，研究區(qū)中部高于27 ℃。底層水溫由陸向海逐漸降低（圖2b），灣內為19～20 ℃，灣外最低可至15.5 ℃，研究區(qū)西側底層水溫明顯低于東側。

研究區(qū)海水鹽度分布較為均勻，表層鹽度為31.72～32.41PSU，其分布特征與溫度類似，灣內和研究區(qū)東側鹽度相對較高，由陸向海逐漸減?。▓D2c）。底層鹽度較表層略有降低（圖2d），為31.86～32.08 PSU，近岸淺水區(qū)和離岸深水區(qū)無明顯差異，分布較為均勻。

為說明研究區(qū)水文要素的垂直分布特征，選取2 條典型斷面進行分析，斷面Ⅱ、Ⅲ近似垂直于岸線，分別橫穿北側、南側口門由灣內延伸至灣外約40 km（圖1）。海底地形自灣內向外海逐漸下傾，灣內海底坡度較大，灣外相對平緩。由于研究區(qū)鹽度變化較小，本文僅選取溫度進行討論。由圖4 可以看出，溫躍層出現(xiàn)在海面以下10～15 m 處，等溫線有由海向陸沿地形逐漸抬升的趨勢，如斷面Ⅱ中21 ℃等溫線由WH30 站位處的?13 m 抬升至WH21站位處的?1.5 m。兩條斷面的等溫線均在口門處呈尖錐狀向上拱起，具有冷水涌升的特征，其兩側呈下凹趨勢，其中斷面Ⅱ北側口門處灣內與灣外水體存在一明顯的溫度鋒面。

圖 2 2018 年夏季大面站調查期間研究區(qū)溫度、鹽度平面分布a、b 為表底層溫度平面分布，c、d 為表底層鹽度分布。Fig.2 Plane distributions of temperature in the surface (a), bottom layers (b) and salinity in the surface (c),bottom layers (d) over the study area during the grid stations cruise

夏季表層低溫高鹽現(xiàn)象及等溫線的向岸抬升是上升流存在的重要特征[11,17]。結合圖2、3 可知2018 年7 月31 日至8 月4 日觀測期間，威海灣內存在明顯的上升流現(xiàn)象。灣內被溫度小于23 ℃的冷水占據(jù)，其源頭來自灣外的中底層水體，上升流中心區(qū)域位于口門處，22 ℃等溫線可穿透至海表，南側口門上升流強度大于北側口門。

3.2 威海灣上升流的時空特征

為了解威海灣上升流的時空變化特征，選取與座底三腳架觀測同步的日平均SST 遙感數(shù)據(jù)和海面風場數(shù)據(jù)，分析上升流的短期變化特征。觀測期間威海灣局地風場變化情況如圖4 所示。2018 年8 月6—8 日，威海灣盛行西南風，在8 月8 日轉為西北風并持續(xù)至8 月11 日，8 月11—15 日，風向又轉至夏季盛行的東南風。

由圖5a 可以看出，8 月6 日山東半島東部近岸海域存在明顯的表層冷水現(xiàn)象和多個獨立的冷水中心，分別位于威海灣內、威海灣東側和成山頭附近。威海灣內表層水溫低于26 ℃，灣外水溫大于28 ℃，口門處存在較強的溫度鋒面。8 月9 日研究區(qū)轉為西北風后，威海灣內仍然被低溫水體占據(jù)，但表層水溫有所升高，溫度鋒面明顯減弱（圖5b）。至8 月11 日北風持續(xù)作用3 天后，由圖5c 可以看出，威海灣內已被高于28 ℃的暖水覆蓋，與灣外溫度接近，上升流幾乎消失。8 月13 日，隨著西北風轉為東南風，灣內再次被小于27 ℃的低溫水體占據(jù)，上升流逐漸恢復（圖5d）。

圖 3 2018 年夏季大面站調查期間研究區(qū)斷面Ⅱ（a）、斷面Ⅲ（b）水溫斷面分布（圖中藍線代表口門位置）Fig.3 Vertical distributions of temperature at transect Ⅱ, Ⅲ during the grid stations cruise(The blue line represents the location of the bay mouth)

