李玨，喬璐璐，Le DucCuong，薛文靜，楊宏達(dá)，王勇智，姚志剛

1. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，青島 266100

2. 海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266100

3. 越南科學(xué)院海洋環(huán)境與資源研究所，海防 180000

4. 自然資源部第一海洋研究所，青島 266061

5. 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266100

北部灣位于南海西北部，北面為我國廣西沿海，東面與雷州半島、海南島相鄰，西面為越南沿海，南面即南海深水盆地，以瓊州海峽與南海北部陸架相連。北部灣等深線大體與岸線平行，由海岸向?yàn)硟?nèi)和灣口地區(qū)逐漸加深，平均水深約為50 m（圖1）。入海河流眾多，其中越南沿岸主要有紅河，海南島沿岸有珠碧江、昌化江，廣西沿岸有南流江、欽江、防城河等[1-2]。

圖1 北部灣區(qū)域圖Fig.1 Map of Beibu Gulf

懸浮體輸運(yùn)過程中的“源”與“匯”是陸-海相互作用研究的核心內(nèi)容[3-4]，對(duì)表層懸浮體分布的研究可以為北部灣水質(zhì)環(huán)境和與南海間物質(zhì)交換等研究提供基礎(chǔ)資料。由于北部灣特殊的地理位置，我國于20 世紀(jì)60 年代初與越南合作開展了兩次覆蓋整個(gè)北部灣海域的海洋綜合調(diào)查[5-6]，對(duì)北部灣區(qū)域水文氣候、地質(zhì)地貌等多個(gè)方面進(jìn)行了研究。此后，我國對(duì)北部灣海域獨(dú)立開展的調(diào)查研究多局限于東部海域[7]，大多學(xué)者主要基于近岸局部海域的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)開展懸浮體分布與輸運(yùn)研究。

21 世紀(jì)以來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星遙感成為獲取大范圍海域長時(shí)間連續(xù)數(shù)據(jù)的有力手段，為懸浮體濃度（suspended sediment concentration，SSC）的獲取提供了更多的可能[8-11]。一些學(xué)者基于衛(wèi)星遙感資料和實(shí)測水文泥沙資料，對(duì)北部灣懸浮體分布、葉綠素濃度、海表溫度和濁度的季節(jié)變化趨勢進(jìn)行了研究。北部灣懸浮體分布具有明顯地域性特征，瓊州海峽和海南島西部近海SSC 由近海向海灣中部逐漸減小[12-13]，濃度整體較小，在廣西沿海最高值僅為50 mg/L[14]。河流輸沙是北部灣懸浮體的主要來源，灣頂?shù)哪狭鹘橇轂硲腋◇w的主要物質(zhì)來源[15]，灣西岸的紅河攜帶大量懸浮體入海。河流入海懸浮體在沿岸流的作用下會(huì)向外海輸運(yùn)，但大部分會(huì)在河口附近沉積[16-18]，入海口附近SSC 明顯較高[19]。海南島西南海域，受冬季離岸風(fēng)等影響，海表懸浮體在風(fēng)浪和潮流作用下發(fā)生再懸浮，高濃度懸浮體向深海方向逐減擴(kuò)展。冬季，在季風(fēng)作用下北部灣水體垂向混合增強(qiáng)，海灣中部葉綠素濃度升高[20]；夏季北部灣水體出現(xiàn)層化，中央海域葉綠素濃度、水體濁度均較低[21-22]。洋流、季風(fēng)、離岸流、河流入海、近岸地形等，是控制北部灣海域SSC 分布的主要因素。利用衛(wèi)星遙感資料對(duì)臺(tái)風(fēng)前后SSC 及分布特征進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)易造成SSC 劇烈變化，如2014 年7 月“威馬遜”臺(tái)風(fēng)過境后，越南中東部北部灣海域、雷州半島西側(cè)SSC 增幅明顯，海南島西北部局部地區(qū)由臺(tái)風(fēng)前的2.86 mg/L 增加到7.68 mg/L[23]。但由于受實(shí) 測數(shù)據(jù)海域位置的限制，目前基于遙感手段對(duì)北部灣表層懸浮體的研究，在部分海域如海灣西部精度不高，且缺乏對(duì)SSC 季節(jié)變化的研究。

本文基于2003—2017 年MODIS-Aqua 衛(wèi)星海表反射率數(shù)據(jù)，利用海南島西部、瓊州海峽、北部灣灣頂和越南沿岸等實(shí)測SSC，通過建立遙感反射率和實(shí)測表層SSC 的擬合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)南海北部灣表層SSC 的反演，研究其季節(jié)變化規(guī)律以及影響機(jī)制。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

