威海湾夏季上升流现象及其对悬浮体输运的影响

2020-11-06钟伟朱龙海吴建政胡日军朱颖涛岳娜娜

海洋地质与第四纪地质 2020年5期

钟伟，朱龙海,2，吴建政,2，胡日军,2，朱颖涛，岳娜娜

1.中国海洋大学海洋地球科学学院，青岛 266100

2.中国海洋大学海底科学与探测教育部重点实验室，青岛 266100

3.自然资源部第一海洋研究所，青岛 266061

上升流是指海水由中、深层向海表的垂直运动，通常伴随有表层海水低温、高盐等特征，夏季普遍存在于我国沿岸海域[1-2]。沿岸上升流是近岸环流的重要组成部分，通过垂向输运可将深层海水中的营养物质带至真光层，影响海区的初级生产力，是渔场形成的重要动力环境，也与赤潮等事件密切相关[3-4]；同时，上升流的存在对于沿岸海区生物、化学等要素的分布和悬浮泥沙的输运也有重要影响[5-7]。

我国沿岸上升流的研究始于20 世纪60 年代，主要集中在东海和南海沿岸，包括长江口外及浙江沿岸上升流[4,8]，粤东、闽南沿岸上升流[9-11]和琼东沿岸上升流[1, 12]等。对于黄海的上升流则报道较少，而且已有的研究主要针对陆架潮汐锋及表层冷水现象。夏季黄海表层存在多个冷水斑块，其分布具有地点选择性，发生在山东、辽东半岛顶端、苏北浅滩外侧和朝鲜半岛西岸，近岸水温较外海低约2～5 ℃[13-15]。夏综万和郭炳火将其解释为潮流绕半岛形成的上升流[14]；赵保仁将其归因于潮混合作用，由底层低温水体和表层高温水体混合形成，锋面处伴有锋面上升流[13,16]；吕新刚通过数值模拟的方法认为该现象由潮致上升流和垂向混合效应共同作用形成，并给出了黄海夏季上升流的分布及其潮生机制[15, 17]。

前人对于夏季黄海上升流的研究主要集中在其分布特征和机制解释方面，采用的实测资料多基于20 世纪80 年代的调查成果，缺乏高精度、高分辨率的现场数据和同步的海面风场、潮流观测资料，相对于南海和东海沿岸，对黄海上升流缺乏系统的研究，对其空间结构、演变、对海面风场的响应和水体浊度的影响等鲜有论及。黄海是典型的高浊度陆架海区，受黄河、长江等大型河流入海物质的影响，发育有多个全新世泥质沉积体[18-19]，夏季冷水斑块发生的地方往往也是悬浮体的高浓度区[20]，因此研究黄海上升流及其对悬浮体运移的影响具有重要意义。

2018 年夏季，中国海洋大学在威海湾及邻近海域进行了海洋水文综合调查，发现威海湾存在上升流现象。本文根据2018 年7—8 月的实测海水温度、盐度、浊度、潮流等水文资料，结合海面风场和同期遥感SST 数据，讨论分析了夏季威海湾上升流现象及对悬浮体输运的影响。

1 研究区概况

威海湾位于山东半岛东北部，濒临北黄海，平均水深7 m，面积约60 km2，近似属于半开敞型海湾[21-22]。刘公岛将海湾湾口分为南北两部分（图1），北侧口门较窄，约1.8 km，水深为8～20 m；南侧口门较宽阔，宽约3.8 km，水深为12～16 m。海湾的潮流运动受北黄海左旋潮波控制，平均潮差1.3 m，属于不正规半日潮[23]。北侧口门流速较大，潮流运动形式为往复流，南侧口门以旋转流为主，流速较小[24]。湾内的沉积物以黏土质粉砂为主，中值粒径为5.7～6.7Φ，约占整个海湾的80%；以砂为主的粗粒沉积主要分布在近岸破波带内，中值粒径为2.3～2.9Φ[23]。威海湾地处东亚季风区，夏季盛行东南风，冬季以西北风为主。注入威海湾最大的河流为风林河，全长10 km，属于季节性雨源河流，年输沙量约1.02 万t[25]。

