基于遥感影像的1307号台风对杭州湾含沙量分布影响

刘 勇，黄君宝，谢东风，黄世昌，应 超，李来武

(浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310020)

水体中悬沙含量是反映泥沙在水体中输运和再悬浮过程的重要指标，是联系河口区动力作用和地貌演变的纽带。杭州湾海域同时受河流径流、潮流和环流过程的作用，径流的水沙输运、潮流和环流的动力都对悬浮泥沙含量有影响。悬沙输运引起的地形冲淤变化对近岸海洋工程、港口航道疏浚等工程有重要影响。浙江的海岸线漫长，经常遭受不同程度台风的侵袭，据统计，影响长江口及浙东沿海的台风平均每年达6.5次[1]。台风期间产生的大浪极易掀起并输运近岸滩面的泥沙，同时台风期间产生的风浪破碎后引发的水体垂向混合增强，风生流产生的垂向剪切应力将表层以下水体中的悬浮泥沙输运至表层，使得表层含沙量增大[2]，泥沙落淤到航道或深潭中发生骤淤，对港口通航和作业造成较大影响。

相较于正常天气下近岸海区泥沙输运的研究，台风等极端天气下的近岸海区泥沙输运研究较少。台风期间海况较为恶劣，难以进行现场调查。相较于现场调查，卫星遥感不受海况影响。当海域上空不被云层覆盖时，卫星遥感可以对海洋进行大面积连续观测，结合历史遥感影像，可以用来研究台风对海洋要素（如悬沙、叶绿素等）的影响。Hu等[3]使用GOCI逐时遥感影像分析了正常天气情况下杭州湾海域悬沙随潮汐变化情况，对比了大潮、中潮和小潮期间杭州湾海域含沙量随潮汐变化情况。Tang等[4]基于GOCI逐时影像结合实测资料分析了近年来影响长江口的4场台风对长江口周边海域含沙量的影响，得出在台风影响下，长江口下游段和杭州湾内含沙量增大0.14～0.33 kg/m3，含沙量增加持续时间为台风经过的1～2 d，其中1307号台风“苏力”经过后，长江口含沙量从0.40 kg/m3增大到约1.40 kg/m3，台风经过对长江口及杭州湾含沙量浓度分布有较大的影响。

一般情况下台风携带大量的水汽，台风途径区域上方被云层覆盖，卫星遥感难以对云层覆盖的海域进行观测，但台风外围区域云量相对较少，可结合卫星遥感影像研究台风经过后对海域含沙量分布的影响。经过对大量遥感影像的挑选，本文选择在东海登陆的2013年第7号台风，结合逐时遥感影像和适用于杭州湾的高精度含沙量反演算法，定量研究该台风经过后对杭州湾含沙量分布的影响。

1 研究区域和数据方法

杭州湾是一个典型的喇叭状河口湾，属于钱塘江河口的口外海滨段，从湾口到湾顶断面宽度逐渐收窄，湾口处宽约100 km，湾顶处宽约20 km，平面上呈北凹南凸的特征。杭州湾属于规则半日潮海区，主分潮为M2分潮，受月相变化影响，每个月的潮汐存在大潮、中潮和小潮特征。杭州湾湾口北侧潮差为2～4 m;湾口南侧潮差为1～2 m，较北侧小，主要受舟山群岛影响，到杭州湾上游处潮差可达4～6 m。杭州湾平均水深约为10 m，最大涨急流速可达3 m/s。

1.1 数据来源

台风路径数据来自于浙江省水利厅的台风路径网。2013年第7号台风“苏力”生成于马里亚纳群岛北部洋面，随后强度逐渐增大，曾一度发展为超强台风，7月13日3时（北京时间，全文同）在台湾岛北部登陆，经过台湾岛后继续往西北方向运动，7月13日16时在福建连江沿海登陆。为分析杭州湾内含沙量随潮汐潮流的变化情况，收集了2014年T1站（坐标为121°37′12″E，30°36′30″N，见图1）全年逐时潮位资料，同时收集了S1站（坐标为121°49′42″E，30°41′00″N，见图1）的表层流速、流向和表层含沙量数据，S1站的资料时长为25 h，间隔为1 h。潮流观测采用声学多普勒剖面流速仪（ADCP），水体中含沙量的测量采用过滤法。对现场采集到的水样在实验室用直径60 mm、孔径0.45 μm微孔滤膜进行抽滤，将固体物质从海水中分离出来，蒸馏水洗盐3次，烘干，在分析天平上称重，计算得到水体含沙量。

图1 2013年第7号台风“苏力”路径及杭州湾位置Fig. 1 The track of Typhoon Soulik in 2013 and the location of Hangzhou Bay

