台风事件对东中国海悬沙浓度时空演变的影响分析*

赵仁灵 周春艳 ① 许春阳 刘 伟

(1. 河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室 江苏南京 210098; 2. 河海大学港口海岸与近海工程学院 江苏南京 210098; 3. 连云港市港航事业发展中心 江苏连云港 222042)

台风作为天气尺度上最大的海气相互作用过程之一, 它可以在短时间内剧烈改变海气间的能量交换, 反映在海面的强风浪可以强烈改变常规天气下的水体状态, 破坏水体结构(Lietal, 2018), 改变海底地形、地貌(Lietal, 2015c)以及泥沙颗粒的迁移和沉积过程(Lietal, 2015b, 2015c)。东中国海位于太平洋西北, 影响该地区的台风中, 约有三分之一登陆或影响中国, 其中在东中国海和南海发生的较多, 在渤海和北黄海发生的较少(Wangetal, 2021)。东中国海是世界上悬浮物浓度最高的海区之一, 每年接收来自黄河和长江等大河入海的大量悬沙。东中国海沉积物从“源”到“汇”的过程越来越受关注, 它们在地球化学循环、生态系统变化、资源管理等方面发挥着关键作用(Walshetal, 2016)。

东中国海近岸悬沙浓度分布受潮流、风浪、沿岸流、径流和温盐等多种因素的影响, 其中风浪和潮流是最主要的影响因素(宋召军等, 2006; 权永峥等,2015; Liuetal, 2016a)。在大风或者风暴潮天气下, 风和风浪成为影响流向和泥沙再悬浮及输运的主要因素, 显著影响悬沙的时空分布(Wangetal, 2018;Whippleetal, 2018; Zengetal, 2023)。受制于观测条件, 台风过境期间实测数据难以获得, 遥感可以有效地再现海洋物理过程(Lietal, 2015a; 宋德彬等,2018)。GOCI (geostationary ocean color imager)数据可用于监测台风过境期间的悬沙等海洋水色要素的时空分布(Chauetal, 2021), 计算台风前后表层悬沙浓度(suspended sediment concentration, SSC)的变化值。已有很多学者将GOCI 遥感数据与非台风天气下的实测资料进行了对比验证, 结果表现良好(Ahnetal,2012)。大气校正后使用Tassan 公式反演的SSC 与三门湾至江苏北部沿岸地区156 个实测SSC 的线性关系为R2=0.8 (Jiangetal, 2020), 反演得到的SSC 在东中国海非台风天气下比较可靠。利用GOCI 遥感数据分析极端天气下的悬沙浓度也有应用, 基于优化的SeaWiFs 算法及Tassan 公式反演的SSC 作为ROMS模型的初始条件, 将模拟结果结合实测水文资料与GOCI 数据反演的SSC 互为验证, 成功跟踪预测了2012 年的台风博拉文事件(Kimetal, 2013)。除此之外, 与我国广泛应用的MODIS 和Landsat8 遥感数据相比, GOCI 遥感数据产品表现出相当的质量水平。对GOCI 数据进行优化后, 使用SeaWiFs 算法得到的海上555 和660 nm 波段的遥感反射率与MODIS、MERIS 相同产品之间呈现接近1 的线性相关性(Yangetal, 2014), 与Landsat8 产品的线性相关性达0.873 1(Duetal, 2021), 对于东海某点(32.12°N, 125.18°E),基于标准的SeaWiFs 算法优化近红外波段离水反射率的迭代模型(Ahnetal, 2012)计算得到的560 和665 nm 波段的遥感反射率与实测反射率的相关性分别达到0.85 和0.93 (Doxaranetal, 2014), 这表明了他们之间的高度一致性。

本研究基于不同类型台风事件期间筛选出的高质量GOCI 遥感数据, 计算台风过境前1～3 d 到过境后1～3 d 的日平均表层悬沙浓度, 结合风场数据, 探讨不同类型台风对表层悬沙时空分布的影响。

