基于遙感數(shù)據(jù)的夏季長江沖淡水年際間擴(kuò)展規(guī)律及其影響因素*

胡靜雯 王其翔 郭志謙 劉曉燕 吳志宏 董文隆 田 林

1（濰坊市衛(wèi)星遙感智能解譯技術(shù)重點實驗室 濰坊 261021）

2（山東省海洋預(yù)報減災(zāi)中心 青島 266000）

3（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊 濰坊 261021）

4（齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）海洋儀器儀表研究所 青島 266000）

5（國家衛(wèi)星氣象中心 北京 100081）

0 引言

長江是注入東海及西太平洋最大的河流，近10 年（2012—2021 年）平均每年入海徑流量約為9397×108m3，超過全國入海總量的64%[1]。長江巨量徑流出口門后直接浮置于較重的外海水之上，形成一股以低鹽、高營養(yǎng)鹽、高懸浮體含量為特征的長江沖淡水。隨著沖淡水逐漸向外海擴(kuò)展，水域開闊及外海水滲混，水體鹽度逐漸增高，含沙量不斷降低，對黃、東海海區(qū)的水文生物環(huán)境以及西太平洋的物質(zhì)循環(huán)有重大影響。近幾年沿海經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市人口急劇增加，分析長江口附近海域的水體運(yùn)移規(guī)律及其影響機(jī)制，對漁業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及災(zāi)害預(yù)警防御等方面具有重要意義。

長江口外海域地形復(fù)雜，且受長江徑流、風(fēng)場以及臺灣暖流和臨近海區(qū)冷渦的影響，水動力過程十分復(fù)雜。長江沖淡水向外海的擴(kuò)散，在冬季主體基本上是在一條狹窄帶內(nèi)沿岸直接向南輸送；在夏季，若不考慮其他因素的影響，長江沖淡水出口門后，在地轉(zhuǎn)偏向力作用下，應(yīng)該向右偏轉(zhuǎn)，即向東南方向運(yùn)動，但諸多研究結(jié)果顯示，夏季沖淡水向外海擴(kuò)展呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。2001 年Zou 等[2]通過分析1997 年7 月和1998 年8 月航次觀測所得的資料指出，這兩年長江沖淡水均有向南黃海擴(kuò)展的跡象，1998 年8 月長江沖淡水先由口門附近沖向東南，然后再轉(zhuǎn)向東北直指濟(jì)州島，形成明顯的沖淡水舌。2003 年Zhu 等[3]通過對2000 年8 月現(xiàn)場觀測資料的分析指出，當(dāng)年夏季長江沖淡水主軸在出長江口門后，即朝東北偏北方向伸展。2009 年Zhou 等[4]根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的分析指出，1999 年8 月沖淡水東北分支擴(kuò)展距離與氣候態(tài)接近，東南分支則較氣候態(tài)離口門處較遠(yuǎn)；而2006 年8 月沖淡水主要向東南方向擴(kuò)展，在江口的東北方向并未形成舌形。除了基于現(xiàn)場觀測資料進(jìn)行研究外，數(shù)值模擬也是分析夏季長江沖淡水?dāng)U展規(guī)律的常用手段。Wu 等[5]運(yùn)用EOF（Empirical Orthogonal Function）方法對模型結(jié)果進(jìn)行分析，提出長江沖淡水?dāng)U展主要有三條路徑，即傳統(tǒng)認(rèn)識上的夏季向東北擴(kuò)展和冬季向南擴(kuò)展，以及在多個季節(jié)受潮致余流的影響沿蘇北海岸向北擴(kuò)展。Guo 等[6]利用區(qū)域海洋模式ROMS（Regional Ocean Modeling System）研究發(fā)現(xiàn)，夏季長江沖淡水主要有三種擴(kuò)展形態(tài)，即向東北方向、東南方向和東南-東北雙向擴(kuò)展，其中東南方向占比最高。諸多結(jié)果顯示，夏季長江沖淡水向外海的擴(kuò)展存在多種路徑，而且年際間差異顯著。此外，沖淡水向外海擴(kuò)展呈現(xiàn)多樣性的影響因素分析也一直是學(xué)者們關(guān)注的熱點。Zhao 和Wang[7]通過對現(xiàn)場觀測資料的分析，提出徑流量的逐月增長促進(jìn)了長江沖淡水的擴(kuò)展范圍，風(fēng)向則控制沖淡水的轉(zhuǎn)向。在風(fēng)場和徑流的共同作用下, 決定了春季長江沖淡水出口門后的擴(kuò)散模式。Liu 等[8]用EFDC（Environmental Fluid Dynamics Code） 數(shù)值模型得到的結(jié)果顯示，風(fēng)對長江沖淡水的擴(kuò)展有顯著的影響，Ekman 輸運(yùn)使得水流向風(fēng)的右側(cè)擴(kuò)展，東風(fēng)、東南風(fēng)、南風(fēng)、西南風(fēng)時沖淡水離岸擴(kuò)展明顯，其余風(fēng)向?qū)_淡水離岸擴(kuò)展有限制作用。雖然針對夏季長江沖淡水向外海的擴(kuò)展規(guī)律及影響機(jī)制已有部分結(jié)論，但以往的研究多基于短期的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，具有時間特殊性，不同的數(shù)值模型得到的結(jié)果也受到邊界參數(shù)選擇的影響，具有一定局限性，沖淡水的擴(kuò)展規(guī)律還有科學(xué)問題尚未發(fā)現(xiàn)，影響機(jī)制尚有爭議需要解決，基于更多的觀測資料對其進(jìn)行進(jìn)一步探索驗證具有重要意義。

