渤海海峡悬浮体分布、通量及其季节变化*

李爱超 乔璐璐① 万修全 马伟伟

(1. 中国海洋大学海洋地球科学学院 青岛 266100; 2. 海底科学与探测技术教育部重点实验室 青岛 266100;3. 中国海洋大学海洋与大气学院 青岛 266100)

渤海海峡是渤黄海物质交换的重要通道, 是黄河物质向黄海泥质沉积区输运的重要路径。渤海海峡南起山东半岛北端蓬莱角, 北至辽东半岛南端老铁山, 全长105km左右。在沿岸流和潮流长期冲刷作用下, 其水深南部较浅、北部较深, 南侧水深约 20m,由南向北地势下降幅度增大, 北侧为一深水槽, 水深约83m。

渤海海峡潮汐属正规半日潮, 最大潮高不足2m。在老铁山水道及其以北的浅滩区是渤海强潮流区,最大流速可超过3m/s(吴伦宇等, 2013)。渤海海峡为典型的季风气候, 春季、夏季偏南大风与偏北大风共同作用, 秋季、冬季主要是偏北大风。渤海环流方面自20世纪60年代以来已有很多研究(管秉贤, 1963;张淑珍等, 1984; 赵保仁等, 1994, 1995, 1998; 黄大吉等, 1996; 鲍献文等, 2004; 万修全等, 2004), 研究者普遍认为渤海海峡这一断面上的环流方向保持着“北进南出”的特点: 黄海暖流余脉的高温高盐水自海峡北部进入渤海, 随同鲁北沿岸向东流动的渤海沿岸流一起, 从海峡南部流出(赵保仁等, 1995)。与冬季相比, 渤海海峡夏季的流量较小(约5×103m3/s), 且未能深入渤海(魏泽勋等, 2003)。尽管目前对于渤海、黄海悬浮体输运的研究较多(王勇智等, 2007; 王海龙等,2009; 边昌伟, 2012; Li et al, 2006), 但涉及渤海海峡这一具体水域研究却甚少。前人认为在渤海环流作用下, 黄河入海沉积物经渤海海峡南岸绕过山东半岛输往黄海, 而成为北黄海和黄海中部泥质区的主要物源(秦蕴珊等, 1986; 王海龙等, 2009; 王勇智等,2012; Park et al, 1990)。因此, 渤海海峡南部被认为是渤海物质输往北黄海的通道(王桂芝等, 2002; Cheng et al, 2004; Lu et al, 2011; Wang et al, 2014)。

图1 研究海域及观测站位Fig.1 The study area and observation stations

目前对渤海海峡泥沙输运通量的研究结论尚不统一。如: Martin等(1993)认为超过90%—95%的泥沙都沉降在黄河下游和黄河口附近, 少于 5%—10%的泥沙输运到渤海, 只有不到 1%的现代黄河物质可以输运到黄海。而王海龙等(2009)通过数值模拟得出69%的黄河入海泥沙最终滞留在滨海区, 31%的泥沙输往外海, 其中 4%的泥沙通过渤海海峡输往北黄海。Alexander等(1991)则通过地质年代分析认为约有9%—15%的黄河物质输运并沉积到了黄海。Yang等(2007)利用回声探测仪资料, 表明在过去 7000年里约有30%的黄河物质从渤海输运到黄海。Bi等(2011)利用冬、夏季渤海海峡南部的悬浮体资料结合卫星遥感数据计算认为渤海海峡南部的悬浮体年通量为40.0百万吨/年。Zeng等(2015)基于浪流耦合泥沙输运数值模型模拟了黄河入海泥沙的输运, 计算结果显示约13.75百万吨/年的悬浮体由渤海输往黄海。然而以上工作受到水文调查资料时间、空间范围的限制,或只对海峡南部通量进行计算, 或只通过数值模型计算而缺乏实测资料支持, 或采用气候态平均风场驱动模型而忽略冬季大风的影响, 或者泥沙输运数值模型中由于未考虑悬浮体的絮凝、海床的固结等过程可能会高估悬浮体通量(Zeng et al, 2015)。本文将基于渤海海峡断面春、夏、秋、冬四个季节的水体温度、盐度、浊度和悬浮体浓度现场观测数据, 结合日平均风场驱动下的渤黄海环流场数值模拟结果, 计算通过渤海海峡的泥沙通量, 结果中体现了大风事件的影响。