2 资料来源与方法

大面站海水温度、盐度、浊度剖面数据取自2018 年夏季在威海湾及邻近海域进行的水文要素的走航观测结果，共包括87 个站位，设7 条主要断面，观测时间为2018 年7 月31 日至8 月4 日。调查期间采用美国TRDI 公司生产的CTD-NV 温盐深仪（温度数据精度为±0.005 ℃，电导率精度为±0.009 mS/cm，压力精度为±0.05%）和英国AQUATEC 公司生产的Logger 210TY 浊度计（量程0～2 000 FTU）获取水体剖面温盐和浊度数据，采样频率分别为5 Hz和1 Hz，垂向分辨率一般小于0.5 m。调查期间以南风为主，风速小于5 m/s。调查站位布设见图1。

水位、潮流和近底温度数据取自2018 年夏季布放于威海湾南北两个口门中部的座底三角架观测系统（布设位置见图1），T1、T2 的平均水深分别为13.5 和15.5 m，观测时间为2018 年8 月5—15 日。搭载仪器包括一台美国LinkQuest 公司生产的600 kHz ADCP、一台挪威Nortek 公司生产的6 MHz ADV 和一台CTD-NV 温盐深仪。其中ADCP 用于测量垂向海流剖面，流速精度为±0.25%或±2.5 mm/s，垂向分辨率为1 m，向上发射脉冲；近底流速数据由ADV 获得，流速精度为±0.5%或±1 mm/s，用于弥补由于ADCP 换能器高度及盲区造成的底层数据缺失；CTD 用于观测近底海水温度和水位变化。为便于分析海湾水体交换情况，对潮流矢量进行了垂直口门方向和平行口门方向的分解，T1、T2 站位垂直口门方向分别为与正北夹角28°和66°。所有仪器采样间隔均为60 min，三角架观测系统仪器布设情况见表1。

海面上空10 m 处的风场数据获取自美国环境预测中心（NCEP）提供的第二代气候预报系统（CFSv2），空间分辨率为0.2°×0.2°，时间分辨率为1 h。本文选取座底三角架观测系统所在站位的风场数据进行分析，数据下载网址为https://rda.ucar.edu/。海表温度（SST）数据选用全球高分辨率海表面温度（GHRSST）项目提供的融合网格化日平均海表温度数据，其空间分辨率为0.01°×0.01°，时间分辨率为1 d。数据下载网址为https://www.ghrsst.org/ghrsst-dataservices/services/。

图 1 研究区地理位置及调查站位分布Fig.1 Location of the study area and sampling stations

表1 三角架观测系统仪器布设及参数设定情况Table 1 Summary of instruments and sampling parameters at tripod stations

3 结果

3.1 威海湾的上升流现象

图2和图3分别为2018年7月31日至8月4日大面站调查期间研究区的海水温盐平面分布及典型断面温度分布图。由图2a 可以看出，表层（海面下2 m）出现2 处孤立的冷水斑块，较周围水温低约4～5 ℃，分别位于威海湾内和研究区东侧靠近成山头处。威海湾内表层水温低于23 ℃，冷水中心温度约为20 ℃，2 条低温水舌近似垂直于口门向湾外扩展，于口门处形成较强的温度锋面，变化梯度可达0.6～0.8 ℃/km。表层温度由近岸向海逐渐升高，湾外普遍高于25 ℃，研究区中部高于27 ℃。底层水温由陆向海逐渐降低（图2b），湾内为19～20 ℃，湾外最低可至15.5 ℃，研究区西侧底层水温明显低于东侧。

研究区海水盐度分布较为均匀，表层盐度为31.72～32.41PSU，其分布特征与温度类似，湾内和研究区东侧盐度相对较高，由陆向海逐渐减小（图2c）。底层盐度较表层略有降低（图2d），为31.86～32.08 PSU，近岸浅水区和离岸深水区无明显差异，分布较为均匀。