基于長時間連續(xù)、同步的觀測資料分析長江沖淡水的擴(kuò)展規(guī)律和影響機(jī)制更能反映客觀事實，具有重要科學(xué)價值。遙感觀測具有大范圍、全天時的特點，數(shù)據(jù)具有時空上的同步性和連續(xù)性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)觀測方式的不足，能夠滿足研究長江沖淡水年際變化的需要。本文利用連續(xù)17 年（1998—2014 年）的水色衛(wèi)星融合數(shù)據(jù)，對夏季長江沖淡水?dāng)U展變化進(jìn)行了年際間的統(tǒng)計分析，并探討了風(fēng)場和徑流量對沖淡水?dāng)U展變化的影響。考慮到7 月和8 月份沖淡水向外海的擴(kuò)展基本進(jìn)入全盛時期，其擴(kuò)展形態(tài)能較好地反映夏季特征，因此本文選擇這個時期進(jìn)行分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

使用的遙感資料來源于歐空局GlobColour 計劃的多衛(wèi)星融合數(shù)據(jù)，是將MODIS，SeaWiFS，MERIS和VIIRS 四顆極軌水色衛(wèi)星的數(shù)據(jù)基于加權(quán)平均算法得到的數(shù)據(jù)集** http://globcolour.info** http://www.ncdc.noaa.gov/rsad/blendedseawinds.html。該數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)已經(jīng)在全球尺度上進(jìn)行了一定的驗證分析與應(yīng)用，具有較高的精度和可靠性[9,10]。本文使用的數(shù)據(jù)空間分辨率是4 km，時間范圍是1998 年至2014 年。由于時間跨度較長，期間個別衛(wèi)星退役，新的衛(wèi)星投入使用，所以不同年融合數(shù)據(jù)的來源也略有差異。1998 年1 月至2002 年4 月數(shù)據(jù)來源于SeaWiFS 衛(wèi)星，2002 年5—6 月為MERIS 和SeaWiFS 的融合數(shù)據(jù)， 2002 年7 月至2010 年12 月則是MERIS，MODIS，SeaWiFS 三個傳感器的融合數(shù)據(jù)，2011 年1 月至2012 年1 月為MERIS 和MODIS 的融合數(shù)據(jù)，2012 年2—4 月為MERIS，MODIS 和VIIRS 三個傳感器的融合數(shù)據(jù)，2012 年5 月至2014 年12 月為MODIS 和VIIRS 的融合數(shù)據(jù)。

以大通站作為代表站位表征長江徑流量，數(shù)據(jù)來源于1998 年至2014 年《長江泥沙公報》中的逐月徑流量實測資料。本文研究所使用的風(fēng)場資料來源于NOAA（National Climatic Data Center）提供的多衛(wèi)星融合的日平均數(shù)據(jù)*** http://globcolour.info** http://www.ncdc.noaa.gov/rsad/blendedseawinds.html，數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25°×0.25°，風(fēng)速為（30°—33°N，122.5°—125°E）區(qū)域內(nèi)的平均風(fēng)速。

