山東半島東部海域懸浮體分布季節變化及其冬季輸送通量研究

王勇智，張永強，孫惠鳳

1.自然資源部第一海洋研究所，山東青島 266061 2.澳大利亞新南威爾士大學，堪培拉 2601

陸架淺海是陸源沉積物輸送與沉積的重要通道[1-2]，其懸浮體輸送、季節性變化及輸運通量研究，對研究陸架淺海泥質沉積區成因及其演變趨勢具有重要的科學價值。北黃海是我國典型半封閉陸架淺海，為遼東半島、朝鮮半島和山東半島所環繞，平均水深38 m，是渤海與其他海域進行物質能量交換的重要通道。

因此，大量有關黃海懸浮體分布、輸運及沉積等的觀測和研究表明黃海懸浮體分布、輸送和沉積主要受到物質來源、沿岸流、環流、季風等影響，具有顯著的季節變化特征[3-9]。來自黃河的物質大量沉積于黃河水下三角洲，山東半島東北部海域和黃海海槽[10-11]。近期發現的環山東半島東部近岸海域分布的泥質沉積體，形成于全新世早期，其物質主要來源于黃河沉積物，其表層沉積速率約為6～12 mm/年[12-14]，其剖面形狀獨特，呈現出“Ω”型，不同于一般的陸架斜坡沉積，可能是由強潮汐、海浪、沿岸流、冬季風暴和沿岸上升流共同作用產生[6,9,13]，其中潮汐對懸浮體的輸運和沉積分布起到了主導作用[9,12,15-16]。

北黃海流系眾多，主要由黃海暖流、黃海沿岸流、山東半島沿岸流和朝鮮沿岸流組成，且各流系季節變化顯著。黃海暖流是北山黑潮的重要分支，是渤、黃、東海唯一的外海水源，黃海暖流主要沿黃海槽西側流動，季節變化顯著，冬季影響范圍要大于夏季[17-19]，冬季黃海暖流占據黃海海槽，與山東半島東部沿岸流形成明顯的海流切變鋒[20-22]。春季黃海暖流東移，流速減弱，夏季黃海暖流消失，但黃海暖流殘留水仍然存在于冷水團的核心區內，夏季黃海冷水團占據北黃海大部分區域，不僅在垂向上產生明顯的水體層結，而且與沿岸流形成顯著的溫度鋒面。

由此可見，山東半島東部近岸海域沉積動力環境復雜且季節性變化顯著，山東半島東部近岸海域的懸浮體和再懸浮沉積物是怎樣輸送到北黃海和南黃海，冬季懸浮體能否穿越沿岸流與黃海暖流形成的強海流切變鋒進行跨鋒面輸送，冬季山東半島東部海域的沿岸流對懸浮體輸送是否起到了關鍵作用，其輸送量是多少，一直是當前眾多學者關注的問題。因此，本研究以山東半島東部近岸海域冬、夏季懸浮體、水團要素和海流的分布特征及其季節變化分析為基礎，計算了冬季山東半島東部近岸海域懸浮體的凈通量，量化研究了冬季山東半島東部近岸海域懸浮體的跨鋒面輸送及其通量，進一步豐富了冬季山東半島東部沿岸流所攜帶泥沙與山東半島東部近岸海域泥質沉積體再懸浮沉積物對本區沉積動力環境的影響。

1 數據來源和研究方法

1.1 資料來源

2007年夏季和冬季的研究區水體水文要素觀測資料來源于國家908專項ST02區塊(渤海海峽和北黃海)的現場調查資料，其中夏季的觀測時間為2007年7月23日至8月6日，冬季的觀測時間為2007年1月1日至1月16日，調查范圍為渤海海峽和北黃海區，總計21個斷面和209個站位(圖1)。2007年的水體溫度、濁度等數據采用Seabird 911 plus CTD獲取，水體懸浮體質量濃度采用抽濾稱重方法獲得。但2007年在研究區未獲得長時間序列的海流觀測資料。因此，自然資源部第一海洋研究所在2017年冬季的2月12日(大潮期)和2月21日(小潮期)在山東東部海域的B1和B2斷面上分別各設置3個站位補充海流和懸浮體調查，B1-1和B2-1站位于頂積層西側，B1-2和B2-2站位位于頂積層，B1-3和B2-3站位于頂積層東側，開展連續25小時的潮流和懸浮體觀測，觀測期間風浪較大，故所有站位均使用400馬力漁船，觀測期間部分站位的風浪接近400馬力漁船的抗風浪極限，所獲得的冬季懸沙資料較有代表性。海流觀測采用小闊龍海流計，垂向分為5層，懸浮體質量濃度采用抽濾稱重方法獲得，垂向分層與潮流觀測一致。

