周 舟， 張萬磊， 江文勝， 王 驍， 邊昌偉

(1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100； 2.國家海洋局秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，河北 秦皇島 066002; 3.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 4.中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

渤海表層懸浮物濃度長期變化(2003—2014年)的衛(wèi)星反演研究*

周 舟1， 張萬磊2， 江文勝3,4??， 王 驍3， 邊昌偉4

(1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100； 2.國家海洋局秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，河北 秦皇島 066002; 3.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 4.中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

受氣候變化和人類活動的影響，近年來渤海懸浮物濃度分布發(fā)生了較大變化，進(jìn)而影響了渤海海洋生態(tài)環(huán)境、海洋資源分布以及海岸工程的建設(shè)。由于渤海懸浮物濃度長期觀測資料較少，目前對于渤海懸浮物濃度分布的長期變化趨勢和影響機(jī)制尚不清楚。本文利用2003—2014年的MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，反演了渤海表層懸浮物濃度的空間分布形態(tài)，并對其長期的變化趨勢和影響機(jī)制進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，除了明顯的季節(jié)變化特征外，渤海表層懸浮物濃度從2003年到2014年有明顯的下降趨勢,整個(gè)渤海表層懸浮物濃度年均下降幅度為1.49%(0.22 mg·L-1·a-1)。其中萊州灣表層懸浮物濃度年均下降幅度最大，為3.47%(1.08 mg·L-1·a-1)；遼東灣次之，為1.51%(0.17 mg·L-1·a-1)；而渤海灣的年均下降幅度為1.40%(0.33 mg·L-1·a-1)，中央海區(qū)表層懸浮物濃度沒有下降趨勢。近十幾年來渤海表層懸浮物濃度下降可能與渤海海區(qū)風(fēng)速減弱、黃河調(diào)水調(diào)沙造成的入海泥沙粒徑增大以及萊州灣、渤海灣內(nèi)的圍海造田有關(guān)。

懸浮物；渤海；衛(wèi)星遙感；季節(jié)變化；長期變化

受海洋動力因素、天體運(yùn)動規(guī)律、河流陸源物質(zhì)輸入等各種原因的影響，海洋表面的懸浮物濃度具有潮內(nèi)、季節(jié)和長期等多種時(shí)間尺度的變化特征。海洋中懸浮物的分布對陸源物質(zhì)在海洋中的輸運(yùn)、有機(jī)碳的存儲以及生態(tài)環(huán)境等都具有重要的影響。開展渤海懸浮物各種時(shí)間尺度變化特征的研究，對于認(rèn)識渤海懸浮物變化規(guī)律、理解近海物質(zhì)循環(huán)、預(yù)測未來海洋生態(tài)環(huán)境的變化等具有重要的科學(xué)價(jià)值。渤海是一個(gè)半封閉的陸架淺海，由渤海灣、萊州灣、遼東灣以及中央海盆組成，其平均深度18 m，海底地勢從3個(gè)海灣向中央海盆及渤海海峽傾斜，坡度平緩(見圖1)[1]。渤海沿岸分布著黃河、遼河、灤河等多條河流，這些河流每年向渤海輸運(yùn)大量淡水及陸源物質(zhì)。其中黃河作為世界第二大輸沙河流，最近60余年來，年均向渤海注入8.81億噸(1950—2011年利津站數(shù)據(jù))泥沙[2]。自1980年代以來，中外學(xué)者就開始在渤海進(jìn)行懸浮物濃度觀測研究，掌握了渤海泥沙濃度的空間分布和季節(jié)變化規(guī)律[3-8]。

近年來，隨著氣候變化和人類活動的影響，渤海的懸浮物來源及其影響機(jī)制發(fā)生了很大變化，如：近年來，由于黃河徑流量減少，大量水庫的修建和水土保持工作的開展，黃河的年均輸沙量從1956—1968年的12.22億噸銳減到2000—2009年的1.36億噸[9]；自2002年7月黃河水利委員會實(shí)施“黃河調(diào)水調(diào)沙”計(jì)劃之后，大量的黃河泥沙在20天左右的時(shí)間里被輸送進(jìn)渤海中，顯著影響了渤海的懸浮物分布；李松等[10]研究表明，黃河入海泥沙通量在2003年達(dá)到相對高值(3.77×108t)之后呈逐年減少的趨勢，對渤海表層懸浮物濃度的分布造成了重大影響，然而這些影響在渤海表層懸浮物長期變化尺度上的反映還并不清楚，因此需要對渤海懸浮物近年來的變化做進(jìn)一步研究。

