臺(tái)風(fēng)事件對(duì)東中國(guó)海懸沙濃度時(shí)空演變的影響分析*

趙仁靈 周春艷 ① 許春陽 劉 偉

(1. 河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇南京 210098; 2. 河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院 江蘇南京 210098; 3. 連云港市港航事業(yè)發(fā)展中心 江蘇連云港 222042)

臺(tái)風(fēng)作為天氣尺度上最大的海氣相互作用過程之一, 它可以在短時(shí)間內(nèi)劇烈改變海氣間的能量交換, 反映在海面的強(qiáng)風(fēng)浪可以強(qiáng)烈改變常規(guī)天氣下的水體狀態(tài), 破壞水體結(jié)構(gòu)(Lietal, 2018), 改變海底地形、地貌(Lietal, 2015c)以及泥沙顆粒的遷移和沉積過程(Lietal, 2015b, 2015c)。東中國(guó)海位于太平洋西北, 影響該地區(qū)的臺(tái)風(fēng)中, 約有三分之一登陸或影響中國(guó), 其中在東中國(guó)海和南海發(fā)生的較多, 在渤海和北黃海發(fā)生的較少(Wangetal, 2021)。東中國(guó)海是世界上懸浮物濃度最高的海區(qū)之一, 每年接收來自黃河和長(zhǎng)江等大河入海的大量懸沙。東中國(guó)海沉積物從“源”到“匯”的過程越來越受關(guān)注, 它們?cè)诘厍蚧瘜W(xué)循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)變化、資源管理等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用(Walshetal, 2016)。

東中國(guó)海近岸懸沙濃度分布受潮流、風(fēng)浪、沿岸流、徑流和溫鹽等多種因素的影響, 其中風(fēng)浪和潮流是最主要的影響因素(宋召軍等, 2006; 權(quán)永崢等,2015; Liuetal, 2016a)。在大風(fēng)或者風(fēng)暴潮天氣下, 風(fēng)和風(fēng)浪成為影響流向和泥沙再懸浮及輸運(yùn)的主要因素, 顯著影響懸沙的時(shí)空分布(Wangetal, 2018;Whippleetal, 2018; Zengetal, 2023)。受制于觀測(cè)條件, 臺(tái)風(fēng)過境期間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)難以獲得, 遙感可以有效地再現(xiàn)海洋物理過程(Lietal, 2015a; 宋德彬等,2018)。GOCI (geostationary ocean color imager)數(shù)據(jù)可用于監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)過境期間的懸沙等海洋水色要素的時(shí)空分布(Chauetal, 2021), 計(jì)算臺(tái)風(fēng)前后表層懸沙濃度(suspended sediment concentration, SSC)的變化值。已有很多學(xué)者將GOCI 遙感數(shù)據(jù)與非臺(tái)風(fēng)天氣下的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證, 結(jié)果表現(xiàn)良好(Ahnetal,2012)。大氣校正后使用Tassan 公式反演的SSC 與三門灣至江蘇北部沿岸地區(qū)156 個(gè)實(shí)測(cè)SSC 的線性關(guān)系為R2=0.8 (Jiangetal, 2020), 反演得到的SSC 在東中國(guó)海非臺(tái)風(fēng)天氣下比較可靠。利用GOCI 遙感數(shù)據(jù)分析極端天氣下的懸沙濃度也有應(yīng)用, 基于優(yōu)化的SeaWiFs 算法及Tassan 公式反演的SSC 作為ROMS模型的初始條件, 將模擬結(jié)果結(jié)合實(shí)測(cè)水文資料與GOCI 數(shù)據(jù)反演的SSC 互為驗(yàn)證, 成功跟蹤預(yù)測(cè)了2012 年的臺(tái)風(fēng)博拉文事件(Kimetal, 2013)。除此之外, 與我國(guó)廣泛應(yīng)用的MODIS 和Landsat8 遙感數(shù)據(jù)相比, GOCI 遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量水平。對(duì)GOCI 數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化后, 使用SeaWiFs 算法得到的海上555 和660 nm 波段的遙感反射率與MODIS、MERIS 相同產(chǎn)品之間呈現(xiàn)接近1 的線性相關(guān)性(Yangetal, 2014), 與Landsat8 產(chǎn)品的線性相關(guān)性達(dá)0.873 1(Duetal, 2021), 對(duì)于東海某點(diǎn)(32.12°N, 125.18°E),基于標(biāo)準(zhǔn)的SeaWiFs 算法優(yōu)化近紅外波段離水反射率的迭代模型(Ahnetal, 2012)計(jì)算得到的560 和665 nm 波段的遙感反射率與實(shí)測(cè)反射率的相關(guān)性分別達(dá)到0.85 和0.93 (Doxaranetal, 2014), 這表明了他們之間的高度一致性。

本研究基于不同類型臺(tái)風(fēng)事件期間篩選出的高質(zhì)量GOCI 遙感數(shù)據(jù), 計(jì)算臺(tái)風(fēng)過境前1～3 d 到過境后1～3 d 的日平均表層懸沙濃度, 結(jié)合風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù), 探討不同類型臺(tái)風(fēng)對(duì)表層懸沙時(shí)空分布的影響。

