基于遙感反演的山東半島東北部海域懸浮體時空變化規律探討*

劉 燾 朱龍海, 2 胡日軍, 2 尹硯軍 冷 星

基于遙感反演的山東半島東北部海域懸浮體時空變化規律探討*

劉 燾1朱龍海1, 2①胡日軍1, 2尹硯軍1冷 星1

(1. 中國海洋大學海洋地球科學學院 青島 266100;2. 中國海洋大學海底科學與探測技術教育部重點實驗室 青島 266100)

基于2003—2018年中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)衛星遙感影像資料, 結合2018年春季、夏季和冬季大面站懸浮體取樣分析結果, 構建了表層懸浮體濃度遙感反演模型; 在此基礎上, 分析了山東半島東北部海域年際和月份表層懸浮體濃度時空分布規律, 探討了表層懸浮體濃度變化的主控因素和水體結構季節變化及其對懸浮體分布輸運的影響。結果表明: 山東半島東北部海域表層懸浮體總體呈近岸高遠岸低的分布特征, 東部成山頭區域懸浮體濃度較高且向海擴散較遠, 西部威海灣及外側海域懸浮體濃度較低且擴散范圍小于東部。研究區懸浮體濃度季節性變化顯著但對應季節年度變化較小, 冬季懸浮體濃度達到最大, 春秋季次之, 夏季最低。研究區春季、秋季和冬季表層懸浮體濃度主要受控于北向風浪和潮流, 而夏季懸浮體濃度主要受潮流控制。夏季, 溫躍層阻礙了懸浮體垂向擴散, 導致表層懸浮體濃度極低; 冬季, 研究區東部成山頭附近水平分布的弱溫躍層雖然會在一定程度上抑制懸浮體的再懸浮, 但再懸浮擴散仍是造成研究區高懸浮體濃度的主要因素。山東半島東北部存在類似“夏儲冬輸”的特征, 海底沉積物再懸浮物質及成山頭附近懸浮體的水平擴散是研究區懸浮體的主要來源。

山東半島; 遙感反演; 懸浮體濃度; 時空變化

黃海是典型的半封閉淺海, 受大河與沿岸中小河流雙重影響, 一直以來都是研究陸源沉積物源匯過程以及沉積體系形成和演化規律的重要研究區域。中國東部陸架海沉積物具有“夏儲冬輸”的輸送格局: 冬季北風強勁, 是陸架海泥沙輸送的盛行期; 夏季則以沉積為主。作為黃河物質遠端輸運的重要通道, 山東半島北部沿岸和成山頭海域以高懸浮體濃度為顯著特征(秦蘊珊等, 1989; 楊作升等, 1992; 鮑獻文等, 2010)。環山東半島存在一個最大厚度約40 m, 呈“Ω”狀的巨大泥楔(圖1a), 向外逐漸變薄, 最遠可到80 m等深線處(Yang, 2007)。楊子賡(2004)認為, 該泥區是魯北沿岸流將黃河及沿岸短源河流物質搬運到山東半島沿岸形成的。山東半島北部位于渤海和北黃海交界區域, 水動力強, 沉積物輸運非常活躍, 是沉積物從渤海向南黃海輸運的主要通道(Yang, 2007), 也是研究黃河物質源匯輸運過程的關鍵研究區。

懸浮體濃度是表征沿岸水體沉積動力特征的重要參數, 研究其空間分布規律和時間變化特征, 對了解近岸海域懸浮體擴散及輸運過程具有重要意義(徐寧等, 2004)。黃河流域-渤海-黃海是當今世界研究大河流域陸源物質從源到匯過程的典型區域, 吸引了眾多研究者的關注(Pang, 2003; 李廣雪等, 2004; Liu, 2007)。山東半島北岸作為黃河物質向山東半島南部和南黃海中部泥區輸運的中轉站, 同時也是黃河物質向遼東半島東岸的主要物源供給區(石勇等, 2019), 是黃河物質從源到匯輸運鏈條的最關鍵環節。因此, 分析該地區懸沙濃度的時空分布和變化規律, 有助于從沉積動力角度掌握泥沙動態變化規律, 進而從物源供給角度認識整個北黃海泥質區的形成和演化規律。