1.2 研究依據

在陸架海的懸浮體研究中，由于水體濁度與懸浮體濃度聯系緊密，往往根據水體濁度值來分析懸浮體的分布特征，以往的研究表明渤海和黃海的水體濁度與懸浮物質量濃度之間存在顯著的線性關系[3,8,10-11,23]，2007年夏、冬季水體濁度調查數據與96個站位的懸浮物質量濃度的線性擬合分析表明山東半島東部近岸海域夏、冬季濁度與懸浮體質量濃度相關系數在0.80以上，置信度檢驗為95%，說明水體濁度分布特征可代表懸浮體分布特征[12]。

1.3 懸浮體通量計算

雖然潮流的周期性變化可能會對懸浮體質量濃度產生一定影響，并可能導致懸浮體輸運通量計算產生一定誤差，但2017年冬季調查期間并無極端天氣過程，考慮到懸浮體質量濃度是在正常海況條件下取得，代表了冬季一般天氣下懸浮體濃度水平。因此，得到的懸浮體通量可以反映正常海況情況下的物質輸運情況。

由于在垂向上實測潮流與懸浮體觀測一致，將計算各層次計算所得的余流結果與懸浮體質量濃度進行全水深積分，采用的公式如下[24]：

圖1 2007年夏、冬季和2017年冬季觀測站位分布圖Fig.1 Distribution of observation stations in the summer and winter of 2007 and winter of 2017

其中，FT是懸浮體通量(t)，C為實測懸浮體濃度(mg/L)；U為經過觀測獲得的潮流流速(cm/s)；H為站位水深(m)，s指沿該斷面兩個測站之間的距離(m)。

1.4 研究方法

應用908專項調查獲得的2007年北黃海和山東半島東部海域的夏、冬季水文要素觀測資料以及2017年冬季山東半島東部海域潮流和懸浮體補充調查資料，分析了夏季和冬季山東半島東部海域懸浮體分布特征及其季節變化，基于2017年典型斷面的懸沙觀測結果，結合該區的淺地層層序歷史資料，進一步分析了夏、冬季山東半島東部近岸海域懸浮體分布與泥質沉積體之間關系。應用2017年冬季山東半島東部近岸海域潮流和懸浮體觀測資料，分析了冬季山東半島東部近岸海域潮流和余流的分布特征，基于B1和B2斷面冬季懸浮體通量的定量化計算，揭示了冬季山東半島東部近岸海域懸浮體可跨越沿岸流與黃海暖流形成的強海流切變鋒進行跨鋒面輸送，研究了冬季山東半島東部沿岸流所攜帶泥沙與山東半島東部近岸海域泥質沉積體再懸浮沉積物對泥質沉積體沉積環境的影響。

2 山東半島夏、冬季海域懸浮體分布特征及其季節變化

2.1 山東半島東部夏季近岸海域懸浮體分布特征

由2007年夏季各層次的溫度觀測結果來看，夏季北黃海冷水團影響北黃海大部分海域，溫躍層主要控制-10～-20 m深海水，強度約為0.65～1.13 ℃/m，黃海海槽-20 m以深海水則呈現出冷水團的特征。以泥質沉積體頂積層為界，存在一個弱的水平分布溫度鋒面，鋒面東側為北黃海冷水團，西側為溫度相對較高的沿岸水(圖2)。B1和B2斷面的高濁度水主要集中在底層，而且集中分布在泥質沉積體頂積層附近，最高可以達到12 FTU，中上層水體則濁度很小(圖3)。溫躍層以下水體濁度相對高，而溫躍層以上水體濁度則很低，說明水體層結對抑制懸浮體分布具有較大的影響作用。頂積層兩側水體濁度相對較高，頂積層所處位置的水體濁度則相對低，說明夏季山東半島沿岸流與北黃海冷水團交匯處流速很小，其攜帶懸浮體的能力很弱。

