臺風(fēng)“燦鴻”對長江口外海域懸浮體分布的影響*

龍小志 王珍巖,3,4①

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室 山東青島 266071; 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室 山東青島 266071; 4. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心 山東青島 266071)

海洋懸浮體是指在海水中呈懸浮態(tài)存在的細小顆粒物的統(tǒng)稱, 可分為無機顆粒和有機顆粒兩大類(秦蘊珊等, 1989; 王珍巖等, 2017)。懸浮體作為營養(yǎng)鹽、污染物和有機碳的載體, 對海洋生態(tài)環(huán)境及全球碳循環(huán)有重要影響(石學(xué)法等, 2016; 邱訓(xùn)平, 2018)。河口區(qū)是鹽淡水交匯的地帶, 物理、化學(xué)和生物作用過程頻繁發(fā)生, 為細顆粒懸浮體絮凝(flocculation)或聚集(aggregation)創(chuàng)造了良好的環(huán)境, 因此, 河口區(qū)的懸浮體通常以絮凝態(tài)存在(Turneret al, 2002)。絮凝過程改變了懸浮體的粒徑大小, 直接影響了懸浮體的沉降速度, 進而影響河口海域懸浮體輸運和沉降過程(程江等, 2005)。因此, 研究河口區(qū)懸浮體粒徑分布對了解河口海域物質(zhì)循環(huán)和生物地球化學(xué)循環(huán)等具有重要啟示意義。

長江是亞洲最大的河流, 年平均徑流量(1950～2015 年)可達8 921 億m3, 年平均輸沙量達3.68 億t(水利部長江水利委員會, 2016)。長江徑流挾帶的巨量沉積物在潮汐、波浪和環(huán)流的影響下擴散和輸運,對長江口外海域海底地貌和岸線演變具有重大影響。嚴肅莊等(1995)認為由于沉積分異作用和潮流再懸浮作用使得長江口懸浮體粒度呈西北粗、東南細, 底層粗、表層細的特征; 其中九段沙東面海域表層懸浮粒度最細, 大約為2 μm。但是最近研究發(fā)現(xiàn)長江口海域懸浮體受生物作用影響會導(dǎo)致粒徑增大, 從而出現(xiàn)表層懸浮體粒徑大于底層、遠岸大于近岸的現(xiàn)象, 外海懸浮體平均粒徑可達100 μm 以上(雷坤等, 2001;高永強等, 2018)。龐重光等(2010)研究發(fā)現(xiàn)長江口懸浮體粒徑譜出現(xiàn)單峰、雙峰甚至多峰結(jié)構(gòu), 其結(jié)構(gòu)的形成受懸浮體成分和濃度等因素共同決定?？梢娗叭藢﹂L江口懸浮體粒度的影響因素做了較多的研究,但主要集中在物源、再懸浮、生物作用和絮凝作用等(李軍等, 2003; 邵和賓等, 2013), 而對一些事件性因素(如臺風(fēng))的影響研究較少。補充臺風(fēng)這一事件性環(huán)境因素的影響對于系統(tǒng)地理解長江口海域懸浮體粒度分布具有重要意義。

臺風(fēng)是影響中國東部海域沿岸地區(qū)最嚴重的自然災(zāi)害之一。1949～2019 年間影響我國的臺風(fēng)達1 918個, 年均27 個(中央氣象臺臺風(fēng)網(wǎng))。臺風(fēng)的高強能量不僅會加強近海水體的混合過程, 產(chǎn)生上升流或下降流(Liet al, 2012; 陳斌等, 2016), 其帶來的強降雨還會迅速增加入海河流的徑流量, 從而使得大量的陸源物質(zhì)進入長江河口及其鄰近海域。這些過程將影響長江口海域懸浮體濃度及粒徑分布, 進而控制懸浮體的分布、輸運和沉積。因此, 研究臺風(fēng)過境對長江口懸浮體分布的影響有助于進一步理解該海域懸浮體分布變化對沉積環(huán)境的指示意義。然而臺風(fēng)過程氣候惡劣, 對同期現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)獲取難度大, 僅有少部分學(xué)者在其它海域針對臺風(fēng)對懸浮體粒徑影響進行初步探討。比如Li 等(2015)對臺風(fēng)前后浙閩沿岸懸浮體分布進行研究, 發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)會使絮凝態(tài)的懸浮體破碎, 導(dǎo)致懸浮體平均粒徑降低; 而Liu 等(2020)通過對山東半島周圍海域的懸浮體粒徑進行遙感反演,認為受臺風(fēng)影響懸浮體粒度出現(xiàn)先增加后減小現(xiàn)象?？梢? 由于研究較少使得目前在臺風(fēng)對懸浮體粒度影響方面的認識還存在分歧。本文利用2015 年09 號臺風(fēng)“燦鴻”過境前后在長江口外海域獲取的現(xiàn)場調(diào)查資料, 對臺風(fēng)前后該海域懸浮體粒度分布特征及其影響因素進行分析, 研究臺風(fēng)對該海域懸浮體影響的時效性, 并探討臺風(fēng)過程對懸浮體分布的影響機制。該研究可豐富有關(guān)臺風(fēng)對長江口懸浮體粒度分布影響研究的科學(xué)認知, 對深入理解臺風(fēng)過程對長江口外海域環(huán)境的綜合影響以及長江徑流挾帶陸源物質(zhì)向東海陸架擴散機制等具有重要意義。