然而，由于現(xiàn)有的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)多是不同地點(diǎn)的瞬時(shí)觀測數(shù)據(jù)，觀測的時(shí)空分辨率低，無法體現(xiàn)懸浮物濃度的平均狀態(tài)，因此無法直接用于渤海懸浮物濃度長期變化的研究，而海洋衛(wèi)星遙感技術(shù)的出現(xiàn)有效解決了這一難題。2002年5月美國發(fā)射了Aqua水色衛(wèi)星，其攜帶的MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)傳感器可以探測高分辨率的近岸渾濁水體的濃度，鑒于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的高時(shí)空分辨率與易獲得等特性，衛(wèi)星遙感反演海表面懸浮物濃度在渤海得到了大量的應(yīng)用[11-13]，并且得到了一系列比較成熟的適應(yīng)于反演渤海表層懸浮物濃度的算法[14-16]。盡管衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)只能反演海水表層的懸浮物濃度，而且其反演的準(zhǔn)確度也有待商榷，但是由于遙感衛(wèi)星的觀測時(shí)間尺度長，觀測的時(shí)空分辨率高，對于懸浮物濃度的長期變化研究有不可替代的優(yōu)勢，可以用來彌補(bǔ)現(xiàn)場觀測懸浮物濃度數(shù)據(jù)時(shí)間短和空間分辨率較低的問題。

為了闡明渤海表層懸浮物的長期變化趨勢，為氣候變化和人類活動影響下的渤海海洋生態(tài)和海洋資源研究提供依據(jù)，本文使用2003—2014年共12年的MODIS L1B衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合2010年8和9月份渤海航次的實(shí)測懸浮物濃度結(jié)果，經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制得到了渤海表層懸浮物的空間分布、季節(jié)和長期變化結(jié)果，并探討了其影響機(jī)制。

(圖中黑點(diǎn)為觀測站位位置；方框?yàn)檠芯扛骱^(qū)懸浮物濃度長期變化趨勢所選的研究區(qū)域；color bar顏色代表海底水深。Black dots show locations of field survey stations； Black frames show analysis areas of long-term suspended sediment concentration variation; Color bar show depth.)

圖1 渤海地形和懸浮物濃度觀測站位分布圖

Fig.1 Bathymetry of the Bohai Sea (unit: m)

2 數(shù)據(jù)和方法

本文使用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來自美國國家航空航天局(NASA)Aqua衛(wèi)星上搭載的中等分辨率成像光譜儀(MODIS)。MODIS傳感器能夠獲得波長變化范圍為405～14 385 nm共36個(gè)光學(xué)波段的數(shù)據(jù)，每1～2天可完整掃描地球表面一次。MODIS遙感數(shù)據(jù)在反演海水表層懸浮物濃度之前需要進(jìn)行海面反射、臭氧吸收、白帽散射校正等，本文利用NASA開發(fā)的SeaDAS(SeaWiFs Data Analysis System，version 7.1)軟件對MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，得到有效的反演海表面懸浮物的遙感反射率(Reflectance of Remote Sensing)。

渤海海區(qū)冬季一般會有3～4個(gè)月的海冰期[17]，海冰覆蓋區(qū)域的遙感反射率無法反映懸浮物濃度特征，因此在使用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行懸浮物濃度反演之前，需要對海冰覆蓋區(qū)域的遙感反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。Shi等[18-19]指出海冰存在區(qū)域的海洋表面反射率在短波紅外波段會急劇下降。基于海冰這一光學(xué)特性，并結(jié)合渤海海冰數(shù)據(jù)，Shi等[18-19]建立了一套利用MODIS數(shù)據(jù)反演海冰覆蓋區(qū)域的算法，即：當(dāng)海洋中某網(wǎng)格點(diǎn)同時(shí)滿足公式1～4所示的關(guān)系時(shí)，即可判定該點(diǎn)為海冰覆蓋區(qū)域。

ρωN(859)>0.048,

(1)

(2)

ρωN(412)>0.046,

(3)

ρωN=rrs×π。

(4)

