2013年夏秋季黄、渤海悬浮颗粒物粒径分布特征

吴 昊 , 丘仲锋, , 张艳萍 孙德勇, , 王胜强,

(1. 南京信息工程大学 电子信息工程学院, 江苏 南京 210044; 2. 南京信息工程大学 海洋科学学院, 江苏南京 210044; 3. 江苏省海洋环境探测工程技术研究中心, 江苏 南京 210044)

水体中的悬浮颗粒物包括有机颗粒物和无机颗粒物[1-2], 无机颗粒物中的大颗粒泥沙易沉降并淤积,对航道、海岸工程造成影响, 而有机颗粒物中的悬浮藻类漂浮于水中, 直接影响光束穿透[3], 进而影响海洋的初级生产力。因此, 监测悬浮颗粒物、研究其粒径的时空变化特征是非常必要的。

国外学者在悬浮颗粒粒径分布的监测和反演方面已经开展了大量的研究。Winterwerp[4]提出了细颗粒的絮凝、沉降和再悬浮等动力过程与颗粒粒径的大小有直接关系; Bowers等[5]基于前人的工作,利用单位散射系数与悬浮颗粒粒径之间的关系, 建立了颗粒物中值粒径的遥感反演模型; Lee等[6]基于Bowers等[5]的方法, 利用MODIS月平均数据产品, 分析研究爱尔兰海悬浮颗粒浓度、粒径及其动力特征的时空变化。

国内学者已经开展了一些关于悬浮颗粒粒径时空分布的研究, 主要是基于现场观测资料。张志忠[7]对长江口河段 1976～1982年不同季节与潮型时的悬浮泥沙进行了粒度分析, 并计算了国内外河口悬沙的平均中值粒径, 发现细颗粒泥沙占优; 李伯根等[8]基于实测的悬沙粒径观测资料, 分析研究椒江河口最大浑浊带悬沙粒径分布的区域变化; 王爱军等[9]分析研究 2003和 2004年枯季在长江口测量的悬沙浓度和粒度数据, 发现2003年11月小潮期间和2004年 2月大潮期间, 中值粒径(D50)与悬沙浓度之间存在显著的指数关系; 虞兰兰等[10]分析了黄、东海悬浮物的LISST-100(Laser In-Site Scattering and Transmissometry)观测数据, 研究了黄、东海的悬浮物粒径和体积浓度分布情况, 并从动力学角度对其进行解释; 沈芳等[11]以长江口和黄河口的悬浮泥沙颗粒物作为研究对象, 基于实测数据集和Mie散射理论, 分析了悬浮物粒径与后向散射系数、遥感反射率的定量关系, 其研究结果可为河口二类水体悬浮物遥感建模及悬沙粒径在遥感模型中的参数化提供依据。

上述研究对悬浮颗粒物粒径的性质进行了初步介绍, 但对于整个黄、渤海不同季节悬浮颗粒物粒径的分布特征以及悬浮颗粒物粒径与水体光学参数的关系, 尚缺乏深入了解[12]。本文针对这个问题, 利用两个航次的观测数据, 分析了黄、渤海悬浮颗粒物粒径夏季和秋季分布特征。

1 数据与方法

1.1 观测站位

用LISST-100现场激光粒度仪分别于2013年6月和2013年11月两个航次对黄、渤海区域16个断面进行了悬浮物浓度和粒径的测量, 其中黄海 11个,渤海5个。夏季共测量了86个站, 秋季共测量了88个站, 其中秋季测量了2个连续站(图1)。

图1 航次调查站位图Fig.1 Voyage survey stations

1.2 观测仪器及方法

本实验所使用的观测仪器为LISST-100C现场激光粒度仪。它的原理是激光的衍射, 光线照射到粒子上以后衍射光线绕过粒子, 通过一个凸透镜聚焦到一个由32个圆环构成的光敏二极管检测器上, 根据每个探测环上接收到的能量换算出该尺寸粒子的浓度, 32级粒子的浓度总和就是悬浮物的总浓度。LISST-100运用Mie散射理论, 可以区分32个呈对数分布的粒级, 测量范围为 2.5～500 μm, 并可给出每个粒级的体积浓度。