1 研究区域台风事件介绍

影响东中国海的台风事件路径可分为登陆型、海上活动型及特殊型(由陆向海发展, 多为南海穿出)三大类(孙林海等, 2010; Yanetal, 2020; 张智伟, 2020)。登陆型又可细分为正面登陆、登陆后向北偏东发展、向陆中及向西发展型, 海上活动型又可细分为近海和远海活动型(图1a)。本文统计了2015～2022 年期间,台风七级风力半径直接影响了东中国海50 m 等深线以西的台风事件34 起, 其路径类型统计见表1。近海活动型和远海活动型台风发生频率高于其他5 种登陆型台风事件和南海穿出型台风事件, 5 种登陆型台风事件中登陆消失和登陆北上中的台风事件出现次数较高, 近8 a 未出现南海穿出型台风事件。本研究将讨论不同类型的台风事件对研究区域SSC 分布时空变化的影响, 且重点讨论近海活动型和远海活动型台风事件, 研究区域如图1b 所示。

表1 2015～2022 年期间影响东中国海的台风类型次数统计Tab.1 Statistics of typhoon types affecting the East China Sea during 2015～2022

图1 影响东中国海的台风类型(a)以及研究范围和水深分布(b)Fig.1 Types of typhoons affecting the East China Sea (a) and the study area and bathymetry (b)

在统计的34 起台风事件中筛选出可观察到高质量少云GOCI 遥感数据的台风, 台风信息见表2, 台风路径见图2。

表2 不同类型台风信息Tab.2 Information about different types of typhoons

图2 台风路径图Fig.2 Tracks of typhoons

2 观测数据与分析方法

2.1 遥感数据

GOCI 载在韩国2010 年发射的静止卫星COMS上。GOCI 空间分辨率为500 m, 共有8 个波段, 光谱分辨率为412～865 nm, 轨道高度达35 786 km, 覆盖范围为2 500 km×2 500 km。GOCI 每天从8 点到15 点(北京时间)可以提供8 个时刻的观测数据, 时间间隔为1 h, GOCI 数据可从韩国海洋卫星中心(http://kosc.kiost.ac.kr/index.nm)上获得。GOCI 数据的8 个波段可用于反演研究区域表层悬浮泥沙浓度(suspended sediment concentration, SSC)和叶绿素(chlorophyll)浓度等海洋水色要素。

我国现行的全球热带气旋等级划分标准(GB/T 32935-2016)将热带气旋中心附近地面最大风速达到32.7～41.4 m/s, 即12～13 级定义为台风。在本研究中,我们选择了2015～2022 年期间中央气象台台风网公布的台风信息, 特别是台风路径经过东中国海、风力半径影响东中国海海域尤其是近岸高浑浊水域的台风事件。在这些台风事件中筛选出台风到达研究区域前1～3 d 至台风通过研究区域后1～3 d 的高质量GOCI遥感数据, 以便分析台风事件影响下研究区域SSC的时空分布变化特点。本研究用于计算SSC 的遥感数据日期统计如表3 所示。

表3 用于计算SSC 的GOCI 遥感数据日期Tab.3 Dates of GOCI remote sensing data used to calculate SSC

2.2 风场数据及台风过程信息

台风影响期间, ERA5 再分析风场数据在黄海、东海区域的风速大小与实测资料有较高一致性, 相关性均在0.8 以上(谭海燕等, 2021)。以台风“利奇马”通过东中国海为例, 渤海、黄海、东海的实测风场数据与ERA5 再分析数据之间展现出良好的匹配度(李爱莲等, 2021)。所以, 本研究采用ERA5 数据对台风期间的风场进行分析。

