基于GOCI和FVCOM的黃河口切變鋒特征與泥沙輸運研究

毛 政， 王 楠， 宋德海,2， 鮑獻文,2， 仲 毅

(中國海洋大學 1. 海洋與大氣學院； 2. 物理海洋教育部重點實驗室； 3. 海洋地球科學學院， 山東 青島 266100)

河口是陸海相互作用地帶，河口泥沙輸運是研究陸海相互作用的重要內(nèi)容[1]。黃河口是典型的高濁度河口，入海泥沙量巨大。黃河入海泥沙大部分沉積在河口附近，秦蘊珊等[2]研究表明，大約70%的黃河入海泥沙沉積在距河口10～15 km范圍內(nèi)。切變鋒是控制黃河入海泥沙擴散以及河口演變的一個重要因素[3-5]，在潮流和切變鋒的共同作用下，黃河入海泥沙大部分沉積在河口附近5 m等深線以淺的范圍內(nèi)[5]。研究切變鋒的特征及其對泥沙輸運的影響，對于理解黃河口泥沙輸運過程具有重要意義。

切變鋒是指流向相反或流速差異顯著的兩個水體間的水流剪切界面，切變鋒處具有低流速的特征，有著顯著的流速梯度、懸浮泥沙濃度(SSC)梯度和溫鹽梯度[4]。切變鋒最早于1976年由Ingram報道[6]，此后其他河口也有切變鋒的相關(guān)研究[3,7-9]。

黃河口切變鋒于1994年被李廣雪等[3]首次報道，此后有不少工作都對黃河口切變鋒進行了研究[1,4-5,10-15]。這些研究[1,3,4-5,10-15]表明，黃河口切變鋒在潮周期內(nèi)存在內(nèi)漲外落(IFOE)和內(nèi)落外漲(IEOF)兩種形態(tài)，并且交替出現(xiàn)，每次出現(xiàn)約持續(xù)2～3 h，持續(xù)時間共占整個潮周期的1/3左右。黃河口切變鋒形成的主要原因是地形，地形的顯著差異使得近岸和離岸潮流的相位不一致，切變鋒近岸一側(cè)潮流流向先于遠岸一側(cè)轉(zhuǎn)變，使鋒面兩側(cè)形成了流速剪切，并導致切變鋒形成后由陸向海移動。隨著黃河口地形的變化，黃河口切變鋒的形成位置、鋒的長度和強度等都有所變化。岸線、徑流等對黃河口切變鋒的形成影響較小，底摩擦能改變切變鋒的強度，但對其位置幾無影響。

切變鋒對黃河口泥沙的影響主要表現(xiàn)在：切變鋒處具有低流速特征，使懸浮泥沙失去動能，使其難以跨鋒面輸運而快速沉積在鋒面內(nèi)側(cè)[3,11-12]。切變鋒會影響黃河口泥沙輸運路徑，有關(guān)切變鋒作用下黃河口泥沙輸運路徑的研究頗多，如王厚杰等[1]研究表明，在潮流和切變鋒的作用下，黃河入海泥沙主要隨落潮流向北輸運，極少向南輸運；Wang等[4]提出了鋒區(qū)泥沙輸運的概念，認為黃河入海泥沙主要在切變鋒內(nèi)側(cè)隨落潮流向東北輸運，繼而在切變鋒外側(cè)隨漲潮流向東南輸運；Wang等[16]研究表明，黃河入海泥沙主要沿萊州灣近岸向渤海海峽輸運。盡管如此，目前黃河入海泥沙輸運路徑尚無定論，需要進一步研究。

此外，眾多研究關(guān)注的多為調(diào)水調(diào)沙等高水沙量期間的黃河口切變鋒特征及其對泥沙輸運的影響，非汛期黃河口切變鋒的研究較少。Bi等[5]通過現(xiàn)場實測對2003年非汛期黃河口切變鋒進行了研究，但其研究僅針對三條斷面，所覆蓋的空間范圍有限，對切變鋒影響河口泥沙輸運路徑的研究不足，且隨著黃河口岸線、地形以及動力環(huán)境的變化，相比2003年，現(xiàn)行黃河口切變鋒的特征及其對泥沙輸運的影響可能也發(fā)生了變化，而相關(guān)研究較少，因此需要對其進行研究。

前人對黃河口切變鋒的研究主要運用數(shù)值模擬和多船同步觀測的手段，但鋒面在潮汐和地形控制下具有明顯的時空變化特征，覆蓋范圍較大，多船同步觀測難以全面地描述鋒面過程且成本較高，數(shù)值模擬結(jié)果可以較好地拓展鋒面的時空范圍認識，但泥沙輸運的模擬結(jié)果通常存在較大誤差，也缺乏較大范圍的實測驗證。