圖2 2007年夏季B1和B2斷面溫度分布圖(單位：℃)Fig.2 Temperature distribution for Sections B1 and B2, summer 2007 (unit: ℃)

圖3 2007年夏季B1和B2斷面濁度分布圖(單位：FTU)Fig.3 Turbidity distribution for Sections B1 and B2, summer 2007 (unit: FTU)

2.2 山東半島東部冬季近岸海域懸浮體分布特征

2007年冬季北黃海區沿岸溫度較低，中部溫度相對高，溫度垂向混合均勻。山東半島東部近岸海域泥質沉積體頂積層上方的等溫線分布密集，而東側海域溫度則相對較高，山東半島東部沿岸流與黃海暖流在頂積層附近形成了鋒面(圖4)。鋒面兩側水體濁度分布差異較大，東側水體濁度很低，西側濁度很高，且垂向混合較均勻(圖5)。表明冬季沿岸流攜帶的懸浮體和頂積層附近的再懸浮沉積物少有能越過該鋒面向東輸送，在山東半島東部近岸海域黃海暖流對泥質沉積體附近海域的再懸浮沉積物的物質輸送貢獻很小，絕大多數懸浮體和再懸浮沉積物只能隨沿岸流輸送。

為研究冬季山東半島東部近岸海域泥質沉積體的懸浮體分布和輸送特征，自然資源部第一海洋研究所于2017年2月份在B1和B2斷面上分別設置3個潮流懸沙測站。結果顯示，冬季各測站的懸浮體濃度普遍較高，底層懸浮體濃度最高(表1)。無論是大潮期還是小潮期，其最大懸沙濃度均超過了100 mg/L，部分站位的最大懸沙濃度甚至超過了200 mg/L，均出現在底層，不僅說明山東半島東部近岸海域泥質沉積體附近的懸沙活動強烈或沉積物大量再懸浮，而且冬季風浪作用下懸浮體濃度相當大，對沉積物再懸浮和懸浮體的輸送貢獻巨大。冬季山東半島東部近岸海域泥質沉積體頂積層上方海域的懸浮體濃度最高，其次為頂積層西側附近海域，而頂積層東側海域懸浮體濃度相對低，說明冬季頂積層上沉積物再懸浮現象十分顯著。B2斷面的平均懸沙濃度均大于B1斷面，由此推斷冬季B2斷面的懸浮體通量要大于B1斷面。

2.3 山東半島東部夏、冬季近岸海域懸浮體分布與泥質沉積體之間關系

夏、冬季山東半島東部近岸海域懸浮體的分布存在顯著的季節變化，冬季懸浮體濃度可以達到夏季的3倍以上，大風浪海況下，研究區域的懸浮體濃度可超過200 mg/L，可見冬季是該區懸浮體輸送的主要季節。由2017年冬季懸沙觀測結果可見，冬季B1-2和B2-2測站的懸浮體濃度最大，B1-3和B2-3測站最小，B1-1和B2-1測站居中，表明B1-2和B2-2測站的懸浮體輸送和沉積特征可能與同一斷面上的其他測站有所不同。前人通過210Pb測試獲得了該泥質沉積體的沉積速率，表明泥質沉積體在不同水深，對應著不同的沉積速率，水深小于30 m的沉積區，其沉積速率約為6～12 mm/a，沉積體中部沉積速率約為3 mm/a，水深大于50 m的沉積體，沉積速率小于1 mm/a[6-7]。可見，泥質沉積體的沉積速率呈現出自西向東逐漸減小的趨勢。從2017年冬季各測站懸浮體濃度水平分布特征來看，位于沉積體中部海域的B1-2和B2-2測站懸浮體濃度要大于其他測站，但該處并不是沉積體沉積速率最大的地方，而近岸淺水區的懸浮體濃度略低，卻是沉積體沉積速率最大的地方，位于沉積體東部的B1-3和B2-3測站懸浮體濃度最小，則對應了沉積體沉積速率最小的區域。由此可見，夏季各測站的懸浮體濃度較低，加之水體的層結效應，泥質沉積體的表層沉積體再懸浮較弱，黃海冷水團與沿岸流形成的鋒面更是阻礙了懸浮體的東西向輸送，導致大量懸浮體在沉積體的頂積層沉積；而在冬季強風、強流和大浪的聯合作用下，頂積層表層沉積體再懸浮強烈，而風浪對深水區的沉積物再懸浮作用相對小，對應的沉積速率也最小，但是何種沉積動力環境導致頂積層西側和頂積層附近海域的沉積速率相差較大，還需要結合冬季本區的流場開展進一步研究。

