基于遥感反演的山东半岛东北部海域悬浮体时空变化规律探讨*

刘 焘 朱龙海, 2 胡日军, 2 尹砚军 冷 星

基于遥感反演的山东半岛东北部海域悬浮体时空变化规律探讨*

刘 焘1朱龙海1, 2①胡日军1, 2尹砚军1冷 星1

(1. 中国海洋大学海洋地球科学学院 青岛 266100;2. 中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室 青岛 266100)

基于2003—2018年中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)卫星遥感影像资料, 结合2018年春季、夏季和冬季大面站悬浮体取样分析结果, 构建了表层悬浮体浓度遥感反演模型; 在此基础上, 分析了山东半岛东北部海域年际和月份表层悬浮体浓度时空分布规律, 探讨了表层悬浮体浓度变化的主控因素和水体结构季节变化及其对悬浮体分布输运的影响。结果表明: 山东半岛东北部海域表层悬浮体总体呈近岸高远岸低的分布特征, 东部成山头区域悬浮体浓度较高且向海扩散较远, 西部威海湾及外侧海域悬浮体浓度较低且扩散范围小于东部。研究区悬浮体浓度季节性变化显著但对应季节年度变化较小, 冬季悬浮体浓度达到最大, 春秋季次之, 夏季最低。研究区春季、秋季和冬季表层悬浮体浓度主要受控于北向风浪和潮流, 而夏季悬浮体浓度主要受潮流控制。夏季, 温跃层阻碍了悬浮体垂向扩散, 导致表层悬浮体浓度极低; 冬季, 研究区东部成山头附近水平分布的弱温跃层虽然会在一定程度上抑制悬浮体的再悬浮, 但再悬浮扩散仍是造成研究区高悬浮体浓度的主要因素。山东半岛东北部存在类似“夏储冬输”的特征, 海底沉积物再悬浮物质及成山头附近悬浮体的水平扩散是研究区悬浮体的主要来源。

山东半岛; 遥感反演; 悬浮体浓度; 时空变化

黄海是典型的半封闭浅海, 受大河与沿岸中小河流双重影响, 一直以来都是研究陆源沉积物源汇过程以及沉积体系形成和演化规律的重要研究区域。中国东部陆架海沉积物具有“夏储冬输”的输送格局: 冬季北风强劲, 是陆架海泥沙输送的盛行期; 夏季则以沉积为主。作为黄河物质远端输运的重要通道, 山东半岛北部沿岸和成山头海域以高悬浮体浓度为显著特征(秦蕴珊等, 1989; 杨作升等, 1992; 鲍献文等, 2010)。环山东半岛存在一个最大厚度约40 m, 呈“Ω”状的巨大泥楔(图1a), 向外逐渐变薄, 最远可到80 m等深线处(Yang, 2007)。杨子赓(2004)认为, 该泥区是鲁北沿岸流将黄河及沿岸短源河流物质搬运到山东半岛沿岸形成的。山东半岛北部位于渤海和北黄海交界区域, 水动力强, 沉积物输运非常活跃, 是沉积物从渤海向南黄海输运的主要通道(Yang, 2007), 也是研究黄河物质源汇输运过程的关键研究区。

悬浮体浓度是表征沿岸水体沉积动力特征的重要参数, 研究其空间分布规律和时间变化特征, 对了解近岸海域悬浮体扩散及输运过程具有重要意义(徐宁等, 2004)。黄河流域-渤海-黄海是当今世界研究大河流域陆源物质从源到汇过程的典型区域, 吸引了众多研究者的关注(Pang, 2003; 李广雪等, 2004; Liu, 2007)。山东半岛北岸作为黄河物质向山东半岛南部和南黄海中部泥区输运的中转站, 同时也是黄河物质向辽东半岛东岸的主要物源供给区(石勇等, 2019), 是黄河物质从源到汇输运链条的最关键环节。因此, 分析该地区悬沙浓度的时空分布和变化规律, 有助于从沉积动力角度掌握泥沙动态变化规律, 进而从物源供给角度认识整个北黄海泥质区的形成和演化规律。