衛(wèi)星遙感觀測在一定程度上能克服海況和天氣的限制，并且其觀測空間范圍廣、數(shù)據(jù)獲取相對便捷，不失為一種研究海洋鋒的有效手段。近年來進行了海洋鋒的衛(wèi)星遙感研究，如Shaw等[17]利用改進型甚高分辨率輻射計(Advanced Very High Resolution Radiometer，AVHRR)的海表面溫度(SST)遙感影像研究了海洋溫度鋒的不同時間尺度變化；Li等[11]和Wang等[4]利用陸地衛(wèi)星(Landsat)遙感影像研究了切變鋒的特征及其對泥沙輸運的影響。然而，包括Landsat在內(nèi)的絕大多數(shù)衛(wèi)星，其時間分辨率不足以揭示潮周期內(nèi)切變鋒的特征。而靜止軌道海洋水色成像儀(Geostationary Ocean Color Imager, GOCI)具有逐時觀測海面的特性，這使得其監(jiān)測海洋鋒、近岸水體SSC的潮周期甚至逐時變化成為可能。Hu等[18]的研究表明，GOCI適用于研究高濁度海區(qū)泥沙鋒的逐時變化。

因此，本文利用GOCI遙感數(shù)據(jù)反演海表SSC，并結(jié)合數(shù)值模型，研究現(xiàn)行黃河口的切變鋒特征及其對河口泥沙輸運的影響，這是對以往研究手段的一種有效補充，可加深對黃河口切變鋒潮周期內(nèi)變化規(guī)律的認識，并能得到在切變鋒影響下泥沙輸運通量與泥沙輸運路徑。

1 研究區(qū)域

本研究區(qū)域為黃河口附近海域，南起萊州灣西北部，北至孤東附近，經(jīng)緯度范圍為：118°54′E—119°30′E，37°30′N—38°00′N。渤海以及萊州灣的水深如圖1所示，渤海平均水深為18 m，最大水深為85 m，大部分海域水深不足50 m，而萊州灣和黃河口的水深在20 m以淺。

黃河改道頻繁，1996年黃河由清水溝老河口改道清8出汊口入海，因此黃河口附近海域形成了兩個分叉口，即現(xiàn)行清8出汊口和清水溝老黃河口(見圖1(b)、(d))。

黃河口以北的孤東附近海域有一個半日潮無潮點，無潮點附近為全日潮，潮差小，越遠離無潮點，半日潮性質(zhì)越明顯。黃河口北側(cè)以不規(guī)則日潮為主，南側(cè)以不規(guī)則半日潮為主。黃河口潮流主要為往復流，潮流橢圓長軸與海岸平行。漲潮時潮流往南流入萊州灣，落潮時往北流出萊州灣[19]。

黃河是黃河口和萊州灣乃至渤海海域最大的陸源輸入，以含沙量高著稱，根據(jù)2018年中國河流泥沙公報(http://www.mwr.gov.cn/sj/tjgb/zghlnsgb/)，黃河下游利津站測得近10年黃河年平均徑流量為178.3億m3，年平均輸沙量為1.05億t，年平均含沙量為0.860 kg·m-3。受黃河徑流的影響，黃河口附近海域懸浮泥沙濃度高、水體渾濁，是典型的高濁度河口。河口泥沙以粉砂、粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土為主[20]。

黃河口泥沙輸運分為異重流和異輕羽狀流兩種形式，隨著黃河入海水沙量的減少，異重流已較為罕見，異輕羽狀流成為河口泥沙輸運的主要形式[1,21-22]。黃河口泥沙輸運和擴散受季風影響較大，夏季黃河口成為泥沙的“匯”，冬季成為泥沙的“源”，形成了“夏儲冬輸”的格局[23]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

潮位、潮流和分潮：潮位和潮流驗證數(shù)據(jù)均來源于國家自然科學基金-山東聯(lián)合基金(U1706215)2018年秋季航次。于濰坊港使用潮位儀測量1個月，測量了從北京時間2018年10月20日0:00起至11月20日23:00期間的潮位，測量間隔為1 h；潮流驗證數(shù)據(jù)為多船同步觀測數(shù)據(jù)，站位分布如圖1(a)所示，使用亞力克海流計測量，測量了從北京時間2018年10月30日11:00起至31日12:00期間共26 h的海流數(shù)據(jù)，測量間隔為1 h。分潮調(diào)和常數(shù)的驗證資料為龍口、濰坊、孤東等8個驗潮站(見圖1(a))2018年全年潮位資料經(jīng)t_tide工具包調(diào)和分析得到；模型開邊界分潮調(diào)和常數(shù)來源于TPXO.9模型(https://www.tpxo.net/global/tpxo9-atlas)。

(a)為渤海水深與調(diào)查站位；(b)為黃河口位置及其附近海域的水深；(a)、(b)中填充色為水深，單位為m。(a)中實心點為實測SSC站位，星號為驗潮站，C1～C6為海流和SSC站位;(b)中虛線框為黃河口。(a)Bathymetry and survey stations in Bohai Sea；(b)Location of Yellow River Estuary and bathymetry off Yellow River Estuary；The fill color in (a) and (b) represents the bathymetry, Unit: m. The solid points in a represent the measured SSC stations. Tidal stations are marked by asterisk and C1～C6 are both the current stations and SSC stations. The dashed box in (b) is the Yellow River Estuary.)圖1 研究區(qū)域站位分布(a)和水深(b)及模型計算區(qū)域網(wǎng)格(c)和黃河口區(qū)域網(wǎng)格(d)Fig.1 Survey stations(a) and bathymetry(b) in the study area and mesh grid of the entire computation area (c) and zoom-in Yellow River Estuary(d)