本文同时收集了2013年7月和2018年7月杭州湾周边区域的风速数据，数据来源于ERA5。ERA5是由欧洲中尺度气象中心开发的第五代再分析数据产品。目前可在线获取1979年以来逐时的ERA5再分析数据，数据的空间分辨率为0.25° × 0.25°。

1.2 台风期间与正常天气代表日期选取

杭州湾海域内含沙量分布受潮汐、径流和风等因素影响较大。Xie等[5]基于20世纪80年代和2014年在杭州湾内的实测资料系统研究了杭州湾内悬浮泥沙随潮周期的输运情况。He等[6]、刘猛等[7]和Hu等[3]基于GOCI数据反演得到杭州湾海域表层含沙量，对表层含沙量进行了日变化、月变化时间尺度的输移特征分析。杭州湾的半日潮特性引起的水动力强度变化是杭州湾海域表层含沙量每日逐时变化的主要影响因素，径流量和风的季节变化是杭州湾海域表层含沙量月变化的主要原因，受大潮、中潮和小潮期间不同水动力强度影响，杭州湾海域表层含沙量还存在月内变化特征。

2013年7月14日为台风登陆后的第1天，GOCI观测到的8景影像在杭州湾内云层覆盖率较低，结合含沙量反演算法可以得到杭州湾内含沙量分布情况。鉴于杭州湾海域表层含沙量在潮汐作用下呈逐时变化特征，且遥感影像受云层覆盖影响较大，为定量对比“苏力”对杭州湾海域含沙量分布的影响，选取2013年7月14日为杭州湾受台风影响期间的代表日期。为保证所选取的正常天气期间和台风期间杭州湾内水动力条件相近，根据农历日期来选择正常天气下的代表日期。2013年7月14日为农历六月初七，通过分析2013年至2020年每年农历六月初七GOCI在杭州湾8景遥感影像的云层覆盖率情况，初步选定正常天气期间的代表日期为2018年7月19日。图2（a）为初步选得的正常天气期间和台风期间2个代表日期T1站的潮位情况及对应的GOCI观测时间，2013年和2018年潮位通过对T1站2014年逐时潮位资料调和预报得来。可见，所选取的正常天气和台风期间潮位过程及潮差相差较小，杭州湾内潮汐作用下的水动力强度相近，2018年GOCI观测的第2～8景影像与2013年GOCI观测的第1～7景影像T1站潮位值相近，从水动力强度角度来看，适合用来对比分析不同天气情况下杭州湾含沙量分布情况。为进一步确认所选取的两个日期可以代表杭州湾受台风影响期间和正常天气期间，根据台风蓝色预警的标准，24 h内可能或者已经受热带气旋影响，沿海或者陆地平均风力达6级以上，或者阵风8级以上并可能持续。图2（b）为ERA5数据集中T1站2013年7月和2018年7月所选的代表日期期间的风速情况。可见，2013年7月14日整天风速均在6级风以上，2018年7月19日整天风速均在6级风以下，这表明本文选取的2个日期分别可代表台风期间和正常天气期间，适合用来定量研究“苏力”对杭州湾内含沙量分布的影响。

图2 2013年7月和2018年7月T1站潮位和风速情况Fig. 2 Tidal elevation and wind speed in T1 during July in 2013 and 2018

1.3 GOCI卫星数据及含沙量反演

GOCI（Geostationary Ocean Color Imager）是搭载在全球第一颗地球同步轨道海洋水色卫星COMS（Communication, Ocean and Meteorological Satellite）上的传感器，于2010年6月26日由韩国发射。GOCI的空间分辨率为500 m，观测中心经纬度为130°E和36°N，覆盖范围为2 500 km×2 500 km，主要包括中国、韩国、日本和俄罗斯部分区域。GOCI提供每天逐时的8景数据，观测时间从08:15至15:15（北京时间），提供8个波段的数据（412、443、490、555、660、680、745和865 nm，分别对应为B1～B8）。韩国海洋卫星中心可提供GOCI Level-1B数据下载，该数据可用GOCI官方提供的GDPS（GOCI Data Processing System）软件进行辐射定标、几何校正、空间区域裁剪和波段运算等数据预处理工作。GDPS中内置了大气校正和常用的水色产品反演算法，可得到离水辐亮度、归一化离水辐亮度和悬浮泥沙等；但GDPS自带的大气校正算法和悬浮泥沙反演算法在高浊度海域的适用性还有待提高[8]。本文使用He等[6]提出的针对杭州湾高浊度水体的UV-AC算法来进行大气校正，该算法可较好估算高浊度水体中的气溶胶散射反射率，被多次应用在杭州湾内并取得了良好的效果[3,9-10]。