圖4 2007年冬季B1和B2斷面溫度分布圖(單位：℃)Fig.4 Temperature distribution for Sections B1 and B2, winter 2007 (unit: ℃ )

圖5 2007年冬季B1和B2斷面濁度分布圖(單位: FTU)Fig.5 Turbidity distribution for Sections B1 and B2, winter 2007 (unit: FTU)

表1 2017年冬季B1和B2斷面各測站懸沙濃度統計表Table 1 Observed sediment concentration statistics, winter 2017

3 山東半島東部海域冬季潮流特征

3.1 B1和B2斷面冬季海流特征分析

2017年冬季連續25小時的海流觀測表明，冬季6個測站的平均流速均較大，均呈現出往復流特征，其中距離海岸較近的測站海流流速相對大(圖6)。各測站的垂向流向分布較為一致，受山東半島東部海岸走向和冬季環流的影響，B1斷面各測站的主要流向與B2斷面各測站的主要流向存在明顯差異，B1斷面各站的主要流向為西北—東南向，B2斷面各站的主要流向為東北—西南向(表2)。多數站位的表層最大流速超過1.0 m/s，底層流速小于表層。從觀測期間B1-1、B1-2、B2-1和B2-2站的表層最大流速來看，冬季山東半島東部近岸海域的沿岸流流速較大，對冬季沉積物的輸送貢獻較大。

3.2 B1和B2斷面冬季余流特征分析

通過2017年冬季的周日潮流觀測數據的短期調和分析，對觀測的潮流進行時間平均得到歐拉余流。大潮期和小潮期B1-1和B1-2站的余流流向較為一致，均是東南向，但B1-1站底層余流流向更加偏向東，B1-1站的余流流速相對較大，流速接近5 cm/s，B1-3測站的余流流速為6個測站中最小，流向與B1-1和B1-2也存在較大差別，表層和底層余流流向均指向西北或偏北向，底層流速強于表層，具有黃海暖流的特征。B2斷面各站的余流較小，均未超過5 cm/s，B2斷面的各測站的余流流向基本一致，大潮期和小潮期余流流向基本指向西南或偏南，表層余流流速略大于底層，小潮期余流流速略小(圖7)。

圖6 2017年冬季大小潮表、底層流矢分布圖Fig.6 Current distributions at the surface and bottom level of the spring and neap tide, winter 2017

表2 2017年冬季觀測期間各站流速流向統計Table 2 Observed velocity and direction statistics, winter 2017

一般來說，余流的指向代表了物質輸運的方向，從本次觀測所得6個測站的余流分布特征來看，B1和B2斷面的余流流向基本指向南(B1-3測站除外)，B1斷面余流主要偏向東南，B2斷面余流則主要偏向西南，可以說明冬季山東半島東部近岸海域沿岸流可攜帶大量懸浮體向南或向東輸送(B1斷面附近)，但至B1-3測站附近海域，北上黃海暖流與沿岸流形成了顯著的海流剪切，可能導致少有懸浮體能夠穿越海流切變鋒，只能隨沿岸流輸送，導致本區的沉積速率低。至B2斷面近岸海域余流方向逐漸轉向西南或南向，B2-3站余流方向未能體現黃海暖流的特征。因本次冬季觀測的時間為2月份，黃海暖流的強度已經發生減弱，其流幅也有所減小，若是在12月份或者1月份的黃海暖流強盛時期，其影響范圍較大，可能B2-3測站的余流會呈現北向，從而對本區懸浮體輸送產生較大影響。