1～4式中:ρωN為標(biāo)準(zhǔn)化的離水反射率，即ρwn(555)表示波長為555 nm綠色波段的標(biāo)準(zhǔn)化離水反射率;rrs為衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的波段反射率。圖2為2010年1月23日渤海表面海冰覆蓋情況以及遙感反射率在剔除海冰前后分布圖。從圖2a可以看出，海冰覆蓋區(qū)域主要位于遼東灣東北部、渤海灣、萊州灣南部以及遼東灣西南沿岸，對應(yīng)的在圖2b中海冰覆蓋海區(qū)的遙感反射率異常高，在反演懸浮物濃度的時(shí)候會高估海冰覆蓋區(qū)的懸浮物濃度，因此在使用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行懸浮物濃度反演時(shí)需要剔除受海冰影響海區(qū)的遙感反射率數(shù)據(jù)。利用Shi等[18-19]提供的方法能夠區(qū)分海冰密集度較高的區(qū)域，但對于海冰邊緣區(qū)的薄冰、碎冰，其區(qū)分效果并不理想(見圖2c)。因此本文在Shi等[18-19]海冰區(qū)分方法的基礎(chǔ)上，對海冰覆蓋區(qū)域的遙感反射率做了進(jìn)一步修正。首先，對照衛(wèi)星真彩圖，選出未完全剔除海冰的待處理遙感數(shù)據(jù)。然后將結(jié)冰海區(qū)的遙感反射率按照大小順序排列，將數(shù)列中前10%的數(shù)據(jù)歸為海冰進(jìn)行剔除。盡管此修正方法會剔除一些非海冰區(qū)域的有效數(shù)據(jù)，但是完全避免了海冰造成的懸浮物反演誤差。圖2對比了海冰剔除前后海表遙感反射率，可以看出受海冰覆蓋影響的遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)剔除。

(a為衛(wèi)星真彩圖;b為剔除海冰之前;c為Shi的濾冰結(jié)果;d為處理的最終結(jié)果。圖中白色區(qū)域?yàn)樯釛壍暮泻１臄?shù)據(jù)。a: MODIS true color image; b: Reflectance with coverage of sea Ice; c: Reflectance after removing sea ice Using method of Shi[18-19]; d:Reflectance after removing sea ice in this work. The white zones show remote sensing reflectance data covered by ice.)

圖2 2010年1月23日渤海衛(wèi)星真彩圖以及去除海冰前后渤海表層遙感反射率對比圖
Fig.2 MODIS image and Remote sensing reflectance of the Bohai Sea on 23th January, 2010

為準(zhǔn)確地反演渤海表層懸浮物濃度，衛(wèi)星遙感反射率數(shù)據(jù)需要使用現(xiàn)場觀測的懸浮物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行反演校正。本文使用的懸浮物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來源于2014年8月28日—9月8日的渤海航次調(diào)查，調(diào)查站位見圖1。本文在每個(gè)調(diào)查站位的表層進(jìn)行了海水采集，并將采集的海水樣品按照泥沙質(zhì)量濃度測量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過濾、烘干和稱重，最終得到海水表層懸浮物質(zhì)量濃度。其中，抽濾所用的濾膜為孔徑0.7 μm的Whatman GF/F玻璃濾紙，過濾后得到的懸浮物樣品用純水洗3次以去除其中的海鹽，然后將濾紙置于60 ℃干燥箱中干燥24 h。將干燥后的濾紙用分辨率為十萬分之一的電子天平稱重，經(jīng)多次稱量直到天平稱得的懸浮物質(zhì)量變化小于0.1 mg，獲得的懸浮物質(zhì)量可以用于計(jì)算海水懸浮物濃度。

前人研究表明，MODIS第1波段(640～670 nm)和第4波段(545～565 nm)的遙感反射率與海表面懸浮物濃度具有良好的相關(guān)性，常用于近岸水體懸浮物濃度的反演[20-22]。

SSC=a×exp(b×rrs)。

(5)