对GOCI各波段的数据进行大气校正后可得到各波段的遥感反射率，通过不同波段遥感反射率可计算出海水表层含沙量。采用Hu等[3]提出的适用于杭州湾的表层含沙量反演算法：

式中：S为海水表层含沙量（kg/m3）；D1和D2为系数；R为遥感反射率（sr-1），B8、B6分别代表GOCI的第8个、第6个波段。Hu等[3]通过杭州湾内实测含沙量数据对该反演算法进行验证，平均相对误差为15.21%，均方根误差为0.22 kg/m3，说明该算法准确度较高，可以用来反演杭州湾内海水表层含沙量。

2 结果分析

2.1 实测含沙量资料分析

图3 为杭州湾内T1站潮位和S1站表层流速、流向和表层含沙量随时间分布。由图3可得，T1站潮位呈半日潮特征，一天两涨两落，潮波表现出一定的驻波特性，在高平和低平时刻附近流速最小[11]。S1站涨落潮流呈东西向的往复流，从流速和含沙量关系来看，含沙量最大值出现在流速最大值约1 h之后，当流速较小时，含沙量也相应较小。Xie等[5]在其文中指出当潮流流速较大时，海床表面的细颗粒泥沙发生再悬浮进入水体中使得水体含沙量增大，在涨急和落急时刻之后含沙量达到最大。当流速较小时，水体中的悬浮泥沙由于自重原因将发生沉降，水体中含沙量将降低。对于图3中一个潮周期过程（5～17 h）来说，高平时刻后流速缓慢增大，表层含沙量在流速达到落急时刻前一直较低，落急时刻后增大；随后落潮流速逐渐减小，含沙量也逐渐减小；当潮流转涨后，潮流流速逐渐增大，至第15 h附近表层含沙量开始增大，涨急时刻后1 h后表层含沙量达到最大值；随后随着涨潮流速的减小表层含沙量减小，但表层含沙量减小速度较流速减小速度慢。一个潮周期过程含沙量出现两次峰值，峰值位于涨落急时刻后约1 h。

图3 杭州湾内同步潮位、流向、流速和含沙量随时间变化Fig. 3 The time series of synchronous tidal elevation, tidal direction, tidal current and suspended sediment concentration in Hangzhou Bay

2.2 “苏力”对杭州湾含沙量影响分析

2.2.1 正常天气期间杭州湾含沙量分布特征 图4为2018年7月19日GOCI反演的杭州湾海域逐时表层含沙量，这一天GOCI的8景影像捕捉到了杭州湾内正常天气情况下落潮过程的最后两小时（见图4(a)～(b)）和一个完整的涨潮过程（见图4(c)～(h)）。结合图3中潮位和流速关系图可得，落潮过程的最后两小时杭州湾内潮流处于落急之后流速减小的阶段，落急时刻附近海床表面的细颗粒泥沙发生再悬浮进入水体中使得水体含沙量增大，水体中的悬浮泥沙在潮流作用下输移，随着流速继续减小，水体中悬浮泥沙发生沉降，含沙量也随之降低。整体来看，杭州湾从外海到近岸海域含沙量逐渐增大，杭州湾上游、北岸和南岸附近海域含沙量相对较高，含沙量约为0.60 kg/m3，在舟山岛周边海域含沙量相对较低，含沙量约为0.10 kg/m3。杭州湾潮波具有驻波的特性，图4(c)处于低平时刻，图4(f)为涨急时刻，图4(h)为高平时刻。图4(c)～(h)这6景影像中，杭州湾含沙量整体呈先减小后增大趋势，图4(c)～(f)显示杭州湾海域含沙量呈逐渐减少的趋势，到图4(f)时，杭州湾处于涨急时刻，水体中含沙量开始增大，到图4(h)所在时刻杭州湾含沙量达到这一个涨潮过程中的峰值。图4中所反演的含沙量值较图3中实测含沙量值要小，主要是因为图4处于中潮期间，而图3中实测数据为大潮期间所测。

图4 2018年7月19日GOCI反演的杭州湾海域逐时表层含沙量 （单位：kg/m3）Fig. 4 Hourly maps of SSC in Hangzhou Bay according to the GOCI on July 19, 2018 （unit: kg/m3）

这8景影像反映出的杭州湾海域含沙量分布特征与图3实测含沙量随潮位过程变化趋势一致，说明本文选用的含沙量反演算法准确度较高。此外，图4(h)所在时刻杭州湾海域表层含沙量存在3个高值区和2个低值区，这与Xie等[5]研究所得杭州湾实测含沙量空间分布趋势一致。3个高值区位于杭州湾北岸、杭州湾南岸和杭州湾上游，2个低值区位于乍浦附近海域和舟山海域，进一步说明本文选用的含沙量反演算法可用来定量研究“苏力”对杭州湾内含沙量分布的影响。