1 研究背景

1.1 區(qū)域背景

長江是我國最大河流, 呈三級分汊、四口入海,河口區(qū)發(fā)育有水下三角洲和水下河谷。長江口外海域為中等強度的正規(guī)半日潮, 其中M2分潮占主導(dǎo)作用,平均潮差2.7 m, 最大潮差為4.7 m, 平均潮流流速為1.0 m/s (陳吉余等, 1988)。研究區(qū)水動力環(huán)境復(fù)雜, 眾多水團在此交匯(圖1a), 其中包括蘇北沿岸流(Subei coast current, SBCC)、長江沖淡水(Changjiang diluted water, CDW)、浙閩沿岸流(Zhe-Min coast current,ZMCC)和臺灣暖流(Taiwan warm current, TWC)等。長江沖淡水是長江徑流入海、與海水混合形成的低密度低鹽水團, 通常以31 等鹽線分布來刻畫其影響范圍,以 26 等鹽線作為其主體分布的邊界(毛漢禮等,1963)。夏季, 長江沖淡水轉(zhuǎn)向東北, 往濟州島方向輸運(毛漢禮等, 1963); 蘇北沿岸流流向呈現(xiàn)自長江口向蘇北沿岸; 浙閩沿岸流流向則由南向北(Yuanet al,2008); 臺灣暖流入侵至長江口海域, 最遠可達蘇北淺灘(Liuet al, 2021)。

長江徑流挾帶的懸浮體以細顆粒懸浮泥沙為主(張志忠, 1996), 受生物作用影響, 長江口外海域懸浮體中有機顆粒含量增加(龐重光等, 2010)。因此, 長江口外海域表層懸浮體粒徑大于口內(nèi)(邵和賓等,2013)。海底沉積物再懸浮是造成河口區(qū)懸浮體高濃度的主要動力因素。由于重力沉積與臺灣暖流阻礙作用, 長江徑流挾帶的懸浮體主要沉積在口門附近, 導(dǎo)致長江口鄰近海域懸浮體濃度呈遠岸低、近岸高; 上層低、下層高的特征(虞蘭蘭等, 2011; 高永強等,2018)。長江口底質(zhì)沉積物從口內(nèi)至口外先變細后變粗, 口內(nèi)以砂和粉砂為主; 過渡海域以粉砂和黏土為主; 口外海域以殘留砂為主(李家彪, 2008)。

1.2 臺風(fēng)“燦鴻”

“燦鴻”是2015 年第9 號臺風(fēng), 屬于超級臺風(fēng), 最大風(fēng)速超過51 m/s?！盃N鴻”于當(dāng)年6 月30 日在太平洋馬紹爾群島西部形成, 并在向西北移動時加強為臺風(fēng), 7 月9 日下午由強臺風(fēng)轉(zhuǎn)為超強臺風(fēng)后最大風(fēng)速達到58 m/s。7 月11 日下午5 時該臺風(fēng)在舟山群島登陸, 隨后轉(zhuǎn)向東北方向。12 日登陸朝鮮半島后減弱為熱帶風(fēng)暴, 最終消失(圖1a)。

臺風(fēng)前長江口外海域風(fēng)場頻繁變化, 但主要以偏南風(fēng)為主, 平均風(fēng)速4.5 m/s (圖1c)。受科氏力影響,北半球臺風(fēng)為氣旋式。臺風(fēng)“燦鴻”路徑位于研究區(qū)東側(cè), 當(dāng)其過境時長江口外海域風(fēng)場轉(zhuǎn)為偏北風(fēng), 平均風(fēng)速達10.2 m/s。臺風(fēng)過境后, 風(fēng)場逐漸恢復(fù)為氣候態(tài)的偏南風(fēng), 平均風(fēng)速為5.5 m/s。

圖1 東海夏季洋流(Yuan et al, 2008)和臺風(fēng)路徑及2015 年7 月10 日20 時風(fēng)場(a), 臺風(fēng)前后調(diào)查站位(b)以及臺風(fēng)過境前后長江口附近(31°N, 123°E)風(fēng)場變化(c)Fig.1 Summary of the current in the ECS in summer (Yuan et al, 2008) and the paths of typhoon and wind at 20:00 on July 10, 2015 (a);the sampling station before and after typhoon (b); and the wind variations at 31°N, 123°E (c)

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

依托“科學(xué)三號”考察船對長江口外海域進行綜合環(huán)境調(diào)查, 獲得2015年臺風(fēng)“燦鴻”過境前(6月21～27日)、后(7月25～26日)兩條經(jīng)向斷面(12250斷面和12300斷面; 位于 122.5°E 和 123°E 經(jīng)線, 緯度區(qū)間為30°～32.5°N)的調(diào)查數(shù)據(jù)(圖 1b)。在調(diào)查站位利用SBE9/11plus 型溫鹽深儀(conductivity-temperaturedepth, CTD, 美國SeaBird 公司生產(chǎn))及其附帶傳感器獲取水體溫度、鹽度和熒光葉綠素a(chla)濃度剖面數(shù)據(jù)。同時, 將LISST-100X (C 型) (美國Sequoia 公司生產(chǎn))固定于CTD 上部, 隨采集系統(tǒng)下放, 同步獲取分粒級的懸浮體體積濃度(volume concentration,VC)數(shù)據(jù)。LISST-100X (C 型)利用Mie 散射理論可以獲得 32 個粒級的體積濃度, 有效粒徑測量范圍為2.5～ 500 μm, 且通過不同粒級的體積濃度可以計算懸浮體平均粒徑(Liet al, 2021)。各調(diào)查站位在表層、5、10、20、30、50 m、底層(距海底2～5 m)采集海水樣品, 并立即在船載實驗室中用預(yù)先稱重的混合纖維素酯濾膜(0.45 μm)對水樣進行過濾。過濾完成后用蒸餾水潤洗濾膜以去除鹽分, 冷凍保存。在陸地實驗室對濾膜烘干、稱重, 獲得懸浮體質(zhì)量濃度(mass concentration, MC)數(shù)據(jù)。

