台风“灿鸿”对长江口外海域悬浮体分布的影响*

龙小志 王珍岩,3,4①

(1. 中国科学院海洋研究所 海洋地质与环境重点实验室 山东青岛 266071; 2. 中国科学院大学 北京 100049; 3. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室 山东青岛 266071; 4. 中国科学院海洋大科学研究中心 山东青岛 266071)

海洋悬浮体是指在海水中呈悬浮态存在的细小颗粒物的统称, 可分为无机颗粒和有机颗粒两大类(秦蕴珊等, 1989; 王珍岩等, 2017)。悬浮体作为营养盐、污染物和有机碳的载体, 对海洋生态环境及全球碳循环有重要影响(石学法等, 2016; 邱训平, 2018)。河口区是盐淡水交汇的地带, 物理、化学和生物作用过程频繁发生, 为细颗粒悬浮体絮凝(flocculation)或聚集(aggregation)创造了良好的环境, 因此, 河口区的悬浮体通常以絮凝态存在(Turneret al, 2002)。絮凝过程改变了悬浮体的粒径大小, 直接影响了悬浮体的沉降速度, 进而影响河口海域悬浮体输运和沉降过程(程江等, 2005)。因此, 研究河口区悬浮体粒径分布对了解河口海域物质循环和生物地球化学循环等具有重要启示意义。

长江是亚洲最大的河流, 年平均径流量(1950～2015 年)可达8 921 亿m3, 年平均输沙量达3.68 亿t(水利部长江水利委员会, 2016)。长江径流挟带的巨量沉积物在潮汐、波浪和环流的影响下扩散和输运,对长江口外海域海底地貌和岸线演变具有重大影响。严肃庄等(1995)认为由于沉积分异作用和潮流再悬浮作用使得长江口悬浮体粒度呈西北粗、东南细, 底层粗、表层细的特征; 其中九段沙东面海域表层悬浮粒度最细, 大约为2 μm。但是最近研究发现长江口海域悬浮体受生物作用影响会导致粒径增大, 从而出现表层悬浮体粒径大于底层、远岸大于近岸的现象, 外海悬浮体平均粒径可达100 μm 以上(雷坤等, 2001;高永强等, 2018)。庞重光等(2010)研究发现长江口悬浮体粒径谱出现单峰、双峰甚至多峰结构, 其结构的形成受悬浮体成分和浓度等因素共同决定。可见前人对长江口悬浮体粒度的影响因素做了较多的研究,但主要集中在物源、再悬浮、生物作用和絮凝作用等(李军等, 2003; 邵和宾等, 2013), 而对一些事件性因素(如台风)的影响研究较少。补充台风这一事件性环境因素的影响对于系统地理解长江口海域悬浮体粒度分布具有重要意义。

台风是影响中国东部海域沿岸地区最严重的自然灾害之一。1949～2019 年间影响我国的台风达1 918个, 年均27 个(中央气象台台风网)。台风的高强能量不仅会加强近海水体的混合过程, 产生上升流或下降流(Liet al, 2012; 陈斌等, 2016), 其带来的强降雨还会迅速增加入海河流的径流量, 从而使得大量的陆源物质进入长江河口及其邻近海域。这些过程将影响长江口海域悬浮体浓度及粒径分布, 进而控制悬浮体的分布、输运和沉积。因此, 研究台风过境对长江口悬浮体分布的影响有助于进一步理解该海域悬浮体分布变化对沉积环境的指示意义。然而台风过程气候恶劣, 对同期现场调查数据获取难度大, 仅有少部分学者在其它海域针对台风对悬浮体粒径影响进行初步探讨。比如Li 等(2015)对台风前后浙闽沿岸悬浮体分布进行研究, 发现台风会使絮凝态的悬浮体破碎, 导致悬浮体平均粒径降低; 而Liu 等(2020)通过对山东半岛周围海域的悬浮体粒径进行遥感反演,认为受台风影响悬浮体粒度出现先增加后减小现象。可见, 由于研究较少使得目前在台风对悬浮体粒度影响方面的认识还存在分歧。本文利用2015 年09 号台风“灿鸿”过境前后在长江口外海域获取的现场调查资料, 对台风前后该海域悬浮体粒度分布特征及其影响因素进行分析, 研究台风对该海域悬浮体影响的时效性, 并探讨台风过程对悬浮体分布的影响机制。该研究可丰富有关台风对长江口悬浮体粒度分布影响研究的科学认知, 对深入理解台风过程对长江口外海域环境的综合影响以及长江径流挟带陆源物质向东海陆架扩散机制等具有重要意义。