1.2 鹽度遙感反演方法

在研究長江沖淡水問題時，一般以海表鹽度（Sea Surface Salinity，SSS）表征其影響范圍[11]。現(xiàn)場觀測是最早用于獲取海表鹽度的方法，但由于空間覆蓋率有限，時間無法同步，導(dǎo)致其更適用于小區(qū)域、短時間序列的科學(xué)研究，難以描述不同時空尺度的變化[12,13]。采用遙感手段獲取觀測資料，在避免因疊加導(dǎo)致的時空錯位誤差的同時，也能夠發(fā)現(xiàn)更多的科學(xué)細(xì)節(jié)。Aquarius/SAC-D， SMOS（Soil Moisture and Ocean Salinity）和SMAP（Soil Moisture Active Passive）是3 種可以提供海表鹽度數(shù)據(jù)的遙感衛(wèi)星，SMAP 是目前在軌運(yùn)行且主要提供數(shù)據(jù)的衛(wèi)星。但受限于較低時空分辨率、易受陸地射頻干擾等問題，其在近海岸特別是河口區(qū)域存在較大局限性[14,15]。有色可溶性有機(jī)物（Colored Dissolved Organic Matter，CDOM）是水體的重要組成部分，由于其在海洋中具有保守性和穩(wěn)定性，常被用來作為海水的固有示蹤物。河口區(qū)是富含CDOM、懸浮泥沙等有色物質(zhì)的河流淡水與高鹽度海水交匯過渡區(qū)，很多研究表明， CDOM 的吸收（aCDOM）與海表鹽度之間存在較好的相關(guān)關(guān)系[16-19]。

Zhang[20]利用黃東海現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)調(diào)整了Dong等[21]建立的遙感反演算法中的部分參數(shù)，調(diào)整后的模型更適用于黃東海aCDOM的反演。Bai 等[18]基于現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)（2006—2011 年期間囊括四個季節(jié)和完整鹽度范圍的9 個航次的東海現(xiàn)場調(diào)查資料）建立起CDOM 在355 nm 處的吸收系數(shù)aCDOM（355）與海表鹽度之間的相關(guān)關(guān)系，并與國際上應(yīng)用較為廣泛的反演模型進(jìn)行對比，結(jié)果表明其具有更高的精度。

利用Dong 等[21]、Zhang[20]和Bai 等[18]的反演模型，以aCDOM為中間量建立起衛(wèi)星數(shù)據(jù)中443 nm 處遙感反射率Rrs（443），555 nm 處遙感反射率Rrs（555），670 nm 處遙感反射率Rrs（670）與海表鹽度的相關(guān)關(guān)系，具體如下。

計算443 nm 處顆粒物的吸收系數(shù)ad（443）：

計算任意波段顆粒物的吸收系數(shù)：

計算CDOM 和浮游植物的總吸收值：

計算CDOM 在443 nm 處的吸收系數(shù)：

式中，

計算CDOM 在355 nm 處的吸收系數(shù)：

計算海表鹽度的值：

需要說明的是，文中使用的通過aCDOM反演SSS 的算法適用于長江口海表鹽度在2～33 psu 之間的區(qū)域。另外，由于遙感觀測數(shù)據(jù)在臨近岸邊的海域往往反演失敗，所以本算法更適用于研究長江沖淡水自122.2°—122.5°E 轉(zhuǎn)向后的擴(kuò)展過程。

2 長江沖淡水向外海擴(kuò)展的年際變化特征

圖1 和圖2 顯示了1998—2014 年夏季（7 月和8 月）長江口外海域表層鹽度的月平均分布情況，選取28 psu 等鹽度線為外緣線的水舌主軸方向作為擴(kuò)展路徑，28 psu 等鹽度線的東側(cè)最遠(yuǎn)邊界表征沖淡水向東擴(kuò)展的距離。結(jié)果顯示，夏季長江沖淡水在擴(kuò)展形態(tài)以及同年夏季月際間的擴(kuò)展過程上都存在顯著的年際變化。

2.1 擴(kuò)展形態(tài)的年際變化

通過對圖1 和圖2 的分析可知，夏季長江沖淡水自122.2°—122.5°E 轉(zhuǎn)向后在不同年份呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。從擴(kuò)展路徑的角度分析，基本分為東北偏北型（NE-N）、東北型（NE）和偶見型（東北偏東（NE-E）、東北-東南雙向擴(kuò)展（NE-SE）以及無明顯指向（None）等特異形態(tài)）三種類型（見圖3），不同擴(kuò)展路徑及對應(yīng)年份如表1 所示。