臺風(fēng)路徑來自中央氣象臺臺風(fēng)網(wǎng), 臺風(fēng)等級劃分依據(jù)《熱帶氣旋等級》國際標準。潮汐數(shù)據(jù)來自《潮汐表》中嵊山站(122°48′E, 30°43′N)和長江口附近海域站位(122°19′E, 31°21′N; 水深5 m)的潮高和流速數(shù)據(jù)。海面風(fēng)場數(shù)據(jù)來自遙感系統(tǒng)(Remote Sensing Systems)提供的多平臺交叉校正(cross-calibrated multi-platform, CCMP)產(chǎn)品, 空間分辨率0.25°×0.25°,時間分辨率為6 h。波浪數(shù)據(jù)來自美國國家海洋和大氣局以及美國國家環(huán)境預(yù)報中心(National Oceanic and Atmospheric Administration/National Centers for Environmental Prediction, NOAA/NCEP) 提供的WaveWatch III 產(chǎn)品, 空間分辨率為0.5°×0.5°, 時間分辨率為3 h。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

海洋中常存在躍層, 通常用浮力頻率N2來表征躍層的層化強度, 也稱作布倫特-韋伊賽拉(Brunt-Vaisala)頻率, 計算公式(Washburnet al, 1993):

其中,g為重力加速度,ρ為水體密度,h為水深。水體層化強度越高,N2越大。

風(fēng)致層化參數(shù)Sp是衡量風(fēng)是否能將整個水體混合, 用以區(qū)別層化和混合水體(Duet al, 2017):

ε為單位質(zhì)量的能量耗散系數(shù), 計算公式(Kullenberg,1977):

其中,ρa為空氣密度(約1.2 kg/m3),C10為10 m 風(fēng)速的拖曳系數(shù)(約0.001 6),K為風(fēng)系數(shù)(約0.04),U10為10 m 風(fēng)速,ρw為水的密度,h為水深。當(dāng)Sp＞2 時,水體為層化狀態(tài);當(dāng)Sp＜1 時,水體為混合狀態(tài)。

為了衡量風(fēng)浪對底質(zhì)沉積物的作用, 計算浪致底部切應(yīng)力τwave(Soulsby, 1987; Whitehouseet al, 2001):

其中,fw為底摩擦系數(shù),Uw為波軌速度,計算公式如下:

其中,T為波周期,H為有效波高,z0是與粒徑有關(guān)的參數(shù), 這里取粉砂的值(50 μm),h為水深,k是與波頻率ω=2 π/T有關(guān)的參數(shù):ω2=gktanh(kh)。

3 結(jié)果

3.1 臺風(fēng)前后長江口外水文環(huán)境特征

臺風(fēng)前后12250 斷面鹽度和懸浮體質(zhì)量濃度都隨深度增加而增加, 溫度和葉綠素a濃度都隨深度增加而降低(圖2)。臺風(fēng)前, 12250 斷面的長江沖淡水呈層狀分布于外海咸水之上, 鹽度最低值與溫度最高值重合, 分別為11.1 和23.2 °C, 位于12250-3 站位表層。葉綠素a主要分布于31.5°N 以北的長江沖淡水層, 最大值為3.96 mg/m3, 懸浮體質(zhì)量濃度最大值為54.03 mg/L。臺風(fēng)過境12 d 后, 12250 斷面溫度整體升高。該斷面長江沖淡水厚度減薄, 鹽度最低值增加3.8, 溫度最高值增加4 °C, 且往南偏移。葉綠素a最大濃度值為8.60 mg/m3, 比臺風(fēng)前高117%。懸浮體質(zhì)量濃度最大值變化不大, 為52.72 mg/L。

圖2 臺風(fēng)前后12250 斷面的鹽度、溫度、葉綠素和懸浮體質(zhì)量濃度分布Fig.2 Distributions of salinity, temperature, chlorophyll-a, and suspended particulate matter mass concentrations at section 12250 before and after typhoon passage

相較于12250 斷面, 12300 斷面長江沖淡水厚度明顯減薄(圖3)。臺風(fēng)前12300 斷面鹽度最低值為21.7,位于12300-2 站表層; 葉綠素a主要分布于沖淡水層位, 具有兩個高值中心, 位于12300-1 站位和12300-5站位, 分別為4.55 和4.71 mg/m3; 懸浮體質(zhì)量濃度最大值為6.92 mg/L。另外, 臺風(fēng)前12300-6 站位底層水體與正常底層水體的低溫高鹽不同, 其具有中溫中鹽的特征, 與中層水特征相似。臺風(fēng)后12300 斷面長江沖淡水主體范圍較臺風(fēng)前增加, 鹽度最低值降低1.2, 其溫度最高值增加3.2 °C, 同樣往南偏移。葉綠素a最大濃度位于12300-4 站表層, 為16.50 mg/m3, 是臺風(fēng)前的3.5 倍。懸浮體質(zhì)量濃度最高值為16.09 mg/L,是臺風(fēng)前的2.3 倍。

圖3 臺風(fēng)前后12300 斷面的鹽度、溫度、葉綠素和懸浮體質(zhì)量濃度分布Fig.3 Distributions of salinity, temperature, chlorophyll-a and suspended particulate matter mass concentrations at section 12300 before and after typhoon passage

3.2 臺風(fēng)前后長江口外懸浮體分布

3.2.1懸浮體總體積濃度與平均粒徑分布 懸浮體總體積濃度高值主要位于表層和次表層水體, 底層水體體積濃度較低, 臺風(fēng)后的總體積濃度明顯高于臺風(fēng)前。臺風(fēng)前12250 斷面和12300 斷面懸浮體總體積濃度最高值分別為348 和500 μL/L, 臺風(fēng)后分別為1 030和1 080 μL/L, 是臺風(fēng)前的2～3 倍(圖4)。12250 斷面底層水體懸浮體總體積濃度高于12300 斷面底層水體。兩斷面懸浮體平均粒徑在臺風(fēng)前后都呈雙層分布,上層懸浮體平均粒徑大于300 μm, 下層懸浮體平均粒徑小于200 μm, 表明中上層水體中大顆粒懸浮體占主導(dǎo)作用, 而底層水體中小顆粒懸浮體占主導(dǎo)作用。臺風(fēng)前后兩斷面懸浮體平均粒徑總體無明顯變化。