1 研究背景

1.1 区域背景

长江是我国最大河流, 呈三级分汊、四口入海,河口区发育有水下三角洲和水下河谷。长江口外海域为中等强度的正规半日潮, 其中M2分潮占主导作用,平均潮差2.7 m, 最大潮差为4.7 m, 平均潮流流速为1.0 m/s (陈吉余等, 1988)。研究区水动力环境复杂, 众多水团在此交汇(图1a), 其中包括苏北沿岸流(Subei coast current, SBCC)、长江冲淡水(Changjiang diluted water, CDW)、浙闽沿岸流(Zhe-Min coast current,ZMCC)和台湾暖流(Taiwan warm current, TWC)等。长江冲淡水是长江径流入海、与海水混合形成的低密度低盐水团, 通常以31 等盐线分布来刻画其影响范围,以 26 等盐线作为其主体分布的边界(毛汉礼等,1963)。夏季, 长江冲淡水转向东北, 往济州岛方向输运(毛汉礼等, 1963); 苏北沿岸流流向呈现自长江口向苏北沿岸; 浙闽沿岸流流向则由南向北(Yuanet al,2008); 台湾暖流入侵至长江口海域, 最远可达苏北浅滩(Liuet al, 2021)。

长江径流挟带的悬浮体以细颗粒悬浮泥沙为主(张志忠, 1996), 受生物作用影响, 长江口外海域悬浮体中有机颗粒含量增加(庞重光等, 2010)。因此, 长江口外海域表层悬浮体粒径大于口内(邵和宾等,2013)。海底沉积物再悬浮是造成河口区悬浮体高浓度的主要动力因素。由于重力沉积与台湾暖流阻碍作用, 长江径流挟带的悬浮体主要沉积在口门附近, 导致长江口邻近海域悬浮体浓度呈远岸低、近岸高; 上层低、下层高的特征(虞兰兰等, 2011; 高永强等,2018)。长江口底质沉积物从口内至口外先变细后变粗, 口内以砂和粉砂为主; 过渡海域以粉砂和黏土为主; 口外海域以残留砂为主(李家彪, 2008)。

1.2 台风“灿鸿”

“灿鸿”是2015 年第9 号台风, 属于超级台风, 最大风速超过51 m/s。“灿鸿”于当年6 月30 日在太平洋马绍尔群岛西部形成, 并在向西北移动时加强为台风, 7 月9 日下午由强台风转为超强台风后最大风速达到58 m/s。7 月11 日下午5 时该台风在舟山群岛登陆, 随后转向东北方向。12 日登陆朝鲜半岛后减弱为热带风暴, 最终消失(图1a)。

台风前长江口外海域风场频繁变化, 但主要以偏南风为主, 平均风速4.5 m/s (图1c)。受科氏力影响,北半球台风为气旋式。台风“灿鸿”路径位于研究区东侧, 当其过境时长江口外海域风场转为偏北风, 平均风速达10.2 m/s。台风过境后, 风场逐渐恢复为气候态的偏南风, 平均风速为5.5 m/s。

图1 东海夏季洋流(Yuan et al, 2008)和台风路径及2015 年7 月10 日20 时风场(a), 台风前后调查站位(b)以及台风过境前后长江口附近(31°N, 123°E)风场变化(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 数据与方法

2.1 数据来源

依托“科学三号”考察船对长江口外海域进行综合环境调查, 获得2015年台风“灿鸿”过境前(6月21～27日)、后(7月25～26日)两条经向断面(12250断面和12300断面; 位于 122.5°E 和 123°E 经线, 纬度区间为30°～32.5°N)的调查数据(图 1b)。在调查站位利用SBE9/11plus 型温盐深仪(conductivity-temperaturedepth, CTD, 美国SeaBird 公司生产)及其附带传感器获取水体温度、盐度和荧光叶绿素a(chla)浓度剖面数据。同时, 将LISST-100X (C 型) (美国Sequoia 公司生产)固定于CTD 上部, 随采集系统下放, 同步获取分粒级的悬浮体体积浓度(volume concentration,VC)数据。LISST-100X (C 型)利用Mie 散射理论可以获得 32 个粒级的体积浓度, 有效粒径测量范围为2.5～ 500 μm, 且通过不同粒级的体积浓度可以计算悬浮体平均粒径(Liet al, 2021)。各调查站位在表层、5、10、20、30、50 m、底层(距海底2～5 m)采集海水样品, 并立即在船载实验室中用预先称重的混合纤维素酯滤膜(0.45 μm)对水样进行过滤。过滤完成后用蒸馏水润洗滤膜以去除盐分, 冷冻保存。在陆地实验室对滤膜烘干、称重, 获得悬浮体质量浓度(mass concentration, MC)数据。