1 数据

1.1 数据来源

本文所用渤海海峡 8个站位悬浮体及温盐数据,来源于国家 973项目“颗粒物源汇效应与沉积记录对海洋物理环境演变的响应(2005CB422304)”调查数据。四季节调查时间分别为2006年7月、2007年1月、2007年10月和2009年5月。

本文主要通过悬浮体的质量浓度来表征悬浮体含量。采取的测量方法是: 现场在标准层1m、5m、10m、15m、20m、底层等取水样, 水样经抽滤、烘干、称重后计算得到悬浮体的质量浓度(国家海洋局 908专项办公室, 2006)。一般认为其为无机成分, 主要是泥沙矿物等。温度、盐度等数据通过Seabird 911 Plus型CTD测得, 测量时仪器用绞车匀速下放, 每1m读取一个数据。四季节温盐数据采用同一仪器测得。

基于 ROMS(Regional Ocean Modeling System)数值模型建立渤黄东海大区环流模型, 该模型首先使用NCEP (National Centers for Environmental Prediction)气候态平均风场强迫, 开边界考虑温度、盐度、海面起伏和正、斜压流速分量, 模拟10年达到稳定, 然后采用2005—2007年连续3年的NCEP提供的 CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)日平均风场、气温和海面气压驱动模型。模型的其他参数及模型验证详见参考文献(马倩, 2014; 万修全等, 2015)。本文为进一步提高模型计算精度, 开边界加入M2、S2、O1、K1共4个分潮。因此, 本文所使用的环流场是包括风海流、密度流和潮流的总环流场, 且使用日平均风场驱动能够体现冬季大风过程的作用。研究中提取与现场观测时间一致的各月平均流场数据进行分析计算。

本文使用的黄河利津站径流量和输沙量数据,来自《2006中国河流泥沙公报》、《2007中国河流泥沙公报》、《2008中国河流泥沙公报》、《2009中国河流泥沙公报》。

1.2 水体浊度与悬浮体浓度换算

依据标准层次取得水样而获得的悬浮体质量浓度, 在垂直方向上分辨率较低, 不能用于分析渤海海峡悬浮体的垂直分布特征。而CTD观测的水体浊度垂直分辨率较高, 数据采集间隔为 1m。考虑到水体浊度与悬浮体浓度均反映了水体中悬浮颗粒物的浓度, 两者具有一定的相关性(Li et al, 2009); 因此本文分别对春、夏、秋、冬四季悬浮体浓度与水体浊度的关系进行分析, 并建立换算公式, 将水体浊度换算为悬浮体质量浓度, 以获得具有较高垂向分辨率的悬浮体质量浓度数据。

通过图2悬浮体浓度与浊度的换算可知: 春季的悬浮体浓度与浊度相关性弱, 可能是由于春季水中微生物和浮游植物生命活动活跃, 对浊度的光学测量产生干扰。而其余三个季节, 尤其秋、冬季悬浮体浓度与水体浊度的相关性强。因此可以利用高垂直分辨率的水体浊度数据反演夏季、秋季、冬季悬浮体质量浓度。而春季则只能利用现有较低垂直分辨率的悬浮体数据进行分析。

图2 悬浮体浓度与水体浊度相关图Fig.2 Correlation between water turbidity and suspended particulate matter concentration