圖4 臺風(fēng)前(a、b、c、d)和臺風(fēng)后(a1、b1、c1、d1)兩斷面懸浮體體積濃度和平均粒徑分布Fig.4 Total volume concentration and mean particle size distribution of suspended particulate matter of two sections before and after typhoon passage

3.2.2懸浮體粒度組成 為研究臺風(fēng)前后長江口外海域懸浮體的粒度組成特征, 對長江口外海域12250 斷面和12300 斷面所有站位全水深32 個粒級的懸浮體體積濃度進行平均, 且將LISST 測得的臺風(fēng)前后研究區(qū)各站位全水深32 個粒級累計懸浮體體積濃度分別與濁度以及葉綠素濃度做了相關(guān)性分析(圖 5)。懸浮體各粒級平均體積濃度明顯與相應(yīng)粒級的粒徑有關(guān), 粒徑越大, 該粒級懸浮體的體積濃度越高。以128 μm 粒級為界, 細顆粒組分體積濃度隨粒徑增加的幅度較小, 而粗顆粒組分體積濃度隨粒徑增加的幅度迅速增大。臺風(fēng)后各粒級平均懸浮體體積濃度比臺風(fēng)前高, 且粒徑越大增幅也越大。相關(guān)性曲線特征與粒徑譜特征一致, 也以128 μm 為界。細顆粒組分的濁度與累計體積濃度相關(guān)性很好, 臺風(fēng)前相關(guān)系數(shù)可達0.89, 臺風(fēng)后相關(guān)系數(shù)最高為0.72, 而葉綠素與累計體積濃度呈負相關(guān), 且相關(guān)性較差; 粗顆粒組分的濁度與累計體積濃度的相關(guān)性急劇下降, 而葉綠素與累計體積濃度由負相關(guān)變?yōu)檎嚓P(guān), 且相關(guān)系數(shù)隨粒徑增加而增大。濁度能夠反映水體中無機顆粒的含量(翟世奎等,2005), 葉綠素則反映的是水體中含葉綠素a浮游生物的含量(王珍巖等, 2017), 因此, 小于128 μm 的細顆粒組分主要由無機顆粒構(gòu)成, 而大于128 μm 的粗顆粒組分主要由生源有機顆粒構(gòu)成。臺風(fēng)前、后細顆粒組分懸浮體平均體積濃度分別為0.37 和0.54 μL/L, 粗顆粒組分懸浮體平均體積濃度分別為3.75和8.61 μL/L。這與邵和賓等(2013)認為的長江口外懸浮體粒徑小于10 μm 的占70%明顯不同, 因為本文使用的是LISST 儀器進行原位觀測, 對懸浮體的影響非常小, 而邵和賓粒級的測量是過濾之后的統(tǒng)計結(jié)果, 對懸浮體的破壞較為嚴重, 因此, 得到不同的結(jié)果。

3.2.3 懸浮體粒度分布 臺風(fēng)前, 細顆粒組分懸浮體主要分布于水體底部, 且近岸的12250 斷面細顆粒組分懸浮體體積濃度明顯高于遠岸的12300 斷面;細顆粒組分懸浮體體積濃度最高值位于12250-4 站底層, 可達126 μL/L; 中層水體具有最低的體積濃度(圖6)?？梢钥闯? 細顆粒組分體積濃度分布與懸浮體質(zhì)量濃度分布相似(圖2), 因為懸浮體質(zhì)量濃度是對海水進行抽濾得到的結(jié)果, 在某種程度上, 懸浮體質(zhì)量濃度更多反映的是無機顆粒的含量(李文建等,2020)。粗顆粒組分懸浮體主要分布于表層和次表層水體, 而在水深較淺的12500-4 站, 粗顆粒組分懸浮體可分布于中下層水體。遠岸的12300 斷面粗顆粒組分懸浮體體積濃度高于近岸的12250 斷面, 最高值位于12300-2 站的次表層, 為483 μL/L。

圖6 臺風(fēng)前懸浮體各組分垂向分布Fig.6 Vertical distribution of different components of suspended particulate matter before typhoon passage

臺風(fēng)后, 細顆粒組分懸浮體垂向分布特征與臺風(fēng)前相似, 主要分布于底層水體, 中層水體具有最低的體積濃度, 近岸的12250 斷面細顆粒組分懸浮體體積濃度高于遠岸的12300 斷面(圖7a 和7b)。但是臺風(fēng)后的細顆粒組分懸浮體體積濃度比臺風(fēng)前高, 如12250-5 站底層體積濃度可達227 μL/L, 并且相對于臺風(fēng)前兩斷面表層的細顆粒組分往南偏移。粗顆粒組分懸浮體垂向分布特征同樣與臺風(fēng)前相似, 但是體積濃度最高值明顯增加, 約為 1 032 μL/L, 位于12300-3 站位次表層。12300 斷面粗顆粒組分懸浮體分布深度較臺風(fēng)前稍有減小, 主要分布在10 m 以上層位(圖7c 和7d)。

圖7 臺風(fēng)后懸浮體各組分垂向分布Fig.7 Vertical distribution of different components of suspended particulate matter after typhoon passage