目前, 對近岸懸浮體的時空分布監測主要手段包括: 現場抽濾、遙感反演及數值模擬等。通常懸浮體數據的獲取是用船采樣, 現場抽濾分析, 測試過程耗時長, 且很難在時間和空間同步, 具有很大的局限性(孫效功等, 2000)。空間觀測技術的發展, 使得水色遙感衛星在大范圍、長時間尺度的懸浮體濃度監測中得到廣泛應用(Choi, 2014), 為懸浮體濃度的時空變化規律的研究提供了方便(余佳等, 2014; 劉琳等, 2019)。中分辨率成像光譜儀(moderate resolution imaging spectroradiometer, MODIS)-Terra衛星數據在海洋遙感反演中被廣泛應用, 其遙感產品時間尺度長, 數據質量較好, 而且處理手段成熟, 因此本文選擇MODIS-Terra衛星數據來對山東半島東北部海域進行懸浮體反演。目前, 大多數研究學者對懸浮體濃度的遙感反演都集中于渤黃海、東海等大范圍區域, 對大尺度的懸浮體分布特征及輸運格局進行了研究分析。但針對諸如山東半島北岸這類區域相對較小, 但沉積動力過程復雜的關鍵研究區的精細化研究仍鮮有報道(李廣雪等, 2004; 楊作升等, 2005)。而該項研究不但對于完善山東半島泥質區沉積物輸運機制具有重要意義, 也可為該區域的水質環境及海洋工程維護提供基礎數據支撐。

基于以上認識, 本文基于MODIS遙感衛星數據, 結合實測懸浮體數據建立山東半島東北部海域的懸浮體濃度遙感反演模型, 對山東半島東北部海域2003、2006、2009、2012、2015及2018年(當年3月至次年2月)的表層懸浮體濃度進行反演的基礎上, 研究該地區不同季節和年份之間懸浮體的空間分布規律, 探討表層懸浮體濃度變化的主控因素及研究區水體結構季節變化及其對懸浮體分布和輸運的影響。

圖1 黃海環流系統(a)及調查站位(b、c)示意圖

注: SDCC: 山東半島沿岸流; SLCC: 遼南沿岸流; YSWC: 黃海暖流; 泥質體等深線改繪自Yang等(2007);環流改繪自蘇紀蘭等(2005)

1 研究區概況

山東半島東北部位于北黃海南部, 海岸線變化曲折, 最大水深42 m, 平均水深25 m。主要為正規半日潮, M2分潮是該海域的主導分潮, 成山頭海域為強潮區, 潮流流速可達到80 cm/s(蘇紀蘭等, 2005)。該海域冬季盛行西北風, 夏季則以東南風為主; 在季風及環流系統影響下, 研究區冬季平均波高約為夏季的兩倍, 春秋季介于之間, (趙保仁, 1985; 蘇紀蘭, 2001)。低溫低鹽的山東半島沿岸流沿山東半島北岸東流, 繞過成山角后, 流向轉向南, 大致沿著山東半島南岸向西南方向流動(劉愛菊等, 1983); 高溫高鹽的黃海暖流自濟州島西南部海域, 沿黃海海槽西側向北進入北黃海, 之后轉向西運動(Lin, 2011; Xu, 2009)(圖1a)。表層沉積物類型以砂質粉砂和粉砂為主(Zhu, 2020)。

2 資料與方法

2.1 資料來源

搭載在Terra和Aqua兩顆衛星上的MODIS是美國地球觀測系統(earth observation system, EOS)計劃中用于觀測全球生物和物理過程的重要儀器, 其第四波段(545—565 nm)反射率強度和懸浮體濃度具有較好的相關性, 能夠用于反演水體懸浮體(Wang, 2011)。在調查期間, 對應地選取無云的MODIS數據進行處理, 建立反射率與懸浮體濃度的擬合關系。本文共選取了2003、2006、2009、2012、2015和2018年(3月至次年2月), 6個年度383景無云影像(圖2)。

中國海洋大學于2018年夏季(8月1—5日, 87個站位)、冬季(2018年12月22—25日, 87個站位; 2019年1月4—5日, 45個站位)和春季(4月20—28日, 57個站位)在山東半島東北部海域進行了4個航次的大面站調查。各站位調查均同步搭載濁度計、溫鹽深儀(conductivity temperature depth, CTD), 進行了表、中、底3層水體取樣, 表層(距海面約1 m)、中層(0.5,為水深)和底層(距海底約1 m)水樣, 體積約1000 mL, 用于懸浮體質量濃度的測定, 取樣時間內天氣較好, 建立遙感反演模型只用到了表層懸浮體濃度。海水濁度利用Aqualogger 310TY型濁度儀進行測量, 采樣頻率1 Hz, 精度為±0. 01 FTU。濁度垂向分布圖采用surfer11軟件繪制, 采用克里金插值方法。水體溫度(°C)、鹽度采用CTD-NV型溫鹽深儀進行測量, 采樣頻率5 Hz, 溫度和鹽度測量精度±0.005°C和±0.005; 風場數據及有效波高數據來自歐洲氣象中心(http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/ levtype=sfc/), 分辨率為1/4 d, 使用MATLAB對下載風速、風向數據及有效波高數據進行提取整理, 得到研究區平均風速、風向及有效波高。