懸浮體：實測SSC數(shù)據(jù)來源于2011—2018年期間國家自然科學基金委渤、黃海共享航次及課題組2017—2018年渤海的歷史調(diào)查資料。通過對表層(約0.5 m)水樣進行現(xiàn)場抽濾、烘干、稱重、計算表層SSC，共獲得SSC有效數(shù)據(jù)590個。

遙感：SSC遙感資料使用GOCI衛(wèi)星Level 1B遙感數(shù)據(jù)，來源于韓國海洋衛(wèi)星中心(Korea Ocean Satellite Center, KOSC)官網(wǎng)(http://222.236.46.45/nfsdb/COMS/)。渤海岸線數(shù)據(jù)提取自Landsat衛(wèi)星2016年10月遙感影像(https://glovis.usgs.gov/)。

水深：模型所用水深數(shù)據(jù)融合了海軍航保部2019年萊州灣海圖數(shù)據(jù)和DBDB5渤黃海水深數(shù)據(jù)[24]。

氣象：本研究所用的風場數(shù)據(jù)來自ERA5再分析數(shù)據(jù)(https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/search?type=dataset&text=ERA5)，水平分辨率為0.25(°)×0.25(°)，時間分辨率為1 h。

徑流：黃河2018年徑流量數(shù)據(jù)為利津站實測逐日數(shù)據(jù)。

2.2 遙感反演

GOCI是世界上第一顆靜止軌道海洋水色成像儀，由KOSC于2010年發(fā)射，搭載于通信、海洋和氣象衛(wèi)星(COMS，Communication, Ocean and Meteorological Satellite)上，KOSC從2011年4月開始提供數(shù)據(jù)，并在2011年9月發(fā)布了專門處理GOCI數(shù)據(jù)的軟件GDPS(GOCI Data Processing System)。GOCI每天提供8景影像，從約00:16(UTC)到約7:16(UTC)，每隔1 h提供一景遙感影像，GOCI數(shù)據(jù)的中心坐標為(130°E，36°N)，覆蓋范圍為2 500 km×2 500 km，空間分辨率為500 m。本文將GOCI的L1B數(shù)據(jù)經(jīng)過GDPS處理之后，生成L2數(shù)據(jù)用于建立表層SSC反演模型。

首先，將遙感數(shù)據(jù)與實測海表面SSC數(shù)據(jù)進行時空匹配。由于實測數(shù)據(jù)樣本有限，將兩者時間偏差在3 h內(nèi)、空間距離在1 km內(nèi)的，確定為有效匹配，經(jīng)質(zhì)量控制后共獲得61組匹配數(shù)據(jù)(N=61)。選取中心波長為555 nm波段的反射率Rrs555與相應的實測SSC進行擬合，得到如下擬合公式(見圖2)：

圖2 實測SSC與遙感反射率Rrs555之間的擬合關(guān)系Fig.2 The relationship between measured SSC and Rrs555

SSC= 0.892 7×e149.962×Rrs555。

(1)

反演結(jié)果表明，遙感反射率Rrs555與實測SSC擬合良好，反演模型的決定系數(shù)R2達到0.916 6。

2.3 數(shù)值模型構(gòu)建

2.3.1 模型介紹 研究黃河口切變鋒影響下的河口泥沙輸運過程除使用遙感反演的手段獲取表層SSC外，同時也采用了數(shù)值模型獲取研究海區(qū)的流場，用于后續(xù)懸浮體通量的計算。本研究基于有限體積海岸海洋模型(FVCOM，F(xiàn)inite-Volume Coastal Ocean Model)[25]建立了適用于渤海和黃河口的三維正壓潮流模型，該模型水平方向采用非結(jié)構(gòu)的三角形網(wǎng)格，垂直方向采用σ坐標系統(tǒng)，計算方法為有限體積法。模型方程如下[25]：

動量方程：

(2)

(3)

(4)

連續(xù)方程：

(5)

不考慮海洋熱収支和鹽度變化，溫度T取為常數(shù)25.0 ℃，鹽度S取為常數(shù)30.0。

因此，密度方程為：

ρ=ρ(25,30,P)。

(6)

式中：x、y、z分別為笛卡爾坐標系的東、北和垂向坐標軸；u、v、w對應x、y、z方向的速度分量；ρ為密度；ρo為水參照密度；p為壓強；f為科氏參量；g為重力加速度；Km為垂向渦動粘性系數(shù)；Kh為水平渦動擴散系數(shù)；Fu、Fv為水平摩擦項。

Km和Kh分別由Mellor-Yamada 2.5階湍封閉模式[25-26]和Smagorinsky湍封閉模式[25,27]確定，使模型方程在數(shù)學上封閉。

邊界條件如下[25]：

固體邊界的運動學條件為：vn=0，其中vn為固體邊界的法線速度分量，n為固體邊界的法線坐標。海表、海底的u、v、w邊界條件為：

在海表z=ξ(x,y,t)處，

(7)

在海底z=-H(x,y)處，

(8)

Cd為底摩擦系數(shù)，由距海底高度Zab處的流速計算得到的Cd為：

(9)