2.2.2 “苏力”对杭州湾含沙量分布影响分析 图5为2013年7月14日GOCI反演的杭州湾海域逐时表层含沙量。由图3可得，2013年GOCI观测的第1～7景影像与2018年GOCI观测的第2～8景影像T1站潮位值相近，对应杭州湾内水动力条件相近，图5(a)～(g)和图4(b)～(h)杭州湾海域表层含沙量随潮汐变化趋势相近，杭州湾海域表层含沙量先减小后增大。受“苏力”影响，图5中各时刻杭州湾海域表层含沙量值较图4中大。

图5 2013年7月14日GOCI反演的杭州湾海域逐时表层含沙量 （单位：kg/m3）Fig. 5 Hourly maps of SSC in Hangzhou Bay according to the GOCI on July 14, 2013 （unit: kg/m3）

将“苏力”经过后杭州湾各代表时刻（图5(a)～(g)）的表层含沙量与2018年正常天气期间杭州湾代表时刻（图6(b)～(h)）的表层含沙量相减后得到台风“苏力”对杭州湾海域表层含沙量影响。整体来看，“苏力”过后，相较于正常天气期间，各个时刻长江口和杭州湾海域表层含沙量均呈增大趋势，杭州湾中部海域增幅在0.10～0.50 kg/m3，高平时刻和低平时刻附近表层含沙量增幅相对其他时刻要大。本文选用的含沙量反演算法其均方根误差为0.22 kg/m3，“苏力”台风对杭州湾表层含沙量增幅部分落在均方根误差范围之内，由图2可得“苏力”台风在影响杭州湾期间其风速约为6级，风速相对较小，所以该台风对杭州湾表层含沙量增幅贡献较小。当台风风速较大时，对表层含沙量增幅的贡献会增大，则均方根误差相对含沙量增幅来说较小。另一方面，未来可通过收集实测含沙量数据，对本文选用的含沙量反演算法进行改进，提升算法精度。

图6 台风期间和正常天气前后杭州湾海域表层含沙量逐时变化情况Fig. 6 The hourly difference in SSC distribution around Hangzhou Bay during typhoon and normal weather condition

杭州湾海域表层含沙量分布主要受潮汐变化引起的涨落潮流变化过程影响，涨落急时刻附近，海床表面的泥沙再悬浮进入水体后在水动力作用下输运；同时受泥沙自身的沉降作用影响，杭州湾海域水体中悬浮泥沙浓度垂向上从海底到表层逐渐减小[5]。图7(a)为正常天气和台风经过后杭州湾周边区域风速对比，正常天气和台风经过期间杭州湾海域均为偏南风，台风经过后风速约为正常天气下的2.5倍。Bian等[2]指出风对含沙量分布的影响主要通过海水表层风浪破碎后引发的垂向混合增强，以及风生流产生的垂向剪切应力将表层以下水体中的悬浮泥沙输运至表层。“苏力”经过杭州湾后，表层含沙量增大的原因主要是风应力增大产生的垂向混合及风生流产生的垂向剪切应力增强，将下层水体中的悬浮泥沙输运至表层。

图7 正常天气和台风期间杭州湾周边区域风速情况及代表点含沙量变化Fig. 7 Wind around Hangzhou Bay during typhoon and normal weather condition and the SSC variation in stations 1#-3#

3 结 语

基于GOCI逐时遥感影像，结合实测水文资料和适用于杭州湾的高精度含沙量反演算法，研究了2013年第7号台风“苏力”对杭州湾海域含沙量分布影响，分析了台风引起含沙量变化的原因。正常天气情况下，在一个潮周期过程中，杭州湾海域含沙量出现2次峰值，峰值出现在涨落急时刻后1 h。台风期间，杭州湾海域含沙量随潮汐变化趋势与正常天气情况下相近。“苏力”台风过后，杭州湾海域含沙量整体呈增大趋势，杭州湾中部海域增幅在0.10～0.50 kg/m3，高平时刻和低平时刻附近表层含沙量增幅大于其他时刻。海表含沙量增大的原因主要是台风期间风应力增大产生的垂向混合及垂向剪切应力增强，将下层水体中的悬浮泥沙输运至表层，使得表层含沙量有所增大。台风期间一般携带大量的水汽，大部分遥感影像云层覆盖量高，卫星遥感难以对云层覆盖的海域进行观测，未来可通过收集影响杭州湾不同强度的台风来对比分析对含沙量分布的影响。