目前, 对近岸悬浮体的时空分布监测主要手段包括: 现场抽滤、遥感反演及数值模拟等。通常悬浮体数据的获取是用船采样, 现场抽滤分析, 测试过程耗时长, 且很难在时间和空间同步, 具有很大的局限性(孙效功等, 2000)。空间观测技术的发展, 使得水色遥感卫星在大范围、长时间尺度的悬浮体浓度监测中得到广泛应用(Choi, 2014), 为悬浮体浓度的时空变化规律的研究提供了方便(余佳等, 2014; 刘琳等, 2019)。中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer, MODIS)-Terra卫星数据在海洋遥感反演中被广泛应用, 其遥感产品时间尺度长, 数据质量较好, 而且处理手段成熟, 因此本文选择MODIS-Terra卫星数据来对山东半岛东北部海域进行悬浮体反演。目前, 大多数研究学者对悬浮体浓度的遥感反演都集中于渤黄海、东海等大范围区域, 对大尺度的悬浮体分布特征及输运格局进行了研究分析。但针对诸如山东半岛北岸这类区域相对较小, 但沉积动力过程复杂的关键研究区的精细化研究仍鲜有报道(李广雪等, 2004; 杨作升等, 2005)。而该项研究不但对于完善山东半岛泥质区沉积物输运机制具有重要意义, 也可为该区域的水质环境及海洋工程维护提供基础数据支撑。

基于以上认识, 本文基于MODIS遥感卫星数据, 结合实测悬浮体数据建立山东半岛东北部海域的悬浮体浓度遥感反演模型, 对山东半岛东北部海域2003、2006、2009、2012、2015及2018年(当年3月至次年2月)的表层悬浮体浓度进行反演的基础上, 研究该地区不同季节和年份之间悬浮体的空间分布规律, 探讨表层悬浮体浓度变化的主控因素及研究区水体结构季节变化及其对悬浮体分布和输运的影响。

图1 黄海环流系统(a)及调查站位(b、c)示意图

注: SDCC: 山东半岛沿岸流; SLCC: 辽南沿岸流; YSWC: 黄海暖流; 泥质体等深线改绘自Yang等(2007);环流改绘自苏纪兰等(2005)

1 研究区概况

山东半岛东北部位于北黄海南部, 海岸线变化曲折, 最大水深42 m, 平均水深25 m。主要为正规半日潮, M2分潮是该海域的主导分潮, 成山头海域为强潮区, 潮流流速可达到80 cm/s(苏纪兰等, 2005)。该海域冬季盛行西北风, 夏季则以东南风为主; 在季风及环流系统影响下, 研究区冬季平均波高约为夏季的两倍, 春秋季介于之间, (赵保仁, 1985; 苏纪兰, 2001)。低温低盐的山东半岛沿岸流沿山东半岛北岸东流, 绕过成山角后, 流向转向南, 大致沿着山东半岛南岸向西南方向流动(刘爱菊等, 1983); 高温高盐的黄海暖流自济州岛西南部海域, 沿黄海海槽西侧向北进入北黄海, 之后转向西运动(Lin, 2011; Xu, 2009)(图1a)。表层沉积物类型以砂质粉砂和粉砂为主(Zhu, 2020)。

2 资料与方法

2.1 资料来源

搭载在Terra和Aqua两颗卫星上的MODIS是美国地球观测系统(earth observation system, EOS)计划中用于观测全球生物和物理过程的重要仪器, 其第四波段(545—565 nm)反射率强度和悬浮体浓度具有较好的相关性, 能够用于反演水体悬浮体(Wang, 2011)。在调查期间, 对应地选取无云的MODIS数据进行处理, 建立反射率与悬浮体浓度的拟合关系。本文共选取了2003、2006、2009、2012、2015和2018年(3月至次年2月), 6个年度383景无云影像(图2)。

