李愛超 喬璐璐① 萬修全 馬偉偉

(1. 中國海洋大學海洋地球科學學院 青島 266100; 2. 海底科學與探測技術教育部重點實驗室 青島 266100;3. 中國海洋大學海洋與大氣學院 青島 266100)

渤海海峽是渤黃海物質交換的重要通道, 是黃河物質向黃海泥質沉積區(qū)輸運的重要路徑。渤海海峽南起山東半島北端蓬萊角, 北至遼東半島南端老鐵山, 全長105km左右。在沿岸流和潮流長期沖刷作用下, 其水深南部較淺、北部較深, 南側水深約 20m,由南向北地勢下降幅度增大, 北側為一深水槽, 水深約83m。

渤海海峽潮汐屬正規(guī)半日潮, 最大潮高不足2m。在老鐵山水道及其以北的淺灘區(qū)是渤海強潮流區(qū),最大流速可超過3m/s(吳倫宇等, 2013)。渤海海峽為典型的季風氣候, 春季、夏季偏南大風與偏北大風共同作用, 秋季、冬季主要是偏北大風。渤海環(huán)流方面自20世紀60年代以來已有很多研究(管秉賢, 1963;張淑珍等, 1984; 趙保仁等, 1994, 1995, 1998; 黃大吉等, 1996; 鮑獻文等, 2004; 萬修全等, 2004), 研究者普遍認為渤海海峽這一斷面上的環(huán)流方向保持著“北進南出”的特點: 黃海暖流余脈的高溫高鹽水自海峽北部進入渤海, 隨同魯北沿岸向東流動的渤海沿岸流一起, 從海峽南部流出(趙保仁等, 1995)。與冬季相比, 渤海海峽夏季的流量較小(約5×103m3/s), 且未能深入渤海(魏澤勛等, 2003)。盡管目前對于渤海、黃海懸浮體輸運的研究較多(王勇智等, 2007; 王海龍等,2009; 邊昌偉, 2012; Li et al, 2006), 但涉及渤海海峽這一具體水域研究卻甚少。前人認為在渤海環(huán)流作用下, 黃河入海沉積物經渤海海峽南岸繞過山東半島輸往黃海, 而成為北黃海和黃海中部泥質區(qū)的主要物源(秦蘊珊等, 1986; 王海龍等, 2009; 王勇智等,2012; Park et al, 1990)。因此, 渤海海峽南部被認為是渤海物質輸往北黃海的通道(王桂芝等, 2002; Cheng et al, 2004; Lu et al, 2011; Wang et al, 2014)。

圖1 研究海域及觀測站位Fig.1 The study area and observation stations

目前對渤海海峽泥沙輸運通量的研究結論尚不統(tǒng)一。如: Martin等(1993)認為超過90%—95%的泥沙都沉降在黃河下游和黃河口附近, 少于 5%—10%的泥沙輸運到渤海, 只有不到 1%的現代黃河物質可以輸運到黃海。而王海龍等(2009)通過數值模擬得出69%的黃河入海泥沙最終滯留在濱海區(qū), 31%的泥沙輸往外海, 其中 4%的泥沙通過渤海海峽輸往北黃海。Alexander等(1991)則通過地質年代分析認為約有9%—15%的黃河物質輸運并沉積到了黃海。Yang等(2007)利用回聲探測儀資料, 表明在過去 7000年里約有30%的黃河物質從渤海輸運到黃海。Bi等(2011)利用冬、夏季渤海海峽南部的懸浮體資料結合衛(wèi)星遙感數據計算認為渤海海峽南部的懸浮體年通量為40.0百萬噸/年。Zeng等(2015)基于浪流耦合泥沙輸運數值模型模擬了黃河入海泥沙的輸運, 計算結果顯示約13.75百萬噸/年的懸浮體由渤海輸往黃海。然而以上工作受到水文調查資料時間、空間范圍的限制,或只對海峽南部通量進行計算, 或只通過數值模型計算而缺乏實測資料支持, 或采用氣候態(tài)平均風場驅動模型而忽略冬季大風的影響, 或者泥沙輸運數值模型中由于未考慮懸浮體的絮凝、海床的固結等過程可能會高估懸浮體通量(Zeng et al, 2015)。本文將基于渤海海峽斷面春、夏、秋、冬四個季節(jié)的水體溫度、鹽度、濁度和懸浮體濃度現場觀測數據, 結合日平均風場驅動下的渤黃海環(huán)流場數值模擬結果, 計算通過渤海海峽的泥沙通量, 結果中體現了大風事件的影響。