表1 1998—2014 年7 月和8 月長江沖淡水?dāng)U展路徑及對應(yīng)年份Table 1 CDW expansion path and corresponding year on July and August from 1998 to 2014

圖3 東北偏北型（NE-N）（a）、東北型（NE）（b）、東北偏東型（NE-E）（c）、東北-東南雙向型（NE-SE）（d）和無明顯指向型（None）（e）5 種擴(kuò)展路徑示例圖。白色箭頭代表擴(kuò)展路徑Fig. 3 Samples of five types of expansion path: northeast-north type （NE-N）, northeast type （NE）,northeast-east type （NE-E）, northeast-southeast type （NE-SE） and no-direction type （None）.White arrow represents expansion path

由統(tǒng)計結(jié)果可知，1998—2014 年間，長江沖淡水夏季的擴(kuò)展路徑以東北指向為主（＞50%），其次是東北偏北型，約占26%，偶見型中無明顯指向型比例較大，占12%，東北偏東以及東北-東南雙向的路徑出現(xiàn)概率較小。從向東擴(kuò)展距離（以7 和8 月中最大值表征當(dāng)年夏季的東擴(kuò)距離）的角度分析，通常情況下（＞70%）夏季長江沖淡水會東擴(kuò)至124°—125.5°E 區(qū)間，個別年份會出現(xiàn)向東擴(kuò)展較遠(yuǎn)或者限制在近口門附近海域的情況（見圖4）。如1998 年和2007 年，沖淡水向東最遠(yuǎn)擴(kuò)展至125.5°E 以東，而2001 年和2012 年則停留在123.5°E 附近。

圖4 夏季長江沖淡水向東擴(kuò)展距離的年際變化Fig. 4 Inter-annual changes of CDW eastern expansion position in summer

2.2 擴(kuò)展過程的年際變化

在以往研究中，通常只關(guān)注沖淡水?dāng)U展形態(tài)的變化，對于沖淡水夏季擴(kuò)展過程的變化研究較少。沖淡水向外海的擴(kuò)展過程受多種動力因素相互影響制約后，最終呈現(xiàn)出某種態(tài)勢，摸清擴(kuò)展過程的年際變化對于深入理解長江口外海域多種動力機(jī)制的走向及變化具有重要參考價值。沖淡水向外海的擴(kuò)展通常在7 和8 月達(dá)到全盛，在這兩個月內(nèi)沖淡水的擴(kuò)展變化往往比較劇烈，通過對圖1 和圖2 的對比可以看出，在不同年份的7 和8 月間，沖淡水?dāng)U展過程的多樣性主要體現(xiàn)在擴(kuò)展路徑是否轉(zhuǎn)向、向東擴(kuò)展的態(tài)勢是逐月增強(qiáng)還是由盛轉(zhuǎn)衰兩方面。具體分類如下。

（1）擴(kuò)展路徑變化顯著。例如2003 年7 月，28 psu 等鹽度線包圍的沖淡水呈現(xiàn)同時向東北和東南兩個方向擴(kuò)展，且東南方向的分量呈較強(qiáng)的態(tài)勢（東北方向擴(kuò)展東至124.2°E，而東南方向擴(kuò)展則接近125°E）。進(jìn)入8 月后，沖淡水東南方向擴(kuò)展的分量消失，沖淡水舌完全指向東北，且沖淡水向東北方向伸展到更遠(yuǎn)，達(dá)到124.6°E 附近。與之類似的還有2000 年、2004 年和2007 年，沖淡水在7—8 月向外海擴(kuò)展的過程中，擴(kuò)展路徑均發(fā)生了轉(zhuǎn)向，有的由東北偏北方向轉(zhuǎn)為東北偏東，有的由東北方向上抬向更北的方向伸展，還有的水舌不再突出，沒有明顯指向。