1 研究區(qū)域臺(tái)風(fēng)事件介紹

影響東中國(guó)海的臺(tái)風(fēng)事件路徑可分為登陸型、海上活動(dòng)型及特殊型(由陸向海發(fā)展, 多為南海穿出)三大類(孫林海等, 2010; Yanetal, 2020; 張智偉, 2020)。登陸型又可細(xì)分為正面登陸、登陸后向北偏東發(fā)展、向陸中及向西發(fā)展型, 海上活動(dòng)型又可細(xì)分為近海和遠(yuǎn)海活動(dòng)型(圖1a)。本文統(tǒng)計(jì)了2015～2022 年期間,臺(tái)風(fēng)七級(jí)風(fēng)力半徑直接影響了東中國(guó)海50 m 等深線以西的臺(tái)風(fēng)事件34 起, 其路徑類型統(tǒng)計(jì)見表1。近?；顒?dòng)型和遠(yuǎn)?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)發(fā)生頻率高于其他5 種登陸型臺(tái)風(fēng)事件和南海穿出型臺(tái)風(fēng)事件, 5 種登陸型臺(tái)風(fēng)事件中登陸消失和登陸北上中的臺(tái)風(fēng)事件出現(xiàn)次數(shù)較高, 近8 a 未出現(xiàn)南海穿出型臺(tái)風(fēng)事件。本研究將討論不同類型的臺(tái)風(fēng)事件對(duì)研究區(qū)域SSC 分布時(shí)空變化的影響, 且重點(diǎn)討論近?；顒?dòng)型和遠(yuǎn)?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)事件, 研究區(qū)域如圖1b 所示。

表1 2015～2022 年期間影響東中國(guó)海的臺(tái)風(fēng)類型次數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of typhoon types affecting the East China Sea during 2015～2022

圖1 影響東中國(guó)海的臺(tái)風(fēng)類型(a)以及研究范圍和水深分布(b)Fig.1 Types of typhoons affecting the East China Sea (a) and the study area and bathymetry (b)

在統(tǒng)計(jì)的34 起臺(tái)風(fēng)事件中篩選出可觀察到高質(zhì)量少云GOCI 遙感數(shù)據(jù)的臺(tái)風(fēng), 臺(tái)風(fēng)信息見表2, 臺(tái)風(fēng)路徑見圖2。

表2 不同類型臺(tái)風(fēng)信息Tab.2 Information about different types of typhoons

圖2 臺(tái)風(fēng)路徑圖Fig.2 Tracks of typhoons

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)與分析方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)

GOCI 載在韓國(guó)2010 年發(fā)射的靜止衛(wèi)星COMS上。GOCI 空間分辨率為500 m, 共有8 個(gè)波段, 光譜分辨率為412～865 nm, 軌道高度達(dá)35 786 km, 覆蓋范圍為2 500 km×2 500 km。GOCI 每天從8 點(diǎn)到15 點(diǎn)(北京時(shí)間)可以提供8 個(gè)時(shí)刻的觀測(cè)數(shù)據(jù), 時(shí)間間隔為1 h, GOCI 數(shù)據(jù)可從韓國(guó)海洋衛(wèi)星中心(http://kosc.kiost.ac.kr/index.nm)上獲得。GOCI 數(shù)據(jù)的8 個(gè)波段可用于反演研究區(qū)域表層懸浮泥沙濃度(suspended sediment concentration, SSC)和葉綠素(chlorophyll)濃度等海洋水色要素。

我國(guó)現(xiàn)行的全球熱帶氣旋等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 32935-2016)將熱帶氣旋中心附近地面最大風(fēng)速達(dá)到32.7～41.4 m/s, 即12～13 級(jí)定義為臺(tái)風(fēng)。在本研究中,我們選擇了2015～2022 年期間中央氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)公布的臺(tái)風(fēng)信息, 特別是臺(tái)風(fēng)路徑經(jīng)過東中國(guó)海、風(fēng)力半徑影響東中國(guó)海海域尤其是近岸高渾濁水域的臺(tái)風(fēng)事件。在這些臺(tái)風(fēng)事件中篩選出臺(tái)風(fēng)到達(dá)研究區(qū)域前1～3 d 至臺(tái)風(fēng)通過研究區(qū)域后1～3 d 的高質(zhì)量GOCI遙感數(shù)據(jù), 以便分析臺(tái)風(fēng)事件影響下研究區(qū)域SSC的時(shí)空分布變化特點(diǎn)。本研究用于計(jì)算SSC 的遙感數(shù)據(jù)日期統(tǒng)計(jì)如表3 所示。

表3 用于計(jì)算SSC 的GOCI 遙感數(shù)據(jù)日期Tab.3 Dates of GOCI remote sensing data used to calculate SSC

2.2 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)及臺(tái)風(fēng)過程信息

臺(tái)風(fēng)影響期間, ERA5 再分析風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)在黃海、東海區(qū)域的風(fēng)速大小與實(shí)測(cè)資料有較高一致性, 相關(guān)性均在0.8 以上(譚海燕等, 2021)。以臺(tái)風(fēng)“利奇馬”通過東中國(guó)海為例, 渤海、黃海、東海的實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)與ERA5 再分析數(shù)據(jù)之間展現(xiàn)出良好的匹配度(李愛蓮等, 2021)。所以, 本研究采用ERA5 數(shù)據(jù)對(duì)臺(tái)風(fēng)期間的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行分析。

ERA5 數(shù)據(jù)集是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)制作的第五代大氣再分析資料。它提供自1950 年至今的地表面氣壓、溫度和風(fēng)場(chǎng)等數(shù)據(jù)。資料的時(shí)間分辨率為1 h, 空間分辨率為0.25°×0.25° (https://cds.climate.copernicus.eu)。臺(tái)風(fēng)過程信息來自于中央氣象臺(tái)風(fēng)網(wǎng)(http://typhoon.weather.com.cn/), 該網(wǎng)站提供的某一時(shí)刻臺(tái)風(fēng)路徑中, 記錄的最小風(fēng)力等級(jí)影響半徑為7 級(jí)風(fēng)力影響半徑, 風(fēng)速為10.8～17.1 m/s。