ERA5 数据集是欧洲中期天气预报中心(ECMWF)制作的第五代大气再分析资料。它提供自1950 年至今的地表面气压、温度和风场等数据。资料的时间分辨率为1 h, 空间分辨率为0.25°×0.25° (https://cds.climate.copernicus.eu)。台风过程信息来自于中央气象台风网(http://typhoon.weather.com.cn/), 该网站提供的某一时刻台风路径中, 记录的最小风力等级影响半径为7 级风力影响半径, 风速为10.8～17.1 m/s。

2.3 数据处理

使用GDPS1.4 对GOCI L1B 数据进行大气校正,辐射定标等工作。QA Score 评价的结果显示, GDPS1.4在黄海海域对GOCI 数据处理的表现良好(刘晓燕等,2021)。为分析SSC 的时空演变, 本文使用Tassan 提出的黄海大型海洋生态系统[YSLME (the Yellow Sea large marine ecosystem) ocean color work group, YOC]算法(Tassan, 1994; Siswanto Eetal, 2011)反演表层悬沙浓度CSS, 见公式(1)。

其中,C0、C1、C2分别为0.649、25.623、0.646,Rrs为遥感反射率, 单位为Sr-1。由于台风天气云层遮挡,个别像素点会被错判断为海水参加SSC 反演, 导致该像素点计算值异常偏高, 这类异常高值孤立噪点可根据梯度阈值法剔除(王荣彬等, 2013), 剔除后采用反距离加权算法将该值填补平滑(赵冰等, 2020)。反距离加权平均如公式(2)～(4)所示, 去噪效果如图3所示, 为了便于展示, 图中数字均为该像素实际SSC值向下取整得到的整数。

图3 去噪前(a)、后(b)效果对比Fig.3 Comparison in the effects before (a) and after (b) SSC denoising

其中,D为像素点(xt,yt)与噪声像元(x,y)的距离,Wt为像素点t的权重系数,T为加权平均后的SSC 值,Tt为t点像素点的SSC 值, 参与加权计算的像素范围为:以噪点为中心, 单边有7 个像素点所围成的7×7 正方形内的所有像素。

本研究采取的梯度阈值法是用于剔除计算过程中可能将云像素点识别错为海面的像素点, 错误像素点计算SSC 会表现成异常大值, 成为噪点。本文处理的平均每个GOCI 遥感数据图像剔除的噪点个数占整体像素个数的0.011 42‰, 剔除后的结果更精确,有利于研究区域SSC 的计算。

以往学者将河口海域含沙量急剧变化且在现场观测可见的清浑水交界面的悬沙浓度线定义为悬沙锋, 浓度范围在10～30 mg/L (朱建荣等, 2003; 王厚杰等, 2006), 将2～6 mg/L 悬沙浓度范围浓度线定义为悬沙次级锋面, 次级锋面在全年较为稳定且随季节变化, 冬季向深海延伸夏季收缩回近岸(杨扬等,2012)。因此本研究选取了30 mg/L 的SSC 等值线代表高浑浊水域与低浑浊水域的分界线, 3.5 mg/L 的SSC 等值线代表低浑浊水域和深海较清水域的分界线(该线同时也是遥感图像中可以观测得到的清浊水域分界线), 以便于分析台风影响下不同浑浊程度水域中的SSC 时空分布。本研究筛选出的台风事件集中于秋季, 秋季东中国海高浓度悬沙一般都限制在50 m 水深以西范围(刘鹏等, 2022), 而遥感观测下的30 mg/L 的SSC 等值线一般位于20 m 等深线附近, 为了便于讨论SSC 时空分布在不同水深范围的特点,本研究将 20 m 水深以西水域表述为近岸浅水区,20～50 m 水深范围水域表述为过渡区水域, 大于50 m水深的区域表述为深水区。