观测船每到一个站位, 使用 LISST-100专用软件激活仪器, 打开触发式开关, 将LISST-100仪器下放, 仪器每一秒钟测量一次。下放过程中需先在表层短暂停留一段时间进行温盐校正, 然后缓慢下放至底层, 最后上提仪器直至出水面, 关闭开关。获取原始数据(.DATE)后, 利用 LISST-100专用软件去除用纯净水对仪器进行矫正的背景噪声(.asc), 将原始数据处理为粒径分布数据(.psd), 最后将它转换为二进制(.asc), 导入excel表格内(42列)。本文所使用的数据为第42列的衰减系数以及前32列不同粒径粒子的体积浓度, 将前32列数据求和即得到悬浮物总的体积浓度。将该32列数据从较小粒径对应的体积浓度值开始相加, 当所加的和等于总的体积浓度值的一半时停止, 此时所对应的粒径即为中值粒径D50。根据第37列水深数据选取水面以下1 m作为表层数据, 仪器下放的最大水深为底层数据(一般距离水底3 m左右)。在此将颗粒物近似为球体, 则尺寸间隔为D±0.5∆D,D表示对应的粒径大小, ∆D表示每个粒级的尺寸范围, 32个不同粒级的体积浓度V见公式(1),N表示每单位尺寸、单位体积浓度内的粒子个数(个/(m3·μm)), 单位体积内所含粒子个数为

2 结果与讨论

2.1 黄、渤海悬浮物整体分布

2.1.1 悬浮物浓度分布

夏季表层体积浓度(图 2a)在渤海区域的值为10～30 μL/L, 北黄海区域的值为 5～10 μL/L, 南黄海区域的值为 10～50 μL/L; 夏季底层体积浓度(图 2b)在渤海区域的值为80～200 μL/L, 北黄海区域的值为8～20 μL/L, 南黄海区域的值为 40～300 μL/L。秋季表层体积浓度(图 2c)在渤海区域的值为 40～60 μL/L,北黄海区域的值为 8～20 μL/L, 南黄海区域的值为20～200 μL/L; 秋季底层体积浓度(图 2d)在渤海区域的值为40～100 μL/L, 北黄海区域的值约为30 μL/L,南黄海区域的值为40～250 μL/L; 长江口、黄河口以及鲁苏沿岸夏秋两季均维持较高的浓度值, 海区近岸浓度明显高于远岸, 渤海海峡在夏季表层浓度值较高, 可达到 150 μL, 南黄海 D断面附近区域夏秋两季均出现浓度高值区。

综上, 海区浓度分布基本为秋季比夏季高(渤海海峡表层和近济州岛底层例外), 近岸浓度高, 远岸浓度低; 渤海海域的浓度明显高于黄海远岸海域的浓度; 近底层的悬浮物浓度比上层高[13]。

2.1.2 悬浮物粒径分布

夏季表层粒径(图 3a)在渤海区域的值为 150～250 μm, 北黄海区域的值为 150～300 μm, 南黄海区域的值为 250～300 μm; 夏季底层粒径(图 3b)在渤海区域的值为80～150 μm, 北黄海区域的值为80～200 μm,南黄海区域的值为50～100 μm。秋季表层粒径(图3c)在渤海区域的值为 40～150 μm, 北黄海区域的值为100～250 μm, 南黄海区域的值为40～200 μm; 秋季底层粒径(图 3d)在渤海区域的值为 40～60 μm, 北黄海区域的值约为 60～200 μm, 南黄海区域的值为 40～200 μm; 黄海近岸粒径值明显小于远岸。

图2 黄、渤海悬浮物浓度分布图Fig.2 Yellow and Bohai suspension concentration distribution

图3 黄、渤海悬浮物中值粒径分布图Fig.3 Yellow and Bohai suspension median particle size distribution