圖 4 三腳架觀測期間威海灣局地風場變化情況Fig.4 Winds vector during the tripod observation at Weihai Bay

綜上所述，隨著局地風場的變化，觀測期間威海灣上升流呈現(xiàn)穩(wěn)定、減弱、消失、恢復的階段性變化。

4 討論

4.1 威海灣上升流的控制因素

以往研究表明[2,14-16]，誘生和影響沿岸上升流的主要動力機制包括風應力驅動的沿岸上層海水Ekman 離岸輸運、海底地形對海流的抬升作用、強潮流引起的潮混合及鋒面環(huán)流、潮流繞半島的離心運動等。由于海區(qū)特征的復雜性和海水運動的多樣性，誘導局地上升流的控制因素往往是多因子的共同作用[10, 15]。

（1）局地風場對威海灣上升流的影響

就全國范圍來看，夏季沿岸上升流通常是西南季風驅動的。根據(jù)經(jīng)典?？寺骼碚摚斒⑿酗L與岸線平行時，有利的風向會驅使表層海水離岸輸運，外海深層海水向岸輸送進行補償，從而在沿岸形成上升流。Tomczak[26]指出，在近岸的海灣、岬角等曲折岸線區(qū)域，有利于誘發(fā)上升流的風向是垂直海岸而不是平行海岸。根據(jù)3.2 節(jié)分析，威海灣上升流的變化特征與風向密切相關，為了探討局地風場對上升流的影響，本文利用座底三腳架觀測系統(tǒng)獲取的底層水溫、水位、潮流時間序列進行分析。水溫、水位數(shù)據(jù)通過低通濾波去除潮信號的影響，潮流數(shù)據(jù)經(jīng)調和分析得到各層余流。由于濾波器的原因會導致起始階段結果失真，因此選取2018 年8 月6—15 日的結果進行解釋。

底層水溫可以有效地反映上升流的強度變化[1,27]。由圖6 可以看出，8 月6—8 日，在持續(xù)的西南風作用下，兩個站位的底層水溫維持在20 ℃左右并逐漸降低，說明上升流處于較為強盛的階段且比較穩(wěn)定。8 月8—11 日，威海灣被偏北風控制，上升流強度逐漸減弱甚至被破壞，對應的底層水溫迅速升高，由20 ℃升至23 ℃。8 月11—15 日，局地風場轉為東南向后，底層水溫開始緩慢下降，說明上升流逐漸恢復。

圖 5 2018 年8 月山東半島東部近岸海域GHRSST 海表溫度（SST）平面分布a: 8 月6 日，b：8 月9 日，c：8 月11 日，d：8 月13 日。Fig.5 Plane distributions of sea surface temperature (SST) obtained from GHRSST off the eastern tip of Shandong Peninsular in August, 2018a: Aug 6, b: Aug 9, c: Aug 11, d: Aug 13.

從水位變化曲線（圖6e、f）可以看出，8 月6—8 日、11—15 日期間，受偏南風的影響，威海灣內水位逐漸上升；偏北風作用期間（8—11 日），灣內水位總體呈下降趨勢。為說明灣內水體的運動規(guī)律，探討上升流水體的來源，選取垂直口門方向的余流變化進行分析討論。圖6g、h 分別為北側口門和南側口門處的余流剖面，圖中正值表示海水流出口門方向，從中可以看出，兩個站位的余流受風向的影響較為顯著。在偏南風的作用下，上層海水（3～5 m 以淺）均以離岸運動為主，在偏北風時轉為向岸運動。而中下層水體表現(xiàn)出不同的運動趨勢，T1 站位的中下層余流均指向灣外，T2 站位呈兩層結構，表底余流方向相反。由此可知，威海灣上升流水體主要來源于灣外的中下層冷水，在偏南風的作用下，表層水體離岸輸運，外海中下層冷水主要從南側口門進入威海灣，造成水位升高，過剩的水體則通過北側口門流出灣外。