2.4 反演数据验证

为验证GOCI 数据反演的SSC 精度, 本研究收集了台风影响期间长江口徐六泾和佘山站两个固定测站的实测SSC 资料, 即每日水深0～0.2 m 的600 ml表层水样。台风事件分别为2011 年05 号台风米雷和2014 年19 号台风黄蜂, 米雷于6 月22 日的菲律宾东部海区, 经3 d 的发展逐渐影响长江口附近海域, 6 月25 日长江口佘山站附近海平面以上10 m 的风速达到14 m/s, 6 月27 后在朝鲜西部海域消亡。黄蜂于10 月3 日在太平洋生成, 10 月12 日长江口佘山站附近海面以上10 m 的风速达到15 m/s, 10 月13 日在日本九州附近衰弱。用于验证的实测表层SSC 及对应时间内的少云GOCI 数据信息如表4 所示, 反演得到的SSC与实测数据对比如图4 所示。

表4 实测表层悬沙浓度、GOCI 数据、风速数据信息Tab.4 The measured surface suspended sediment concentration, GOCI data, and wind speed

图4 SSC 验证及误差分析Fig.4 SSC verification and error analysis

台风影响期间GOCI 反演得到的SSC 与实测SSC整体趋势相近, 平均误差不超过20%, 说明GOCI 数据反演适用于研究台风天气影响下的SSC 时空分布。

3 结果

3.1 远海及近海活动型台风过程中SSC 的时空分布

1 个近海活动型(201918)和 4 个远海活动型(201718、202009、201825 和201917)台风事件通过研究区域前和通过后的表层SSC 时空分布如图5 所示。台风通过研究区域前, 东中国海的表层SSC 分布如图5 中a1, b1, c1, d1, e1 所示, 在东中国海近岸浅水区, SSC 明显高于深水区, 而且随着水深增加逐渐减小。近岸SSC 最高可达249 mg/L, 20 m 等深线附近SSC 约为20 mg/L。在苏北近岸、长江口近岸和浙闽沿岸三个区域内, 各自相同水深的水域内SSC 表现出较为均匀的特点, 但苏北近岸水域和长江口沿岸的SSC 明显高于浙闽沿岸。过渡区水域的SSC 较浅水区低, SSC 从20 mg/L 向外海下降至1 mg/L 左右,平行于等深线方向的SSC 分布较为均匀。东中国海深水区的SSC 小于1 mg/L。

图5 海上活动型台风影响下的SSC 时空分布Fig.5 Spatio-temporal distribution of SSC under the influence of typhoons active in the sea area

201718 (图5b1)、202009 (图5c1)号台风经过研究区域前, 3.5 mg/L 的SSC 等值线多分布在20 m 等深线以西的区域, 201825 (图5d1)、201917 (图5e1)、201918 (图5a1)号台风经过研究区域前, 3.5 mg/L 的SSC 等值线在31°～33°N 的范围内突破了20 m 等深线延伸到了30～45 m 水深区域, 最远延伸至125°E, SSC等值线的分布趋势与等深线走向相近。

对比远海活动型台风(201825、201917 号)和近海活动型(201918 号)台风事件接近研究区域时连续两天的SSC 时空分布(图5d1、5d2; 图5e1、5e2; 图5a1、5a2)可知, 3.5 mg/L 和30 mg/L 等值线位置保持稳定,没有发生明显的表层浑浊水域向深海延伸的现象;在 20 m 水深以西的浅水水域, 代表高 SSC 值(＞70 mg/L)的深红色范围加大; 过渡区水域的平均浓度基本不变。

图5a3, b2, c2, d3, e3 分别为5 个台风通过研究区域后的SSC 分布图。远海及近海活动型台风离开研究区域后, 近岸浅水区的SSC 明显增大, 30 mg/L的SSC 等值线向东扩展到20 m 等深线附近, 形状与20 m 等深线相似, 说明东中国海近岸高浑浊水域向外海延伸。3.5 mg/L 的SSC 等值线也向外海迁移, 呈现舌状的特点, 形状与50 m 等深线相似, 最远可达125.5°E, 其中201825 号台风引起的3.5 mg/L 等值线迁移距离最大, 南北方向横跨近2 个纬度; 201918 号台风造成的迁移面积最广, 3.5 mg/L 等值线在经度上的变化范围最大; 202009 号台风风力半径对东中国海影响最小, SSC 等值线的变化不如其他4 个台风事件明显, 但也出现了表层浊水水域明显向深海延伸的现象。