（2）向東擴(kuò)展距離變化顯著。有些年份，7 月份沖淡水盤踞在近岸海域，進(jìn)入8 月份，沖淡水舌迅速形成，達(dá)到向外海擴(kuò)展的全盛時期，呈現(xiàn)7 月弱8 月強(qiáng)的態(tài)勢。與之相反的是，有些年份在7 月份已達(dá)到向外海擴(kuò)展的全盛時期，進(jìn)入8 月，沖淡水?dāng)U展勢頭已然衰退，甚至有的沖淡水舌已經(jīng)消失，呈現(xiàn)7 月盛8 月衰的態(tài)勢。例如2005 年和2014 年，前者在7 月時沖淡水向外擴(kuò)展態(tài)勢初步形成，28 psu 等鹽度線包圍的沖淡水沒有形成明顯的沖淡水舌，到了8 月份沖淡水向外海的擴(kuò)展進(jìn)入全盛時期，水舌形成，舌軸指向東北方向，28 psu 等鹽度線的東邊界達(dá)到124°E 以東。后者在7 月時28 psu 等鹽度線的東側(cè)邊界已經(jīng)到達(dá)124.2°E，進(jìn)入8 月份沖淡水不再呈現(xiàn)向外海擴(kuò)展的趨勢，而是停留在長江口沿岸，123.3°E 以西海域，沖淡水舌消失。與之類似，2007 年呈現(xiàn)7 月弱8 月強(qiáng)，而2006 年呈現(xiàn)7 月盛8 月衰的形態(tài)。

還有部分年份，沖淡水的擴(kuò)展在7—8 月份比較均衡，路徑未發(fā)生轉(zhuǎn)向，擴(kuò)展態(tài)勢也沒有明顯差異。例如2010 年和2013 年，沖淡水流向保持一致，前者均為東北偏東，后者均為東北方向，擴(kuò)展態(tài)勢也基本保持穩(wěn)定，向東擴(kuò)展距離的變化不超過0.2°E。

3 長江沖淡水?dāng)U展年際變化的影響因素分析

長江口門外海域水文環(huán)境動力復(fù)雜，沖淡水從河口擴(kuò)展到東海和黃海大范圍海域時，會橫穿河口-陸架海域，易受到海底地形、徑流量、風(fēng)場、背景流場以及鄰近海域渦旋多重勢力的作用。由于長江徑流量巨大和偏南季風(fēng)盛行是長江口夏季的顯著特征，很多研究將沖淡水的擴(kuò)展變化與兩者聯(lián)系起來。本文將長江徑流量和風(fēng)場變化，分別與沖淡水?dāng)U展的年際間變化特征進(jìn)行相關(guān)性分析，探討兩者在沖淡水向外海擴(kuò)展中起到的作用。

3.1 徑流量對沖淡水?dāng)U展年際變化的影響

早期針對徑流量的多寡是否影響沖淡水向外海的擴(kuò)展路徑問題存在爭議。有研究認(rèn)為沖淡水區(qū)夏季擴(kuò)展路徑變化與長江月平均徑流量的多寡有關(guān)[23,24]。有研究認(rèn)為徑流量的大小對長江沖淡水的作用，主要體現(xiàn)在改變近口門處沖淡水東南和東北擴(kuò)展的勢力以及水文環(huán)境要素，對向外海擴(kuò)展路徑并不起決定性作用[4]。

圖5 顯示了1998—2014 年7 和8 月長江徑流量的年際變化，考慮到徑流量對沖淡水的擴(kuò)展可能存在滯后影響，選取每年7 和8 月中的較大值表征當(dāng)年夏季徑流量的數(shù)值。 結(jié)合表1 進(jìn)行分析可以看出，不同年份間夏季的徑流量變化顯著，年際間差距最大可達(dá)4.00×104m3·s-1，但與沖淡水?dāng)U展路徑的年際多樣性沒有呈現(xiàn)出規(guī)律性的關(guān)聯(lián)。例如夏季徑流量均超過7.35×104m3·s-1的1998 年和1999 年，其擴(kuò)展路徑一個呈現(xiàn)典型的東北型，一個卻無明顯指向；徑流量均小于3.70×104m3·s-1的2006 年和2011 年，沖淡水?dāng)U展路徑一個為東北型，一個無明顯指向；徑流量在多年平均值（4.96×104m3·s-1）附近的2000 年、2007 年和2014 年擴(kuò)展路徑也各不相同；而擴(kuò)展路徑保持一致的2001 年、2008 年以及1998 年和2013 年，2001年和2008 年徑流量相差無幾，1998 年和2013 年徑流量差別高達(dá)3.51×104m3·s-1。由此驗證了徑流量對沖淡水?dāng)U展路徑的選擇影響不大的觀點。

圖5 7 月和8 月長江徑流量年際變化。夏季徑流量取當(dāng)年7 月和8 月中的較大值Fig. 5 Inter-annual changes of Changjiang River discharge in July and August. The discharge in summer is the larger value in July and August of the same year