台风路径来自中央气象台台风网, 台风等级划分依据《热带气旋等级》国际标准。潮汐数据来自《潮汐表》中嵊山站(122°48′E, 30°43′N)和长江口附近海域站位(122°19′E, 31°21′N; 水深5 m)的潮高和流速数据。海面风场数据来自遥感系统(Remote Sensing Systems)提供的多平台交叉校正(cross-calibrated multi-platform, CCMP)产品, 空间分辨率0.25°×0.25°,时间分辨率为6 h。波浪数据来自美国国家海洋和大气局以及美国国家环境预报中心(National Oceanic and Atmospheric Administration/National Centers for Environmental Prediction, NOAA/NCEP) 提供的WaveWatch III 产品, 空间分辨率为0.5°×0.5°, 时间分辨率为3 h。

2.2 数据分析方法

海洋中常存在跃层, 通常用浮力频率N2来表征跃层的层化强度, 也称作布伦特-韦伊赛拉(Brunt-Vaisala)频率, 计算公式(Washburnet al, 1993):

其中,g为重力加速度,ρ为水体密度,h为水深。水体层化强度越高,N2越大。

风致层化参数Sp是衡量风是否能将整个水体混合, 用以区别层化和混合水体(Duet al, 2017):

ε为单位质量的能量耗散系数, 计算公式(Kullenberg,1977):

其中,ρa为空气密度(约1.2 kg/m3),C10为10 m 风速的拖曳系数(约0.001 6),K为风系数(约0.04),U10为10 m 风速,ρw为水的密度,h为水深。当Sp＞2 时,水体为层化状态;当Sp＜1 时,水体为混合状态。

为了衡量风浪对底质沉积物的作用, 计算浪致底部切应力τwave(Soulsby, 1987; Whitehouseet al, 2001):

其中,fw为底摩擦系数,Uw为波轨速度,计算公式如下:

其中,T为波周期,H为有效波高,z0是与粒径有关的参数, 这里取粉砂的值(50 μm),h为水深,k是与波频率ω=2 π/T有关的参数:ω2=gktanh(kh)。

3 结果

3.1 台风前后长江口外水文环境特征

台风前后12250 断面盐度和悬浮体质量浓度都随深度增加而增加, 温度和叶绿素a浓度都随深度增加而降低(图2)。台风前, 12250 断面的长江冲淡水呈层状分布于外海咸水之上, 盐度最低值与温度最高值重合, 分别为11.1 和23.2 °C, 位于12250-3 站位表层。叶绿素a主要分布于31.5°N 以北的长江冲淡水层, 最大值为3.96 mg/m3, 悬浮体质量浓度最大值为54.03 mg/L。台风过境12 d 后, 12250 断面温度整体升高。该断面长江冲淡水厚度减薄, 盐度最低值增加3.8, 温度最高值增加4 °C, 且往南偏移。叶绿素a最大浓度值为8.60 mg/m3, 比台风前高117%。悬浮体质量浓度最大值变化不大, 为52.72 mg/L。

图2 台风前后12250 断面的盐度、温度、叶绿素和悬浮体质量浓度分布Fig.2 Distributions of salinity, temperature, chlorophyll-a, and suspended particulate matter mass concentrations at section 12250 before and after typhoon passage

相较于12250 断面, 12300 断面长江冲淡水厚度明显减薄(图3)。台风前12300 断面盐度最低值为21.7,位于12300-2 站表层; 叶绿素a主要分布于冲淡水层位, 具有两个高值中心, 位于12300-1 站位和12300-5站位, 分别为4.55 和4.71 mg/m3; 悬浮体质量浓度最大值为6.92 mg/L。另外, 台风前12300-6 站位底层水体与正常底层水体的低温高盐不同, 其具有中温中盐的特征, 与中层水特征相似。台风后12300 断面长江冲淡水主体范围较台风前增加, 盐度最低值降低1.2, 其温度最高值增加3.2 °C, 同样往南偏移。叶绿素a最大浓度位于12300-4 站表层, 为16.50 mg/m3, 是台风前的3.5 倍。悬浮体质量浓度最高值为16.09 mg/L,是台风前的2.3 倍。

图3 台风前后12300 断面的盐度、温度、叶绿素和悬浮体质量浓度分布Fig.3 Distributions of salinity, temperature, chlorophyll-a and suspended particulate matter mass concentrations at section 12300 before and after typhoon passage