为说明研究区水文要素的垂直分布特征，选取2 条典型断面进行分析，断面Ⅱ、Ⅲ近似垂直于岸线，分别横穿北侧、南侧口门由湾内延伸至湾外约40 km（图1）。海底地形自湾内向外海逐渐下倾，湾内海底坡度较大，湾外相对平缓。由于研究区盐度变化较小，本文仅选取温度进行讨论。由图4 可以看出，温跃层出现在海面以下10～15 m 处，等温线有由海向陆沿地形逐渐抬升的趋势，如断面Ⅱ中21 ℃等温线由WH30 站位处的−13 m 抬升至WH21站位处的−1.5 m。两条断面的等温线均在口门处呈尖锥状向上拱起，具有冷水涌升的特征，其两侧呈下凹趋势，其中断面Ⅱ北侧口门处湾内与湾外水体存在一明显的温度锋面。

图 2 2018 年夏季大面站调查期间研究区温度、盐度平面分布a、b 为表底层温度平面分布，c、d 为表底层盐度分布。Fig.2 Plane distributions of temperature in the surface (a), bottom layers (b) and salinity in the surface (c),bottom layers (d) over the study area during the grid stations cruise

夏季表层低温高盐现象及等温线的向岸抬升是上升流存在的重要特征[11,17]。结合图2、3 可知2018 年7 月31 日至8 月4 日观测期间，威海湾内存在明显的上升流现象。湾内被温度小于23 ℃的冷水占据，其源头来自湾外的中底层水体，上升流中心区域位于口门处，22 ℃等温线可穿透至海表，南侧口门上升流强度大于北侧口门。

3.2 威海湾上升流的时空特征

为了解威海湾上升流的时空变化特征，选取与座底三脚架观测同步的日平均SST 遥感数据和海面风场数据，分析上升流的短期变化特征。观测期间威海湾局地风场变化情况如图4 所示。2018 年8 月6—8 日，威海湾盛行西南风，在8 月8 日转为西北风并持续至8 月11 日，8 月11—15 日，风向又转至夏季盛行的东南风。

由图5a 可以看出，8 月6 日山东半岛东部近岸海域存在明显的表层冷水现象和多个独立的冷水中心，分别位于威海湾内、威海湾东侧和成山头附近。威海湾内表层水温低于26 ℃，湾外水温大于28 ℃，口门处存在较强的温度锋面。8 月9 日研究区转为西北风后，威海湾内仍然被低温水体占据，但表层水温有所升高，温度锋面明显减弱（图5b）。至8 月11 日北风持续作用3 天后，由图5c 可以看出，威海湾内已被高于28 ℃的暖水覆盖，与湾外温度接近，上升流几乎消失。8 月13 日，随着西北风转为东南风，湾内再次被小于27 ℃的低温水体占据，上升流逐渐恢复（图5d）。

图 3 2018 年夏季大面站调查期间研究区断面Ⅱ（a）、断面Ⅲ（b）水温断面分布（图中蓝线代表口门位置）Fig.3 Vertical distributions of temperature at transect Ⅱ, Ⅲ during the grid stations cruise(The blue line represents the location of the bay mouth)

图 4 三脚架观测期间威海湾局地风场变化情况Fig.4 Winds vector during the tripod observation at Weihai Bay

综上所述，随着局地风场的变化，观测期间威海湾上升流呈现稳定、减弱、消失、恢复的阶段性变化。

4 讨论

4.1 威海湾上升流的控制因素

以往研究表明[2,14-16]，诱生和影响沿岸上升流的主要动力机制包括风应力驱动的沿岸上层海水Ekman 离岸输运、海底地形对海流的抬升作用、强潮流引起的潮混合及锋面环流、潮流绕半岛的离心运动等。由于海区特征的复杂性和海水运动的多样性，诱导局地上升流的控制因素往往是多因子的共同作用[10, 15]。

（1）局地风场对威海湾上升流的影响

就全国范围来看，夏季沿岸上升流通常是西南季风驱动的。根据经典埃克曼漂流理论，当盛行风与岸线平行时，有利的风向会驱使表层海水离岸输运，外海深层海水向岸输送进行补偿，从而在沿岸形成上升流。Tomczak[26]指出，在近岸的海湾、岬角等曲折岸线区域，有利于诱发上升流的风向是垂直海岸而不是平行海岸。根据3.2 节分析，威海湾上升流的变化特征与风向密切相关，为了探讨局地风场对上升流的影响，本文利用座底三脚架观测系统获取的底层水温、水位、潮流时间序列进行分析。水温、水位数据通过低通滤波去除潮信号的影响，潮流数据经调和分析得到各层余流。由于滤波器的原因会导致起始阶段结果失真，因此选取2018 年8 月6—15 日的结果进行解释。