2 渤海海峡的水动力环境及其季节变化

春季渤海海峡温度(图 3a)在垂向上表现为表层高、底层低的特征。20m水深处存在温跃层, 跃层强度约-0.2°C/m。温跃层以浅的水域, 温度在9°C以上,温跃层以深水域, 水温在 6.5—8.0°C。海峡北部深槽的南坡上存在核心约6.5°C的冷水团。盐度(图3b)在垂向上大致表现为表层盐度低、底层盐度高、南侧海域盐度高、北侧海域盐度低的分布特征。海峡北部表层盐度最低, 可达 31.4; 底层与冷水团对应海域, 亦是高盐海域, 盐度为31.95。

夏季, 渤海海峡温度(图 3c)的层化特征更明显,水温由表层20°C变化至30m水深的14°C。春季在深槽南坡的冷水团, 已下降到深槽底部60m水深处, 核心温度升高至11°C, 与表层的温度差可以达到9°C。夏季, 渤海海峡南、北部近岸海域表层盐度(图3d)较低, 分别为30和30.5, 与夏季陆源淡水输入有关。海峡北部深槽的底部, 与低温水体相对应的高盐中心,盐度在31.3左右。

秋季, 随着风力的增强, 渤海海峡层化温度被逐步混合(图 3e), 但仍有两个重要特征, 一是在海峡中南部水域的底层, 出现了一个高温水体, 温度约为18.1°C; 二是海峡的最低温度仍在北部深槽的底部,水温约16.1°C, 且表现为高盐特征, 盐度约为31.6。渤海海峡总体盐度表现为北侧盐度低, 南侧盐度比北侧高0.1—0.15(图 3f)。

冬季, 渤海海峡在强烈冬季风和浪的搅拌下, 温度和盐度在 25m水深以浅表现为强烈的垂直混合,由于海峡南部受低温鲁北沿岸流控制, 使得海峡南部水温较低, 秋季在下层出现的高温水体此时更为明显, 核心温度约 8.06°C, 但盐度较周围水体略低0.04(图3g和图3h)。此高温水体可能与黄海暖流的北上入侵渤海有关。

总体上来看, 北黄海冷水团的入侵和退缩是渤海海峡温盐及其季节变化的重要特征之一。春季海峡底层由低温、高盐水体控制; 到夏季, 此低温、高盐的水团深度加深, 位置由海峡北部深槽的南坡下降到深槽的底部, 且盐度降低, 温度升高; 秋季风的作用明显, 在风的搅拌作用下, 温度和盐度都出现了上层混合的现象, 而在深水槽中仍存在很少一部分低温高盐水, 较之夏季, 此低温高盐水团位置由50m水深降低到 60m 水深以下, 温度由 11°C变为 18.1°C,盐度由31.3变为31.6; 夏季的低温高盐水体, 冬季则由高温低盐的水团所代替, 可能与黄海暖流入侵渤海有关。

图3 渤海海峡四季温盐分布图Fig.3 Seasonal distribution of water temperature and salinity of sea water in the Bohai Strait

图4 渤海海峡流场(马倩, 2014; 万修全等, 2015)Fig.4 Seasonal distribution of the flow field in the Bohai Strait

春季, 渤海海峡的流场表现为“北进南出”, 海峡北部流入渤海的水流范围较窄, 主要分布在 38.60°N以北, 且从上到下比较一致, 最大流速达到 8cm/s;而海峡南侧由于春季的层化现象, 表层流速约6cm/s,流速从表层向下逐渐变小, (图4a)。夏季, 只是在紧靠北岸的上层水体有很窄的西向流(流入), 海峡主要受流出渤海的水体控制, 最大流速在 38.40°N附近, 达8cm/s(图 4b)。从以往的环流场模拟结果(魏泽勋等,2003; 韩雅琼等, 2013)和人工水母的观测结果(江文胜等, 2002)也曾发现类似的夏季“北进南出”环流分布。秋季, 海峡的环流分布与夏季相似, 不过流出渤海的最大流速南移到38.25°N附近, 北侧流进渤海的西向流流速明显变小, 只有2cm/s左右(图4c)。冬季,海峡自表至底流速较为一致, 38.40°N以北的海域都被流入渤海的海流控制, 流速达4cm/s, 38.40°N以南的海域则被流出海峡的海流控制, 最大流速在海峡南侧表层近岸处, 约8cm/s(图4d)。