式中:SSC為海表面懸浮物濃度;rrs為波段的遙感反射率。為確定反演公式中的系數(shù)a和b，本文分別選取了渤海2014年8月28—9月8日對應(yīng)于調(diào)查站位的667和555 nm波段的遙感反射率數(shù)據(jù)和實(shí)測懸浮物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析(見圖3)。555 nm波段遙感反射率跟渤海懸浮物質(zhì)量濃度相關(guān)性為0.63，略優(yōu)于667 nm波段。因此本文采用555 nm波段的遙感反射率來進(jìn)行渤海表面懸浮物濃度的反演，對應(yīng)的反演公式系數(shù)為a=1.78，b=61.33，rrs即為555 nm波段的遙感反射率。遙感反射率為光學(xué)信號，無法完全反應(yīng)懸浮物的濃度特征，因此遙感反射率與實(shí)測懸浮物濃度相關(guān)性不高，遙感反演的懸浮物濃度不夠精確。但是這種誤差并不影響渤海表層懸浮物濃度季節(jié)和長期變化的整體趨勢，不影響本文研究的結(jié)論。

圖3 555和667 nm波段遙感反射率與實(shí)測懸浮物質(zhì)量濃度擬合結(jié)果

盡管對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了海面反射、臭氧吸收、白帽散射和海冰剔除等一系列校正，由于影響衛(wèi)星遙感反射率的因素太多，校正算法也多是經(jīng)驗(yàn)公式，無法準(zhǔn)確地剔除所有異常遙感反射率數(shù)據(jù)。為避免反演的異常懸浮物濃度影響研究結(jié)果，本文對渤海反演的懸浮物濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析確定渤海表層懸浮物濃度的合理最高值不超過200 mg/L。對于遙感反演的12年中懸浮物濃度高于200 mg/L的數(shù)據(jù)都作為無效數(shù)據(jù)處理。由于衛(wèi)星過境一次時(shí)間為1～2 d，獲取的懸浮物濃度為衛(wèi)星過境時(shí)的瞬時(shí)濃度。渤海為半日潮占優(yōu)的海區(qū)，懸浮物濃度具有明顯的高低潮變化周期，因此衛(wèi)星反演的瞬時(shí)懸浮物濃度不能代表天平均的懸浮物濃度。并且渤海上空經(jīng)常覆蓋積云，衛(wèi)星很難獲得覆蓋整個(gè)渤海表面的遙感數(shù)據(jù)。因此我們采用余佳等[14]提出的MODIS月均數(shù)據(jù)合成的方法獲得渤海表層懸浮物12年的月均濃度結(jié)果。經(jīng)檢驗(yàn)，12年中每個(gè)月每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為41，可以有效地代表該點(diǎn)的月均值。圖4為12年來1和7月份每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)有效MODIS數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的分布，可以看出渤海大部分海區(qū)的MODIS遙感有效數(shù)都超過30，只有冬季受海冰影響的遼東灣東北部區(qū)域和近岸淺水區(qū)域有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不足30。對于2003—2014年的渤海懸浮物濃度長期變化趨勢來講，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)平均有492個(gè)有效數(shù)據(jù)可以用來回歸分析懸浮物濃度的長期變化趨勢。因此，本文使用的MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)滿足渤海表層懸浮物季節(jié)變化和長期變化研究的要求。

3 結(jié)果與討論

3.1 渤海表層懸浮物濃度分布的季節(jié)變化

渤海2003—2014年月均表層懸浮物濃度分布表明表層懸浮物濃度在時(shí)間尺度上有明顯的季節(jié)變化趨勢(見圖5)。冬季1—2月份懸浮物濃度高值區(qū)范圍最廣，渤海灣和萊州灣區(qū)域的懸浮物濃度高于35 mg/L，遼東灣北部濃度約為20 mg/L,渤海中部區(qū)域濃度最低，約為10 mg/L。3—4月份遼東灣北部的懸浮物濃度降低到10 mg/L左右，渤海灣和萊州灣依然保持高懸浮物濃度。從5—8月，渤海表層懸浮物濃度顯著降低，超過35 mg/L的高懸浮物濃度僅分布于渤海灣南部和黃河口三角洲附近。9—12月，渤海表層懸浮物濃度逐漸升高，到12月份渤海灣和萊州灣的懸浮物濃度普遍高于30 mg/L，遼東灣北部的懸浮物濃度也達(dá)到18 mg/L。渤海表層懸浮物濃度這種冬季高、夏季低，近岸高、外海低的分布形態(tài)與前人研究結(jié)果一致[5,12,14-15]。通過現(xiàn)場觀測，江文勝等[5]指出，懸浮物濃度近岸大于外海，灣內(nèi)濃度大于海峽及中央海盆，并說明水動力以及底質(zhì)類型對該種分布格局影響較大；王智勇等[23]通過三維水動力模型以及粒子追蹤模型得到了渤海內(nèi)冬季懸浮物濃度大于其他季節(jié)的，并同樣得出潮流和底質(zhì)對季節(jié)分布趨勢也起到了決定性作用；而王厚杰等[15]則利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)研究得到了渤海表層懸浮物濃度的時(shí)空分布規(guī)律，并指出季風(fēng)以及近岸活躍的再懸浮是造成渤海表層懸浮物濃度這種季節(jié)分布特征的主要原因。