底层水温可以有效地反映上升流的强度变化[1,27]。由图6 可以看出，8 月6—8 日，在持续的西南风作用下，两个站位的底层水温维持在20 ℃左右并逐渐降低，说明上升流处于较为强盛的阶段且比较稳定。8 月8—11 日，威海湾被偏北风控制，上升流强度逐渐减弱甚至被破坏，对应的底层水温迅速升高，由20 ℃升至23 ℃。8 月11—15 日，局地风场转为东南向后，底层水温开始缓慢下降，说明上升流逐渐恢复。

图 5 2018 年8 月山东半岛东部近岸海域GHRSST 海表温度（SST）平面分布a: 8 月6 日，b：8 月9 日，c：8 月11 日，d：8 月13 日。Fig.5 Plane distributions of sea surface temperature (SST) obtained from GHRSST off the eastern tip of Shandong Peninsular in August, 2018a: Aug 6, b: Aug 9, c: Aug 11, d: Aug 13.

从水位变化曲线（图6e、f）可以看出，8 月6—8 日、11—15 日期间，受偏南风的影响，威海湾内水位逐渐上升；偏北风作用期间（8—11 日），湾内水位总体呈下降趋势。为说明湾内水体的运动规律，探讨上升流水体的来源，选取垂直口门方向的余流变化进行分析讨论。图6g、h 分别为北侧口门和南侧口门处的余流剖面，图中正值表示海水流出口门方向，从中可以看出，两个站位的余流受风向的影响较为显著。在偏南风的作用下，上层海水（3～5 m 以浅）均以离岸运动为主，在偏北风时转为向岸运动。而中下层水体表现出不同的运动趋势，T1 站位的中下层余流均指向湾外，T2 站位呈两层结构，表底余流方向相反。由此可知，威海湾上升流水体主要来源于湾外的中下层冷水，在偏南风的作用下，表层水体离岸输运，外海中下层冷水主要从南侧口门进入威海湾，造成水位升高，过剩的水体则通过北侧口门流出湾外。

综上，威海湾上升流主要是由夏季偏南风驱动产生的，Ekman 效应带来的上层海水离岸输运是其形成的重要因素。威海湾夏季上升流是间歇性的，与风向密切相关。

（2）海底地形对威海湾上升流的控制作用

图 6 2018 年8 月三角架观测系统T1、T2 站位风速矢量、底层水温、水位变化和垂直口门余流剖面时间序列Fig.6 Time series of winds, near-bed water temperature, water level and across-mouth components of residual currents at site T1 and T2 in August, 2018

海底地形对上升流的分布和结构特征具有一定控制作用[28]。为说明地形对威海湾上升流的影响，选取断面Ⅰ、Ⅳ与断面Ⅱ、Ⅲ进行对比分析。断面Ⅰ地形较为复杂，由陆向海水深先变浅再逐渐变深，如图7a 所示，10 m 以深的等温线随地形由WH09 站位向WH03 站位逐渐抬升，具有冷水爬坡的特征，由于WH03-WH01 站位之间水深变深，阻碍了外海冷水向近岸的继续入侵。断面Ⅳ地形变化较小，由陆向海逐渐下倾，坡度较缓，对应的等温线由WH79 站位向WH72 站位缓慢抬升。

等温线向岸抬升的高度可以代表上升流的强弱[29]。与断面Ⅱ、Ⅲ相比，断面Ⅰ、Ⅳ等温线虽有向近岸抬升的趋势，但抬升高度明显较小，说明上升流强度较弱。以往研究表明，上升流中心多集中在地形急剧变化处[8]，从断面Ⅱ、Ⅲ（图3）可以看出，威海湾口门处地形坡度较大，等温线呈尖锥状向上凸起，上升流较强而且能够到达海表。而断面Ⅰ、Ⅳ地形坡度较缓，受宽缓地形底摩擦作用的影响[30]，上升流强度较弱，无法到达10 m 以浅的位置（图7a）。因此，威海湾上升流是局地风场和地形共同作用的结果，夏季偏南风是上升流产生的先决条件，而海底地形则对上升流的强度具有重要影响。威海湾口门附近地形起伏较大，有利于形成较强的上升流。