4 山東半島東部海域冬季懸浮體通量

由于調查范圍所限，懸浮體通量計算的范圍僅限于2017年山東半島東部海域冬季6個補充調查站位所在斷面。根據2017年冬季的潮流和懸浮體觀測數據，垂向積分后得到觀測期間各站位的懸浮體通量(表3)，應用1.3節的懸浮體斷面通量計算公式，分別得到B1和B2斷面大潮期和小潮期的懸浮體通量(表4)。冬季大潮期和小潮期B1斷面向南輸送懸浮體通量分別約為660.54 t和238.57 t，大潮期和小潮期向東輸送懸浮體通量分別約為602.56 t和295.92 t；冬季大潮期和小潮期B2斷面向南輸送懸浮體通量分別約為1 687.35 t和1 001.61 t，大潮期和小潮期向西輸送懸浮體通量分別為1 689.21 t和713.22 t。將B1和B2斷面大潮期和小潮期的懸浮體通量平均，可得冬季B1和B2斷面日均懸浮體通量，即B1斷面日均南向和東向懸浮體通量分別為449.55 t和449.24 t，B2斷面日均南向和西向懸浮體通量分別為1 344.48 t和1 201.21 t。按冬季3個月(90天)的時間計算，則一般冬季天氣條件下，B1斷面冬季南向和東向的懸浮體通量分別為4.05×104t和4.04×104t，B2斷面冬季南向和西向的懸浮體通量分別為12.10×104t和10.81×104t。可見，B1和B2斷面的冬季懸浮體輸送方向和通量數量存在較大差異。 B1斷面懸浮體凈輸送方向主要為東南方向，其中向南和向東的懸浮體輸送量基本相當，相當一部分懸浮體可能會跨越鋒面向東輸送，而B2斷面的懸浮體通量凈輸送方向主要為西南，但仍以南向輸送為主，少有懸浮體可跨鋒面輸送。冬季B1斷面的凈通量約為8.09×104t，而B2斷面的凈通量為22.91×104t，約為B1斷面的3倍，說明通過B1斷面的懸浮體多為山東半島北岸沿岸的再懸浮沉積物及通過渤海海峽沿山東半島北部沿岸輸送的懸浮體，而通過B2斷面的懸浮體不僅是來自于B1斷面的懸浮體，更多的是來源于B1和B2斷面之間的泥質沉積體的再懸浮沉積物。因此，冬季山東半島東部近岸海域的泥質沉積體的再懸浮沉積物對渤海物質向南輸送和北南黃海的物質輸送起到了重要作用。

表3 2017年冬季觀測期間各站位懸浮體通量(單位：t)Table 3 Suspended matter flux for observation stations, winter 2017 (unit: t)

注：南北方向懸浮體輸送中北方向為正，東西方向懸浮體輸送中東方向為正，下同。

根據前人的計算結果，通過渤海海峽向外海輸送的懸浮體年凈通量約為251.63×104t，冬季渤海海峽向外海輸送的懸浮體年凈通量約為118.19×104t，則B1和B2斷面的冬季懸浮體凈通量分別占渤海海峽向外海輸送的懸浮體年凈通量的3.22%和9.10%，占冬季渤海海峽向外海輸送的懸浮體年凈通量的6.84%和19.38%。根據山東半島東部近岸海域泥質沉積體的淺地層層序分析結果，沉積體基本上由黃河徑流所攜帶物質組成，在山東半島北部沿海沿岸流和渤海環流的共同作用下，經過再懸浮和再沉積逐漸輸送至此，冬季強風浪和強流導致該沉積體上大量再懸浮，并隨南下的沿岸流分別向東南和西南輸送。由此可以斷定每年冬季通過山東半島東部近岸海域向東輸送的懸浮體凈通量占冬季渤海海峽向外海輸送的懸浮體年凈通量約為3.42%，每年冬季通過山東半島東部近岸海域向南輸送的懸浮體凈通量占冬季渤海海峽向外海輸送的懸浮體年凈通量約為19.38%，以沿岸的南向輸送為主，雖存在跨鋒面，但其輸送量較為有限。因此，冬季山東半島東部近岸海域的泥質沉積體的再懸浮沉積物是本區物質輸送的重要來源，對本區物質輸送具有重要的影響作用。