圖4 2003—2014年MODIS遙感數(shù)據(jù)網(wǎng)格有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)分布圖Fig.4 The valid MODIS data number distribution of each grid from 2003 to 2014

圖5 MODIS遙感數(shù)據(jù)反演的渤海表層月均懸浮物濃度(mg/L)Fig.5 Spatial and seasonal variations of monthly averaged sea surface suspended sediment concentration (mg/L) derived from MODIS remote sensing reflectance

3.2 渤海表層懸浮物濃度分布的長期變化

圖6a為2003年1月—2014年12月共144個(gè)月的渤海表層懸浮物月均濃度的時(shí)間序列，12年來渤海表層懸浮物濃度平均值約為14.44 mg/L,春冬季節(jié)濃度高，夏秋季節(jié)濃度低，呈現(xiàn)出顯著的年際周期性變化趨勢，除此之外，通過線性回歸分析可知整個(gè)渤海海域表層的平均懸浮物濃度從2003—2014年呈下降趨勢，年降幅達(dá)1.49%(約為0.22 mg·L-1·a-1)。

圖6 渤海及各海區(qū)表層懸浮物濃度長期變化趨勢Fig.6 Suspended sediment concentration time series from 2003 to 2014 and its long-termvariations in the Bohai Sea and the other areas

盡管渤海的表層懸浮物濃度呈下降趨勢，但是不同的海區(qū)懸浮物性質(zhì)、來源和輸運(yùn)動力不同，其長期變化趨勢也存著差異。為了對比渤海表層不同區(qū)域的懸浮物濃度長期變化趨勢，本文將渤海分成了渤海灣、萊州灣、遼東灣以及渤海中央海區(qū)來分別研究，計(jì)算區(qū)域劃分見圖1。渤海表層懸浮物濃度平均值最高的是萊州灣，約為31.14 mg/L，其次是渤海灣為23.84 mg/L，平均濃度最小的為渤海中央海域，約為8.79 mg/L(見圖6)。對渤海各海區(qū)12年的月均懸浮物濃度時(shí)間序列做線性回歸分析可以發(fā)現(xiàn)，各海區(qū)懸浮物濃度都是呈下降趨勢的，且都通過了95%的置信區(qū)間檢驗(yàn)。其中萊州灣下降幅度最大，年降幅為3.47%(1.08 mg·L-1·a-1)。遼東灣表層懸浮物濃度的降低速度次之，年降幅1.51%(0.17 mg·L-1·a-1)。渤海灣表層懸浮物濃度年降幅為1.40%(0.33 mg·L-1·a-1)。渤海中央海區(qū)表層懸浮物濃度下降幅度最小，下降速度為0.02 mg·L-1·a-1。

3.3 渤海表層懸浮物濃度長期變化的影響因素

首先，作者從動力學(xué)角度分析渤海表層懸浮物濃度從2003—2014年的長期下降的原因。影響近海懸浮物濃度分布的主要動力機(jī)制有風(fēng)浪和潮流等[25-27]。前人研究表明，渤海懸浮物濃度時(shí)間尺度上最顯著的變化特征是由于風(fēng)生波浪導(dǎo)致的[5,15,28]。由于渤海平均水深較淺，底層沉積物粒徑較小，大風(fēng)導(dǎo)致的波浪運(yùn)動會使海底的沉積物大量再懸浮。同時(shí)大風(fēng)引起的波浪也會加劇海水的湍混合，促進(jìn)懸浮物垂向輸運(yùn)，進(jìn)而導(dǎo)致表層懸浮物濃度上升。近年來，環(huán)渤海地區(qū)的年平均風(fēng)速和4個(gè)季節(jié)的平均風(fēng)速呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢[29]。郭軍等[30]利用1971—2012年環(huán)渤海附近27個(gè)氣象站的逐月風(fēng)速觀測資料分析得知，春冬季風(fēng)速減小的趨勢大于夏秋季節(jié)，而春冬季節(jié)是渤海表層懸浮物濃度高值時(shí)期，風(fēng)速的減小必然會導(dǎo)致渤海風(fēng)浪變?nèi)?，對底層懸浮物的侵蝕能力和垂向輸運(yùn)能力減弱，進(jìn)而造成渤海表層懸浮物濃度的下降，這與衛(wèi)星遙感反演的12年來渤海表層懸浮物濃度下降是相吻合的。