3.2 台风前后长江口外悬浮体分布

3.2.1悬浮体总体积浓度与平均粒径分布 悬浮体总体积浓度高值主要位于表层和次表层水体, 底层水体体积浓度较低, 台风后的总体积浓度明显高于台风前。台风前12250 断面和12300 断面悬浮体总体积浓度最高值分别为348 和500 μL/L, 台风后分别为1 030和1 080 μL/L, 是台风前的2～3 倍(图4)。12250 断面底层水体悬浮体总体积浓度高于12300 断面底层水体。两断面悬浮体平均粒径在台风前后都呈双层分布,上层悬浮体平均粒径大于300 μm, 下层悬浮体平均粒径小于200 μm, 表明中上层水体中大颗粒悬浮体占主导作用, 而底层水体中小颗粒悬浮体占主导作用。台风前后两断面悬浮体平均粒径总体无明显变化。

图4 台风前(a、b、c、d)和台风后(a1、b1、c1、d1)两断面悬浮体体积浓度和平均粒径分布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悬浮体粒度组成 为研究台风前后长江口外海域悬浮体的粒度组成特征, 对长江口外海域12250 断面和12300 断面所有站位全水深32 个粒级的悬浮体体积浓度进行平均, 且将LISST 测得的台风前后研究区各站位全水深32 个粒级累计悬浮体体积浓度分别与浊度以及叶绿素浓度做了相关性分析(图 5)。悬浮体各粒级平均体积浓度明显与相应粒级的粒径有关, 粒径越大, 该粒级悬浮体的体积浓度越高。以128 μm 粒级为界, 细颗粒组分体积浓度随粒径增加的幅度较小, 而粗颗粒组分体积浓度随粒径增加的幅度迅速增大。台风后各粒级平均悬浮体体积浓度比台风前高, 且粒径越大增幅也越大。相关性曲线特征与粒径谱特征一致, 也以128 μm 为界。细颗粒组分的浊度与累计体积浓度相关性很好, 台风前相关系数可达0.89, 台风后相关系数最高为0.72, 而叶绿素与累计体积浓度呈负相关, 且相关性较差; 粗颗粒组分的浊度与累计体积浓度的相关性急剧下降, 而叶绿素与累计体积浓度由负相关变为正相关, 且相关系数随粒径增加而增大。浊度能够反映水体中无机颗粒的含量(翟世奎等,2005), 叶绿素则反映的是水体中含叶绿素a浮游生物的含量(王珍岩等, 2017), 因此, 小于128 μm 的细颗粒组分主要由无机颗粒构成, 而大于128 μm 的粗颗粒组分主要由生源有机颗粒构成。台风前、后细颗粒组分悬浮体平均体积浓度分别为0.37 和0.54 μL/L, 粗颗粒组分悬浮体平均体积浓度分别为3.75和8.61 μL/L。这与邵和宾等(2013)认为的长江口外悬浮体粒径小于10 μm 的占70%明显不同, 因为本文使用的是LISST 仪器进行原位观测, 对悬浮体的影响非常小, 而邵和宾粒级的测量是过滤之后的统计结果, 对悬浮体的破坏较为严重, 因此, 得到不同的结果。

3.2.3 悬浮体粒度分布 台风前, 细颗粒组分悬浮体主要分布于水体底部, 且近岸的12250 断面细颗粒组分悬浮体体积浓度明显高于远岸的12300 断面;细颗粒组分悬浮体体积浓度最高值位于12250-4 站底层, 可达126 μL/L; 中层水体具有最低的体积浓度(图6)。可以看出, 细颗粒组分体积浓度分布与悬浮体质量浓度分布相似(图2), 因为悬浮体质量浓度是对海水进行抽滤得到的结果, 在某种程度上, 悬浮体质量浓度更多反映的是无机颗粒的含量(李文建等,2020)。粗颗粒组分悬浮体主要分布于表层和次表层水体, 而在水深较浅的12500-4 站, 粗颗粒组分悬浮体可分布于中下层水体。远岸的12300 断面粗颗粒组分悬浮体体积浓度高于近岸的12250 断面, 最高值位于12300-2 站的次表层, 为483 μL/L。

图6 台风前悬浮体各组分垂向分布Fig.6 Vertical distribution of different components of suspended particulate matter before typhoon passage

台风后, 细颗粒组分悬浮体垂向分布特征与台风前相似, 主要分布于底层水体, 中层水体具有最低的体积浓度, 近岸的12250 断面细颗粒组分悬浮体体积浓度高于远岸的12300 断面(图7a 和7b)。但是台风后的细颗粒组分悬浮体体积浓度比台风前高, 如12250-5 站底层体积浓度可达227 μL/L, 并且相对于台风前两断面表层的细颗粒组分往南偏移。粗颗粒组分悬浮体垂向分布特征同样与台风前相似, 但是体积浓度最高值明显增加, 约为 1 032 μL/L, 位于12300-3 站位次表层。12300 断面粗颗粒组分悬浮体分布深度较台风前稍有减小, 主要分布在10 m 以上层位(图7c 和7d)。