201825、201917 和202009 号(远海活动型)通过研究区域后连续2 d 的SSC 分布如图5d3, 5d4, 5e3,5e4, 5c2, 5c3 所示。随着台风远离研究区域后的连续2 d 内, 30 mg/L 等值线的位置变化不大, 3.5 mg/L 等值线明显向西迁移。后一天的SSC 低于前一天的SSC,但仍然高于台风通过前的SSC。

综上所述, 近海活动及远海活动型台风影响研究区域期间, SSC 等值线均向外海“舌状”延伸, “舌状”区域主要分布在长江口以北至江苏以南(31°～33°N), 并向东延伸(最远可达125.5°E); 近海活动型台风对SSC 分布的影响程度比远海活动型台风更大。台风接近研究区域期间SSC 整体呈增加的趋势, 台风离开研究区域后SSC 逐渐下降。与台风通过前相比, 台风通过后近岸浅水区SSC 明显增大, 台风通过后SSC 的恢复至少需要3～4 d。

3.2 近海及远海活动型台风过程中SSC 的变化率

为分析近海及远海活动型台风过程中研究区域浅水区(20 m 等深线以西), 过渡区(20～50 m 水深范围)以及深水区(50 m 等深线以东)的SSC 变化特点, 本文按照公式(5)计算每个台风过程中相近天数的SSC 变化率。

其中,P为相近日期的日均SSC 变化率, 单位为1。CSSx指日期为x的日均SSC,x日期晚于y日期, 单位为mg/L。

随着近海及远海活动型台风靠近研究区域(图6a1,6d1, 6e1,), 浅水区的SSC 升高了50%～100%。浙闽沿岸的 SSC 平均变化率比长江口及苏北沿岸地区的SSC 平均变化率高50%左右(图6d1, 6e1); 过渡区海域中, 长江口以北江苏以南范围的水域SSC 升高了50%左右, 其余水域变化不明显; 深水区的SSC 变化不明显。

图6 海上活动型台风事件期间东中国海的SSC 变化率Fig.6 Variation rates in SSC the East China Sea during the typhoons active at sea area

远海及近海活动型台风通过研究区域后与通过研究区域前的SSC 相比(图6a2, 6b1, 6c1, 6d2, 6e2,),浅水区SSC 普遍增大了200%左右, 但浙闽沿岸以南浅水区(图6d2, 6e2)的SSC 减少了50%左右; 过渡区SSC 整体呈现上升的趋势, 尤其是在长江口以北江苏以南的“舌状”水域SSC 上升了200%左右; 深水区在台风通过前后的SSC 变化不明显。

随着远海活动型台风远离研究区域(图6b2, 6c2,6d3, 6e3), 东中国海大部分区域的SSC 变化不大或下降80%左右。浙闽沿岸南部的水域距离台风路径较远,受台风影响有限, SSC 变化趋势与整体趋势有差异,202009 号台风事件中长江口沿岸, 尤其是浙闽沿岸附近的SSC 显著增大了60%左右(图6c2), 201825 号台风事件中浙闽沿岸南部的SSC 也上升了80%左右(图6d3)。

综上所述, 远海及近海活动型台风通过研究区域前50 m 水深范围内的表层SSC 整体上升了50%左右; 与台风通过前相比, 台风通过后在50 m 水深以浅范围内的SSC 显著升高, 达到了150%～200%; 台风通过后SSC 整体呈下降的趋势, 而距离台风路径较远的水域SSC 变化不明显或有上升。