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用GDPS1.4 對(duì)GOCI L1B 數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正,輻射定標(biāo)等工作。QA Score 評(píng)價(jià)的結(jié)果顯示, GDPS1.4在黃海海域?qū)OCI 數(shù)據(jù)處理的表現(xiàn)良好(劉曉燕等,2021)。為分析SSC 的時(shí)空演變, 本文使用Tassan 提出的黃海大型海洋生態(tài)系統(tǒng)[YSLME (the Yellow Sea large marine ecosystem) ocean color work group, YOC]算法(Tassan, 1994; Siswanto Eetal, 2011)反演表層懸沙濃度CSS, 見公式(1)。

其中,C0、C1、C2分別為0.649、25.623、0.646,Rrs為遙感反射率, 單位為Sr-1。由于臺(tái)風(fēng)天氣云層遮擋,個(gè)別像素點(diǎn)會(huì)被錯(cuò)判斷為海水參加SSC 反演, 導(dǎo)致該像素點(diǎn)計(jì)算值異常偏高, 這類異常高值孤立噪點(diǎn)可根據(jù)梯度閾值法剔除(王榮彬等, 2013), 剔除后采用反距離加權(quán)算法將該值填補(bǔ)平滑(趙冰等, 2020)。反距離加權(quán)平均如公式(2)～(4)所示, 去噪效果如圖3所示, 為了便于展示, 圖中數(shù)字均為該像素實(shí)際SSC值向下取整得到的整數(shù)。

圖3 去噪前(a)、后(b)效果對(duì)比Fig.3 Comparison in the effects before (a) and after (b) SSC denoising

其中,D為像素點(diǎn)(xt,yt)與噪聲像元(x,y)的距離,Wt為像素點(diǎn)t的權(quán)重系數(shù),T為加權(quán)平均后的SSC 值,Tt為t點(diǎn)像素點(diǎn)的SSC 值, 參與加權(quán)計(jì)算的像素范圍為:以噪點(diǎn)為中心, 單邊有7 個(gè)像素點(diǎn)所圍成的7×7 正方形內(nèi)的所有像素。

本研究采取的梯度閾值法是用于剔除計(jì)算過程中可能將云像素點(diǎn)識(shí)別錯(cuò)為海面的像素點(diǎn), 錯(cuò)誤像素點(diǎn)計(jì)算SSC 會(huì)表現(xiàn)成異常大值, 成為噪點(diǎn)。本文處理的平均每個(gè)GOCI 遙感數(shù)據(jù)圖像剔除的噪點(diǎn)個(gè)數(shù)占整體像素個(gè)數(shù)的0.011 42‰, 剔除后的結(jié)果更精確,有利于研究區(qū)域SSC 的計(jì)算。

以往學(xué)者將河口海域含沙量急劇變化且在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可見的清渾水交界面的懸沙濃度線定義為懸沙鋒, 濃度范圍在10～30 mg/L (朱建榮等, 2003; 王厚杰等, 2006), 將2～6 mg/L 懸沙濃度范圍濃度線定義為懸沙次級(jí)鋒面, 次級(jí)鋒面在全年較為穩(wěn)定且隨季節(jié)變化, 冬季向深海延伸夏季收縮回近岸(楊揚(yáng)等,2012)。因此本研究選取了30 mg/L 的SSC 等值線代表高渾濁水域與低渾濁水域的分界線, 3.5 mg/L 的SSC 等值線代表低渾濁水域和深海較清水域的分界線(該線同時(shí)也是遙感圖像中可以觀測(cè)得到的清濁水域分界線), 以便于分析臺(tái)風(fēng)影響下不同渾濁程度水域中的SSC 時(shí)空分布。本研究篩選出的臺(tái)風(fēng)事件集中于秋季, 秋季東中國(guó)海高濃度懸沙一般都限制在50 m 水深以西范圍(劉鵬等, 2022), 而遙感觀測(cè)下的30 mg/L 的SSC 等值線一般位于20 m 等深線附近, 為了便于討論SSC 時(shí)空分布在不同水深范圍的特點(diǎn),本研究將 20 m 水深以西水域表述為近岸淺水區(qū),20～50 m 水深范圍水域表述為過渡區(qū)水域, 大于50 m水深的區(qū)域表述為深水區(qū)。

2.4 反演數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為驗(yàn)證GOCI 數(shù)據(jù)反演的SSC 精度, 本研究收集了臺(tái)風(fēng)影響期間長(zhǎng)江口徐六涇和佘山站兩個(gè)固定測(cè)站的實(shí)測(cè)SSC 資料, 即每日水深0～0.2 m 的600 ml表層水樣。臺(tái)風(fēng)事件分別為2011 年05 號(hào)臺(tái)風(fēng)米雷和2014 年19 號(hào)臺(tái)風(fēng)黃蜂, 米雷于6 月22 日的菲律賓東部海區(qū), 經(jīng)3 d 的發(fā)展逐漸影響長(zhǎng)江口附近海域, 6 月25 日長(zhǎng)江口佘山站附近海平面以上10 m 的風(fēng)速達(dá)到14 m/s, 6 月27 后在朝鮮西部海域消亡。黃蜂于10 月3 日在太平洋生成, 10 月12 日長(zhǎng)江口佘山站附近海面以上10 m 的風(fēng)速達(dá)到15 m/s, 10 月13 日在日本九州附近衰弱。用于驗(yàn)證的實(shí)測(cè)表層SSC 及對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的少云GOCI 數(shù)據(jù)信息如表4 所示, 反演得到的SSC與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4 所示。