式中：k=0.4為von Kármán常數(shù)；Zo為底粗糙度。

2.3.2 模型設(shè)置 模型計算范圍為117°34′E—126°48′E，32°12′N—40°55′N，覆蓋整個渤海和大部分黃海(見圖1(c))。模型共有100 804個三角網(wǎng)格和52 512個節(jié)點，垂向上分為20個σ層。對黃河口近岸進行了加密，網(wǎng)格分辨率約為100～500 m，開邊界處網(wǎng)格分辨率約為8 km，開邊界位于長江入海口北側(cè)與濟州島的連線處以及濟州島與朝鮮半島連線處。提取TPXO.9模型Q1、O1、P1、K1、N2、M2、S2、K2八大分潮的調(diào)和常數(shù)，插值到開邊界各節(jié)點上，用t_tide工具包回報出水位，作為模型的開邊界驅(qū)動。模型的底摩擦系數(shù)根據(jù)公式(9)計算。模型考慮了風場和黃河徑流，風場、徑流和水深等數(shù)據(jù)介紹如2.1節(jié)中所述。模型不考慮溫鹽變化帶來的影響，溫鹽均設(shè)為常數(shù)，溫度T設(shè)為25.0 ℃，鹽度S設(shè)為30.0。模型計算格式為內(nèi)外模分離，外模時間步長為5 s，內(nèi)模時間步長為1 s，采用冷啟動計算，即假設(shè)海洋初始狀態(tài)是靜止的，所有計算節(jié)點上水位zeta=0，所有三角單元中心的流速U=0，V=0。模型計算時間為1年，每隔1 h輸出一次結(jié)果。

圖3 M2和K1分潮調(diào)和常數(shù)與潮位驗證Fig.3 Comparison of measured and modeled M2 and K1 of tidal harmonic constants and water levels

圖4 潮流流速和流向驗證Fig.4 Comparison of measured and modeled tidal current velocity and direction

2.4 鋒面識別方法

本研究采用最大互相關(guān)(Maximum Cross Correlation，MCC)原理和SSC梯度相結(jié)合的方法識別切變鋒，再采用FVCOM模型流場對結(jié)果進行驗證。

第1步，通過MCC方法判別切變鋒的位置。MCC方法是一種圖像匹配的方法，根據(jù)2張圖像中相似度最高的“像元塊”的移動距離與時間，計算移動速度，也可得知移動方向。利用GOCI遙感影像反演海流即基于此原理，并且得到了成功運用[28-31]。根據(jù)MCC方法的原理，從相鄰2張遙感影像中SSC空間形態(tài)的移動判別切變鋒是否存在以及切變鋒的位置(見圖5)，虛線為上一時刻SSC分布的輪廓線，實線為下一時刻的輪廓線，從輪廓線的移動可以看出，輪廓線包圍水體的運動方向，即海流的方向。圖5(b)顯示，輪廓線包圍的兩處水體運動方向相反，即海流方向相反，說明切變鋒存在于兩水體之間，大致位置已在圖5(b)中標出。

((a)為2018年4月20日約11:00時的SSC分布；(b)為2018年4月20日約12:00時的SSC分布；虛線為(a)中SSC的輪廓，實線為(b)中SSC的輪廓，(b)中黑色箭頭表示SSC輪廓移動方向，即海流方向，黑實線為切變鋒中心線；(c)中箭頭為4月20日約12:00時模型流場分布。方框為切變帶的位置，其中點劃線為切變鋒中心線。(a)The SSC distribution at approximately 11:00 on April 20th, 2018；(b)The SSC distribution at approximately 12:00 on April 20th, 2018；The dashed lines are the outlines of SSC in (a) and the solid lines are the outlines of SSC in (b). The black arrows in (b) represent moving direction of SSC which means the current direction and the black solid line in (b) is the center line of shear front zone. The arrows in (c) are current field at 12:00 on April 20th. The box in (c) is the position of shear front zone with the dotted dashed line in it which represents the center line of shear front zone.)圖5 切變鋒的識別與驗證Fig.5 Recognition and validation of tidal shear front

表1 2011年4月—2019年8月期間漲、落潮切變鋒的長度Table 1 Length of shear fronts of flood tides and ebb tides during April, 2011 ～ August, 2019

第2步，通過SSC梯度研究切變鋒的特征。如前所述，切變鋒附近泥沙等物質(zhì)的濃度梯度較大，因此，本研究將切變鋒附近數(shù)值較高的SSC梯度線用來表征切變鋒的特征，如SSC梯度線的長度用來代表切變鋒的長度，SSC梯度線的運動即表示切變鋒的運動。SSC梯度采用Sobel梯度算法計算[32]，如圖5(c)所示，黑色矩形框中的點劃線為切變鋒中心線。

將上述方法得到的結(jié)果與模型結(jié)果對比(見圖5(c))，兩者得到的切變鋒帶的位置吻合程度良好，上述方法可行。

2.5 表層懸浮體通量計算方法

表層懸浮體通量的計算方法可分為機制分解法和等面積時變網(wǎng)格法[33]，其基本計算公式為：

F=U×C×A。

(10)