潮流是近海底層沉積物再懸浮和底邊界層垂向混合的主要動力機(jī)制[27,31]。渤海潮流流速較強(qiáng)，3個(gè)海灣內(nèi)的潮流流速高于1.5 m/s，最大可達(dá)1.8 m/s[32]。潮流也是影響渤海懸浮物濃度分布的重要動力。近年來，渤海沿岸圍海造田項(xiàng)目越來越多，尤其是在懸浮物濃度較高的渤海灣、萊州灣沿岸，這些圍填海工程顯著改變了海岸線的形態(tài)，進(jìn)而影響了渤海的潮流結(jié)構(gòu)[33]。Gao等[34]通過研究膠州灣自1930s以來圍填海造成的岸線地貌變化發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的潮能通量和潮幅受圍填海影響有很大變化；杜鵬等[35]研究發(fā)現(xiàn)，膠州灣填海工程附近水域潮流速度減小7.7%～65.5%，相應(yīng)的潮能通量也減小了20.21%～80.23%；Song等[36]基于數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)中國近岸地區(qū)的圍填海工程會造成沉積物運(yùn)移發(fā)生變化。同時(shí)，趙鑫等[37]在對渤海灣3個(gè)岸線變化顯著的港口工程(曹妃甸、天津港和黃驊港)進(jìn)行風(fēng)浪場的研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行圍田造海后,渤海灣有效波高呈減小趨勢。綜上所述，近十幾年來渤海進(jìn)行的圍填海工程降低了渤海的潮能和波能，也是造成渤海表層懸浮物濃度下降的重要因素之一。

除了動力因素，渤海懸浮物來源及底質(zhì)分布的變化也可能影響渤海懸浮物濃度的長期變化。眾所周知，由于黃河徑流量減少、大量水庫的修建和水土保持工作的開展，黃河的年均輸沙量從1956—1968年的12.22億噸銳減到2000—2009年的1.36億噸[9]。雖然黃河排放泥沙入海后大部分泥沙快速沉積在河口附近，不能直接影響渤海泥沙的分布，但是，輸運(yùn)到河口的黃河泥沙不會永久沉積在河口，部分泥沙會通過“懸浮-沉積-再懸浮”的過程輸運(yùn)到整個(gè)渤海。本文對比了黃河近12年來(2003—2014年)的月均輸沙量(利津站數(shù)據(jù))和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演的黃河口附近海區(qū)表層的懸浮物濃度(見圖7)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管河口附近懸浮物濃度主要受季風(fēng)控制，在月均尺度上黃河輸沙量與表層懸浮物濃度的變化趨勢相反，但是從長期尺度上看，黃河口表層懸浮物濃度跟黃河輸沙量12年來的變化趨勢相符。作為渤?，F(xiàn)代沉積泥沙的主要來源，黃河輸沙量的減少必將影響渤海懸浮物濃度的變化，只是根據(jù)目前的資料，作者無法確定黃河輸沙量減少對渤海表層懸浮物的影響有多大。另一方面，黃河在2002—2009年調(diào)水調(diào)沙期間輸入到渤海的泥沙量占據(jù)了全年總輸沙量的70%以上，并且入海泥沙的粒徑整體上是逐漸變大的[10]。這些大粒徑的泥沙在短時(shí)間內(nèi)輸運(yùn)到渤海，覆蓋在細(xì)顆粒泥沙之上，導(dǎo)致再懸浮的沉積物減少，在一定程度上也可以造成渤海懸浮物濃度的降低。

(圖中藍(lán)色虛線為黃河輸沙量；綠色實(shí)線為黃河口海區(qū)月均表層懸浮物濃度；紅色實(shí)線為線性回歸得到的兩者的下降趨勢。The green lines show discharge of Yellow River; Blue clash lines show concentration of Yellow River; The red lines show linear regression of the Yellow River sediment discharge and suspended sediment concentration.)