表4 實(shí)測(cè)表層懸沙濃度、GOCI 數(shù)據(jù)、風(fēng)速數(shù)據(jù)信息Tab.4 The measured surface suspended sediment concentration, GOCI data, and wind speed

圖4 SSC 驗(yàn)證及誤差分析Fig.4 SSC verification and error analysis

臺(tái)風(fēng)影響期間GOCI 反演得到的SSC 與實(shí)測(cè)SSC整體趨勢(shì)相近, 平均誤差不超過20%, 說明GOCI 數(shù)據(jù)反演適用于研究臺(tái)風(fēng)天氣影響下的SSC 時(shí)空分布。

3 結(jié)果

3.1 遠(yuǎn)海及近?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)過程中SSC 的時(shí)空分布

1 個(gè)近?；顒?dòng)型(201918)和 4 個(gè)遠(yuǎn)?；顒?dòng)型(201718、202009、201825 和201917)臺(tái)風(fēng)事件通過研究區(qū)域前和通過后的表層SSC 時(shí)空分布如圖5 所示。臺(tái)風(fēng)通過研究區(qū)域前, 東中國(guó)海的表層SSC 分布如圖5 中a1, b1, c1, d1, e1 所示, 在東中國(guó)海近岸淺水區(qū), SSC 明顯高于深水區(qū), 而且隨著水深增加逐漸減小。近岸SSC 最高可達(dá)249 mg/L, 20 m 等深線附近SSC 約為20 mg/L。在蘇北近岸、長(zhǎng)江口近岸和浙閩沿岸三個(gè)區(qū)域內(nèi), 各自相同水深的水域內(nèi)SSC 表現(xiàn)出較為均勻的特點(diǎn), 但蘇北近岸水域和長(zhǎng)江口沿岸的SSC 明顯高于浙閩沿岸。過渡區(qū)水域的SSC 較淺水區(qū)低, SSC 從20 mg/L 向外海下降至1 mg/L 左右,平行于等深線方向的SSC 分布較為均勻。東中國(guó)海深水區(qū)的SSC 小于1 mg/L。

圖5 海上活動(dòng)型臺(tái)風(fēng)影響下的SSC 時(shí)空分布Fig.5 Spatio-temporal distribution of SSC under the influence of typhoons active in the sea area

201718 (圖5b1)、202009 (圖5c1)號(hào)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過研究區(qū)域前, 3.5 mg/L 的SSC 等值線多分布在20 m 等深線以西的區(qū)域, 201825 (圖5d1)、201917 (圖5e1)、201918 (圖5a1)號(hào)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過研究區(qū)域前, 3.5 mg/L 的SSC 等值線在31°～33°N 的范圍內(nèi)突破了20 m 等深線延伸到了30～45 m 水深區(qū)域, 最遠(yuǎn)延伸至125°E, SSC等值線的分布趨勢(shì)與等深線走向相近。

對(duì)比遠(yuǎn)?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)(201825、201917 號(hào))和近海活動(dòng)型(201918 號(hào))臺(tái)風(fēng)事件接近研究區(qū)域時(shí)連續(xù)兩天的SSC 時(shí)空分布(圖5d1、5d2; 圖5e1、5e2; 圖5a1、5a2)可知, 3.5 mg/L 和30 mg/L 等值線位置保持穩(wěn)定,沒有發(fā)生明顯的表層渾濁水域向深海延伸的現(xiàn)象;在 20 m 水深以西的淺水水域, 代表高 SSC 值(＞70 mg/L)的深紅色范圍加大; 過渡區(qū)水域的平均濃度基本不變。

圖5a3, b2, c2, d3, e3 分別為5 個(gè)臺(tái)風(fēng)通過研究區(qū)域后的SSC 分布圖。遠(yuǎn)海及近海活動(dòng)型臺(tái)風(fēng)離開研究區(qū)域后, 近岸淺水區(qū)的SSC 明顯增大, 30 mg/L的SSC 等值線向東擴(kuò)展到20 m 等深線附近, 形狀與20 m 等深線相似, 說明東中國(guó)海近岸高渾濁水域向外海延伸。3.5 mg/L 的SSC 等值線也向外海遷移, 呈現(xiàn)舌狀的特點(diǎn), 形狀與50 m 等深線相似, 最遠(yuǎn)可達(dá)125.5°E, 其中201825 號(hào)臺(tái)風(fēng)引起的3.5 mg/L 等值線遷移距離最大, 南北方向橫跨近2 個(gè)緯度; 201918 號(hào)臺(tái)風(fēng)造成的遷移面積最廣, 3.5 mg/L 等值線在經(jīng)度上的變化范圍最大; 202009 號(hào)臺(tái)風(fēng)風(fēng)力半徑對(duì)東中國(guó)海影響最小, SSC 等值線的變化不如其他4 個(gè)臺(tái)風(fēng)事件明顯, 但也出現(xiàn)了表層濁水水域明顯向深海延伸的現(xiàn)象。

201825、201917 和202009 號(hào)(遠(yuǎn)?；顒?dòng)型)通過研究區(qū)域后連續(xù)2 d 的SSC 分布如圖5d3, 5d4, 5e3,5e4, 5c2, 5c3 所示。隨著臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)離研究區(qū)域后的連續(xù)2 d 內(nèi), 30 mg/L 等值線的位置變化不大, 3.5 mg/L 等值線明顯向西遷移。后一天的SSC 低于前一天的SSC,但仍然高于臺(tái)風(fēng)通過前的SSC。