式中：F為懸沙通量(kg·s-1)；U為流速(m·s-1)；C為懸浮泥沙濃度(kg·m-3, 1 kg·m-3=1 000 mg·L-1)；A為面積(m2)。由于遙感反演得到的SSC只有表層的數(shù)據(jù)，因此只計算表層單位面積(即A=1 m2)的懸沙通量。

3 結(jié)果與討論

3.1 切變鋒的特征及其潮周期內(nèi)變化規(guī)律

運用2.4中建立的切變鋒識別方法，對2011年4月—2019年8月期間所有有效GOCI影像進行分析(無云、缺測較少不影響切變鋒識別的為有效影像)，共捕捉到566個時刻存在切變鋒，其中414個時刻為IEOF型切變鋒，152個時刻為IFOE型切變鋒，IEOF切變鋒出現(xiàn)時刻多于IFOE型；兩種切變鋒的歷時均為2～3 h，表1為兩種切變鋒的長度信息統(tǒng)計結(jié)果。

表1顯示，落潮期間切變鋒長度最長可達41.1 km，平均長22.4 km，而漲潮期間切變鋒最長為36.6 km，平均為16.9 km，落潮時切變鋒長度大于漲潮時；全平均長度為18.4 km。

Wang等[15]的研究結(jié)果表明，1976—1996年間黃河口切變鋒平均長度約為27.6 km，漲潮時平均長度約為22.1 km，落潮時平均長度約為33.1 km，且切變鋒長度隨時間推移有所縮短。因此，整體上2011—2019年間黃河口切變鋒長度小于1976—1996年間。根據(jù)Wang等[15]的分析，切變鋒長度的變化與底應力增強有關(guān)。

選取較為典型的GOCI遙感影像研究潮周期內(nèi)切變鋒的變化規(guī)律。

由于GOCI一天最多只能提供8景影像，無法覆蓋整個潮周期，故分別選取符合要求的漲、落潮期間的GOCI影像進行研究。選取落潮為主的8景逐時影像分析IFOE型鋒面過程，此時為2018年4月27日約8:00～約15:00，該天日均徑流量為644 m3·s-1；選取漲潮為主的8景逐時影像分析IEOF型鋒面過程，此時為2018年5月3日約8:00～約15:00，該天日均徑流量為727 m3·s-1。據(jù)文獻[10]，1970—1993年期間小于800 m3·s-1的徑流量可視為弱徑流量，但隨著黃河水沙量減小，不能直接將此劃分標準作為當前的劃分依據(jù)。對2009—2018年黃河利津站汛期(7—10月)逐日徑流量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到多年汛期日均徑流量為905 m3·s-1。因此相對于汛期徑流量，尤其是相對于2018年汛期1 500～3 500 m3·s-1的徑流量，本研究中兩個時段可視為較弱徑流量期間或非汛期。且由于2天徑流量相差較小，可認為2個漲、落潮時段徑流量這一條件是相似的。

所選取的2個漲、落潮期間，黃河口附近海域平均風場如圖6所示，風速均為4 m·s-1左右，極為接近，風向有所差異但差異較小且均為北風。因此可認為兩個時段風的條件基本一致。

圖6 2018年4月27日8:00—15:00(a)和5月3日8:00—15:00(b)的平均風場Fig.6 Mean wind field during the period of 8:00～15:00 on April 27th, 2018 and May 3rd, 2018

綜上所述，本研究選取的兩個漲、落潮時段的徑流量和風的條件基本是相似的，可用于研究潮周期內(nèi)切變鋒的特征及其對泥沙輸運的影響。

由GOCI數(shù)據(jù)通過公式(1)，計算得到2018年4月27日和5月3日共16個時刻的黃河口附近海域海表SSC逐時分布，運用2.4節(jié)中建立的切變鋒識別方法，得到切變鋒的位置、長度等信息，如圖7所示。

((a)～(h)分別為4月27日8:00—15:00逐時態(tài)，(i)為點A、B一天之內(nèi)的流向，流向來自模型數(shù)據(jù)，(f)、(g)、(h)為切變鋒出現(xiàn)時刻；(a’)～(h’)分別為5月3日8:00—15:00逐時態(tài)，(i’)為點A’、B’一天之內(nèi)的流向，流向來自模型數(shù)據(jù)，(e’)、(f’)為切變鋒出現(xiàn)時刻。(a)～(h) are the hourly condition of SSC from 8:00 to 15:00 on April 27th, 2018, respectively；(i) is the current direction of A and B during a day and the current direction is the results of model；(f),(g) and (h) are the moments when the shear front exists；(a’)～(h’) are the hourly condition of SSC from 8:00 to 15:00 on May 3rd, 2018, respectively；(i’) is the current direction of A’ and B’ during a day and the current direction is the results of model；(e’) and (f’) are the moments shear front exists.)圖7 2018年4月27日和5月3日黃河口附近海域切變鋒和SSC的逐時變化Fig.7 Hourly variation of shear front and SSC off Yellow River Estuary on April 27th, 2018 and May 3rd, 2018