4 讨论

4.1 远海活动型及近海活动型台风对SSC 时空分布的影响

学者们研究发现, 在秋季气候态平均天气下, 东中国海近岸浅水区悬沙浓度较高, 向外海悬沙浓度不断下降, 在水深变化不大的水域, SSC 分布较为均匀(虞兰兰等, 2011)。夏季东中国海悬沙分布向岸收缩,冬季在东北偏北的强季风以及苏北沿岸流的影响下悬沙向外海扩散至50 m 等深线附近的海域, 呈现“冬输夏贮”的特点, 在秋季呈现过渡的特征(Liuetal,2016b; Zhangetal, 2020)。本研究通过比较不同类型台风事件通过研究区域前后的SSC 分布和SSC 变化率, 揭示了SSC 分布对台风过程的响应特点。结果表明远海及近海活动型台风通过研究区域之前, SSC 分布特点与前人研究得到的秋季气候态平均天气下的SSC 分布一致。然而, 在近海及远海活动型台风通过研究区域后, SSC 的时空分布显著改变, 出现了明显的悬沙向外海延伸的“舌状”分布特点, 这些改变是在台风影响期间的2～4 d 内快速形成的。而在气候态平均天气下, SSC 分布有明显的季节特点, 夏季与冬季的分布模式不同, 而春季秋季为过渡季节, 受环流格局、径流和风场等因素的影响, SSC 分布变化缓慢(庞重光等, 2010; Minetal, 2019)。本研究选取的远海及近海活动型台风事件短期内显著改变了东中国海SSC 的时空分布格局。为分析台风过程对SSC 的影响, 分析了六个位置处的风矢量与SSC 变化(图7)。6 个位置位于苏北至浙闽沿岸南部(图1b 中P1～P6 红色圆点), 其中, P1、P2、P3、P5 和P6 位于东中国海近岸浅水区, 水深不大于20 m, P4 位于长江口以北、江苏以南向外海延伸的过渡区水域, 同时也是台风影响时SSC 等值线明显向外海延伸的水域, 水深大于45 m。

图7 海上活动型台风期间六个位置的风矢量与表层悬浮泥沙浓度变化Fig.7 Wind and surface SSC at six locations during typhoons active at sea area

在秋季气候态平均天气下, 黄海及东海水体温度呈现出明显的分层结构, 8 月温跃层强度最大, 部分苏北浅滩及水深小于20 m 的水域易发生强烈混合现象, 导致温跃层消失(邹娥梅等, 2001)。绝大部分海域的温跃层将水体上下层物理隔离, 阻碍悬沙的垂向掺混, 未受大风影响时, 水体的垂向悬沙分布不会发生明显的变化(刘焘等, 2021; Heetal, 2022)。而台风引起的强烈风应力和低气压会导致上层海洋水体发生强烈混合, 这一混合可以暂时破坏某水深范围内的温跃层(Sanfordetal, 2011; Yangetal, 2015; 肖林等, 2018; Lüetal, 2020; Fanetal, 2022), 削弱温跃层强度(Kwonetal, 2018)。这种变化将水体的混合层加深, 在开阔的海域上由台风引起的混合层可达几十米到一百米(Linetal, 2017), 在台风路径附近波浪可将混合层加深至40 m 左右, 较远地区的涌浪可将混合层加深5 m (Bianetal, 2010)。与此同时, 台风影响期间产生的风浪会增大底剪切应力, 使底床泥沙再悬浮, 近底悬沙浓度大幅度增加(Shenetal, 2018;Lietal, 2019; Liangetal, 2023), 同时增强的风应力加强了水体的垂向混合, 促进了表层SSC 的骤增(陈斌等, 2016; 刘勇等, 2021)。P1、P2、P3、P5 和P6位于20 m 左右水深范围内, 风速突然增大更易使混合层加深至近底床, 引起强烈的泥沙垂向混合, 导致表层SSC 明显增大。从图7 可以看出, SSC 与风速的变化趋势相近, 在台风接近研究区域期间SSC 上升,受台风路径的影响, 研究区域内接近浙闽沿岸南部的P5 和P6 更早到达风速峰值, 表层SSC 也更早达到高值, 这与SSC 变化率的结果相同(图6)。风速到达峰值后下降, SSC 也逐渐下降, 台风通过研究区域后第一天, P1、P2、P3、P4 的风矢量已经与台风通过前的风速较为相似, 风向转为西北向, 在风速恢复正常后SSC 仍大于或等于台风通过前的SSC。随着台风进一步消散, 研究区域风速降低到气候态平均天气下的大小, 泥沙沉降增强, 表层SSC 下降, “舌状”分布范围逐渐萎缩, 逐渐恢复到台风通过前的SSC 分布格局。为进一步说明风场对表层SSC 变化的影响,计算P1～P6 处的日均风速变化与日均SSC 变化率的相关性(图8),R2达0.86。