5 沉積動力環境討論

山東半島東部近岸海域水團要素和環流場存在顯著的季節性時空變化，因此，本區的懸浮體沉積和輸運特征也理應具有顯著的季節變化特征。夏季，研究區懸浮體濃度整體較低，垂向的溫躍層和沿岸流與黃海冷水團形成的水平溫度鋒面，對抑制本區懸浮體擴散和輸運具有較大的影響和控制作用，阻擋了頂積層附近懸浮體穿越鋒面向東輸送，加之夏季沿岸流流速較弱，故夏季通過山東半島東部海域的東向和南向懸浮體輸送量較為有限。

在冬季大風、強流和大浪的聯合作用下，不僅導致大量沉積物再懸浮，而且沿岸流攜沙能力也大大增強，應是懸浮體輸送的主要季節。然而，冬季也是黃海暖流強盛時期，其在泥質沉積體頂積層東側與沿岸流形成明顯的海流切變鋒，對本區的懸浮體輸送和沉積存在重要影響。根據研究區冬季海流觀測結果，除B1-3站外，山東半島東部近岸海域的余流指向基本為東南向或西南向，懸浮體南向輸送特征顯著。同時，B2斷面的懸浮體通量計算表明，由于經過石島附近海域后，山東半島東部海域海岸線向西收縮，導致沿岸流的流幅擴大，故有部分懸浮體會沿海岸向西輸送，部分懸浮體繼續向南輸送，其輸送量基本相當。B1-3站的余流方向為西北，具有黃海暖流的特征，該站懸浮體通量的計算結果也說明部分懸浮體可穿越海流切變鋒向東或向北輸送，但占整個山東半島東部近岸海域冬季懸浮體輸送量的很小一部分。由于2017年冬季觀測時間為2月，此時黃海暖流已經開始減弱，其流幅有所減小，海流切變鋒的強度也相應減弱，若是在黃海暖流強盛時期的12月和1月，穿越鋒面隨黃海暖流北上輸送的懸浮體通量可能更大，而沿岸南下的懸浮體通量可能會相應減小。此外，冬末春初時節，黃海暖流東移并逐漸衰弱，沿岸流影響范圍擴大，加之春季北風頻繁，南向的懸浮體輸送量可能會相應增加，由于暫無觀測數據證明，故推測春季也應是懸浮體輸送量較大的季節。通過2017年冬季山東東部近岸海域的海流觀測，泥質沉積體底積層附近海域測站的海流流速相對小，懸浮體濃度相對小，受到黃海暖流流幅季節性變化的影響較大，故沉積速率小。

6 結論

山東半島東部近岸海域的懸浮體輸送和沉積具有顯著的季節變化特征。夏季，水體垂向層結和水平向鋒面抑制了懸浮體擴散。冬季，沿岸流在強風的作用下大大加強，山東半島東部近岸海域的懸浮體濃度較高，沿岸流攜帶大量懸浮體向南輸送。每年冬季約有(8.09～22.91)×104t的懸浮體經由山東半島東部近岸海域向南輸運，占每年冬季渤海海峽向外海輸送的懸浮體年凈通量的3.22%～9.10%，占冬季渤海海峽向外海輸送的懸浮體年凈通量的6.84%～19.38%。通過潮流觀測和懸浮體通量計算表明部分懸浮體可穿越沿岸流與黃海暖流形成的海流切變鋒進行跨鋒面輸送，但跨鋒面輸送量較小，且受到黃海暖流季節性變化的影響。隨著冬季結束，黃海暖流東移，沿岸流可攜帶大量懸浮體向南輸送，故春季可能也是懸浮體向南輸送的重要季節。