切變鋒出現(xiàn)在漲、落潮轉(zhuǎn)換的時段，即漲、落潮開始或結(jié)束的時間段。從圖7可知，在一個漲落潮周期內(nèi)，出現(xiàn)IEOF和IFOE型兩種切變鋒，兩種形態(tài)的切變鋒輪流出現(xiàn)，每次大約持續(xù)2～3 h，總持續(xù)時間為4～6 h，這與前人的結(jié)論一致[1,4-5,11,14-15]。Wang等[4]和Li等[11]研究的是1996年前黃河經(jīng)由清水溝流路入海時的切變鋒，而本文研究的為2018年前后的切變鋒，黃河已改道清8出汊口，黃河泥沙入海使得現(xiàn)行黃河口往東北向逐步向海發(fā)育，黃河口附近海域形成了2個分叉口，岸線變化顯著；1997—2018年期間現(xiàn)行黃河口總體呈淤積狀態(tài)，10 m等深線總體呈向海推進趨勢[34]。這說明1996年前與2018年前后黃河三角洲岸線和地形發(fā)生了顯著變化，但切變鋒歷時幾乎不變，因此黃河口岸線和地形的演化對切變鋒持續(xù)時間的改變很小。

切變鋒形成于黃河口口門東側(cè)或東北側(cè)，環(huán)繞河口呈弧形，切變鋒形成后，往東南向外海移動，結(jié)合圖1可知，切變鋒形成、運動和消亡基本都在約10 m以淺的范圍內(nèi)。兩種類型切變鋒消失的位置不同，IFOE型切變鋒消失于老黃河口東南側(cè)，而IEOF型切變鋒消失位置相對偏北。整體上，切變鋒產(chǎn)生、運動和消失主要在新老黃河口之間的范圍內(nèi)，而黃河口改道前切變鋒主要圍繞老黃河口運動[4,11,15]，這說明切變鋒位置的變動與河口地形地貌演變有關(guān)。

3.2 切變鋒對黃河口泥沙輸運的影響

3.2.1 切變鋒對黃河口懸浮體通量的影響 將模型流場數(shù)據(jù)和GOCI反演得到的SSC數(shù)據(jù)代入公式(10)，計算得到2018年4月27日和5月3日共16個時刻黃河口附近海域的海表懸浮體通量逐時分布(見圖8)。切變鋒已在圖中用虛線標出，并用“shear front”字樣和黑色箭頭突顯。

((a)～(h)依次為4月27日8:00～15:00逐時態(tài)，(a’)～(h’)依次為5月3日8:00～15:00逐時態(tài)，填充色為懸浮體通量，白色箭頭為流速，黑線為6、8和10 m等深線，切變鋒的位置已在圖中標注。(a)～(h) are the hourly condition of sediment flux during 8:00～15:00 on April 27th, 2018, respectively; (a’)～(h’) are the hourly condition of sediment flux during 8:00～15:00 on May 3rd, 2018, respectively. The fill color is the sediment flux. The white arrows are current field. The black solid lines are 6 m, 8 m and 10 m isobath. Location of shear front is marked by dashed line.)圖8 2018年4月27日與5月3日期間黃河口附近海域懸浮體通量分布Fig.8 Distribution of sediment flux off the Yellow River Estuary on April 27th, 2018 and May 3rd, 2018

圖8顯示，懸浮體通量高值區(qū)集中于現(xiàn)行黃河口兩側(cè)和老黃河口南側(cè)。漲、落潮階段均能明顯看出切變鋒對懸浮體通量的減小作用，即對黃河口泥沙輸運的限制作用。

落潮為主的階段(a～h)：(b)～(e)中黃河口附近無切變鋒，此時懸浮體通量在6 m以淺均為高值，在6～8 m等深線范圍內(nèi)通量變化較小，8～10 m范圍內(nèi)銳減，10 m外懸浮體通量遠小于內(nèi)側(cè)，說明懸浮體通量與水深密切相關(guān)；(f)～(h)中存在IFOE型切變鋒，(f)和(g)為切變鋒產(chǎn)生和維持階段，切變鋒在6 m等深線內(nèi)側(cè)，切變鋒處懸浮體通量值不足0.02 kg·s-1，顯著小于兩側(cè)的0.04 kg·s-1左右，切變鋒處通量值不足內(nèi)側(cè)的50%，改變了無切變鋒時(b～e)6 m以淺范圍內(nèi)均為高值的格局。無切變鋒時，懸浮體通量在6 m等深線處開始緩慢減小，8 m等深線處才開始銳減，而有切變鋒時，懸浮體通量在6 m以淺便開始銳減，懸浮體通量提前減小，而隨著切變鋒向外海移動，切變鋒內(nèi)側(cè)通量逐漸恢復到無切變鋒時的分布格局(見圖8(h))。

漲潮為主的階段(a’～h’)：(a’)～(c’)黃河口附近無切變鋒，與落潮無切變鋒時(見圖(b)～(e))一樣，與水深關(guān)系密切，(d’)～(f’)存在IEOF型切變鋒，(d’)切變鋒即將出現(xiàn)但不明顯(文中未標明)，河口附近懸浮體通量已提前在6 m以淺范圍內(nèi)迅速銳減；(e’)為切變鋒維持階段，切變鋒運動到了新老黃河口之間，此區(qū)域通量銳減，鋒區(qū)懸浮體通量仍不足0.02 kg·s-1，不足鋒區(qū)內(nèi)側(cè)的50%；(f’)為切變鋒消亡階段，對河口附近通量影響很小，通量開始恢復到無切變鋒時的狀態(tài)。值得注意的是，IEOF型切變鋒較弱，長度也短于IFOE型，對通量的減小作用不如IFOE型顯著，作用范圍也更小。