图8 日均SSC 变化率与日均风速差值的相关关系Fig.8 Correlation in the difference between daily mean SSC variation rate and daily mean wind speed

除了台风过程期间风浪、涌浪和潮流影响水体结构导致SSC 上升, 伴随着台风的强降雨, 入海的淡水和沉积物显著增加, 导致近岸浅水区的SSC 明显升高(Duetal, 2019; Zhang, 2023)。而P4 位于过渡区水域, 该位置在台风影响期间的风向与冬季季风风向相近。有研究发现, 在冬季季风的影响下苏北浅滩的泥沙可输运至黄海中部泥质区, 且台风事件可能是泥沙沿陆架方向输运的主要动力(边昌伟, 2012), 近海活动型台风可将长江表层悬浮体向东输运(龙小志等, 2022), 也能显著增大苏北浅滩东南向的冷水团流速(孙凡等,2021), 有利于悬沙的跨陆架输运, 造成P4处的SSC 增大。

近海活动型及远海活动型台风事件强烈且迅速地改变了研究区域SSC 的分布特点, 出现了向东南发展的“舌状”等值线。SSC 的变化率与风速有较高的一致性, 相关性可达0.86。台风过程影响SSC 时空演变的因素是复杂的, 其中风浪及潮流共同作用下底部剪切应力的增大、湍流增强导致的垂向混合增强和台风过程引起的径流量增加, 均可使表层SSC 在短期内发生剧烈变化, 各因素的影响效果需要结合数值模型及观测数据进一步分析验证。

4.2 不同类型台风对SSC 时空分布的影响差异

3.5 mg/L 等值线的迁移能够更好地反映近岸SSC 分布向外海的延伸。近海活动型台风201918 号,及远海活动型台风201917 号台风对3.5 mg/L 等值线的时空变化影响最突出, 其次是201825 号台风事件,影响最小的2 个台风事件为201718 和202009(图5)。近海和远海活动型台风事件的台风路径、等级以及影响研究区域的时间均不同(图9), 201918 号台风12 级风力半径影响东中国海浅水区及过渡区的时间最长,达到1 h; 10 级风力半径影响的时间为13 h; 201825、201917 及202009 号台风的10 级风力半径也能够影响到过渡区水域; 5 个台风的7 级风力半径都影响了浅水区和过渡区水域, 其中201718 号台风影响时间最长为90 h。

图9 远海及近海活动型台风12 级, 10 级, 7 级风力半径作用在不同水深水域的持续时间Fig.9 Time duration at different water depths under the effect of wind radius of level 12, level 10, and level 7 of typhoons active in offshore or nearshore area

从3.5 mg/L 等值线的迁移距离及影响浅水区和过渡区的风力等级统计可以发现, 影响浅水区和过渡区的高风力等级与SSC 的变化之间存在一定的关联。高风力等级会导致风速在短期内大幅度变化。在近海及远海活动型台风事件中, 当12 级风力影响浅水区时, 对东中国海SSC 时空分布的影响最为显著。近海活动型台风更易以高强度的风力影响浅水区及过渡水域, 而影响该水域的风力等级越高, SSC 的分布格局变化越显著。