綜上所述, 近海活動(dòng)及遠(yuǎn)?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)影響研究區(qū)域期間, SSC 等值線均向外?！吧酄睢毖由? “舌狀”區(qū)域主要分布在長(zhǎng)江口以北至江蘇以南(31°～33°N), 并向東延伸(最遠(yuǎn)可達(dá)125.5°E); 近?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)對(duì)SSC 分布的影響程度比遠(yuǎn)?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)更大。臺(tái)風(fēng)接近研究區(qū)域期間SSC 整體呈增加的趨勢(shì), 臺(tái)風(fēng)離開研究區(qū)域后SSC 逐漸下降。與臺(tái)風(fēng)通過前相比, 臺(tái)風(fēng)通過后近岸淺水區(qū)SSC 明顯增大, 臺(tái)風(fēng)通過后SSC 的恢復(fù)至少需要3～4 d。

3.2 近海及遠(yuǎn)?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)過程中SSC 的變化率

為分析近海及遠(yuǎn)?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)過程中研究區(qū)域淺水區(qū)(20 m 等深線以西), 過渡區(qū)(20～50 m 水深范圍)以及深水區(qū)(50 m 等深線以東)的SSC 變化特點(diǎn), 本文按照公式(5)計(jì)算每個(gè)臺(tái)風(fēng)過程中相近天數(shù)的SSC 變化率。

其中,P為相近日期的日均SSC 變化率, 單位為1。CSSx指日期為x的日均SSC,x日期晚于y日期, 單位為mg/L。

隨著近海及遠(yuǎn)?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)靠近研究區(qū)域(圖6a1,6d1, 6e1,), 淺水區(qū)的SSC 升高了50%～100%。浙閩沿岸的 SSC 平均變化率比長(zhǎng)江口及蘇北沿岸地區(qū)的SSC 平均變化率高50%左右(圖6d1, 6e1); 過渡區(qū)海域中, 長(zhǎng)江口以北江蘇以南范圍的水域SSC 升高了50%左右, 其余水域變化不明顯; 深水區(qū)的SSC 變化不明顯。

圖6 海上活動(dòng)型臺(tái)風(fēng)事件期間東中國(guó)海的SSC 變化率Fig.6 Variation rates in SSC the East China Sea during the typhoons active at sea area

遠(yuǎn)海及近?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)通過研究區(qū)域后與通過研究區(qū)域前的SSC 相比(圖6a2, 6b1, 6c1, 6d2, 6e2,),淺水區(qū)SSC 普遍增大了200%左右, 但浙閩沿岸以南淺水區(qū)(圖6d2, 6e2)的SSC 減少了50%左右; 過渡區(qū)SSC 整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì), 尤其是在長(zhǎng)江口以北江蘇以南的“舌狀”水域SSC 上升了200%左右; 深水區(qū)在臺(tái)風(fēng)通過前后的SSC 變化不明顯。

隨著遠(yuǎn)?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)離研究區(qū)域(圖6b2, 6c2,6d3, 6e3), 東中國(guó)海大部分區(qū)域的SSC 變化不大或下降80%左右。浙閩沿岸南部的水域距離臺(tái)風(fēng)路徑較遠(yuǎn),受臺(tái)風(fēng)影響有限, SSC 變化趨勢(shì)與整體趨勢(shì)有差異,202009 號(hào)臺(tái)風(fēng)事件中長(zhǎng)江口沿岸, 尤其是浙閩沿岸附近的SSC 顯著增大了60%左右(圖6c2), 201825 號(hào)臺(tái)風(fēng)事件中浙閩沿岸南部的SSC 也上升了80%左右(圖6d3)。

綜上所述, 遠(yuǎn)海及近海活動(dòng)型臺(tái)風(fēng)通過研究區(qū)域前50 m 水深范圍內(nèi)的表層SSC 整體上升了50%左右; 與臺(tái)風(fēng)通過前相比, 臺(tái)風(fēng)通過后在50 m 水深以淺范圍內(nèi)的SSC 顯著升高, 達(dá)到了150%～200%; 臺(tái)風(fēng)通過后SSC 整體呈下降的趨勢(shì), 而距離臺(tái)風(fēng)路徑較遠(yuǎn)的水域SSC 變化不明顯或有上升。

4 討論

4.1 遠(yuǎn)?；顒?dòng)型及近?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)對(duì)SSC 時(shí)空分布的影響