圖2 不同年份MODIS影像數量

2.2 數據處理方法

懸浮體濃度測定使用抽濾稱重法, 將孔徑為45 μm的濾膜在55℃的烘箱中干燥10 h, 然后在干燥器內放置約4 h后進行稱重、記錄。抽濾后, 將覆有沉積物的濾膜再進行烘干及稱重。懸浮體濃度為泥沙重量與海水體積的比值。其中, 20%的濾膜經過雙膜校正, 以消除濾膜損失的影響(Gao, 1990)。

本文使用的是Terra衛星的MODISL1B數據, 格式為HDF, 利用ENVI軟件對MODIS L1B數據進行幾何校正、大氣校正、太陽天頂角校正處理, 得到分辨率1 km的第四波段反射率強度數據, 經過數據處理發現, 水體反射率強度與懸浮體濃度之間呈對數相關關系(余佳等, 2014; 肖合輝等, 2015)。將實測表層懸浮體濃度與衛片信息相匹配, 并提取對應衛片的反射率強度信息。其中, 將取樣時間段內的對應無云衛片反射率作為擬合公式對應的反射率。據此挑選出77組數據, 建立實測懸浮體濃度和水體反射率的擬合公式(1), 用來反演山東半島東北部海域懸浮體濃度(圖3a)。

SS=0.2733×exp(15.01×555), (1)

其中,SS為懸浮體濃度值(單位: mg/L),555為第4波段反射率值。

圖3 第4波段反射率(R555)與懸浮體濃度的擬合結果(a)、反演質量評估曲線(b)、冬季懸浮體濃度與濁度對應關系(c)

注:2: 決定系數;: 總樣本數

為了檢驗反演公式的可適用性, 選取除擬合公式所用站位外的25個實測站位與反演濃度進行驗證(圖3b)。結果為: 決定系數2=0.93, 均方根誤差RMS=0.84mg/L, 平均相對誤差MR=0.38。對比表明, 利用2018年春季、夏季及冬季77個站位的實測數據建立的反演公式是可信的。

前人研究表明, 濁度和懸浮體濃度具有較好的對應關系(秦蘊珊等, 1982)。本文將冬季所取三層水樣抽濾所得懸浮體濃度與相應濁度進行擬合(圖3c所示), 相關系數達到0.94, 由于只取了3層水樣, 濁度計采樣精度更高, 故本文將利用2019年1月冬季大面站濁度數據近似的代替懸浮體濃度進行分析。

3 結果

3.1 懸浮體濃度年際變化

研究區夏季和冬季表層懸浮體濃度均表現出明顯的年際變化(圖4), 夏季平均懸浮體濃度最低, 春秋季次之, 冬季達到最高。從空間分布來看, 夏季懸浮體高濃度區蜷縮在近岸, 僅在成山頭海域濃度較高且出現向外海擴散的趨勢; 冬季研究區出現了一條連續的渾濁帶, 東部成山頭區域懸浮體向海擴散距離較遠且濃度相對較高; 西部為威海灣及外側海域, 懸浮體向海擴散距離較近, 同時懸浮體濃度較東部低。其次, 從年際變化來看, 夏季在2003、2009和2015年間懸浮體濃度較高, 成山頭海域高值區懸浮體濃度最高值2 mg/L左右, 大部分區域低于1 mg/L; 冬季僅在2003年懸浮體濃度整體較高, 近岸海域最高可達到28 mg/L, 另外, 2006—2018年間懸浮體濃度整體較低且在一定范圍內波動。整體來看, 冬季存在明顯的懸浮體濃度鋒面, 該結果與實測濁度鋒面位置分布較一致, 東部成山頭區域表層懸浮體出現了向北部、西部擴散輸運的特征。