綜上所述，切變鋒能顯著減小懸浮體通量，極大地阻隔了黃河口泥沙輸運，鋒區(qū)懸浮體通量不足鋒內(nèi)側(cè)的50%，且切變鋒能提前使懸浮體通量銳減。IFOE型對泥沙輸運的阻隔作用相對于IEOF型更顯著。

對比圖7和8，(a)～(h)各時刻的SSC分布形態(tài)非常相似，差別不大，但懸浮體通量卻差異顯著。從通量計算公式(10)可知，當SSC相差不大時，通量的差異主要取決于流速。如圖7中(a)、(c)時刻SSC分布相似，而(a)時刻流速很小，(c)時刻流速較大，兩時刻懸浮體通量差異顯著。圖8中切變鋒處SSC與兩側(cè)差異較小，而鋒區(qū)流速近乎為0，通量也處于低水平狀態(tài)，流速和通量均遠小于兩側(cè)。因此，切變鋒減小懸浮體通量，減弱泥沙輸運，是由于切變鋒帶具有低流速的特征，這與Li等[11]的研究結(jié)論相一致。切變帶所到之處，懸浮體通量均為低水平狀態(tài)。

按照Wang等[16]設(shè)置的4個斷面a、b、c、d(離岸約為30 km，斷面長40 km)，計算潮周期內(nèi)4個斷面的懸浮體通量，通量計算方法和所用數(shù)據(jù)仍與前述相同，并根據(jù)潮周期內(nèi)的通量計算月通量，得到如表2所示的斷面懸浮體通量結(jié)果，正值表示向外的通量，負值表示向內(nèi)的通量。

表2 潮周期內(nèi)黃河口30 km范圍內(nèi)4個斷面的懸浮體通量*Table 2 Sediment flux of four transects 30 km away from Yellow River Estuary during tidal cycle

表2顯示，落潮通量絕對值基本都大于漲潮通量，說明落潮期間泥沙輸運多于漲潮期間。整個潮周期4個斷面通量均為正值，即經(jīng)過斷面的泥沙輸運方向均向外。4個斷面中d斷面通量最大，占比將近70%，遠大于其余3個斷面通量之和，c斷面通量僅次于d斷面，c和d斷面通量之和達到91.3%，a斷面通量占比8.2%，而b斷面僅為0.5%，說明黃河口泥沙絕大多數(shù)往南和東南輸運，極少數(shù)往北輸運，泥沙難以直接輸運至渤海灣和渤海中部。由潮周期瞬時通量計算得到的月通量，與Wang等[16]的月通量結(jié)果較為相近但略有差異，兩者b斷面通量均極小，d斷面的輸運通量非常接近，占比較大且輸運方向一致，而a斷面輸運方向不一致，c斷面通量的大小有所差異，這是由于兩者的輸運動力不同。Wang等綜合考慮了大風等強動力，而本文主要是潮動力的結(jié)果。

3.2.2 黃河口泥沙輸運路徑 為了獲悉潮周期內(nèi)黃河口泥沙輸運路徑，選取與前述SSC與懸浮體通量計算所用的相同的GOCI和FVCOM數(shù)據(jù)，利用公式(1)和公式(10)，分別計算SSC與懸浮體通量在漲潮、落潮以及整個潮周期內(nèi)的平均值，得到如圖9所示的平均SSC和懸浮體通量圖。

圖9 黃河口和萊州灣落潮(a)、漲潮(b)和整個潮周期(c)平均SSC及落潮(d)、漲潮(e)和整個潮周期(f)平均懸浮體通量Fig.9 Mean SSC (a) during ebb tides, (b) during flood tides and (c) during entire tidal cycle and mean sediment flux (d) during ebb tides, (e) during flood tides and (f) during entire tidal cycle off Yellow River Estuary and in Laizhou Bay

圖9顯示，漲、落潮期間，平均SSC及平均懸浮體通量均呈這樣的分布態(tài)勢：高值區(qū)集中于現(xiàn)行黃河口、新老黃河口之間和老黃河口南側(cè)附近海域，高值區(qū)延伸至萊州灣中部，而高值區(qū)與低值區(qū)之間界限分明，這些界限主要位于黃河口10 m等深線附近、孤東附近海域以及萊州灣西北部。

本研究與前人研究均表明，黃河口約10 m以淺海域內(nèi)存在切變鋒，10 m附近的高、低值區(qū)的分界線主要為切變鋒所致，而Bi等[5]研究表明，孤東附近海域以及萊州灣西北部(均為低值區(qū))也存在切變鋒，切變鋒的位置與SSC及懸浮體通量的低值區(qū)對應。在3處切變鋒的限制下，懸浮泥沙難以跨鋒面輸運，泥沙輸運被阻隔，使得SSC及懸浮體通量的高、低值界限分明。因此，萊州灣中部較高濃度的懸沙主要來源于老黃河口附近海域，而不是萊州灣西部。老黃河口附近為淤積區(qū)[5]，其泥沙來自黃河。圖9(c)顯示，潮周期平均時，SSC高值區(qū)分布與漲、落潮階段(a、b)相一致，圖9(f)顯示，現(xiàn)行黃河口部分泥沙向西北輸運，但量值很小，而老黃河口附近懸浮體通量較大，且通量方向為南向，在黃河口10 m等深線外，通量方向主要為東北。