4 討論

4.1 臺風(fēng)對長江口外水文環(huán)境的影響

T-S散點圖是劃分與分析水團的最主要的工具之一(李鳳岐等, 2000, Lianet al, 2016), 利用調(diào)查期間在現(xiàn)場采集的溫度(T)、鹽度(S)數(shù)據(jù)繪制T-S散點圖(圖8)。從圖中可別鑒別出在臺風(fēng)前研究區(qū)存在四個水團: 長江沖淡水、蘇北沿岸流、臺灣暖流和混合水團; 臺風(fēng)后存在三個水團: 長江沖淡水、蘇北沿岸流和臺灣暖流。各水團的具體溫鹽特性見表1。受臺風(fēng)影響, 長江沖淡水在強烈的偏北風(fēng)作用下往南移, 這與Zhang 等(2018)數(shù)值模擬研究結(jié)果一致。同時也表明臺風(fēng)過境之后雖然存在偏南風(fēng), 但是長江沖淡水經(jīng)過兩周時間也未恢復(fù)至原先的輸運狀態(tài)(圖2b 和3b)。蘇北沿岸流在臺風(fēng)前的分布局限于12500-1 站位和12300-1 站位10 m 以深的中下層, 但是在臺風(fēng)期間偏北風(fēng)的作用下蘇北沿岸流會往長江口偏移甚至發(fā)生逆轉(zhuǎn), 從而造成臺風(fēng)過后蘇北沿岸流在12250 斷面分布范圍的擴大(圖2b)。臺灣暖流在臺風(fēng)前分布于12300 斷面31.5°N 以南的中下層以及12250-3 站底層水體, 而臺風(fēng)后的臺灣暖流可達12300 斷面31.5°以北海域, 入侵程度明顯加強; 在12250 斷面的分布范圍也增加且往南偏移, 表明其爬升位置改變(圖2b 和3b)。混合水團只在臺風(fēng)前出現(xiàn), 位于12300-6 站位底部, 相對于周圍底層水體具有高溫低鹽異常特征, 其上部是低溫高鹽的臺灣暖流水, 據(jù)此推測混合水團的形成原因是臺灣暖流在12300-6 站位處爬升過程中其下部水體與近岸的長江沖淡水混合, 而上部水體未發(fā)生變性。而臺風(fēng)期間風(fēng)浪作用使得水體混合及臺灣暖流強度發(fā)生變化, 混合水團因此消失。

圖8 臺風(fēng)前(左)、后(右)研究區(qū)水體溫-鹽(T-S)散點圖Fig.8 T-S scatter diagrams of the water column in the study area before and after typhoon passage

表1 臺風(fēng)前后不同水團的溫鹽特性Tab.1 The thermohaline characteristics of different water masses before and after typhoon passage

臺風(fēng)過境后, 其水體垂向結(jié)構(gòu)變得比臺風(fēng)之前更加穩(wěn)定, 躍層更強(圖9)。這與通常認為的臺風(fēng)會使水體垂向混合, 破壞水體的躍層結(jié)構(gòu)相反(Liet al,2012)。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是本研究調(diào)查時間為臺風(fēng)過境兩周之后, 臺風(fēng)動力過程引起的水體垂向混合在經(jīng)過兩周時間的平靜期后, 水體混合作用減弱, 躍層重新形成; 同時由于太陽輻射增強, 表層水體溫度迅速升高, 上下層溫差增大導(dǎo)致水體層化加劇(Walkeret al, 2005)。臺灣暖流入侵加強也會使躍層強度得到進一步加強。

圖9 臺風(fēng)前后各站位鹽度、溫度和浮力頻率的垂向變化Fig.9 Vertical distribution of salinity, temperature, and buoyancy frequency at each station before and after typhoon passage

4.2 臺風(fēng)對懸浮體粒度分布的影響

4.2.1長江口外懸浮體來源 本研究將長江口外懸浮體分為細顆粒組分和粗顆粒組分, 細顆粒組分以無機顆粒為主, 而粗顆粒組分以生源有機顆粒為主(詳見3.2.2 節(jié))。前人研究表明長江口海域懸浮體無機組分主要是礦物顆粒及其絮凝產(chǎn)物, 而有機組分主要是浮游生物及其代謝產(chǎn)物和有機絮團(張志忠,1996; 邵和賓等, 2013)。

懸浮體質(zhì)量濃度和細顆粒組分體積濃度在底層呈現(xiàn)最高值(圖2, 3, 6 和7), 表明臺風(fēng)前后水體底部的無機細顆粒主要來自底部沉積物的再懸浮。但是懸浮體質(zhì)量濃度最低值并非位于表層, 而是位于水體中層, 反映了再懸浮的底部沉積物因水體上部存在強烈的躍層而未進一步向上擴散至表層。表層懸浮體質(zhì)量濃度高值與長江沖淡水主體(26 等鹽線)范圍吻合, 表明表層的無機細顆粒來自長江徑流, 而不是再懸浮作用。相似地, 崔倩芳等(2012)研究也發(fā)現(xiàn)長江口海域表層無機懸浮體百分含量和濃度明顯受長江徑流的影響。浮游植物生長過程中會釋放大量具有黏性的胞外聚合物, 這些有機物會與無機礦物顆粒結(jié)合形成粒徑較大的懸浮體(李文建等, 2020)。長江沖淡水輸送的營養(yǎng)鹽和躍層捕獲物質(zhì)的能力為浮游植物生長提供有利的條件, 因此, 有機粗顆粒體積濃度高值主要分布于次表層(圖6 和7)。綜上分析可知, 長江口外海域中上層水體以生源有機粗顆粒為主, 中下層水體以無機細顆粒為主, 從而造成懸浮體平均粒徑垂向分布呈上粗下細的“雙層結(jié)構(gòu)”特征(圖4)。