综上, 粒径分布特征可概括为表层近岸细, 远岸粗; 夏季上层粒径比下层大, 并且比秋季大; 秋、夏两季表层粒径均大于底层粒径, 这与青松[14]的研究成果一致。

2.2 断面分布

为了更好地研究黄、渤海区域浓度及粒径随着水深的变化趋势, 在此选取了渤海(P)、北黄海(H)和南黄海(D)3个典型断面进行分析, 如图1所示。

2.2.1 浓度分布

断面P夏季浓度(图4a, 图中底层表示仪器测量的最大水深)分布变化不大, 分布区间为4～16 μL/L。秋季浓度(图 4b)高于夏季, 近岸浓度(30～40 μL/L)高于远岸(10～15 μL/L), 且分布比较均匀; 断面H夏季浓度(图 4c)分布层化现象明显, 近岸底层浓度偏高(20～30 μL/L), 远岸底层浓度较小(2～4 μL/L)。秋季浓度(图 4d)分布相对均匀, 近岸浓度(20～60 μL/L)高于远岸(2～10 μL/L), 底层浓度略高于表层; 断面 D 夏季浓度(图 4e)整体偏高, 底层浓度较高(100～250 μL/L),表层相对较低(10～30 μL/L), 分布层化现象明显。秋季浓度(图4f)分布比较均匀, 上下层海水混合的较好, 近岸浓度偏高(50～180 μL/L), 远岸浓度较低(5～20 μL/L)。

3个断面悬浮物浓度分布呈现显著的时空差异,在空间上表现为远岸低、近岸高, 表层低、底层高;在时间上则是秋季浓度比夏季高(断面 D底层例外),且分布比较均匀, 夏季层化现象比较明显。

图4 断面浓度分布图Fig.4 Sectional concentration distribution

近岸水深较浅, 受风、波浪和流影响, 水体底层动力比较活跃, 易造成底质的再悬浮, 使得近岸浓度高于远岸、近岸近底层浓度高于表层; 当水深较大时, 风和波浪对水体底层动力的影响变小, 底质受到扰动产生再悬浮的现象减弱, 浓度相应变低(例如H断面夏季)。夏季表层 P、H断面存在浓度高值区漂浮在水体中上层的现象, 跟浮游植物的漂浮区域及水深有一定的关系。

秋季浓度比夏季高, 可能是由于风导致而成。特例断面D底层与本文3.1.1节中近济州岛底层的特例情况相符合。秋季风变大, 由于风的驱动, 加上温度降低导致表层水体密度变大而下沉, 使得上下层水体混合比较均匀; 夏季则由于有跃层的存在, 表、底层水体交换不畅, 所以夏季垂向分布不均, 层化现象较明显(例如P断面)。

2.2.2 粒径分布

断面P夏季(图5a)粒径分布比较均匀, 近岸底层粒径较小(30 μm), 远岸表层粒径较大(300 μm)。秋季(图 5b)粒径分布分层明显, 近岸粒径较小(50 μm),远岸表层(140～200 μm)粒径大于底层(50 μm), 夏季粒径大于秋季粒径; 断面H夏(图5c)、秋(图5d)两季粒径分布均为近岸粒径较小, 远岸表层粒径大于底层粒径, 夏秋两季粒径无明显的大小变化; 断面 D夏季(图 5e)粒径分布为近岸粒径较小, 远岸表层粒径大于底层粒径。秋季(图5f)粒径分布为近岸粒径较小(20 μm), 远岸底层(20 μm)粒径小于表层(200 μm),夏季粒径大于秋季粒径。

3个断面悬浮物粒径的空间分布呈现近岸粒径小、远岸大的特点。时间上与悬浮物浓度类似, 秋季粒径垂向分布更加均匀, 夏季则主要是层化分布。此外, 从图5可以看出, 夏季上层粒径比下层大, 也比秋季粒径大, 与虞兰兰[10]2011年研究成果一致。

由于近岸水深较浅, 较活跃的底层动力导致底质再悬浮作用显著, 而再悬浮物质中小粒径占优[15], 因此使得近岸悬浮物粒径比远岸小(例如D断面夏季)。

图5 断面中值粒径D50分布图Fig.5 Median particle size distribution of the section

2.3 连续站

秋季航次在渤海海峡和鸭绿江两处设置了两个连续站, 分别是HX和YLJ(图1), 水深分别为22 m和47 m, 期间恰逢大风, 起风前风速范围是5～8 m/s,而连续站期间的风速达到12～18 m/s。

HX站表、底层中值粒径(图6b)在起风前夕分别为78 μm和122 μm, 起风后粒径均变小; YLJ站表、底层体积浓度(图6c)起风前夕分别为6 μL/L和4 μL/L,起风后体积浓度均明显增加。由此可推断: 在一定的水深范围内, 大风可导致底层细小颗粒物再悬浮,从而改变悬浮物的空间分布格局。这与崔廷伟等[16]研究结果相一致, 即大风在短期时间内(1～3 d)可改变悬浮物的空间分布格局, 尤其是底层。