1 數據

1.1 數據來源

本文所用渤海海峽 8個站位懸浮體及溫鹽數據,來源于國家 973項目“顆粒物源匯效應與沉積記錄對海洋物理環(huán)境演變的響應(2005CB422304)”調查數據。四季節(jié)調查時間分別為2006年7月、2007年1月、2007年10月和2009年5月。

本文主要通過懸浮體的質量濃度來表征懸浮體含量。采取的測量方法是: 現場在標準層1m、5m、10m、15m、20m、底層等取水樣, 水樣經抽濾、烘干、稱重后計算得到懸浮體的質量濃度(國家海洋局 908專項辦公室, 2006)。一般認為其為無機成分, 主要是泥沙礦物等。溫度、鹽度等數據通過Seabird 911 Plus型CTD測得, 測量時儀器用絞車勻速下放, 每1m讀取一個數據。四季節(jié)溫鹽數據采用同一儀器測得。

基于 ROMS(Regional Ocean Modeling System)數值模型建立渤黃東海大區(qū)環(huán)流模型, 該模型首先使用NCEP (National Centers for Environmental Prediction)氣候態(tài)平均風場強迫, 開邊界考慮溫度、鹽度、海面起伏和正、斜壓流速分量, 模擬10年達到穩(wěn)定, 然后采用2005—2007年連續(xù)3年的NCEP提供的 CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)日平均風場、氣溫和海面氣壓驅動模型。模型的其他參數及模型驗證詳見參考文獻(馬倩, 2014; 萬修全等, 2015)。本文為進一步提高模型計算精度, 開邊界加入M2、S2、O1、K1共4個分潮。因此, 本文所使用的環(huán)流場是包括風海流、密度流和潮流的總環(huán)流場, 且使用日平均風場驅動能夠體現冬季大風過程的作用。研究中提取與現場觀測時間一致的各月平均流場數據進行分析計算。

本文使用的黃河利津站徑流量和輸沙量數據,來自《2006中國河流泥沙公報》、《2007中國河流泥沙公報》、《2008中國河流泥沙公報》、《2009中國河流泥沙公報》。

1.2 水體濁度與懸浮體濃度換算

依據標準層次取得水樣而獲得的懸浮體質量濃度, 在垂直方向上分辨率較低, 不能用于分析渤海海峽懸浮體的垂直分布特征。而CTD觀測的水體濁度垂直分辨率較高, 數據采集間隔為 1m?？紤]到水體濁度與懸浮體濃度均反映了水體中懸浮顆粒物的濃度, 兩者具有一定的相關性(Li et al, 2009); 因此本文分別對春、夏、秋、冬四季懸浮體濃度與水體濁度的關系進行分析, 并建立換算公式, 將水體濁度換算為懸浮體質量濃度, 以獲得具有較高垂向分辨率的懸浮體質量濃度數據。

通過圖2懸浮體濃度與濁度的換算可知: 春季的懸浮體濃度與濁度相關性弱, 可能是由于春季水中微生物和浮游植物生命活動活躍, 對濁度的光學測量產生干擾。而其余三個季節(jié), 尤其秋、冬季懸浮體濃度與水體濁度的相關性強。因此可以利用高垂直分辨率的水體濁度數據反演夏季、秋季、冬季懸浮體質量濃度。而春季則只能利用現有較低垂直分辨率的懸浮體數據進行分析。

圖2 懸浮體濃度與水體濁度相關圖Fig.2 Correlation between water turbidity and suspended particulate matter concentration