图7 台风后悬浮体各组分垂向分布Fig.7 Vertical distribution of different components of suspended particulate matter after typhoon passage

4 讨论

4.1 台风对长江口外水文环境的影响

T-S散点图是划分与分析水团的最主要的工具之一(李凤岐等, 2000, Lianet al, 2016), 利用调查期间在现场采集的温度(T)、盐度(S)数据绘制T-S散点图(图8)。从图中可别鉴别出在台风前研究区存在四个水团: 长江冲淡水、苏北沿岸流、台湾暖流和混合水团; 台风后存在三个水团: 长江冲淡水、苏北沿岸流和台湾暖流。各水团的具体温盐特性见表1。受台风影响, 长江冲淡水在强烈的偏北风作用下往南移, 这与Zhang 等(2018)数值模拟研究结果一致。同时也表明台风过境之后虽然存在偏南风, 但是长江冲淡水经过两周时间也未恢复至原先的输运状态(图2b 和3b)。苏北沿岸流在台风前的分布局限于12500-1 站位和12300-1 站位10 m 以深的中下层, 但是在台风期间偏北风的作用下苏北沿岸流会往长江口偏移甚至发生逆转, 从而造成台风过后苏北沿岸流在12250 断面分布范围的扩大(图2b)。台湾暖流在台风前分布于12300 断面31.5°N 以南的中下层以及12250-3 站底层水体, 而台风后的台湾暖流可达12300 断面31.5°以北海域, 入侵程度明显加强; 在12250 断面的分布范围也增加且往南偏移, 表明其爬升位置改变(图2b 和3b)。混合水团只在台风前出现, 位于12300-6 站位底部, 相对于周围底层水体具有高温低盐异常特征, 其上部是低温高盐的台湾暖流水, 据此推测混合水团的形成原因是台湾暖流在12300-6 站位处爬升过程中其下部水体与近岸的长江冲淡水混合, 而上部水体未发生变性。而台风期间风浪作用使得水体混合及台湾暖流强度发生变化, 混合水团因此消失。

图8 台风前(左)、后(右)研究区水体温-盐(T-S)散点图Fig.8 T-S scatter diagrams of the water column in the study area before and after typhoon passage

表1 台风前后不同水团的温盐特性Tab.1 The thermohaline characteristics of different water masses before and after typhoon passage

台风过境后, 其水体垂向结构变得比台风之前更加稳定, 跃层更强(图9)。这与通常认为的台风会使水体垂向混合, 破坏水体的跃层结构相反(Liet al,2012)。出现该现象的原因是本研究调查时间为台风过境两周之后, 台风动力过程引起的水体垂向混合在经过两周时间的平静期后, 水体混合作用减弱, 跃层重新形成; 同时由于太阳辐射增强, 表层水体温度迅速升高, 上下层温差增大导致水体层化加剧(Walkeret al, 2005)。台湾暖流入侵加强也会使跃层强度得到进一步加强。

图9 台风前后各站位盐度、温度和浮力频率的垂向变化Fig.9 Vertical distribution of salinity, temperature, and buoyancy frequency at each station before and after typhoon passage

4.2 台风对悬浮体粒度分布的影响

4.2.1长江口外悬浮体来源 本研究将长江口外悬浮体分为细颗粒组分和粗颗粒组分, 细颗粒组分以无机颗粒为主, 而粗颗粒组分以生源有机颗粒为主(详见3.2.2 节)。前人研究表明长江口海域悬浮体无机组分主要是矿物颗粒及其絮凝产物, 而有机组分主要是浮游生物及其代谢产物和有机絮团(张志忠,1996; 邵和宾等, 2013)。

悬浮体质量浓度和细颗粒组分体积浓度在底层呈现最高值(图2, 3, 6 和7), 表明台风前后水体底部的无机细颗粒主要来自底部沉积物的再悬浮。但是悬浮体质量浓度最低值并非位于表层, 而是位于水体中层, 反映了再悬浮的底部沉积物因水体上部存在强烈的跃层而未进一步向上扩散至表层。表层悬浮体质量浓度高值与长江冲淡水主体(26 等盐线)范围吻合, 表明表层的无机细颗粒来自长江径流, 而不是再悬浮作用。相似地, 崔倩芳等(2012)研究也发现长江口海域表层无机悬浮体百分含量和浓度明显受长江径流的影响。浮游植物生长过程中会释放大量具有黏性的胞外聚合物, 这些有机物会与无机矿物颗粒结合形成粒径较大的悬浮体(李文建等, 2020)。长江冲淡水输送的营养盐和跃层捕获物质的能力为浮游植物生长提供有利的条件, 因此, 有机粗颗粒体积浓度高值主要分布于次表层(图6 和7)。综上分析可知, 长江口外海域中上层水体以生源有机粗颗粒为主, 中下层水体以无机细颗粒为主, 从而造成悬浮体平均粒径垂向分布呈上粗下细的“双层结构”特征(图4)。