由于台风对研究区域的影响具有不对称性(Congetal, 2021), 因此台风路径对SSC 的分布也有一定的影响。前文讨论了近海活动型及远海活动型台风事件,为了讨论不同台风路径对东中国海SSC 跨陆架方向时空分布的影响, 又另外研究了四个登陆型台风事件: 201818 登陆北上西型、201810 登陆北上东型、201812 登陆消失型和201808 登陆向西型台风。对3.5 mg/L 的SSC 等值线的影响。登陆型台风通过后大部分区域的等值线向外海平移较短距离, 甚至某些地方的3.5 mg/L 等值线基本不变(图10), 这与海上活动型导致等值线产生“舌状”分布特点明显不同。登陆型台风事件和海上活动型台风事件对SSC 时空分布的影响, 分别与东中国海SSC 夏季储存及冬季输运 (郭志刚等, 2002)的分布特点相似。

图10 登陆型台风事件前后3.5 mg/L 等值线的变化图Fig.10 Changes of 3.5 mg/L isolines before and after typhoons landed with landfall

风场的持续作用可以影响东中国海的SSC 分布,冬季季风以及台风事件会引起东中国海悬沙大规模跨陆架输运(乔璐璐等, 2017; 刘世东等, 2018)。海上活动型台风影响研究区域期间的大风风向主要为西北偏北风, 登陆型台风离开研究区域时以偏南风影响位于台风路径左、右两侧的研究区域, 这两种风向分别与冬季和夏季的平均风向相似。海上活动型台风引起SSC 等值线向外海“舌状”延伸, 呈现“冬季悬沙输运”的特点, 登陆型台风对跨陆架方向SSC 分布的影响比远海活动型台风更小。

5 结论及展望

本文基于台风事件通过研究区域前、后的GOCI 遥感数据及风场数据, 分析了台风类型对研究区域表层悬沙浓度时空变化的影响, 主要有两个特点:

(1) 近海及远海活动型台风在接近研究区域期间近岸高浓度SSC (＞70 mg/L)范围增大, 在台风通过研究区域后SSC 显著增高了150%～200%, 30 mg/L 和3.5 mg/L的SSC 等值线明显向东迁移, 3.5 mg/L 等值线呈舌状分布, 随着台风的远离, SSC 逐渐下降, SSC 等值线逐渐回缩为台风通过前的分布状态, 需要至少3～4 d 的时间恢复。风速变化与SSC 变化率的相关性高达0.86, 风速增大SSC 也随之增大。近海活动型及远海活动型的台风事件影响研究区域的风向主要为偏北风, 与气候态平均天气下冬季东中国海的常风向一致, 该类型台风事件使秋季SSC 等值线向外海扩展, 呈舌状, 与冬季的SSC 分布特点相似。近海及远海活动型台风事件可将SSC 分布迅速向冬季输运的类型改变, 且在相同风力等级情况下,近海活动型对研究区域的SSC 分布影响更大。

(2) 4 种登陆型台风在研究区域的风向前期为偏北风, 后期为偏南风, 这几类台风事件不产生浑浊水域向外海延伸的舌状分布, 仅使SSC 等值线平行向外海移动较短距离。登陆型台风对跨陆架方向SSC 分布的影响比远海活动型台风更小。

台风过程中影响研究区域SSC 分布的因素很多, 例如径流悬沙骤增、底层泥沙再悬浮、伴随台风的高强度降雨导致陆源物质的增加, 以及部分被暂时改变的流场输运的悬沙, 台风的风力等级半径及移动速度等。台风过程对泥沙再悬浮的垂直输运及水平输运的贡献量需要在极端条件下进行固定站观测, 并结合数值模拟来进一步研究。