綜上，威海灣上升流主要是由夏季偏南風驅動產(chǎn)生的，Ekman 效應帶來的上層海水離岸輸運是其形成的重要因素。威海灣夏季上升流是間歇性的，與風向密切相關。

（2）海底地形對威海灣上升流的控制作用

圖 6 2018 年8 月三角架觀測系統(tǒng)T1、T2 站位風速矢量、底層水溫、水位變化和垂直口門余流剖面時間序列Fig.6 Time series of winds, near-bed water temperature, water level and across-mouth components of residual currents at site T1 and T2 in August, 2018

海底地形對上升流的分布和結構特征具有一定控制作用[28]。為說明地形對威海灣上升流的影響，選取斷面Ⅰ、Ⅳ與斷面Ⅱ、Ⅲ進行對比分析。斷面Ⅰ地形較為復雜，由陸向海水深先變淺再逐漸變深，如圖7a 所示，10 m 以深的等溫線隨地形由WH09 站位向WH03 站位逐漸抬升，具有冷水爬坡的特征，由于WH03-WH01 站位之間水深變深，阻礙了外海冷水向近岸的繼續(xù)入侵。斷面Ⅳ地形變化較小，由陸向海逐漸下傾，坡度較緩，對應的等溫線由WH79 站位向WH72 站位緩慢抬升。

等溫線向岸抬升的高度可以代表上升流的強弱[29]。與斷面Ⅱ、Ⅲ相比，斷面Ⅰ、Ⅳ等溫線雖有向近岸抬升的趨勢，但抬升高度明顯較小，說明上升流強度較弱。以往研究表明，上升流中心多集中在地形急劇變化處[8]，從斷面Ⅱ、Ⅲ（圖3）可以看出，威海灣口門處地形坡度較大，等溫線呈尖錐狀向上凸起，上升流較強而且能夠到達海表。而斷面Ⅰ、Ⅳ地形坡度較緩，受寬緩地形底摩擦作用的影響[30]，上升流強度較弱，無法到達10 m 以淺的位置（圖7a）。因此，威海灣上升流是局地風場和地形共同作用的結果，夏季偏南風是上升流產(chǎn)生的先決條件，而海底地形則對上升流的強度具有重要影響。威海灣口門附近地形起伏較大，有利于形成較強的上升流。

4.2 上升流對懸浮體輸運的影響

前人研究發(fā)現(xiàn)，中國陸架海的泥質沉積與上升流的位置有很好的對應關系，并進一步提出“陸架上升流會形成泥質斑塊沉積”的理論[7]，盡管這一理論未得到進一步證實，卻使上升流區(qū)的懸浮體輸運和沉積過程受到廣泛關注[5,31]。威海灣位于山東半島東北部，其外側海域是黃河入海泥沙通過渤海海峽向黃海輸運的通道，在該海域發(fā)育有山東半島近岸泥質區(qū)[18,32]。流入威海灣的河流均為短小的山溪性雨源河流，僅在夏季輸沙，輸沙量較小且主要為粗粒沉積物，而灣內沉積物以黏土質粉砂為主，鉆探結果表明其沉積厚度可達14 m[23]。威海灣內無大型河流注入，灣內卻發(fā)育有較厚的細粒沉積，其主要沉積物來源可能來自于灣外。