雖然徑流量的多寡對沖淡水?dāng)U展路徑的選擇上沒有決定性作用，但有研究提出，其與沖淡水向外海擴(kuò)展的遠(yuǎn)近存在較大相關(guān)性[25]，本文的研究結(jié)果證實了這個觀點。將夏季長江徑流量與當(dāng)年沖淡水向東擴(kuò)展距離進(jìn)行相關(guān)性分析（見圖6）。結(jié)果顯示，除了個別年份（1999 年、2007 年和2012 年），徑流量的多寡確實對沖淡水向東擴(kuò)展的遠(yuǎn)近起到重要作用，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.86。在徑流量較大的年份，往往沖淡水向東擴(kuò)展較遠(yuǎn)，例如徑流量超過5.50×104m3·s-1（1998 年、2003 年、2010 年），沖淡水均向東伸展至124.5°E 以東；而當(dāng)徑流量較小時，往往沖淡水向東擴(kuò)展的距離有限，局限在124°E 以西海域。

圖6 夏季長江徑流量與沖淡水向東擴(kuò)展距離的關(guān)系Fig. 6 Relationship between Changjiang River discharge and CDW eastern expansion position in summer

由于徑流量對于沖淡水?dāng)U展作用存在滯后現(xiàn)象，即使有些年份8 月份徑流量開始減弱，但沖淡水向外海的擴(kuò)展仍然會受到7 月入海淡水的作用，因此沖淡水在夏季7—8 月間擴(kuò)展過程的年際間差異性應(yīng)該與徑流量的變化關(guān)系不大。綜上所述，徑流量年際間的多寡變化主要對沖淡水向外海擴(kuò)展的遠(yuǎn)近起到重要影響作用。

3.2 風(fēng)場對沖淡水?dāng)U展年際變化的影響

由于長江口海域處于東亞季風(fēng)區(qū)，夏季多盛行南風(fēng)，很多研究將夏季沖淡水的向外海擴(kuò)展路徑的選擇與風(fēng)場聯(lián)系起來。有研究認(rèn)為與其他因素相比，風(fēng)場效應(yīng)可以忽略，不足以使沖淡水轉(zhuǎn)向[26]。也有研究認(rèn)為風(fēng)場對長江沖淡水的擴(kuò)展路徑的選擇十分關(guān)鍵[27,28]，且沖淡水對于風(fēng)場變化的響應(yīng)較快，只是不同的風(fēng)向的風(fēng)究竟對沖淡水的擴(kuò)展方向起著怎樣的作用，目前尚無定論，甚至存在相反的說法[29]。此外，風(fēng)速的影響也需要更多的觀測資料進(jìn)行驗證說明。

圖7 顯示了1998—2014 年7 月和8 月長江口附近海域風(fēng)場年際變化（見圖7a）以及提取出的風(fēng)速的年際變化（見圖7b）情況。可以看出，夏季風(fēng)場的年際變化顯著，從風(fēng)速的角度來看，7 月和8 月風(fēng)速在4.60～7.62 m·s-1浮動，年際間差異最大值超過2.50 m·s-1，同一年中，7 月和8 月風(fēng)速變化年際間差異也從最小的0.06 m·s-1變化到最大的2.44 m·s-1。從風(fēng)向的角度分析，7 月份均為偏南風(fēng)，東南風(fēng)占大多數(shù)，個別年份呈現(xiàn)西南風(fēng)。8 月份以偏東風(fēng)為主，東南風(fēng)出現(xiàn)的頻率明顯高于東北風(fēng)。

圖7 7 月和8 月長江口附近海域風(fēng)場分布（a）及風(fēng)速（b）的年際變化Fig. 7 Inter-annual changes of wind field （a） and wind speed （b） in July and August

3.2.1 對擴(kuò)展形態(tài)年際變化的影響

通過圖7 和表1 的對比分析，可以看出風(fēng)速的變化與沖淡水?dāng)U展路徑的選擇沒有明顯相關(guān)性。例如2013 年7 月風(fēng)速和2012 年8 月風(fēng)速均高于7.20 m·s-1，但沖淡水?dāng)U展路徑一個為東北型，一個無明顯指向；1998 年、2002 年和1999 年7 月，風(fēng)速均在5.10 m·s-1上下，但前兩年沖淡水?dāng)U展都指向東北方向，后者卻無明顯指向。將7 月和8 月長江口附近海域的風(fēng)速與當(dāng)月沖淡水向東擴(kuò)展距離進(jìn)行相關(guān)性分析（見圖8），結(jié)果顯示，風(fēng)速的大小對于沖淡水向東擴(kuò)展的遠(yuǎn)近也不起決定性作用。當(dāng)風(fēng)速較大時，例如2012 年8 月和2013 年7 月，沖淡水向東擴(kuò)展的距離依然局限在124°E 以西；當(dāng)風(fēng)速較小時，例如1998 年，沖淡水也會出現(xiàn)向東伸展至很遠(yuǎn)的現(xiàn)象；當(dāng)風(fēng)速相當(dāng)時，例如1998 年、2002 年和1999 年7 月，沖淡水分別東擴(kuò)至125.7°E、124°E 和123.9°E，最大距離差接近200 km。