中国海洋大学于2018年夏季(8月1—5日, 87个站位)、冬季(2018年12月22—25日, 87个站位; 2019年1月4—5日, 45个站位)和春季(4月20—28日, 57个站位)在山东半岛东北部海域进行了4个航次的大面站调查。各站位调查均同步搭载浊度计、温盐深仪(conductivity temperature depth, CTD), 进行了表、中、底3层水体取样, 表层(距海面约1 m)、中层(0.5,为水深)和底层(距海底约1 m)水样, 体积约1000 mL, 用于悬浮体质量浓度的测定, 取样时间内天气较好, 建立遥感反演模型只用到了表层悬浮体浓度。海水浊度利用Aqualogger 310TY型浊度仪进行测量, 采样频率1 Hz, 精度为±0. 01 FTU。浊度垂向分布图采用surfer11软件绘制, 采用克里金插值方法。水体温度(°C)、盐度采用CTD-NV型温盐深仪进行测量, 采样频率5 Hz, 温度和盐度测量精度±0.005°C和±0.005; 风场数据及有效波高数据来自欧洲气象中心(http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/ levtype=sfc/), 分辨率为1/4 d, 使用MATLAB对下载风速、风向数据及有效波高数据进行提取整理, 得到研究区平均风速、风向及有效波高。

图2 不同年份MODIS影像数量

2.2 数据处理方法

悬浮体浓度测定使用抽滤称重法, 将孔径为45 µm的滤膜在55℃的烘箱中干燥10 h, 然后在干燥器内放置约4 h后进行称重、记录。抽滤后, 将覆有沉积物的滤膜再进行烘干及称重。悬浮体浓度为泥沙重量与海水体积的比值。其中, 20%的滤膜经过双膜校正, 以消除滤膜损失的影响(Gao, 1990)。

本文使用的是Terra卫星的MODISL1B数据, 格式为HDF, 利用ENVI软件对MODIS L1B数据进行几何校正、大气校正、太阳天顶角校正处理, 得到分辨率1 km的第四波段反射率强度数据, 经过数据处理发现, 水体反射率强度与悬浮体浓度之间呈对数相关关系(余佳等, 2014; 肖合辉等, 2015)。将实测表层悬浮体浓度与卫片信息相匹配, 并提取对应卫片的反射率强度信息。其中, 将取样时间段内的对应无云卫片反射率作为拟合公式对应的反射率。据此挑选出77组数据, 建立实测悬浮体浓度和水体反射率的拟合公式(1), 用来反演山东半岛东北部海域悬浮体浓度(图3a)。

SS=0.2733×exp(15.01×555), (1)

其中,SS为悬浮体浓度值(单位: mg/L),555为第4波段反射率值。

图3 第4波段反射率(R555)与悬浮体浓度的拟合结果(a)、反演质量评估曲线(b)、冬季悬浮体浓度与浊度对应关系(c)

注:2: 决定系数;: 总样本数

为了检验反演公式的可适用性, 选取除拟合公式所用站位外的25个实测站位与反演浓度进行验证(图3b)。结果为: 决定系数2=0.93, 均方根误差RMS=0.84mg/L, 平均相对误差MR=0.38。对比表明, 利用2018年春季、夏季及冬季77个站位的实测数据建立的反演公式是可信的。

前人研究表明, 浊度和悬浮体浓度具有较好的对应关系(秦蕴珊等, 1982)。本文将冬季所取三层水样抽滤所得悬浮体浓度与相应浊度进行拟合(图3c所示), 相关系数达到0.94, 由于只取了3层水样, 浊度计采样精度更高, 故本文将利用2019年1月冬季大面站浊度数据近似的代替悬浮体浓度进行分析。