2 渤海海峽的水動力環(huán)境及其季節(jié)變化

春季渤海海峽溫度(圖 3a)在垂向上表現為表層高、底層低的特征。20m水深處存在溫躍層, 躍層強度約-0.2°C/m。溫躍層以淺的水域, 溫度在9°C以上,溫躍層以深水域, 水溫在 6.5—8.0°C。海峽北部深槽的南坡上存在核心約6.5°C的冷水團。鹽度(圖3b)在垂向上大致表現為表層鹽度低、底層鹽度高、南側海域鹽度高、北側海域鹽度低的分布特征。海峽北部表層鹽度最低, 可達 31.4; 底層與冷水團對應海域, 亦是高鹽海域, 鹽度為31.95。

夏季, 渤海海峽溫度(圖 3c)的層化特征更明顯,水溫由表層20°C變化至30m水深的14°C。春季在深槽南坡的冷水團, 已下降到深槽底部60m水深處, 核心溫度升高至11°C, 與表層的溫度差可以達到9°C。夏季, 渤海海峽南、北部近岸海域表層鹽度(圖3d)較低, 分別為30和30.5, 與夏季陸源淡水輸入有關。海峽北部深槽的底部, 與低溫水體相對應的高鹽中心,鹽度在31.3左右。

秋季, 隨著風力的增強, 渤海海峽層化溫度被逐步混合(圖 3e), 但仍有兩個重要特征, 一是在海峽中南部水域的底層, 出現了一個高溫水體, 溫度約為18.1°C; 二是海峽的最低溫度仍在北部深槽的底部,水溫約16.1°C, 且表現為高鹽特征, 鹽度約為31.6。渤海海峽總體鹽度表現為北側鹽度低, 南側鹽度比北側高0.1—0.15(圖 3f)。

冬季, 渤海海峽在強烈冬季風和浪的攪拌下, 溫度和鹽度在 25m水深以淺表現為強烈的垂直混合,由于海峽南部受低溫魯北沿岸流控制, 使得海峽南部水溫較低, 秋季在下層出現的高溫水體此時更為明顯, 核心溫度約 8.06°C, 但鹽度較周圍水體略低0.04(圖3g和圖3h)。此高溫水體可能與黃海暖流的北上入侵渤海有關。

總體上來看, 北黃海冷水團的入侵和退縮是渤海海峽溫鹽及其季節(jié)變化的重要特征之一。春季海峽底層由低溫、高鹽水體控制; 到夏季, 此低溫、高鹽的水團深度加深, 位置由海峽北部深槽的南坡下降到深槽的底部, 且鹽度降低, 溫度升高; 秋季風的作用明顯, 在風的攪拌作用下, 溫度和鹽度都出現了上層混合的現象, 而在深水槽中仍存在很少一部分低溫高鹽水, 較之夏季, 此低溫高鹽水團位置由50m水深降低到 60m 水深以下, 溫度由 11°C變?yōu)?18.1°C,鹽度由31.3變?yōu)?1.6; 夏季的低溫高鹽水體, 冬季則由高溫低鹽的水團所代替, 可能與黃海暖流入侵渤海有關。

圖3 渤海海峽四季溫鹽分布圖Fig.3 Seasonal distribution of water temperature and salinity of sea water in the Bohai Strait

圖4 渤海海峽流場(馬倩, 2014; 萬修全等, 2015)Fig.4 Seasonal distribution of the flow field in the Bohai Strait

春季, 渤海海峽的流場表現為“北進南出”, 海峽北部流入渤海的水流范圍較窄, 主要分布在 38.60°N以北, 且從上到下比較一致, 最大流速達到 8cm/s;而海峽南側由于春季的層化現象, 表層流速約6cm/s,流速從表層向下逐漸變小, (圖4a)。夏季, 只是在緊靠北岸的上層水體有很窄的西向流(流入), 海峽主要受流出渤海的水體控制, 最大流速在 38.40°N附近, 達8cm/s(圖 4b)。從以往的環(huán)流場模擬結果(魏澤勛等,2003; 韓雅瓊等, 2013)和人工水母的觀測結果(江文勝等, 2002)也曾發(fā)現類似的夏季“北進南出”環(huán)流分布。秋季, 海峽的環(huán)流分布與夏季相似, 不過流出渤海的最大流速南移到38.25°N附近, 北側流進渤海的西向流流速明顯變小, 只有2cm/s左右(圖4c)。冬季,海峽自表至底流速較為一致, 38.40°N以北的海域都被流入渤海的海流控制, 流速達4cm/s, 38.40°N以南的海域則被流出海峽的海流控制, 最大流速在海峽南側表層近岸處, 約8cm/s(圖4d)。