4.2.2 台风对细颗粒组分分布的影响

(1) 表层

从长江口外海域表层盐度和悬浮体质量浓度分布可以看出, 无机细颗粒输运方向与长江冲淡水输运方向一致(图10), 进一步验证了表层无机颗粒来自河口区的径流排放。受台风影响, 长江冲淡水扩展方向的改变引起表层悬浮体输运方向相应变化; 同时悬浮体质量浓度增大, 即无机细颗粒含量增加, 这些因素都影响长江口外海域悬浮体粒度分布。然而, 台风后(7 月)长江径流(大通站)挟带的月平均悬浮泥沙含量相较于台风前(6 月)是减少的(水利部长江水利委员会, 2016), 因此, 研究区表层悬浮体浓度增加可能是由于台风期间近岸浅水区水体混合强烈, 整个水体的悬浮体浓度都增大, 至台风过境后悬浮体浓度仍然比台风前高, 然后经长江冲淡水输运至12250 断面和12300 断面。相似地, Yang 等(2007)发现济州西南泥质区111 站位的悬浮体泥沙浓度并未像预期那样出现在强冬季风暴时期, 而是在12 h 之后出现, 其认为该现象的原因是风暴将水深较浅处的沉积物再悬浮经黄海沿岸流输运至111 站。

图10 台风前后长江口外海域表层盐度及悬浮体质量浓度分布Fig.10 Distributions of surface salinity and surface suspended particulate matter mass concentration off the Changjiang River estuary before and after typhoon passage

(2) 底层

长江口外海域潮汐属中等强度, 潮汐作用和台风都能提供较强的海底剪切力, 足以将原本沉降在海底的未固结的细颗粒沉积物再悬浮(Liet al, 2015; Chenet al, 2021)。本研究在七月的作站时间为台风后12 d,前文分析得到在台风后12 d 水体结构已经恢复至台风前的状态, 层化相较台风前更强, 因此, 有必要讨论在潮汐作用和背景风场影响下台风发挥的作用。

研究区在台风前后的站位调查期间都以偏南风为主, 其中台风前平均风速为4.6 m/s, 台风后平均风速为5.3 m/s (图1c)。基于调查期间各站位海表面10 m 风速计算的水体层化参数和风致底切应力如图11 所示。虽然台风后平均风速略有增加, 但是层化参数基本都大于2.0, 且风致底切应力均小于0.1 Pa。长江口外海域底质沉积物从近岸向外海由泥质过渡为残留砂, 最小起动应力也在0.35 Pa (乔宇等, 2021),说明台风前后的风场均无法使研究区底部沉积物发生再悬浮。同样, Lettmann 等(2009)研究发现弱风和中等风对海底沉积物(水深大于15 m)再悬浮都几乎没有贡献, 只有当风速大于13 m/s 时才能影响沉积物再悬浮过程。另外, 位于本研究区内的 P01 站(122.74°E, 31.04°N, 水深28 m)在平均风速为4.1 m/s的夏季风背景下, 其产生的底部切应力大约为0.02 Pa,也无法将底部沉积物再悬浮(Chenet al, 2021)。因此,推断台风前研究区水体底部的高浓度悬浮体是由潮汐作用引起的再悬浮所致。由于台风前后站位调查时间涵盖了大小潮, 而悬浮体浓度又具有随潮周期变化的特征, 因此, 台风后无机颗粒悬浮体浓度升高的具体原因还需要进一步判别。

图11 台风前后各站风致层化参数Sp 和底切应力τFig.11 Wind-induced stratification parameter and bottom shear stress at each station before and after typhoon passage