水體濁度可以有效地反映懸浮體濃度信息。圖8 為斷面Ⅱ、Ⅲ的濁度分布，從中可以看出，高濁度水體主要集中在溫躍層以下，灣外的水體濁度大于灣內，底層高于表層。濁度分布與水溫分布特征較為一致，等值線在口門處凸起，具有向上涌升的趨勢，北側口門處亦存在明顯的濁度鋒面，與圖3a 中的溫度鋒面相對應。選取WH19-WH23、WH53-WH58 站位相同水深的濁度和溫度數(shù)據(jù)進行相關性分析，結果表明水體濁度與溫度具有高度相關性，相關系數(shù)分別為0.81 和0.85。以上分析表明上升流區(qū)的懸浮體分布明顯受到海水溫度結構的影響。上升流可能對威海灣的懸浮體輸運起到重要作用。一方面，數(shù)值模擬結果表明上升流的流速與懸浮泥沙的沉降速度量值相當[31]，上升流水體的涌升能夠減緩懸浮體的沉降速度，泥沙得以在水體中保持懸浮，進而在潮流的作用下進行輸運；另一方面，泥沙輸運主要發(fā)生在底部邊界層[33]，上升流的存在能夠驅動外海底層海水的向岸輸送，如王愛軍等[34]發(fā)現(xiàn)臺灣海峽西南部海域沉積物有向岸輸運的趨勢，并通過有機碳與氮原子的比值，將懸浮體的向陸輸運歸因于上升流的作用。與沿岸流相比，近岸上升流的量級甚小，其沉積效應和對懸浮體的輸運機制需要結合數(shù)值模擬進一步深入研究。

圖 7 2018 年夏季大面站調查期間研究區(qū)斷面Ⅰ（a）、斷面Ⅳ（b）水溫斷面分布Fig.7 Vertical distributions of temperature at transect Ⅰ, Ⅳ during the grid stations cruise

圖 8 2018 年夏季大面站調查期間研究區(qū)斷面Ⅱ（a）、斷面Ⅲ（b）濁度斷面分布（圖中藍線代表口門位置）Fig.8 Vertical distributions of turbidity at transect Ⅱ, Ⅲ during the grid stations cruise(The blue line represents the location of the bay mouth)

黃河作為世界上含沙量第二高的大河，是影響渤黃海沉積格局的主要物質來源。一般認為，黃河入海泥沙主要通過渤海海峽南部向北黃海輸運，部分沉積在山東半島北部，其余部分繞過成山頭成為南黃海泥質區(qū)的主要物源之一[18,32]。210Pb 測年數(shù)據(jù)表明成山頭東北端為沉積速率的低值區(qū)[35-36]，同時，沉積物粒度較南北兩側變粗，砂含量明顯增加[37]，說明在強水動力作用下再懸浮作用強烈。Zhong 等[38]近期研究成果表明夏季威海灣南側口門懸浮泥沙濃度變化受控于平流輸運，其輸運方向指向灣內。成山頭附近海域是懸浮體濃度的高值區(qū)，再懸浮的沉積物可在潮流作用下進入威海灣沉積，成為現(xiàn)代灣內泥質沉積的主要來源之一，而上升流的存在可為底層海水提供向岸運動的分量。

5 結論與展望

（1）實測海水水溫和鹽度數(shù)據(jù)表明夏季威海灣內存在明顯的上升流現(xiàn)象，其中心位于口門附近。威海灣夏季上升流是間歇性的，與風向密切相關，觀測期間隨著局地風場經(jīng)歷西南風、西北風和東南風的轉變，上升流呈現(xiàn)穩(wěn)定、減弱、消失、恢復的階段性變化。

（2）威海灣上升流主要由夏季偏南風驅動產(chǎn)生，在風應力的作用下，上層海水以離岸運動為主，外海中下層冷水主要通過南側口門進入灣內，造成底層水溫降低，水位升高，過剩的水體主要通過北側口門流出灣外。同時，海底地形對上升流的強度具有重要影響。

（3）研究區(qū)水體濁度的分布狀態(tài)與海水溫度場具有高度相關性，濁度等值線在口門處凸起，具有向上涌升的趨勢。成山頭附近海域再懸浮的泥沙可能是威海灣內泥質沉積的主要來源之一，上升流的存在一方面可以減緩懸浮體的沉降速度，另一方面為底層海水提供向岸運動的分量。

（4）由于上升流流速甚小，目前無法通過儀器直接觀測證實。在本文研究的基礎上，下一步將開展數(shù)值模擬工作，為類似海灣中的上升流問題提供理論支撐，并對其沉積效應和對懸浮體的輸運機制進行進一步深入探討。