圖8 7 月（a）和8 月（b）風(fēng)速大小與當(dāng)月沖淡水向東擴(kuò)展距離的關(guān)系Fig. 8 Relationship between wind speed and CDW eastern expansion position in July （a） and August （b）

綜上所述，風(fēng)速的年際間差異不是沖淡水?dāng)U展形態(tài)呈現(xiàn)多樣性的根本原因。

3.2.2 對擴(kuò)展過程年際變化的影響

與徑流量的滯后作用不同，沖淡水在從近河口向外海擴(kuò)展的過程中，持續(xù)不斷地受風(fēng)場影響，對風(fēng)場變化的響應(yīng)也十分迅速。由此推測，7 月和8 月間風(fēng)場變化的年際多樣性可能是沖淡水?dāng)U展過程出現(xiàn)年際變化的重要因素，下文從風(fēng)速和風(fēng)向兩個角度進(jìn)行驗證分析。

2006 年、2007 年和2012 年，7 月和8 月間的風(fēng)速差均大于1.8 m·s-1，但2006 年沖淡水持續(xù)向東北伸展，2007 年和2012 年則由東北偏北分別轉(zhuǎn)向為東北偏東和無明顯指向。2003 年和2010 年，7 月和8 月間風(fēng)速幾乎不變，但前者沖淡水由東北東南雙向擴(kuò)展轉(zhuǎn)為東北單向，后者則穩(wěn)定為東北偏東方向。由此推測，風(fēng)速的變化與否，對沖淡水的路徑?jīng)]有顯著影響。通過對1998—2014 年7 月和8 月長江口附近風(fēng)向的統(tǒng)計分析可知，17 年中同年7 月和8 月份風(fēng)向發(fā)生改變的概率接近50%，主要為東南轉(zhuǎn)向東北、西南轉(zhuǎn)向東南兩類（見表2），其余年份夏季期間風(fēng)向基本保持為東南風(fēng)。選取風(fēng)向發(fā)生轉(zhuǎn)變的年份，對沖淡水?dāng)U展過程進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，沖淡水夏季的擴(kuò)展過程與當(dāng)年風(fēng)向變化密切相關(guān)。

表2 7 月和8 月風(fēng)向轉(zhuǎn)變情況及對應(yīng)年份Table 2 Changes of wind direction from July to August and corresponding year

2001 年、2009 年和2014 年7 月和8 月間，風(fēng)向均由東南方向轉(zhuǎn)為東北，風(fēng)速均是8 月明顯強(qiáng)于7 月，沖淡水的擴(kuò)展在路徑?jīng)]有改變的情況下，呈現(xiàn)出7 月強(qiáng)盛而8 月衰退的形態(tài)。以2014 年為例，7 月東南偏南風(fēng)盛行，沖淡水向東擴(kuò)展至124.2°E。進(jìn)入8 月份，主導(dǎo)風(fēng)向轉(zhuǎn)為東北偏北，沖淡水舌幾乎消失，沖淡水回縮至123°E 附近。由此推斷東北風(fēng)遏制沖淡水向外海的擴(kuò)展。

當(dāng)7 月和8 月間風(fēng)向由西南轉(zhuǎn)為東南時，沖淡水大部分都呈現(xiàn)出向東大幅擴(kuò)展的形態(tài)。例如2005 年和2007 年，7 月份沖淡水主要聚集在長江口鄰近海域，水舌初步形成，東擴(kuò)水體限制在123.5°E 附近。進(jìn)入8 月份后，沖淡水向外海擴(kuò)展的勢力明顯增強(qiáng)，水舌向東伸展的位置分別東移至124°E 以東海域，2007 年已經(jīng)接近 126°E。由此推斷東南風(fēng)促進(jìn)沖淡水向外海擴(kuò)展。 2013 年風(fēng)向也由西南轉(zhuǎn)為東南，但沖淡水向東擴(kuò)展態(tài)勢增加不明顯，這可能與當(dāng)年8 月的徑流量降低、風(fēng)速減弱起到了互抵作用導(dǎo)致。