4.2.2 臺風(fēng)對細顆粒組分分布的影響

(1) 表層

從長江口外海域表層鹽度和懸浮體質(zhì)量濃度分布可以看出, 無機細顆粒輸運方向與長江沖淡水輸運方向一致(圖10), 進一步驗證了表層無機顆粒來自河口區(qū)的徑流排放。受臺風(fēng)影響, 長江沖淡水?dāng)U展方向的改變引起表層懸浮體輸運方向相應(yīng)變化; 同時懸浮體質(zhì)量濃度增大, 即無機細顆粒含量增加, 這些因素都影響長江口外海域懸浮體粒度分布。然而, 臺風(fēng)后(7 月)長江徑流(大通站)挾帶的月平均懸浮泥沙含量相較于臺風(fēng)前(6 月)是減少的(水利部長江水利委員會, 2016), 因此, 研究區(qū)表層懸浮體濃度增加可能是由于臺風(fēng)期間近岸淺水區(qū)水體混合強烈, 整個水體的懸浮體濃度都增大, 至臺風(fēng)過境后懸浮體濃度仍然比臺風(fēng)前高, 然后經(jīng)長江沖淡水輸運至12250 斷面和12300 斷面。相似地, Yang 等(2007)發(fā)現(xiàn)濟州西南泥質(zhì)區(qū)111 站位的懸浮體泥沙濃度并未像預(yù)期那樣出現(xiàn)在強冬季風(fēng)暴時期, 而是在12 h 之后出現(xiàn), 其認為該現(xiàn)象的原因是風(fēng)暴將水深較淺處的沉積物再懸浮經(jīng)黃海沿岸流輸運至111 站。

圖10 臺風(fēng)前后長江口外海域表層鹽度及懸浮體質(zhì)量濃度分布Fig.10 Distributions of surface salinity and surface suspended particulate matter mass concentration off the Changjiang River estuary before and after typhoon passage

(2) 底層

長江口外海域潮汐屬中等強度, 潮汐作用和臺風(fēng)都能提供較強的海底剪切力, 足以將原本沉降在海底的未固結(jié)的細顆粒沉積物再懸浮(Liet al, 2015; Chenet al, 2021)。本研究在七月的作站時間為臺風(fēng)后12 d,前文分析得到在臺風(fēng)后12 d 水體結(jié)構(gòu)已經(jīng)恢復(fù)至臺風(fēng)前的狀態(tài), 層化相較臺風(fēng)前更強, 因此, 有必要討論在潮汐作用和背景風(fēng)場影響下臺風(fēng)發(fā)揮的作用。

研究區(qū)在臺風(fēng)前后的站位調(diào)查期間都以偏南風(fēng)為主, 其中臺風(fēng)前平均風(fēng)速為4.6 m/s, 臺風(fēng)后平均風(fēng)速為5.3 m/s (圖1c)?；谡{(diào)查期間各站位海表面10 m 風(fēng)速計算的水體層化參數(shù)和風(fēng)致底切應(yīng)力如圖11 所示。雖然臺風(fēng)后平均風(fēng)速略有增加, 但是層化參數(shù)基本都大于2.0, 且風(fēng)致底切應(yīng)力均小于0.1 Pa。長江口外海域底質(zhì)沉積物從近岸向外海由泥質(zhì)過渡為殘留砂, 最小起動應(yīng)力也在0.35 Pa (喬宇等, 2021),說明臺風(fēng)前后的風(fēng)場均無法使研究區(qū)底部沉積物發(fā)生再懸浮。同樣, Lettmann 等(2009)研究發(fā)現(xiàn)弱風(fēng)和中等風(fēng)對海底沉積物(水深大于15 m)再懸浮都幾乎沒有貢獻, 只有當(dāng)風(fēng)速大于13 m/s 時才能影響沉積物再懸浮過程。另外, 位于本研究區(qū)內(nèi)的 P01 站(122.74°E, 31.04°N, 水深28 m)在平均風(fēng)速為4.1 m/s的夏季風(fēng)背景下, 其產(chǎn)生的底部切應(yīng)力大約為0.02 Pa,也無法將底部沉積物再懸浮(Chenet al, 2021)。因此,推斷臺風(fēng)前研究區(qū)水體底部的高濃度懸浮體是由潮汐作用引起的再懸浮所致。由于臺風(fēng)前后站位調(diào)查時間涵蓋了大小潮, 而懸浮體濃度又具有隨潮周期變化的特征, 因此, 臺風(fēng)后無機顆粒懸浮體濃度升高的具體原因還需要進一步判別。

圖11 臺風(fēng)前后各站風(fēng)致層化參數(shù)Sp 和底切應(yīng)力τFig.11 Wind-induced stratification parameter and bottom shear stress at each station before and after typhoon passage

長江口外懸浮體具有大小潮和漲落潮變化, 大潮和小潮的潮差和流速相差較大, 口外夏季大潮懸浮體濃度是小潮的1.6～2.0 倍, 一般落潮懸浮體濃度高于漲潮懸浮體濃度(沈煥庭等, 2001)?；谏鲜鎏攸c, 分別在12250 斷面和12300 斷面選取具有高懸浮體濃度、同屬漲落潮的12250-5 站和12300-4 站進行分析, 兩站在臺風(fēng)前后的潮汐和懸浮體濃度變化見表2。12250-5 站臺風(fēng)前后都屬落潮期, 潮流流速和懸浮體質(zhì)量濃度變化不大, 但是臺風(fēng)后的懸浮體體積濃度增加了89%, 這表明臺風(fēng)后12250-5 站的懸浮體絮凝程度比臺風(fēng)前高, 有效密度降低。懸浮體的絮凝過程與顆粒粒徑、懸浮體濃度、湍流強度和溫鹽等因素有關(guān)(張志忠等, 1995; Zhanget al, 2020), 臺風(fēng)過境雖然增加了水體的湍流強度, 但同時水體中懸浮體含量也增大, 且懸浮體含量的恢復(fù)相對于湍流強度具有滯后性。因此, 相對于臺風(fēng)前, 臺風(fēng)后的水體環(huán)境更有利于懸浮體絮凝。大部分懸浮體因水動力減弱而沉降, 而那些絮凝的懸浮體因密度降低維持在水體中, 導(dǎo)致懸浮體體積濃度增加。12300-4 站臺風(fēng)前后都屬漲潮期, 但臺風(fēng)前的潮流流速是臺風(fēng)后的2 倍,而懸浮體質(zhì)量濃度和體積濃度都比臺風(fēng)后小, 表明臺風(fēng)2 周后懸浮體濃度的增加并非由站位調(diào)查期間的潮流引起, 而是臺風(fēng)過境時引發(fā)的懸浮體濃度增量在時間上的“延遲”效應(yīng)。