總體上, 渤海海峽的環(huán)流四季節(jié)均表現出“北進南出”的特征, 但機制有所不同。冬季是由冬季風與北深、南淺的地形共同作用的結果(趙保仁等, 1998);而夏季主要由密度流引起(魏澤勛等, 2003)。且各季節(jié)流幅、流速有所差別: “北進”海流流速春季最強,夏、秋季逐漸減小, 冬季增強; “北進”海流流幅, 冬季最寬, 春季變窄, 夏季最窄, 秋季逐漸增寬; “南出”海流最大流速位置夏季最偏北, 秋季南移, 冬季只出現在南側近岸處, 春季范圍最大。

3 渤海海峽懸浮體濃度分布、通量及其季節(jié)變化

3.1 渤海海峽懸浮體濃度分布及其季節(jié)變化

由于春季某些層位上濁度與懸浮體質量濃度間相關性較差, 未進行懸浮體的換算, 直接采用實測的懸浮體濃度繪圖。懸浮體濃度垂直分層較為明顯(圖5a)。表層懸浮體濃度低, 僅有 0.9mg/L, 中下層懸浮體濃度高,約1.5mg/L。水平方向上懸浮體濃度分布較為均勻。

夏季, 渤海海峽南部即山東半島北部淺水區(qū)懸浮體濃度垂直分布較為均勻, 近岸高, 可達 6mg/L;向海峽北部懸浮體濃度逐漸降低, 海峽北部表層懸浮體濃度約為2mg/L(圖5b)。在海峽深槽的底部出現了明顯的高濃度懸浮體, 與低溫高鹽水體對應, 認為是北黃海冷水團環(huán)流影響下的高濃度懸浮體。

秋季, 海峽南岸山東半島北部海域懸浮體濃度最高, 底層可達 25mg/L, 向北岸懸浮體濃度逐漸降低, 僅為 1mg/L(圖 5c)。且由于風的攪拌作用, 南部近岸淺水區(qū)懸浮體垂直分布較為均勻。

冬季懸浮體濃度仍然表現為從海峽南岸向北岸逐漸降低的分布特征, 海峽南部即山東半島北岸懸浮體濃度在25mg/L之上, 海峽北部海域懸浮體濃度不超過6mg/L(圖5d)。與深槽底部來自北黃海的高溫低鹽水的對應位置處, 懸浮體濃度較低, 約為3mg/L。

圖5 渤海海峽四季節(jié)懸浮體分布圖(懸浮體濃度單位: mg/L)Fig.5 Seasonal distribution of suspended particulate matter concentration in the Bohai Strait(a)春季、(b)夏季、(c)秋季、(d)冬季懸浮體濃度分布

總體上, 渤海海峽懸浮體分布表現為, 中上層海域: 南側懸浮體濃度高、北側懸浮體濃度低。北側深槽的下層海域: 夏季受北黃海冷水團控制, 懸浮體濃度高于周圍水體; 深槽南坡冬季受北黃海的高溫低鹽水控制, 其懸浮體濃度低于海峽南側流出渤海的水體。春季、夏季、秋季、冬季懸浮體濃度依次增高。

3.2 渤海海峽懸浮體通量及季節(jié)變化

根據本文第3部分的渤海海峽斷面流速, 分別對標準水層獲得的懸浮體濃度數據和濁度反演的懸浮體濃度數據計算各季節(jié)渤海海峽懸浮體凈通量和流出海峽的正懸浮體通量, 如表1所示?？梢钥吹? 兩種方法計算結果較為接近, 但基于濁度反演數據計算的通量其垂直分辨率較高。春季由黃海向渤海凈輸入物質, 凈懸浮體通量為 1.82kg/s, 而夏、秋季及冬季, 表現為由渤海向黃海凈輸送物質, 秋、冬季凈通量較大, 可達 148.28—186.10kg/s。按照標準水層懸浮體濃度計算的渤海海峽年懸浮體凈通量約為316.60萬噸, 按濁度換算濃度計算的渤海海峽年懸浮體通量約為251.63萬噸。