圖7 歸一化的2003—2014年黃河輸沙量(利津站)與黃河口海區(qū)月均表層懸浮物濃度的時(shí)間序列
Fig.7 Time series of normalized sediment discharge of the Yellow River from Lijin station and suspended sediment concentration of the Yellow River Estuary

4 結(jié)語

由于缺乏長期的懸浮物濃度觀測資料，目前尚不清楚渤海懸浮物濃度長期變化規(guī)律。盡管衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以反演懸浮濃度，但是以往的相關(guān)研究多是季節(jié)、潮內(nèi)和大小潮變化研究。本文利用2003—2014年MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演了渤海表層懸浮物濃度，并研究了渤海表層懸浮物的長期變化趨勢。研究結(jié)果表明，渤海表層懸浮物濃度從2003—2014年呈現(xiàn)下降的趨勢，下降速度為0.22 mg·L-1·a-1。其中萊州灣表層懸浮物濃度下降速度最快，達(dá)到了1.08 mg·L-1·a-1，渤海中央?yún)^(qū)域的表層懸浮物濃度基本沒有變化。渤海表層懸浮物濃度的這種長期變化趨勢可能是由渤海地區(qū)的季風(fēng)信號持續(xù)減弱、近年來大規(guī)模的圍填海工程以及黃河輸沙量不斷下降引起的。

致謝:感謝NASA提供MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，讓本文的研究工作得以進(jìn)行。

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責(zé)任編輯 龐 旻

Long-Term Variation of Suspended Sediment Concentration in the Bohai Sea Based on Retrieved Satellite Data

ZHOU Zhou1, ZHANG Wan-Lei2, JIANG Wen-Sheng3,4, WANG Xiao3, BIAN Chang-Wei4

(1.College of Oceanic and Atmospheric Science, Ocean University of China, Qingdao, 266100, China; 2.Qinhuangdao Marine Environmental Monitoring Central Station of SOA, Qinhuangdao 066002, China; 3.Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 4.Key Laboratory of Physical Oceanography, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Climate change and human activities greatly affect the suspended sediment concentration (SSC) of the Bohai Sea. As a result, the ecology environment, fishery resources and coastal engineering structures in the Bohai Sea are potentially threatened by these changes. However, due to the lack of the long-term SSC observation field data, it is still not clear about the long-termvariation of the SSC in the Bohai Sea and what mechanisms dominant the variation. Based on the MODIS satellite data (2003—2014), spatial and seasonal variations of SSC in the Bohai Sea are studied. The results show that SSC of the Bohai Sea show clear long-termvariation besides the seasonal variation. The sea surface SSC in the Bohai Sea decrease 1.49% annually (0.22 mg·L-1·a-1). The Laizhou Bay shows the highest decrease of SSC with decrease speed of 3.47%/a (1.08 mg·L-1·a-1). The SSC of the Liaodong Bay decreases 1.51% annually (0.17 mg·L-1·a-1) while the SSC decrease speed of the BohaiBay is 1.40%/a (0.33 mg·L-1·a-1). No obvious decrease trend is found in the Central Bohai Sea. The decrease trend of the SSC in the Bohai Sea is probably related to the long-term decrease of the wind speed in the Bohai Sea, the increase of the sea bed sediment size caused by the water and sediment regulation of the Yellow River and the reclamation in the Laizhou Bay and Bohai Bay.

suspended sediment; the Bohai Sea; remote sensing; seasonal variation; long-term variation

煙臺海岸帶研究所項(xiàng)目(XDA11020401)；博士后基金項(xiàng)目(2014M551956)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41530966)；山東省重點(diǎn)基金項(xiàng)目(ZR2010DZ002)資助 Supported by Yantai Institute of Coastal Zone Research Foundation (XDA11020401); China Postdoctoral Science Foundation funded project (2014M551956); National Natural Science Foundation of China (41530966); Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2010DZ002)

2016-04-13；

2016-05-26

周 舟(1991-)，男，碩士生。E-mail: zhou_z@foximail.com

** 通訊作者：E-mail: wsjang@ouc.edu.cn

P734.2+3

A

1672-5174(2017)03-010-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20160124

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