3.2 懸浮體濃度月變化

圖5為2003—2018年間逐月平均懸浮體濃度分布, 可以看出研究區懸浮體濃度分布存在明顯的時空變化: 空間上, 所有月份的懸浮體高濃度區集中在近岸, 以渾濁帶最為顯著; 此外, 所有月份的懸浮體濃度均呈現東高西低的分布格局; 時間上, 12月至次年2月, 在強盛的冬季風和環流系統影響下, 表層懸浮體高濃度范圍急劇擴大; 3—5月表層懸浮體濃度分布由高變低, 同時向外海擴散的強度逐漸減弱; 6—8月, 本區域水動力較弱, 水體層化明顯, 溫躍層極大的阻擋了懸浮體進行垂向擴散, 使得表層懸浮體濃度保持低值并基本不變; 9—11月, 隨著季風作用的加強, 表層懸浮體濃度呈現增大的態勢。

3.3 懸浮體濃度垂向分布特征

夏季黃海海域高濃度懸浮體通常富集于底邊界層, 垂向分層明顯, 研究區溫躍層多出現在海面以下10—15 m處(王勇智等, 2014; 朱穎濤, 2020)。冬季水體混合較為強烈, 利用2019年1月水文泥沙調查資料, 溫鹽以斷面Ⅲ為例, 近岸為低溫低鹽水體, 而遠岸表現為高溫高鹽(圖6), 與其對應的濁度斷面也表現出近岸高、遠岸低類似的特征, 底層濁度高的地方表層濁度也對應較高(圖7); 其次, 斷面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ出現了明顯的鋒面, 鋒面分別位于WH05—WH06站位之間、WH28—WH29站位之間和WH64—WH65站位之間, 鋒面兩側濁度差異較大, 約2—4 FTU。表層濁度擴散范圍與遙感反演結果吻合, 間接地驗證了反演模型的準確性。

圖4 研究區夏、冬季表層懸浮體濃度年際變化圖

圖5 2003—2018年多年累月平均懸浮體濃度分布

4 討論

4.1 懸浮體濃度變化的主控因素

在季節性風浪作用下, 表層懸浮體濃度會表現出一定的響應關系(艾喬等, 2019)。研究區海域范圍較小, 風場較為穩定, 為深入研究影響山東半島東北部海域表層懸浮體濃度變化的主控因素, 本文將研究區累年月均懸浮體濃度與相應風場數據及有效波高進行了分析。從圖8可以看出, 研究區除5—7月份外, 風速及有效波高與懸浮體濃度的變化趨勢一致, 尤其是在冬季, 表明強盛的北風及偏北風更有助于懸浮體的擴散及輸運。值得注意的是, 5—7月風速較大, 但有效波高及懸浮體濃度卻很小, 這可能是夏季研究區偏南風居多, 且風區較短的影響; 此外, 已有研究指出最大臨界水深小于有效波高的10倍(Whitehouse, 2000), 根據有效波高資料得到研究區夏季最大臨界水深多小于10 m, 而溫躍層出現在水深10—15 m處, 故除極端天氣外, 夏季風浪作用只能影響到近岸及溫躍層上部, 水體層化所產生的溫躍層阻隔了懸浮體垂向擴散, 因此季風極大的影響了研究區表層懸浮體的分布格局及輸運。山東半島東北部海域各個季節表層懸浮體在空間分布特征上與潮流一致, 均表現為懸浮體濃度高值區對應成山頭區域強潮流區, 懸浮體濃度相對較低的區域對應的潮流較弱(喬方利等, 2004; 朱學明等, 2012), 故潮流在一定程度上控制了懸浮體濃度的水平分布。

圖6 2019年1月斷面Ⅲ溫度、鹽度垂向分布

圖7 2019年1月斷面濁度垂向分布

考慮到多期遙感影像數據平均及風速、有效波高平均會對結果造成一定影響, 故選取2015和2018年的四個季節研究區質量較好的遙感影像, 進而獲取對應風場及有效波高數據, 從圖9可以看出, 與上述分析結果一致, 夏季總體懸浮體濃度較低, 其與風速、有效波高不存在相關性; 冬季、秋季和春季表層懸浮體濃度均與有效波高、風速存在較高的正相關關系, 且與有效波高相關性更高, 表明波浪直接作用于表層懸浮體, 而風速是引起波高變化的直接因素。綜上所述, 研究區春季、秋季和冬季表層懸浮體濃度主要受控于北向風浪和潮流, 而夏季則以潮流控制為主。