总体上, 渤海海峡的环流四季节均表现出“北进南出”的特征, 但机制有所不同。冬季是由冬季风与北深、南浅的地形共同作用的结果(赵保仁等, 1998);而夏季主要由密度流引起(魏泽勋等, 2003)。且各季节流幅、流速有所差别: “北进”海流流速春季最强,夏、秋季逐渐减小, 冬季增强; “北进”海流流幅, 冬季最宽, 春季变窄, 夏季最窄, 秋季逐渐增宽; “南出”海流最大流速位置夏季最偏北, 秋季南移, 冬季只出现在南侧近岸处, 春季范围最大。

3 渤海海峡悬浮体浓度分布、通量及其季节变化

3.1 渤海海峡悬浮体浓度分布及其季节变化

由于春季某些层位上浊度与悬浮体质量浓度间相关性较差, 未进行悬浮体的换算, 直接采用实测的悬浮体浓度绘图。悬浮体浓度垂直分层较为明显(图5a)。表层悬浮体浓度低, 仅有 0.9mg/L, 中下层悬浮体浓度高,约1.5mg/L。水平方向上悬浮体浓度分布较为均匀。

夏季, 渤海海峡南部即山东半岛北部浅水区悬浮体浓度垂直分布较为均匀, 近岸高, 可达 6mg/L;向海峡北部悬浮体浓度逐渐降低, 海峡北部表层悬浮体浓度约为2mg/L(图5b)。在海峡深槽的底部出现了明显的高浓度悬浮体, 与低温高盐水体对应, 认为是北黄海冷水团环流影响下的高浓度悬浮体。

秋季, 海峡南岸山东半岛北部海域悬浮体浓度最高, 底层可达 25mg/L, 向北岸悬浮体浓度逐渐降低, 仅为 1mg/L(图 5c)。且由于风的搅拌作用, 南部近岸浅水区悬浮体垂直分布较为均匀。

冬季悬浮体浓度仍然表现为从海峡南岸向北岸逐渐降低的分布特征, 海峡南部即山东半岛北岸悬浮体浓度在25mg/L之上, 海峡北部海域悬浮体浓度不超过6mg/L(图5d)。与深槽底部来自北黄海的高温低盐水的对应位置处, 悬浮体浓度较低, 约为3mg/L。

图5 渤海海峡四季节悬浮体分布图(悬浮体浓度单位: 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)冬季悬浮体浓度分布

总体上, 渤海海峡悬浮体分布表现为, 中上层海域: 南侧悬浮体浓度高、北侧悬浮体浓度低。北侧深槽的下层海域: 夏季受北黄海冷水团控制, 悬浮体浓度高于周围水体; 深槽南坡冬季受北黄海的高温低盐水控制, 其悬浮体浓度低于海峡南侧流出渤海的水体。春季、夏季、秋季、冬季悬浮体浓度依次增高。

3.2 渤海海峡悬浮体通量及季节变化

根据本文第3部分的渤海海峡断面流速, 分别对标准水层获得的悬浮体浓度数据和浊度反演的悬浮体浓度数据计算各季节渤海海峡悬浮体净通量和流出海峡的正悬浮体通量, 如表1所示。可以看到, 两种方法计算结果较为接近, 但基于浊度反演数据计算的通量其垂直分辨率较高。春季由黄海向渤海净输入物质, 净悬浮体通量为 1.82kg/s, 而夏、秋季及冬季, 表现为由渤海向黄海净输送物质, 秋、冬季净通量较大, 可达 148.28—186.10kg/s。按照标准水层悬浮体浓度计算的渤海海峡年悬浮体净通量约为316.60万吨, 按浊度换算浓度计算的渤海海峡年悬浮体通量约为251.63万吨。