从图6还可以看出, YLJ站的粒径及体积浓度均出现约 12 h的周期变化特征, 考虑到研究区域的潮型属于半日潮, 可以得出潮流对悬浮物的时空分布有着重要影响, 特别在近岸潮流作用显著的区域。

图6 连续站HX(a, b)和连续站YLJ(c, d)的数据Fig.6 Data from continuous station HX (a, b)and YLJ (c, d)

2.4 衰减系数

衰减系数是衡量水体光场的重要参数, 对于了解水下光场变化具有重要作用, 与水体悬浮物性质密切相关。本文使用的LISST-100传感器感应的为670 nm波长处的能量[17], 因此所测衰减系数为Cp(670)。

图7给出了衰减系数与体积浓度Vc及中值粒径的关系(以秋季航次D2站点为例), 从中可以看出,Vc和Cp(670)具有很好的一致性, 而D50与Cp(670)相关性较差, 说明衰减系数与体积浓度密切相关, 受粒径影响较小。此外, 我们取秋季航次88个站位的表层Vc和Cp(670)进行拟合(图8), 从中也可以看出,Vc和Cp(670)具有显著的正相关性。

2.5 粒径的尺度分布

粒径的尺度分布(PSD)在海洋生态系统研究中被广泛提及, 目前已有一些数学模型用来描述 PSD,包括Junge分布, 高斯分布、对数正态分布和伽玛函数等[18-20]。相比其它模型, Junge分布能够更加直接推导出PSD的相关特性[21]。其表达式为

其中,N表示每单位尺寸、单位体积浓度内的粒子个数(个/(m3·μm)),D0为参考粒径(μm),N0表示D0处的N,j为粒径分布的斜率(也称为Junge指数)。

本文根据实测粒径资料, 计算了Junge指数, 以H2站为例(图9), 从中可以看出, 采用Junge分布可以很好拟合PSD。从Junge指数在黄、渤海的分布(图10)可以看出, 表层j值的大小分布区间为 3.5～5, 底层j值的大小分布区间为 3～4.5, 其中, 渤海和黄海近岸j的取值偏大, 北黄海及南黄海远岸j的取值则相对较小。

图7 秋季站位B2衰减系数与变量的关系图Fig.7 Autumn station B2 attenuation coefficient and variable

3 结论

图8 秋季88个站位表层衰减系数与体积浓度的关系图Fig.8 Autumn 88-station attenuation coefficient and surface volume concentration diagram

图9 粒径分布的Junge分布图(H2站位)Fig.9 Junge distribution of particle sizes (H2 station)

本文研究了黄、渤海区域悬浮物粒径和浓度的整体分布情况, 还分析了渤海、北黄海和南黄海3个典型断面的悬浮物粒径和浓度随着水深的变化趋势;根据连续站数据分析大风对底层颗粒物的再悬浮作用以及潮流对悬浮物时空分布的影响; 研究了衰减系数与体积浓度及中值粒径之间的关系; 探讨了Junge分布在黄、渤海区域的适用性。得出以下结论:

1) 黄、渤海悬浮物浓度分布特征基本为秋季比夏季高(少数区域例外), 近岸浓度高, 远岸浓度低;近底层的悬浮物浓度比上层浓度高。粒径分布特征为表层近岸细, 远岸粗; 夏季上层粒径比下层大, 并且比秋季大; 秋、夏两季表层粒径均大于底层粒径。

2) 典型断面浓度分布为: 空间上, 近岸高于远岸, 底层高于表层; 时间上, 秋季浓度比夏季高, 分布比较均匀; 夏季层化现象比较明显。粒径分布为近岸粒径小、远岸大; 时间上, 秋季粒径垂向分布更加均匀, 夏季则主要是层化分布。并且夏季上层粒径比下层大, 也比秋季粒径大。

3) 大风导致底层细小颗粒物再悬浮, 对底层体积浓度和粒径的变化效果明显; 潮流对悬浮物的时空分布有着重要影响, 特别在近岸潮流作用显著的区域。

图10 黄、渤海Junge指数j的分布图Fig.10 Yellow, BohaiJunge distribution index of j

4) 衰减系数与体积浓度具有显著的正相关性。

5) 黄、渤海区域的粒径分布符合 Junge分布,Junge指数j与体积浓度和中值粒径之间存在着一定的相关性。这需要以后利用更多有效的实测数据进行验证分析。

致谢: 感谢中科院海洋所、中国海洋大学等单位同仁辛苦的数据采集工作。

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