圖8 懸浮體濃度與風和有效波高的年內變化關系

圖9 不同季節懸浮體濃度與風速、有效波高的對應關系

注: a: 春季; b: 夏季; c: 秋季; d: 冬季;2: 決定系數

4.2 水體結構季節變化及其對懸浮體分布和輸運的影響

渤黃海溫度、鹽度及懸浮體濃度存在明顯的季節性變化(秦蘊珊等, 1989; 鮑獻文等, 2009)。夏季水體層化現象突出, 波浪作用較弱, 近水平分布的溫躍層對懸浮體起到了屏障作用, 平流輸運的沉積物補給也有限, 導致夏季表層懸浮體濃度處于全年最低水平, 而底層懸浮體濃度則為較高值, 表底層懸浮體交換能力弱(王勇智等, 2014)。

冬季緯向魯北沿岸流所形成的溫鹽鋒阻擋了近岸懸浮體向外海輸運, 大量懸浮體只分布于鋒面內側, 呈現為近岸分布的渾濁帶。利用2019年1月4—5日大面站調查表中底3層懸浮體濃度數據, 對研究區冬季水體結構及其對懸浮體的分布輸運進行研究。WH84—WH87站位位于研究區東部成山頭海域(圖10), 在海面以下10—20 m存在0.03 oC/m的弱溫躍層。已有研究指出, 1月份出現在山東半島北部沿岸的較弱逆溫躍層現象, 主要是由于冬季氣溫的冷卻作用導致(管秉賢, 2000; 葛人峰等, 2006)。該溫躍層的存在抑制了底層及中層的懸浮體向表層擴散, 表層懸浮體獲取下層的補償較小, 導致底層懸浮體濃度遠遠大于表層, 為懸浮體濃度高值分布區(圖11)。此外, 絕大多數站位表層懸浮體濃度與中層懸浮體濃度相關系數達到0.95, 而與底層懸浮體濃度相關系數為0.82, 表明在研究區西部和中部懸浮體垂向上呈顯著的再懸浮擴散。因此, 研究區東部成山頭附近存在的弱溫躍層雖然會在一定程度上抑制懸浮體的再懸浮, 但再懸浮擴散仍是造成研究區高懸浮體濃度的主要因素。

圖10 典型站位WH86弱溫躍層示意圖

圖11 冬季懸浮體濃度(CSS)在表層與中層底層的分布

本文通過遙感反演及實測資料表明, 研究區東部成山頭區表層懸浮體濃度高于西部, 表層懸浮體有自東向西擴散的趨勢; 冬季, 表層懸浮體在較強的沿岸流和波浪作用下呈現出向四周“輸送”的格局, 并且成山頭附近海域懸浮體擴散距離更遠, 另外, 在山東半島東部研究表明懸浮體以平流輸運為主(冷星等, 2019), 因此研究區內懸浮體主要來源于海底沉積物的再懸浮及成山頭附近懸浮體的水平擴散(圖12), 懸浮體輸運主要是已有沉積物在潮流及風浪作用下再分配的過程(龐重光等, 2004)。

圖12 山東半島東北部海域冬季懸浮體輸運模式圖

5 結論

(1) 山東半島東北部海域表層懸浮體濃度呈現近岸高遠岸低的特征, 東部成山頭附近濃度較高且向海擴散較遠, 西部威海灣及外側海域懸浮體濃度較低且擴散范圍小于東部; 懸浮體濃度季節性變化顯著, 冬季懸浮體濃度達到最大, 春秋季次之, 夏季最低; 2003—2018年春夏秋冬四季研究區表層懸浮體濃度在一定范圍內波動, 無明顯變化趨勢。

(2) 研究區春季、秋季和冬季表層懸浮體濃度主要受控于北向風浪和潮流, 而夏季則以潮流控制為主。夏季, 溫躍層阻礙了懸浮體垂向擴散, 導致表層懸浮體濃度極低; 冬季, 研究區東部成山頭附近水平分布的弱溫躍層雖然會在一定程度上抑制懸浮體的再懸浮, 但再懸浮擴散仍是造成研究區高懸浮體濃度的主要因素。

(3) 山東半島東北部海域存在類似“夏儲冬輸”的特征, 海底沉積物再懸浮物質及成山頭附近懸浮體的水平擴散是研究區懸浮體的主要來源。

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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

* 國家自然科學基金“山東半島海灣對泥沙的捕獲機制—以威海灣為例”, 41776059號。劉 燾, 碩士研究生, E-mail: 1027497886@qq. com

朱龍海, 教授級高級工程師, E-mail: zhulonghai@ouc.edu.cn

2020-09-29,

2020-12-28

P736

10.11693/hyhz20200900268