結(jié)合表2可知，黃河口泥沙主要向南和東南輸運，往北和渤海中部輸運的泥沙占比極少。

綜上所述，西北向輸運和東向輸運均被切變鋒阻隔，黃河入海泥沙只有極少數(shù)向西北輸運，且難以向渤海中部輸運，絕大部分經(jīng)老黃河口往南輸運，再往東輸運至萊州灣中部，繼續(xù)往東北向萊州灣外輸運。這與Wang等[16]以及劉興民等[35]的研究結(jié)果稍有不同。不同之處在于Wang等的研究結(jié)果表明，黃河入海泥沙主要沿著萊州灣近岸向渤海海峽輸運，少數(shù)輸運至萊州灣中部。而劉興民等認為黃河入海泥沙冬季向北輸運至遼東灣灣口附近，或向東經(jīng)萊州灣灣口輸運至渤海海峽，夏季只能向北或東北輸運至渤海中部海域。

研究結(jié)果不同的原因在于：Wang等和劉興民等研究的是黃河口泥沙的季節(jié)性輸運，時間尺度較長，包含了大風等強動力因素的影響，而本研究為潮周期內(nèi)的泥沙輸運結(jié)果。如前所述，本研究的漲落潮時段為弱風期間，且徑流為非汛期徑流，相對較弱，而據(jù)顧玉荷等[36]研究認為，5級(風速為8～10.7 m·s-1)以下的風場對潮流場作用不明顯，可以忽略不計。據(jù)Wang等[16]認為，非冬季大風期間，風對泥沙輸運的影響較為微弱，徑流對黃河口泥沙輸運的作用也遠小于潮流。因此，本研究期間風和徑流的作用相對較小，可近似視為潮動力作用。

4 結(jié)論

本文基于GOCI遙感反演得到的SSC及其梯度，利用MCC方法反演海流的原理，建立了切變鋒的識別方法，并用此方法研究了黃河口切變鋒的特征。同時，利用GOCI數(shù)據(jù)結(jié)合FVCOM模型，通過計算表層懸浮體通量，研究了切變鋒對黃河口泥沙輸運的影響及切變鋒作用下河口泥沙的輸運路徑。本文的主要研究結(jié)論如下：

(1) 黃河口切變鋒存在IEOF和IFOE兩種類型，且兩種類型切變鋒在潮周期內(nèi)輪流出現(xiàn)，每次持續(xù)時間為2～3 h，切變鋒形成后從陸向海移動，IFOE型切變鋒的活動范圍更大，且其消失的位置相較于IEOF型切變鋒偏南；多年切變鋒統(tǒng)計結(jié)果表明，IEOF型切變鋒平均長度約為16.9 km，IFOE型切變鋒平均長度約為22.4 km，IFOE型切變鋒普遍長于IEOF型，所有切變鋒的平均長度約為18.4 km，較歷史長度有所縮短。

(2) 切變鋒顯著減小懸浮體通量，限制泥沙輸運，是由于鋒帶具有低流速特征，切變鋒所到之處懸浮體通量均為低水平狀態(tài)。切變鋒的存在使得泥沙難以跨越鋒面向海輸運，大部分沉積在口門附近。切變鋒使得懸浮體通量提前減小，使得原本6～8 m開始減小的懸浮體通量在6 m以淺即開始銳減。切變鋒處懸浮體通量水平不足其內(nèi)側(cè)的50%，即切變鋒存在時50%以上的泥沙被限制在切變鋒內(nèi)側(cè)。IFOE型切變鋒對黃河口泥沙輸運影響更顯著，影響范圍更大。

(3) 潮周期內(nèi)懸浮體通量計算結(jié)果表明，非汛期時，在潮動力作用下，通過黃河口南側(cè)和東南側(cè)斷面的懸浮體通量占河口泥沙輸運通量的90%以上，黃河口泥沙主要往南或東南輸運至萊州灣中部，再向東北往萊州灣外輸運，極少部分往西北和渤海中部輸運。這與考慮大風等強動力因素的黃河口泥沙的季節(jié)性輸運路徑有所不同。

本研究基于GOCI反演的海表SSC，僅能反映海表面的泥沙輸運規(guī)律，對于海表面以下的SSC分布和輸運規(guī)律，還需要通過對SSC的數(shù)值模擬，才能更全面地展示黃河口切變鋒對泥沙輸運的影響。

致謝：感謝KOSC提供GOCI數(shù)據(jù)和GDPS軟件，感謝FVCOM開發(fā)團隊The Marine Ecosystem Dynamics Modeling Laboratory(MEDML)提供FVCOM源碼支持，感謝國家自然科學基金委員會共享航次計劃NORC2018-01、NORC2019-01，感謝青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室“透明海洋”工程渤海、南黃海標準斷面調(diào)查項目航次。