學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn), 在秋季氣候態(tài)平均天氣下, 東中國(guó)海近岸淺水區(qū)懸沙濃度較高, 向外海懸沙濃度不斷下降, 在水深變化不大的水域, SSC 分布較為均勻(虞蘭蘭等, 2011)。夏季東中國(guó)海懸沙分布向岸收縮,冬季在東北偏北的強(qiáng)季風(fēng)以及蘇北沿岸流的影響下懸沙向外海擴(kuò)散至50 m 等深線附近的海域, 呈現(xiàn)“冬輸夏貯”的特點(diǎn), 在秋季呈現(xiàn)過渡的特征(Liuetal,2016b; Zhangetal, 2020)。本研究通過比較不同類型臺(tái)風(fēng)事件通過研究區(qū)域前后的SSC 分布和SSC 變化率, 揭示了SSC 分布對(duì)臺(tái)風(fēng)過程的響應(yīng)特點(diǎn)。結(jié)果表明遠(yuǎn)海及近海活動(dòng)型臺(tái)風(fēng)通過研究區(qū)域之前, SSC 分布特點(diǎn)與前人研究得到的秋季氣候態(tài)平均天氣下的SSC 分布一致。然而, 在近海及遠(yuǎn)?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)通過研究區(qū)域后, SSC 的時(shí)空分布顯著改變, 出現(xiàn)了明顯的懸沙向外海延伸的“舌狀”分布特點(diǎn), 這些改變是在臺(tái)風(fēng)影響期間的2～4 d 內(nèi)快速形成的。而在氣候態(tài)平均天氣下, SSC 分布有明顯的季節(jié)特點(diǎn), 夏季與冬季的分布模式不同, 而春季秋季為過渡季節(jié), 受環(huán)流格局、徑流和風(fēng)場(chǎng)等因素的影響, SSC 分布變化緩慢(龐重光等, 2010; Minetal, 2019)。本研究選取的遠(yuǎn)海及近海活動(dòng)型臺(tái)風(fēng)事件短期內(nèi)顯著改變了東中國(guó)海SSC 的時(shí)空分布格局。為分析臺(tái)風(fēng)過程對(duì)SSC 的影響, 分析了六個(gè)位置處的風(fēng)矢量與SSC 變化(圖7)。6 個(gè)位置位于蘇北至浙閩沿岸南部(圖1b 中P1～P6 紅色圓點(diǎn)), 其中, P1、P2、P3、P5 和P6 位于東中國(guó)海近岸淺水區(qū), 水深不大于20 m, P4 位于長(zhǎng)江口以北、江蘇以南向外海延伸的過渡區(qū)水域, 同時(shí)也是臺(tái)風(fēng)影響時(shí)SSC 等值線明顯向外海延伸的水域, 水深大于45 m。

圖7 海上活動(dòng)型臺(tái)風(fēng)期間六個(gè)位置的風(fēng)矢量與表層懸浮泥沙濃度變化Fig.7 Wind and surface SSC at six locations during typhoons active at sea area

在秋季氣候態(tài)平均天氣下, 黃海及東海水體溫度呈現(xiàn)出明顯的分層結(jié)構(gòu), 8 月溫躍層強(qiáng)度最大, 部分蘇北淺灘及水深小于20 m 的水域易發(fā)生強(qiáng)烈混合現(xiàn)象, 導(dǎo)致溫躍層消失(鄒娥梅等, 2001)。絕大部分海域的溫躍層將水體上下層物理隔離, 阻礙懸沙的垂向摻混, 未受大風(fēng)影響時(shí), 水體的垂向懸沙分布不會(huì)發(fā)生明顯的變化(劉燾等, 2021; Heetal, 2022)。而臺(tái)風(fēng)引起的強(qiáng)烈風(fēng)應(yīng)力和低氣壓會(huì)導(dǎo)致上層海洋水體發(fā)生強(qiáng)烈混合, 這一混合可以暫時(shí)破壞某水深范圍內(nèi)的溫躍層(Sanfordetal, 2011; Yangetal, 2015; 肖林等, 2018; Lüetal, 2020; Fanetal, 2022), 削弱溫躍層強(qiáng)度(Kwonetal, 2018)。這種變化將水體的混合層加深, 在開闊的海域上由臺(tái)風(fēng)引起的混合層可達(dá)幾十米到一百米(Linetal, 2017), 在臺(tái)風(fēng)路徑附近波浪可將混合層加深至40 m 左右, 較遠(yuǎn)地區(qū)的涌浪可將混合層加深5 m (Bianetal, 2010)。與此同時(shí), 臺(tái)風(fēng)影響期間產(chǎn)生的風(fēng)浪會(huì)增大底剪切應(yīng)力, 使底床泥沙再懸浮, 近底懸沙濃度大幅度增加(Shenetal, 2018;Lietal, 2019; Liangetal, 2023), 同時(shí)增強(qiáng)的風(fēng)應(yīng)力加強(qiáng)了水體的垂向混合, 促進(jìn)了表層SSC 的驟增(陳斌等, 2016; 劉勇等, 2021)。P1、P2、P3、P5 和P6位于20 m 左右水深范圍內(nèi), 風(fēng)速突然增大更易使混合層加深至近底床, 引起強(qiáng)烈的泥沙垂向混合, 導(dǎo)致表層SSC 明顯增大。從圖7 可以看出, SSC 與風(fēng)速的變化趨勢(shì)相近, 在臺(tái)風(fēng)接近研究區(qū)域期間SSC 上升,受臺(tái)風(fēng)路徑的影響, 研究區(qū)域內(nèi)接近浙閩沿岸南部的P5 和P6 更早到達(dá)風(fēng)速峰值, 表層SSC 也更早達(dá)到高值, 這與SSC 變化率的結(jié)果相同(圖6)。風(fēng)速到達(dá)峰值后下降, SSC 也逐漸下降, 臺(tái)風(fēng)通過研究區(qū)域后第一天, P1、P2、P3、P4 的風(fēng)矢量已經(jīng)與臺(tái)風(fēng)通過前的風(fēng)速較為相似, 風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北向, 在風(fēng)速恢復(fù)正常后SSC 仍大于或等于臺(tái)風(fēng)通過前的SSC。隨著臺(tái)風(fēng)進(jìn)一步消散, 研究區(qū)域風(fēng)速降低到氣候態(tài)平均天氣下的大小, 泥沙沉降增強(qiáng), 表層SSC 下降, “舌狀”分布范圍逐漸萎縮, 逐漸恢復(fù)到臺(tái)風(fēng)通過前的SSC 分布格局。為進(jìn)一步說明風(fēng)場(chǎng)對(duì)表層SSC 變化的影響,計(jì)算P1～P6 處的日均風(fēng)速變化與日均SSC 變化率的相關(guān)性(圖8),R2達(dá)0.86。