长江口外悬浮体具有大小潮和涨落潮变化, 大潮和小潮的潮差和流速相差较大, 口外夏季大潮悬浮体浓度是小潮的1.6～2.0 倍, 一般落潮悬浮体浓度高于涨潮悬浮体浓度(沈焕庭等, 2001)。基于上述特点, 分别在12250 断面和12300 断面选取具有高悬浮体浓度、同属涨落潮的12250-5 站和12300-4 站进行分析, 两站在台风前后的潮汐和悬浮体浓度变化见表2。12250-5 站台风前后都属落潮期, 潮流流速和悬浮体质量浓度变化不大, 但是台风后的悬浮体体积浓度增加了89%, 这表明台风后12250-5 站的悬浮体絮凝程度比台风前高, 有效密度降低。悬浮体的絮凝过程与颗粒粒径、悬浮体浓度、湍流强度和温盐等因素有关(张志忠等, 1995; Zhanget al, 2020), 台风过境虽然增加了水体的湍流强度, 但同时水体中悬浮体含量也增大, 且悬浮体含量的恢复相对于湍流强度具有滞后性。因此, 相对于台风前, 台风后的水体环境更有利于悬浮体絮凝。大部分悬浮体因水动力减弱而沉降, 而那些絮凝的悬浮体因密度降低维持在水体中, 导致悬浮体体积浓度增加。12300-4 站台风前后都属涨潮期, 但台风前的潮流流速是台风后的2 倍,而悬浮体质量浓度和体积浓度都比台风后小, 表明台风2 周后悬浮体浓度的增加并非由站位调查期间的潮流引起, 而是台风过境时引发的悬浮体浓度增量在时间上的“延迟”效应。

表2 典型站位台风前后悬浮体浓度变化Tab.2 Variations in suspended particulate matter concentration in representative stations before and after typhoon passage

另外, 台风后12300 断面其余站位悬浮体质量浓度升高并未达到 12300-4 站的幅度(图 3), 表明12300-4 站位的悬浮体质量浓度增加并不是单纯由台风引起的当地再悬浮作用造成的。从台风前位置相近的12250-4 站位和12300-4 站位的悬浮体粒径谱来看,12300-4 站底层粒径峰值在64 μm, 高于12250-4 站底层悬浮体粒径峰值(图12)。而台风后的12300 站位底层粒径峰值在16～32 μm, 明显比台风前更细, 说明该站底层悬浮体来源发生变化。台风后12300-4 站底层悬浮体粒径峰值与12250-4 站底部悬浮体粒径峰值相近, 推测12300-4 站底部增加的悬浮体可能来源于近岸。12300-4 站位于长江口泥质区的东侧外边界处,台风过境时, 强烈的偏北风会在海表面产生自东向西的Ekman 输运(Ekman, 1905), 而底层产生自西向东的补偿流, 使得再悬浮的近岸底部泥质沉积物受补偿流影响搬运至12300-4 站位。

图12 台风前后12250-5 站和12300-4 站悬浮体粒径谱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 台风对粗颗粒组分分布的影响 研究区台风后的叶绿素浓度最大值是台风前的3.5 倍, 说明台风过境两周后, 长江口外海域初级生产力得到极大提高, 浮游植物快速生长。台风前长江口外海域上混合层厚度在10 m 左右, 而台风期间上混合层可达25 m (Guoet al, 2019), 台风期间的垂向混合作用使得下层水体携带的营养盐能够到达表层, 造成表层水体营养盐浓度增加。同时, 台风引起的降雨和再悬浮作用使得水体中悬浮体含量增加, 其携带的营养盐也进入水体, 造成表层水体营养盐浓度升高。另外台湾暖流也是长江口外海域营养盐的来源之一(Yang

,et al, 2013), 其入侵加强同样会增加水体中的营养盐浓度。除了营养盐浓度增加, 台风过后的无云天气将导致太阳辐射的增加, 这些都为浮游生物的生长提供有利条件。浮游植物的生长促进细颗粒的聚集, 是导致12250-5 站底层细颗粒组分悬浮体体积浓度增高的另一个原因。同时, 细颗粒悬浮体聚集形成粒径更大的悬浮体, 造成台风后粗颗粒组分悬浮体体积浓度增加了一倍。这也说明在特定条件下有机粗颗粒体积浓度可以作为指示某一区域的初级生产力强弱的指标。

综上分析可知, 虽然台风已过境两周, 但是仍能在研究区捕捉到台风作用影响悬浮体浓度(质量浓度和体积浓度)和粒度分布等信息。台风后长江口外海域悬浮体浓度比台风前高, 而平均粒径变化不大。这与Li 等(2015)认为的台风使悬浮体平均粒径减小结果不同, 可能与二者站位调查时间延后于台风过境的时长有关。虽然台风期间强动力过程会导致大颗粒悬浮体被破坏(Agrawalet al, 2001), 但是在经过两周时间恢复之后, 那些由大颗粒悬浮体破碎而来的以及再悬浮的仍然保存在水体中的细颗粒悬浮体又会在适宜的物理、化学和生物环境等作用下重新絮集,形成新的粗颗粒悬浮体。