4.2 上升流对悬浮体输运的影响

前人研究发现，中国陆架海的泥质沉积与上升流的位置有很好的对应关系，并进一步提出“陆架上升流会形成泥质斑块沉积”的理论[7]，尽管这一理论未得到进一步证实，却使上升流区的悬浮体输运和沉积过程受到广泛关注[5,31]。威海湾位于山东半岛东北部，其外侧海域是黄河入海泥沙通过渤海海峡向黄海输运的通道，在该海域发育有山东半岛近岸泥质区[18,32]。流入威海湾的河流均为短小的山溪性雨源河流，仅在夏季输沙，输沙量较小且主要为粗粒沉积物，而湾内沉积物以黏土质粉砂为主，钻探结果表明其沉积厚度可达14 m[23]。威海湾内无大型河流注入，湾内却发育有较厚的细粒沉积，其主要沉积物来源可能来自于湾外。

水体浊度可以有效地反映悬浮体浓度信息。图8 为断面Ⅱ、Ⅲ的浊度分布，从中可以看出，高浊度水体主要集中在温跃层以下，湾外的水体浊度大于湾内，底层高于表层。浊度分布与水温分布特征较为一致，等值线在口门处凸起，具有向上涌升的趋势，北侧口门处亦存在明显的浊度锋面，与图3a 中的温度锋面相对应。选取WH19-WH23、WH53-WH58 站位相同水深的浊度和温度数据进行相关性分析，结果表明水体浊度与温度具有高度相关性，相关系数分别为0.81 和0.85。以上分析表明上升流区的悬浮体分布明显受到海水温度结构的影响。上升流可能对威海湾的悬浮体输运起到重要作用。一方面，数值模拟结果表明上升流的流速与悬浮泥沙的沉降速度量值相当[31]，上升流水体的涌升能够减缓悬浮体的沉降速度，泥沙得以在水体中保持悬浮，进而在潮流的作用下进行输运；另一方面，泥沙输运主要发生在底部边界层[33]，上升流的存在能够驱动外海底层海水的向岸输送，如王爱军等[34]发现台湾海峡西南部海域沉积物有向岸输运的趋势，并通过有机碳与氮原子的比值，将悬浮体的向陆输运归因于上升流的作用。与沿岸流相比，近岸上升流的量级甚小，其沉积效应和对悬浮体的输运机制需要结合数值模拟进一步深入研究。

图 7 2018 年夏季大面站调查期间研究区断面Ⅰ（a）、断面Ⅳ（b）水温断面分布Fig.7 Vertical distributions of temperature at transect Ⅰ, Ⅳ during the grid stations cruise

图 8 2018 年夏季大面站调查期间研究区断面Ⅱ（a）、断面Ⅲ（b）浊度断面分布（图中蓝线代表口门位置）Fig.8 Vertical distributions of turbidity at transect Ⅱ, Ⅲ during the grid stations cruise(The blue line represents the location of the bay mouth)

黄河作为世界上含沙量第二高的大河，是影响渤黄海沉积格局的主要物质来源。一般认为，黄河入海泥沙主要通过渤海海峡南部向北黄海输运，部分沉积在山东半岛北部，其余部分绕过成山头成为南黄海泥质区的主要物源之一[18,32]。210Pb 测年数据表明成山头东北端为沉积速率的低值区[35-36]，同时，沉积物粒度较南北两侧变粗，砂含量明显增加[37]，说明在强水动力作用下再悬浮作用强烈。Zhong 等[38]近期研究成果表明夏季威海湾南侧口门悬浮泥沙浓度变化受控于平流输运，其输运方向指向湾内。成山头附近海域是悬浮体浓度的高值区，再悬浮的沉积物可在潮流作用下进入威海湾沉积，成为现代湾内泥质沉积的主要来源之一，而上升流的存在可为底层海水提供向岸运动的分量。