黄河是渤海泥沙的主要来源, 每年海河、辽河和滦河输入渤海的沉积物仅相当于黄河输沙量的10%(王桂芝等, 2002), 海岸侵蚀及其泥沙来源忽略不计。本文分别利用标准层悬浮体浓度和浊度反演悬浮体浓度计算的经渤海海峡由渤海输往黄海的正悬浮体通量为588.42和517.20万吨(表1), 若其中来自黄河的物质约占90%, 即529.57和465.48万吨。根据 2006—2009年 5月中国泥沙公报, 黄河年平均输沙量按 10884.36万吨计, 则通过渤海海峡输入黄海的黄河物质约为黄河输沙量的4.87%和4.27%。

表1 渤海海峡悬浮体通量(其中正号表示流出渤海海峡向黄海输运, 负号表示流入渤海)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 渤海海峡悬浮体输运及季节变化影响机制分析

根据中国泥沙公报对 2006、2007、2008、2009四年利津站黄河输沙量统计结果可知, 输沙量最高的时间在6、7、8三个月。其中, 以2007年为例(图6), 1月、7月和10月, 输沙量分别为47.6万吨、3455万吨和 1004万吨。而根据第 3部分分析结果, 在黄河入海沙量最高的夏季, 渤海海峡悬浮体浓度约6mg/L, 而在输沙量并不多的冬季, 悬浮体浓度却超过 25mg/L, 这进一步说明黄河入海物质并非直接沿渤海海峡向黄海输运, 而是在河口及附近海域沉积,在合适的天气及动力条件下(如冬季大风大浪)沿渤海海峡向黄海输运。另外, 冬季海峡南侧流速、波高明显大于其他季节(周凯等, 2013), 同时悬浮体浓度也较高, 导致了局地再悬浮的物质在悬浮体中占较高比例。

图6 2007年利津站黄河月输沙统计柱状图Fig.6 Monthly sediment discharge of the Yellow River at Lijin station

在本文通量的计算中, 为配合悬浮体的观测时间, 选取与现场观测时间一致的各月平均流场数据进行分析计算, 尽管此月平均流场中有大风过程的作用, 但由于悬浮体浓度并非在大风过程中观测, 因此所得结果相较真实大风天气下的悬浮体输运通量尚有一定偏差。考虑到冬季大风对渤海海峡物质输运的重要作用, 在后续工作中, 将结合高精度悬浮体输运数值模型及大风天气现场观测结果进行深入讨论。

5 结论

基于渤海海峡8个站位春、夏、秋、冬四个季节的温度、盐度、浊度、悬浮体浓度抽滤数据, 并结合数值模拟的日均风场等, 我们对渤海海峡环流场、渤海海峡悬浮体及其通量的分布特征和季节变化的研究表明:

(1) 夏、秋、冬季渤海海峡悬浮体质量浓度和浊度相关性较好, 而春季相关性较差可能与春季生物活跃有关。

(2) 渤海海峡中上层水体悬浮体分布表现为南侧悬浮体浓度高、北侧悬浮体浓度低。海峡北侧夏季北黄海冷水团海域悬浮体浓度高于周围水体, 冬季北黄海高温低盐水悬浮体浓度低于周围水体。春季、夏季、秋季、冬季悬浮体浓度依次增高。

(3) 春季由黄海向渤海净输入物质, 而夏、秋季及冬季, 由渤海向黄海净输送物质, 冬季输运量最大。利用浊度反演悬浮体浓度计算渤海海峡年悬浮体净通量约为 251.63万吨, 其中经渤海海峡由渤海输往黄海的悬浮体通量为 517.20万吨, 约为观测期间黄河输沙量的4.27%。

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