值得注意的是，2003 年7 月和8 月期間風(fēng)向由西南偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，而2004 年7 月和8 月期間由南風(fēng)轉(zhuǎn)為東南偏東風(fēng)，均導(dǎo)致了沖淡水中向東南方向擴(kuò)展的分量消失，前者表現(xiàn)為向東北方向延伸至更遠(yuǎn)，后者則表現(xiàn)為擴(kuò)展路徑轉(zhuǎn)向東北偏北。由此猜測，東南風(fēng)、東風(fēng)對于沖淡水向東北方向擴(kuò)展起到促進(jìn)作用，對于向東南方向擴(kuò)展起到一定的阻礙作用。Liu 等[8]也得到類似的結(jié)論，也符合東南風(fēng)驅(qū)動的Ekman 輸運(yùn)促使沖淡水向風(fēng)向右側(cè)輸運(yùn)的機(jī)制。

4 結(jié)論與展望

以aCDOM為中間量建立起Rrs與海表鹽度的相關(guān)關(guān)系，利用1998—2014 年衛(wèi)星融合數(shù)據(jù)，從長時間尺度上對夏季長江沖淡水向外海的年際間擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行研究，并分析徑流量和風(fēng)場對于沖淡水?dāng)U展呈現(xiàn)年際間多樣性的作用和影響，主要得出如下結(jié)論。

（1）夏季長江沖淡水向外海擴(kuò)展形態(tài)存在顯著的年際變化。擴(kuò)展路徑表現(xiàn)為東北偏北型、東北型和偶見型（東北偏東、東北-東南雙向擴(kuò)展以及無明顯指向等特異形態(tài)）三類，以東北指向為主；沖淡水向東擴(kuò)展位置分布在123°—126°E 區(qū)間，年際差異明顯。

（2）長江沖淡水在的7—8 月間的擴(kuò)展過程呈現(xiàn)出年際多樣性，有的年份擴(kuò)展路徑明顯轉(zhuǎn)向，有的年份向東擴(kuò)展距離呈現(xiàn)7 月弱8 月強(qiáng)或者7 月盛8 月衰，還有的年份沖淡水的擴(kuò)展在7 月和8 月份比較均衡，路徑未發(fā)生轉(zhuǎn)向，擴(kuò)展態(tài)勢也沒有明顯差異。

（3）長江徑流量的多寡不能改變沖淡水的擴(kuò)展路徑，但其是沖淡水向東擴(kuò)展遠(yuǎn)近的重要影響因素，即徑流量較大時，沖淡水向東擴(kuò)展較遠(yuǎn)，徑流量較小時，沖淡水向東擴(kuò)展的距離會受到明顯的限制。

（4）沖淡水的擴(kuò)展對于風(fēng)場變化響應(yīng)迅速，風(fēng)向的變化是導(dǎo)致沖淡水在7—8 月間擴(kuò)展過程呈現(xiàn)多樣性的一個重要原因。東南風(fēng)、東風(fēng)對于沖淡水向東北方向擴(kuò)展起到促進(jìn)作用，對于向東南方向擴(kuò)展起到一定的阻礙作用。東北風(fēng)會對沖淡水向外海的擴(kuò)展起到阻礙作用，迫使沖淡水收縮在長江口近岸海域。

通過本文的研究結(jié)果可知，徑流量和風(fēng)場都不是沖淡水?dāng)U展路徑呈現(xiàn)年際多樣性的主要影響因素，這可能是因為沖淡水在向外海擴(kuò)展過程中，受到了北側(cè)黃海冷渦夾擠和誘導(dǎo)，南側(cè)臺灣暖流的頂托，東側(cè)北部海區(qū)冷渦的阻礙等多種勢力的影響，而這幾股勢力的位置和強(qiáng)弱年際間存在明顯差異，可出現(xiàn)各種各樣的耦合關(guān)系，所以在不同年份其對長江沖淡水向外海擴(kuò)展的綜合作用有一定差別，導(dǎo)致沖淡水的擴(kuò)展形態(tài)呈現(xiàn)多樣性[2]，接下來將通過更多的研究手段和實測數(shù)據(jù)去探討其相關(guān)關(guān)系。