圖8 日均SSC 變化率與日均風(fēng)速差值的相關(guān)關(guān)系Fig.8 Correlation in the difference between daily mean SSC variation rate and daily mean wind speed

除了臺(tái)風(fēng)過程期間風(fēng)浪、涌浪和潮流影響水體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致SSC 上升, 伴隨著臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)降雨, 入海的淡水和沉積物顯著增加, 導(dǎo)致近岸淺水區(qū)的SSC 明顯升高(Duetal, 2019; Zhang, 2023)。而P4 位于過渡區(qū)水域, 該位置在臺(tái)風(fēng)影響期間的風(fēng)向與冬季季風(fēng)風(fēng)向相近。有研究發(fā)現(xiàn), 在冬季季風(fēng)的影響下蘇北淺灘的泥沙可輸運(yùn)至黃海中部泥質(zhì)區(qū), 且臺(tái)風(fēng)事件可能是泥沙沿陸架方向輸運(yùn)的主要?jiǎng)恿?邊昌偉, 2012), 近?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)可將長(zhǎng)江表層懸浮體向東輸運(yùn)(龍小志等, 2022), 也能顯著增大蘇北淺灘東南向的冷水團(tuán)流速(孫凡等,2021), 有利于懸沙的跨陸架輸運(yùn), 造成P4處的SSC 增大。

近海活動(dòng)型及遠(yuǎn)海活動(dòng)型臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)烈且迅速地改變了研究區(qū)域SSC 的分布特點(diǎn), 出現(xiàn)了向東南發(fā)展的“舌狀”等值線。SSC 的變化率與風(fēng)速有較高的一致性, 相關(guān)性可達(dá)0.86。臺(tái)風(fēng)過程影響SSC 時(shí)空演變的因素是復(fù)雜的, 其中風(fēng)浪及潮流共同作用下底部剪切應(yīng)力的增大、湍流增強(qiáng)導(dǎo)致的垂向混合增強(qiáng)和臺(tái)風(fēng)過程引起的徑流量增加, 均可使表層SSC 在短期內(nèi)發(fā)生劇烈變化, 各因素的影響效果需要結(jié)合數(shù)值模型及觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

4.2 不同類型臺(tái)風(fēng)對(duì)SSC 時(shí)空分布的影響差異

3.5 mg/L 等值線的遷移能夠更好地反映近岸SSC 分布向外海的延伸。近?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)201918 號(hào),及遠(yuǎn)?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)201917 號(hào)臺(tái)風(fēng)對(duì)3.5 mg/L 等值線的時(shí)空變化影響最突出, 其次是201825 號(hào)臺(tái)風(fēng)事件,影響最小的2 個(gè)臺(tái)風(fēng)事件為201718 和202009(圖5)。近海和遠(yuǎn)海活動(dòng)型臺(tái)風(fēng)事件的臺(tái)風(fēng)路徑、等級(jí)以及影響研究區(qū)域的時(shí)間均不同(圖9), 201918 號(hào)臺(tái)風(fēng)12 級(jí)風(fēng)力半徑影響東中國(guó)海淺水區(qū)及過渡區(qū)的時(shí)間最長(zhǎng),達(dá)到1 h; 10 級(jí)風(fēng)力半徑影響的時(shí)間為13 h; 201825、201917 及202009 號(hào)臺(tái)風(fēng)的10 級(jí)風(fēng)力半徑也能夠影響到過渡區(qū)水域; 5 個(gè)臺(tái)風(fēng)的7 級(jí)風(fēng)力半徑都影響了淺水區(qū)和過渡區(qū)水域, 其中201718 號(hào)臺(tái)風(fēng)影響時(shí)間最長(zhǎng)為90 h。

圖9 遠(yuǎn)海及近?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)12 級(jí), 10 級(jí), 7 級(jí)風(fēng)力半徑作用在不同水深水域的持續(xù)時(shí)間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

從3.5 mg/L 等值線的遷移距離及影響淺水區(qū)和過渡區(qū)的風(fēng)力等級(jí)統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn), 影響淺水區(qū)和過渡區(qū)的高風(fēng)力等級(jí)與SSC 的變化之間存在一定的關(guān)聯(lián)。高風(fēng)力等級(jí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)速在短期內(nèi)大幅度變化。在近海及遠(yuǎn)?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)事件中, 當(dāng)12 級(jí)風(fēng)力影響淺水區(qū)時(shí), 對(duì)東中國(guó)海SSC 時(shí)空分布的影響最為顯著。近海活動(dòng)型臺(tái)風(fēng)更易以高強(qiáng)度的風(fēng)力影響淺水區(qū)及過渡水域, 而影響該水域的風(fēng)力等級(jí)越高, SSC 的分布格局變化越顯著。