黃河是渤海泥沙的主要來源, 每年海河、遼河和灤河輸入渤海的沉積物僅相當于黃河輸沙量的10%(王桂芝等, 2002), 海岸侵蝕及其泥沙來源忽略不計。本文分別利用標準層懸浮體濃度和濁度反演懸浮體濃度計算的經渤海海峽由渤海輸往黃海的正懸浮體通量為588.42和517.20萬噸(表1), 若其中來自黃河的物質約占90%, 即529.57和465.48萬噸。根據 2006—2009年 5月中國泥沙公報, 黃河年平均輸沙量按 10884.36萬噸計, 則通過渤海海峽輸入黃海的黃河物質約為黃河輸沙量的4.87%和4.27%。

表1 渤海海峽懸浮體通量(其中正號表示流出渤海海峽向黃海輸運, 負號表示流入渤海)Tab.1 Flux of suspended particulate matter in the Bohai Strait (Plus sign indicate sediment transportation from the Bohai Sea into the Yellow Sea; and the minus sign, in opposite

4 渤海海峽懸浮體輸運及季節(jié)變化影響機制分析

根據中國泥沙公報對 2006、2007、2008、2009四年利津站黃河輸沙量統(tǒng)計結果可知, 輸沙量最高的時間在6、7、8三個月。其中, 以2007年為例(圖6), 1月、7月和10月, 輸沙量分別為47.6萬噸、3455萬噸和 1004萬噸。而根據第 3部分分析結果, 在黃河入海沙量最高的夏季, 渤海海峽懸浮體濃度約6mg/L, 而在輸沙量并不多的冬季, 懸浮體濃度卻超過 25mg/L, 這進一步說明黃河入海物質并非直接沿渤海海峽向黃海輸運, 而是在河口及附近海域沉積,在合適的天氣及動力條件下(如冬季大風大浪)沿渤海海峽向黃海輸運。另外, 冬季海峽南側流速、波高明顯大于其他季節(jié)(周凱等, 2013), 同時懸浮體濃度也較高, 導致了局地再懸浮的物質在懸浮體中占較高比例。

圖6 2007年利津站黃河月輸沙統(tǒng)計柱狀圖Fig.6 Monthly sediment discharge of the Yellow River at Lijin station

在本文通量的計算中, 為配合懸浮體的觀測時間, 選取與現場觀測時間一致的各月平均流場數據進行分析計算, 盡管此月平均流場中有大風過程的作用, 但由于懸浮體濃度并非在大風過程中觀測, 因此所得結果相較真實大風天氣下的懸浮體輸運通量尚有一定偏差。考慮到冬季大風對渤海海峽物質輸運的重要作用, 在后續(xù)工作中, 將結合高精度懸浮體輸運數值模型及大風天氣現場觀測結果進行深入討論。

5 結論

基于渤海海峽8個站位春、夏、秋、冬四個季節(jié)的溫度、鹽度、濁度、懸浮體濃度抽濾數據, 并結合數值模擬的日均風場等, 我們對渤海海峽環(huán)流場、渤海海峽懸浮體及其通量的分布特征和季節(jié)變化的研究表明:

(1) 夏、秋、冬季渤海海峽懸浮體質量濃度和濁度相關性較好, 而春季相關性較差可能與春季生物活躍有關。

(2) 渤海海峽中上層水體懸浮體分布表現為南側懸浮體濃度高、北側懸浮體濃度低。海峽北側夏季北黃海冷水團海域懸浮體濃度高于周圍水體, 冬季北黃海高溫低鹽水懸浮體濃度低于周圍水體。春季、夏季、秋季、冬季懸浮體濃度依次增高。

(3) 春季由黃海向渤海凈輸入物質, 而夏、秋季及冬季, 由渤海向黃海凈輸送物質, 冬季輸運量最大。利用濁度反演懸浮體濃度計算渤海海峽年懸浮體凈通量約為 251.63萬噸, 其中經渤海海峽由渤海輸往黃海的懸浮體通量為 517.20萬噸, 約為觀測期間黃河輸沙量的4.27%。

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