3 结果

3.1 悬浮体浓度年际变化

研究区夏季和冬季表层悬浮体浓度均表现出明显的年际变化(图4), 夏季平均悬浮体浓度最低, 春秋季次之, 冬季达到最高。从空间分布来看, 夏季悬浮体高浓度区蜷缩在近岸, 仅在成山头海域浓度较高且出现向外海扩散的趋势; 冬季研究区出现了一条连续的浑浊带, 东部成山头区域悬浮体向海扩散距离较远且浓度相对较高; 西部为威海湾及外侧海域, 悬浮体向海扩散距离较近, 同时悬浮体浓度较东部低。其次, 从年际变化来看, 夏季在2003、2009和2015年间悬浮体浓度较高, 成山头海域高值区悬浮体浓度最高值2 mg/L左右, 大部分区域低于1 mg/L; 冬季仅在2003年悬浮体浓度整体较高, 近岸海域最高可达到28 mg/L, 另外, 2006—2018年间悬浮体浓度整体较低且在一定范围内波动。整体来看, 冬季存在明显的悬浮体浓度锋面, 该结果与实测浊度锋面位置分布较一致, 东部成山头区域表层悬浮体出现了向北部、西部扩散输运的特征。

3.2 悬浮体浓度月变化

图5为2003—2018年间逐月平均悬浮体浓度分布, 可以看出研究区悬浮体浓度分布存在明显的时空变化: 空间上, 所有月份的悬浮体高浓度区集中在近岸, 以浑浊带最为显著; 此外, 所有月份的悬浮体浓度均呈现东高西低的分布格局; 时间上, 12月至次年2月, 在强盛的冬季风和环流系统影响下, 表层悬浮体高浓度范围急剧扩大; 3—5月表层悬浮体浓度分布由高变低, 同时向外海扩散的强度逐渐减弱; 6—8月, 本区域水动力较弱, 水体层化明显, 温跃层极大的阻挡了悬浮体进行垂向扩散, 使得表层悬浮体浓度保持低值并基本不变; 9—11月, 随着季风作用的加强, 表层悬浮体浓度呈现增大的态势。

3.3 悬浮体浓度垂向分布特征

夏季黄海海域高浓度悬浮体通常富集于底边界层, 垂向分层明显, 研究区温跃层多出现在海面以下10—15 m处(王勇智等, 2014; 朱颖涛, 2020)。冬季水体混合较为强烈, 利用2019年1月水文泥沙调查资料, 温盐以断面Ⅲ为例, 近岸为低温低盐水体, 而远岸表现为高温高盐(图6), 与其对应的浊度断面也表现出近岸高、远岸低类似的特征, 底层浊度高的地方表层浊度也对应较高(图7); 其次, 断面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ出现了明显的锋面, 锋面分别位于WH05—WH06站位之间、WH28—WH29站位之间和WH64—WH65站位之间, 锋面两侧浊度差异较大, 约2—4 FTU。表层浊度扩散范围与遥感反演结果吻合, 间接地验证了反演模型的准确性。

图4 研究区夏、冬季表层悬浮体浓度年际变化图

图5 2003—2018年多年累月平均悬浮体浓度分布

4 讨论

4.1 悬浮体浓度变化的主控因素

在季节性风浪作用下, 表层悬浮体浓度会表现出一定的响应关系(艾乔等, 2019)。研究区海域范围较小, 风场较为稳定, 为深入研究影响山东半岛东北部海域表层悬浮体浓度变化的主控因素, 本文将研究区累年月均悬浮体浓度与相应风场数据及有效波高进行了分析。从图8可以看出, 研究区除5—7月份外, 风速及有效波高与悬浮体浓度的变化趋势一致, 尤其是在冬季, 表明强盛的北风及偏北风更有助于悬浮体的扩散及输运。值得注意的是, 5—7月风速较大, 但有效波高及悬浮体浓度却很小, 这可能是夏季研究区偏南风居多, 且风区较短的影响; 此外, 已有研究指出最大临界水深小于有效波高的10倍(Whitehouse, 2000), 根据有效波高资料得到研究区夏季最大临界水深多小于10 m, 而温跃层出现在水深10—15 m处, 故除极端天气外, 夏季风浪作用只能影响到近岸及温跃层上部, 水体层化所产生的温跃层阻隔了悬浮体垂向扩散, 因此季风极大的影响了研究区表层悬浮体的分布格局及输运。山东半岛东北部海域各个季节表层悬浮体在空间分布特征上与潮流一致, 均表现为悬浮体浓度高值区对应成山头区域强潮流区, 悬浮体浓度相对较低的区域对应的潮流较弱(乔方利等, 2004; 朱学明等, 2012), 故潮流在一定程度上控制了悬浮体浓度的水平分布。