由于臺(tái)風(fēng)對(duì)研究區(qū)域的影響具有不對(duì)稱性(Congetal, 2021), 因此臺(tái)風(fēng)路徑對(duì)SSC 的分布也有一定的影響。前文討論了近?；顒?dòng)型及遠(yuǎn)?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)事件,為了討論不同臺(tái)風(fēng)路徑對(duì)東中國(guó)海SSC 跨陸架方向時(shí)空分布的影響, 又另外研究了四個(gè)登陸型臺(tái)風(fēng)事件: 201818 登陸北上西型、201810 登陸北上東型、201812 登陸消失型和201808 登陸向西型臺(tái)風(fēng)。對(duì)3.5 mg/L 的SSC 等值線的影響。登陸型臺(tái)風(fēng)通過后大部分區(qū)域的等值線向外海平移較短距離, 甚至某些地方的3.5 mg/L 等值線基本不變(圖10), 這與海上活動(dòng)型導(dǎo)致等值線產(chǎn)生“舌狀”分布特點(diǎn)明顯不同。登陸型臺(tái)風(fēng)事件和海上活動(dòng)型臺(tái)風(fēng)事件對(duì)SSC 時(shí)空分布的影響, 分別與東中國(guó)海SSC 夏季儲(chǔ)存及冬季輸運(yùn) (郭志剛等, 2002)的分布特點(diǎn)相似。

圖10 登陸型臺(tái)風(fēng)事件前后3.5 mg/L 等值線的變化圖Fig.10 Changes of 3.5 mg/L isolines before and after typhoons landed with landfall

風(fēng)場(chǎng)的持續(xù)作用可以影響東中國(guó)海的SSC 分布,冬季季風(fēng)以及臺(tái)風(fēng)事件會(huì)引起東中國(guó)海懸沙大規(guī)?？珀懠茌斶\(yùn)(喬璐璐等, 2017; 劉世東等, 2018)。海上活動(dòng)型臺(tái)風(fēng)影響研究區(qū)域期間的大風(fēng)風(fēng)向主要為西北偏北風(fēng), 登陸型臺(tái)風(fēng)離開研究區(qū)域時(shí)以偏南風(fēng)影響位于臺(tái)風(fēng)路徑左、右兩側(cè)的研究區(qū)域, 這兩種風(fēng)向分別與冬季和夏季的平均風(fēng)向相似。海上活動(dòng)型臺(tái)風(fēng)引起SSC 等值線向外?！吧酄睢毖由? 呈現(xiàn)“冬季懸沙輸運(yùn)”的特點(diǎn), 登陸型臺(tái)風(fēng)對(duì)跨陸架方向SSC 分布的影響比遠(yuǎn)?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)更小。

5 結(jié)論及展望

本文基于臺(tái)風(fēng)事件通過研究區(qū)域前、后的GOCI 遙感數(shù)據(jù)及風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù), 分析了臺(tái)風(fēng)類型對(duì)研究區(qū)域表層懸沙濃度時(shí)空變化的影響, 主要有兩個(gè)特點(diǎn):

(1) 近海及遠(yuǎn)海活動(dòng)型臺(tái)風(fēng)在接近研究區(qū)域期間近岸高濃度SSC (＞70 mg/L)范圍增大, 在臺(tái)風(fēng)通過研究區(qū)域后SSC 顯著增高了150%～200%, 30 mg/L 和3.5 mg/L的SSC 等值線明顯向東遷移, 3.5 mg/L 等值線呈舌狀分布, 隨著臺(tái)風(fēng)的遠(yuǎn)離, SSC 逐漸下降, SSC 等值線逐漸回縮為臺(tái)風(fēng)通過前的分布狀態(tài), 需要至少3～4 d 的時(shí)間恢復(fù)。風(fēng)速變化與SSC 變化率的相關(guān)性高達(dá)0.86, 風(fēng)速增大SSC 也隨之增大。近?；顒?dòng)型及遠(yuǎn)?；顒?dòng)型的臺(tái)風(fēng)事件影響研究區(qū)域的風(fēng)向主要為偏北風(fēng), 與氣候態(tài)平均天氣下冬季東中國(guó)海的常風(fēng)向一致, 該類型臺(tái)風(fēng)事件使秋季SSC 等值線向外海擴(kuò)展, 呈舌狀, 與冬季的SSC 分布特點(diǎn)相似。近海及遠(yuǎn)海活動(dòng)型臺(tái)風(fēng)事件可將SSC 分布迅速向冬季輸運(yùn)的類型改變, 且在相同風(fēng)力等級(jí)情況下,近海活動(dòng)型對(duì)研究區(qū)域的SSC 分布影響更大。

(2) 4 種登陸型臺(tái)風(fēng)在研究區(qū)域的風(fēng)向前期為偏北風(fēng), 后期為偏南風(fēng), 這幾類臺(tái)風(fēng)事件不產(chǎn)生渾濁水域向外海延伸的舌狀分布, 僅使SSC 等值線平行向外海移動(dòng)較短距離。登陸型臺(tái)風(fēng)對(duì)跨陸架方向SSC 分布的影響比遠(yuǎn)?；顒?dòng)型臺(tái)風(fēng)更小。

臺(tái)風(fēng)過程中影響研究區(qū)域SSC 分布的因素很多, 例如徑流懸沙驟增、底層泥沙再懸浮、伴隨臺(tái)風(fēng)的高強(qiáng)度降雨導(dǎo)致陸源物質(zhì)的增加, 以及部分被暫時(shí)改變的流場(chǎng)輸運(yùn)的懸沙, 臺(tái)風(fēng)的風(fēng)力等級(jí)半徑及移動(dòng)速度等。臺(tái)風(fēng)過程對(duì)泥沙再懸浮的垂直輸運(yùn)及水平輸運(yùn)的貢獻(xiàn)量需要在極端條件下進(jìn)行固定站觀測(cè), 并結(jié)合數(shù)值模擬來進(jìn)一步研究。