4.3 台风过程对悬浮体分布的影响机制

台风属于事件性环境因素, 受台风影响的海区会在台风过境后逐渐恢复常态。因此, 台风对海域悬浮体分布的影响随其过境路径和时间变化而不同。“灿鸿”是近年来直接过境长江口外海域的一次典型台风事件。根据前述分析, 总结提出此类台风事件影响长江口外海域悬浮体分布的作用机制(图13)。

图13 台风过程对长江口外悬浮体分布影响的概念模型Fig.13 A conceptual model of the impact of typhoon process on suspended particulate matter distribution off the Changjiang River estuary

台风前, 研究区以气候态南风为主, 风速较小,水体呈层化状态; 底层细颗粒组分悬浮体主要来自潮流的再悬浮作用, 受跃层阻挡这部分悬浮体无法到达表层; 长江冲淡水直接输出的陆源沉积物也是细颗粒悬浮体的来源之一, 但是含量很低, 因此表层细颗粒悬浮体浓度较低。台湾暖流沿陆架爬升以及潮汐作用会在长江口外引起上升流(Lüet al, 2006; 要津等, 2017), 这些外海水与近岸的长江冲淡水形成强烈的锋面, 阻碍了近岸悬浮体向外海扩散(图3), 使得只有少量表层悬浮体随长江冲淡水向东北输运(图10)。另外, 长江冲淡水带来大量的营养盐供浮游生物生长, 有利于生源有机粗颗粒悬浮体的形成; 粗颗粒悬浮体主要分布于表层和次表层, 导致出现悬浮体平均粒径呈现表层大、底层小特征。

台风自研究区过境期间, 强烈的北风使得长江口浅水海域水体剧烈混合, 层化特征消失(Guoet al,2019)。长江冲淡水扩展方向由常规夏季态的东北向转为冬季态的南向(Zhanget al, 2018)。夏季常规存在的上升流在台风过境期间被抑制甚至消失, 转而被由北风产生的Ekman 作用形成的下降流所取代, 导致底部悬浮体发生跨陆架方向输运, 将长江口泥质区因台风作用再悬浮扬起的细粒沉积物往外海搬运,进而导致12300-4 站位底层悬浮体呈现出浓度增加、粒径减小的特征(图12)。

台风过境后, 风浪作用减弱, 大部分再悬浮扬起的细颗粒沉积物逐渐沉降, 近底层沉积物再悬浮作用又恢复为由潮流作用主导, 底部悬浮体浓度相比台风期间显著降低; 由于台风对悬浮体影响具有“延迟”效应, 此时悬浮体浓度相比于台风前仍有所增加。在南风强迫下, 长江冲淡水逐渐转为向东扩展,表层悬浮体输运方向与长江冲淡水一致(图10)。“光限制”解除与营养盐的增加促进了初级生产力, 使得此时叶绿素浓度明显增加, 生源粗颗粒悬浮体含量增多, 平均粒径较台风期间增大。因为台风后的细颗粒和粗颗粒悬浮体相较于台风前都有所增加, 导致两个时期平均粒径变化不大。

5 结论

(1) 台风前长江口外海域处于常规的夏季态模式, 其悬浮体由小于128 μm 的细颗粒组分和大于128 μm 的粗颗粒组分组成, 细颗粒组分主要由无机矿物颗粒构成, 粗颗粒组分主要由生源有机颗粒构成。有机粗颗粒主要分布于中上层水体, 而无机细颗粒主要分布于底层水体, 因此造成长江口外海域悬浮体平均粒径分布呈双层结构, 上层大于300 μm,下层小于200 μm。

(2) 台风“灿鸿”自长江口外海域过境, 再悬浮作用的“延迟”效应使得该海域悬浮体质量浓度和无机细颗粒体积浓度均增加。同时, 由于台风作用长江口外海域营养盐含量增加, 初级生产力得到极大提高,生源有机粗颗粒体积浓度因此增加。但是因台风后长江口外海域悬浮体粗、细颗粒体积浓度均增加导致台风前后悬浮体平均粒径变化不大。

(3) 表层无机细颗粒悬浮体输运方向与长江冲淡水一致, 由于台风期间强烈的偏北风改变了长江冲淡水的输运方向, 其输运格局同样发生变化。另外,台风作用产生的底部跨陆架补偿流使得近岸再悬浮的泥质沉积物往远岸输运, 改变了远岸水体底部的悬浮体物质组成和粒径分布。

致谢感谢中国科学院海洋研究所“科学三号”考察船2015 年6 月、7 月航次全体船员和科考队员对海上调查工作提供的支持和帮助。中国科学院海洋研究所李铁刚研究员、俞志明研究员和于非研究员对作者参与该航次调查工作提供了诸多帮助, 谨致谢忱。