表2 典型站位臺風(fēng)前后懸浮體濃度變化Tab.2 Variations in suspended particulate matter concentration in representative stations before and after typhoon passage

另外, 臺風(fēng)后12300 斷面其余站位懸浮體質(zhì)量濃度升高并未達到 12300-4 站的幅度(圖 3), 表明12300-4 站位的懸浮體質(zhì)量濃度增加并不是單純由臺風(fēng)引起的當(dāng)?shù)卦賾腋∽饔迷斐傻?。從臺風(fēng)前位置相近的12250-4 站位和12300-4 站位的懸浮體粒徑譜來看,12300-4 站底層粒徑峰值在64 μm, 高于12250-4 站底層懸浮體粒徑峰值(圖12)。而臺風(fēng)后的12300 站位底層粒徑峰值在16～32 μm, 明顯比臺風(fēng)前更細, 說明該站底層懸浮體來源發(fā)生變化。臺風(fēng)后12300-4 站底層懸浮體粒徑峰值與12250-4 站底部懸浮體粒徑峰值相近, 推測12300-4 站底部增加的懸浮體可能來源于近岸。12300-4 站位于長江口泥質(zhì)區(qū)的東側(cè)外邊界處,臺風(fēng)過境時, 強烈的偏北風(fēng)會在海表面產(chǎn)生自東向西的Ekman 輸運(Ekman, 1905), 而底層產(chǎn)生自西向東的補償流, 使得再懸浮的近岸底部泥質(zhì)沉積物受補償流影響搬運至12300-4 站位。

圖12 臺風(fēng)前后12250-5 站和12300-4 站懸浮體粒徑譜Fig.12 The particle size distribution of suspended particulate matter in stations 12250-5 and 12300-4 before and after typhoon passage

4.2.3 臺風(fēng)對粗顆粒組分分布的影響 研究區(qū)臺風(fēng)后的葉綠素濃度最大值是臺風(fēng)前的3.5 倍, 說明臺風(fēng)過境兩周后, 長江口外海域初級生產(chǎn)力得到極大提高, 浮游植物快速生長。臺風(fēng)前長江口外海域上混合層厚度在10 m 左右, 而臺風(fēng)期間上混合層可達25 m (Guoet al, 2019), 臺風(fēng)期間的垂向混合作用使得下層水體攜帶的營養(yǎng)鹽能夠到達表層, 造成表層水體營養(yǎng)鹽濃度增加。同時, 臺風(fēng)引起的降雨和再懸浮作用使得水體中懸浮體含量增加, 其攜帶的營養(yǎng)鹽也進入水體, 造成表層水體營養(yǎng)鹽濃度升高。另外臺灣暖流也是長江口外海域營養(yǎng)鹽的來源之一(Yang

,et al, 2013), 其入侵加強同樣會增加水體中的營養(yǎng)鹽濃度。除了營養(yǎng)鹽濃度增加, 臺風(fēng)過后的無云天氣將導(dǎo)致太陽輻射的增加, 這些都為浮游生物的生長提供有利條件。浮游植物的生長促進細顆粒的聚集, 是導(dǎo)致12250-5 站底層細顆粒組分懸浮體體積濃度增高的另一個原因。同時, 細顆粒懸浮體聚集形成粒徑更大的懸浮體, 造成臺風(fēng)后粗顆粒組分懸浮體體積濃度增加了一倍。這也說明在特定條件下有機粗顆粒體積濃度可以作為指示某一區(qū)域的初級生產(chǎn)力強弱的指標。

綜上分析可知, 雖然臺風(fēng)已過境兩周, 但是仍能在研究區(qū)捕捉到臺風(fēng)作用影響懸浮體濃度(質(zhì)量濃度和體積濃度)和粒度分布等信息。臺風(fēng)后長江口外海域懸浮體濃度比臺風(fēng)前高, 而平均粒徑變化不大。這與Li 等(2015)認為的臺風(fēng)使懸浮體平均粒徑減小結(jié)果不同, 可能與二者站位調(diào)查時間延后于臺風(fēng)過境的時長有關(guān)。雖然臺風(fēng)期間強動力過程會導(dǎo)致大顆粒懸浮體被破壞(Agrawalet al, 2001), 但是在經(jīng)過兩周時間恢復(fù)之后, 那些由大顆粒懸浮體破碎而來的以及再懸浮的仍然保存在水體中的細顆粒懸浮體又會在適宜的物理、化學(xué)和生物環(huán)境等作用下重新絮集,形成新的粗顆粒懸浮體。