图6 2019年1月断面Ⅲ温度、盐度垂向分布

图7 2019年1月断面浊度垂向分布

考虑到多期遥感影像数据平均及风速、有效波高平均会对结果造成一定影响, 故选取2015和2018年的四个季节研究区质量较好的遥感影像, 进而获取对应风场及有效波高数据, 从图9可以看出, 与上述分析结果一致, 夏季总体悬浮体浓度较低, 其与风速、有效波高不存在相关性; 冬季、秋季和春季表层悬浮体浓度均与有效波高、风速存在较高的正相关关系, 且与有效波高相关性更高, 表明波浪直接作用于表层悬浮体, 而风速是引起波高变化的直接因素。综上所述, 研究区春季、秋季和冬季表层悬浮体浓度主要受控于北向风浪和潮流, 而夏季则以潮流控制为主。

图8 悬浮体浓度与风和有效波高的年内变化关系

图9 不同季节悬浮体浓度与风速、有效波高的对应关系

注: a: 春季; b: 夏季; c: 秋季; d: 冬季;2: 决定系数

4.2 水体结构季节变化及其对悬浮体分布和输运的影响

渤黄海温度、盐度及悬浮体浓度存在明显的季节性变化(秦蕴珊等, 1989; 鲍献文等, 2009)。夏季水体层化现象突出, 波浪作用较弱, 近水平分布的温跃层对悬浮体起到了屏障作用, 平流输运的沉积物补给也有限, 导致夏季表层悬浮体浓度处于全年最低水平, 而底层悬浮体浓度则为较高值, 表底层悬浮体交换能力弱(王勇智等, 2014)。

冬季纬向鲁北沿岸流所形成的温盐锋阻挡了近岸悬浮体向外海输运, 大量悬浮体只分布于锋面内侧, 呈现为近岸分布的浑浊带。利用2019年1月4—5日大面站调查表中底3层悬浮体浓度数据, 对研究区冬季水体结构及其对悬浮体的分布输运进行研究。WH84—WH87站位位于研究区东部成山头海域(图10), 在海面以下10—20 m存在0.03 ºC/m的弱温跃层。已有研究指出, 1月份出现在山东半岛北部沿岸的较弱逆温跃层现象, 主要是由于冬季气温的冷却作用导致(管秉贤, 2000; 葛人峰等, 2006)。该温跃层的存在抑制了底层及中层的悬浮体向表层扩散, 表层悬浮体获取下层的补偿较小, 导致底层悬浮体浓度远远大于表层, 为悬浮体浓度高值分布区(图11)。此外, 绝大多数站位表层悬浮体浓度与中层悬浮体浓度相关系数达到0.95, 而与底层悬浮体浓度相关系数为0.82, 表明在研究区西部和中部悬浮体垂向上呈显著的再悬浮扩散。因此, 研究区东部成山头附近存在的弱温跃层虽然会在一定程度上抑制悬浮体的再悬浮, 但再悬浮扩散仍是造成研究区高悬浮体浓度的主要因素。

图10 典型站位WH86弱温跃层示意图

图11 冬季悬浮体浓度(CSS)在表层与中层底层的分布

本文通过遥感反演及实测资料表明, 研究区东部成山头区表层悬浮体浓度高于西部, 表层悬浮体有自东向西扩散的趋势; 冬季, 表层悬浮体在较强的沿岸流和波浪作用下呈现出向四周“输送”的格局, 并且成山头附近海域悬浮体扩散距离更远, 另外, 在山东半岛东部研究表明悬浮体以平流输运为主(冷星等, 2019), 因此研究区内悬浮体主要来源于海底沉积物的再悬浮及成山头附近悬浮体的水平扩散(图12), 悬浮体输运主要是已有沉积物在潮流及风浪作用下再分配的过程(庞重光等, 2004)。