4.3 臺風(fēng)過程對懸浮體分布的影響機制

臺風(fēng)屬于事件性環(huán)境因素, 受臺風(fēng)影響的海區(qū)會在臺風(fēng)過境后逐漸恢復(fù)常態(tài)。因此, 臺風(fēng)對海域懸浮體分布的影響隨其過境路徑和時間變化而不同?！盃N鴻”是近年來直接過境長江口外海域的一次典型臺風(fēng)事件。根據(jù)前述分析, 總結(jié)提出此類臺風(fēng)事件影響長江口外海域懸浮體分布的作用機制(圖13)。

圖13 臺風(fēng)過程對長江口外懸浮體分布影響的概念模型Fig.13 A conceptual model of the impact of typhoon process on suspended particulate matter distribution off the Changjiang River estuary

臺風(fēng)前, 研究區(qū)以氣候態(tài)南風(fēng)為主, 風(fēng)速較小,水體呈層化狀態(tài); 底層細顆粒組分懸浮體主要來自潮流的再懸浮作用, 受躍層阻擋這部分懸浮體無法到達表層; 長江沖淡水直接輸出的陸源沉積物也是細顆粒懸浮體的來源之一, 但是含量很低, 因此表層細顆粒懸浮體濃度較低。臺灣暖流沿陸架爬升以及潮汐作用會在長江口外引起上升流(Lüet al, 2006; 要津等, 2017), 這些外海水與近岸的長江沖淡水形成強烈的鋒面, 阻礙了近岸懸浮體向外海擴散(圖3), 使得只有少量表層懸浮體隨長江沖淡水向東北輸運(圖10)。另外, 長江沖淡水帶來大量的營養(yǎng)鹽供浮游生物生長, 有利于生源有機粗顆粒懸浮體的形成; 粗顆粒懸浮體主要分布于表層和次表層, 導(dǎo)致出現(xiàn)懸浮體平均粒徑呈現(xiàn)表層大、底層小特征。

臺風(fēng)自研究區(qū)過境期間, 強烈的北風(fēng)使得長江口淺水海域水體劇烈混合, 層化特征消失(Guoet al,2019)。長江沖淡水?dāng)U展方向由常規(guī)夏季態(tài)的東北向轉(zhuǎn)為冬季態(tài)的南向(Zhanget al, 2018)。夏季常規(guī)存在的上升流在臺風(fēng)過境期間被抑制甚至消失, 轉(zhuǎn)而被由北風(fēng)產(chǎn)生的Ekman 作用形成的下降流所取代, 導(dǎo)致底部懸浮體發(fā)生跨陸架方向輸運, 將長江口泥質(zhì)區(qū)因臺風(fēng)作用再懸浮揚起的細粒沉積物往外海搬運,進而導(dǎo)致12300-4 站位底層懸浮體呈現(xiàn)出濃度增加、粒徑減小的特征(圖12)。

臺風(fēng)過境后, 風(fēng)浪作用減弱, 大部分再懸浮揚起的細顆粒沉積物逐漸沉降, 近底層沉積物再懸浮作用又恢復(fù)為由潮流作用主導(dǎo), 底部懸浮體濃度相比臺風(fēng)期間顯著降低; 由于臺風(fēng)對懸浮體影響具有“延遲”效應(yīng), 此時懸浮體濃度相比于臺風(fēng)前仍有所增加。在南風(fēng)強迫下, 長江沖淡水逐漸轉(zhuǎn)為向東擴展,表層懸浮體輸運方向與長江沖淡水一致(圖10)。“光限制”解除與營養(yǎng)鹽的增加促進了初級生產(chǎn)力, 使得此時葉綠素濃度明顯增加, 生源粗顆粒懸浮體含量增多, 平均粒徑較臺風(fēng)期間增大。因為臺風(fēng)后的細顆粒和粗顆粒懸浮體相較于臺風(fēng)前都有所增加, 導(dǎo)致兩個時期平均粒徑變化不大。

5 結(jié)論

(1) 臺風(fēng)前長江口外海域處于常規(guī)的夏季態(tài)模式, 其懸浮體由小于128 μm 的細顆粒組分和大于128 μm 的粗顆粒組分組成, 細顆粒組分主要由無機礦物顆粒構(gòu)成, 粗顆粒組分主要由生源有機顆粒構(gòu)成。有機粗顆粒主要分布于中上層水體, 而無機細顆粒主要分布于底層水體, 因此造成長江口外海域懸浮體平均粒徑分布呈雙層結(jié)構(gòu), 上層大于300 μm,下層小于200 μm。

(2) 臺風(fēng)“燦鴻”自長江口外海域過境, 再懸浮作用的“延遲”效應(yīng)使得該海域懸浮體質(zhì)量濃度和無機細顆粒體積濃度均增加。同時, 由于臺風(fēng)作用長江口外海域營養(yǎng)鹽含量增加, 初級生產(chǎn)力得到極大提高,生源有機粗顆粒體積濃度因此增加。但是因臺風(fēng)后長江口外海域懸浮體粗、細顆粒體積濃度均增加導(dǎo)致臺風(fēng)前后懸浮體平均粒徑變化不大。

(3) 表層無機細顆粒懸浮體輸運方向與長江沖淡水一致, 由于臺風(fēng)期間強烈的偏北風(fēng)改變了長江沖淡水的輸運方向, 其輸運格局同樣發(fā)生變化。另外,臺風(fēng)作用產(chǎn)生的底部跨陸架補償流使得近岸再懸浮的泥質(zhì)沉積物往遠岸輸運, 改變了遠岸水體底部的懸浮體物質(zhì)組成和粒徑分布。

致謝感謝中國科學(xué)院海洋研究所“科學(xué)三號”考察船2015 年6 月、7 月航次全體船員和科考隊員對海上調(diào)查工作提供的支持和幫助。中國科學(xué)院海洋研究所李鐵剛研究員、俞志明研究員和于非研究員對作者參與該航次調(diào)查工作提供了諸多幫助, 謹致謝忱。