图12 山东半岛东北部海域冬季悬浮体输运模式图

5 结论

(1) 山东半岛东北部海域表层悬浮体浓度呈现近岸高远岸低的特征, 东部成山头附近浓度较高且向海扩散较远, 西部威海湾及外侧海域悬浮体浓度较低且扩散范围小于东部; 悬浮体浓度季节性变化显著, 冬季悬浮体浓度达到最大, 春秋季次之, 夏季最低; 2003—2018年春夏秋冬四季研究区表层悬浮体浓度在一定范围内波动, 无明显变化趋势。

(2) 研究区春季、秋季和冬季表层悬浮体浓度主要受控于北向风浪和潮流, 而夏季则以潮流控制为主。夏季, 温跃层阻碍了悬浮体垂向扩散, 导致表层悬浮体浓度极低; 冬季, 研究区东部成山头附近水平分布的弱温跃层虽然会在一定程度上抑制悬浮体的再悬浮, 但再悬浮扩散仍是造成研究区高悬浮体浓度的主要因素。

(3) 山东半岛东北部海域存在类似“夏储冬输”的特征, 海底沉积物再悬浮物质及成山头附近悬浮体的水平扩散是研究区悬浮体的主要来源。

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THE temporal and spatial variation of suspended matter in the northeast Shandong Peninsula based on remote sensing inversion

LIU Tao1, ZHU Long-Hai1, 2, HU Ri-Jun1, 2, YIN Yan-Jun1, LENG Xing1

(1. College of Marine Geoscience, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. The Key Lab of Submarine Geoscience and Prospecting Techniques, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Based on the MODIS satellite remote sensing image data during 2003—2018 and the suspension sampling analysis results of at-sea-surface stations in spring, summer, and winter of 2018, a remote sensing inversion model for surface suspension concentration was constructed. The temporal and spatial distribution of surface suspension concentration in the sea area off northeast Shandong Peninsula was analyzed, and the main controlling factors of the variations in surface suspension concentration, seasonal water structure were examined, and their influence on the distribution and transport of suspended matter were discussed. Results show that the surface suspension in the study area is generally distributed near shore higher than far shore lower, the concentration of suspension in the eastern Chenshan area was higher and spread far to the sea, and the concentration of suspension in the western Weihai Bay and the outer sea area was lower and the diffusion range was smaller than that in the eastern sea. The concentration of suspended matter in the study area had a significant seasonal change, but the corresponding seasonal annual change was small. The concentration of suspended matter reached the maximum in winter, followed by spring and autumn, and the lowest in summer. The surface suspension concentration in spring, autumn, and winter was controlled mainly by northerly wind waves and tidal currents, while the concentration in summer was mainly controlled by tidal currents. In summer, the thermocline obstructed the vertical diffusion of suspension, resulting in extremely low surface suspension concentration. In winter, the weak thermocline distributed horizontally near Chenshan in the east of the study area, which inhibited the re-suspension to a certain extent, but the re-suspension diffusion was still the main factor for causing the high concentration of suspended matter in the study area. Similar characteristics of “summer storage and winter transport” exist in the northeastern part of Shandong Peninsula, and the horizontal diffusion of suspended matter in seabed sediments and near Chenshan were the main sources of suspended matter in the study area.

Shandong Peninsula; remote sensing inversion; suspension concentration; time and space variation

* 国家自然科学基金“山东半岛海湾对泥沙的捕获机制—以威海湾为例”, 41776059号。刘 焘, 硕士研究生, E-mail: 1027497886@qq. com

朱龙海, 教授级高级工程师, E-mail: zhulonghai@ouc.edu.cn

2020-09-29,

2020-12-28

P736

10.11693/hyhz20200900268