MODIS（moderate resolution imaging spectroradiometer）是美國EOS（地球觀測系統(tǒng)）計(jì)劃的主要傳感器之一，其數(shù)據(jù)可以從NASA 官網(wǎng)（https://www.nasa.gov/）免費(fèi)申請(qǐng)獲得。本文收集了2003—2017年MODIS-Aqua 衛(wèi)星每個(gè)白天的L1B 數(shù)據(jù)，空間分辨率1 km，空間范圍16°～22°N，105°～111°E，用于分析研究海域表層SSC 季節(jié)變化特征。

風(fēng) 場 資 料 來 源 于RSS（remote sensing systems）的CCMP（cross-calibrated multi-platform）風(fēng)場，該資料結(jié)合了遙感、浮標(biāo)以及模型計(jì)算結(jié)果，時(shí)間分辨率6 h，空間分辨率0.25°×0.25°。熱帶氣旋（tropical cyclone，TC）數(shù)據(jù)來源于Unisys Weather 相關(guān)網(wǎng)站（http://50.206.172.193/hurricane/w_pacific/index.php）以及美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）官方網(wǎng)站（https://www.noaa.gov/）。

現(xiàn)場實(shí)測資料包括表層SSC 數(shù)據(jù)和河流含沙量數(shù)據(jù)。實(shí)測表層SSC 數(shù)據(jù)來源于越南海洋環(huán)境和資源研究所、自然資源部第一海洋研究所、中國海洋大學(xué)的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，并收集了部分文獻(xiàn)資料[7,24]。實(shí)測表層SSC 數(shù)據(jù)用于遙感反射率反演，站位基本覆蓋了北部灣北側(cè)、東側(cè)、西側(cè)的懸浮體高濃度區(qū)。河流附近含沙量數(shù)據(jù)包括越南海洋環(huán)境和資源研究所提供的紅河2009 年Balat 河口含沙量，以及昌化江下游水體多年月平均含沙量數(shù)據(jù)[25]。

1.2 遙感反射率反演

利 用NASA 官 網(wǎng) 提 供 的Seadas 軟 件，對(duì)MODIS-Aqua 衛(wèi)星的L1B 級(jí)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行除云，削弱太陽耀斑影響，保留反射高值等處理后，將其轉(zhuǎn)換成各波段的遙感反射率（Rrs）數(shù)據(jù)，最終獲得412、443 nm 等共10 個(gè)波段的反射率。

在利用衛(wèi)星遙感反演海洋表層SSC 的研究中，大多數(shù)學(xué)者都是選取對(duì)SSC 分布敏感的反射波段進(jìn)行組合[26]。本研究借鑒Zhang 等2010 年提出的反演算法來反演表層SSC[27]，提取與實(shí)測數(shù)據(jù)在空間和時(shí)間上最匹配的反射波段（即555、645、488 nm波段）進(jìn)行組合，建立反射波段Rrs 和實(shí)測表層SSC 的擬合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)北部灣表層SSC 的反演，反演公式見式（1）。

式 中：Rrs555、Rrs645、Rrs488 分 別 表 示555、645、488 nm 波段的反射率。通過對(duì)懸浮體敏感的555 nm 和645 nm 波段反射率進(jìn)行相加增加兩者相關(guān)性，同時(shí)減去488 nm 和555 nm 波段的反射率比值以削弱葉綠素對(duì)反演結(jié)果的影響。反演結(jié)果決定系數(shù)R2為0.84，均方根誤差RMSE 為3.71 mg/L，圖2 展示了MODIS 遙感反演結(jié)果與現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的擬合關(guān)系。

基于每日SSC，通過算術(shù)平均的方法，得到北部灣海域2003—2017 年多年平均表層懸浮體月均濃度。

2 北部灣表層SSC 分布

2.1 表層SSC 區(qū)域分布特征

北部灣海域表層SSC 整體較低，一般低于 50 mg/L，表現(xiàn)出明顯的近岸高、遠(yuǎn)岸低的分布特點(diǎn)。濃度等值線大致沿等深線分布。高SSC 區(qū)主要集中在廣西沿岸主要河流入海口處、海南島西側(cè)以及紅河各個(gè)分支入?？谔?，其中廣西沿岸、海南島西側(cè)和紅河三角洲沿岸SSC 大于20 mg/L（圖3），雷州半島西側(cè)大面積海域SSC 約為5 mg/L，海灣中部大部分海域SSC 低于1 mg/L。

圖2 北部灣實(shí)測表層SSC 與遙感反演結(jié)果對(duì)比圖Fig.2 Comparison between in-situ data and MODIS derived data for Beibu Gulf

圖3 北部灣2003—2017 年年均表層懸浮體分布Fig.3 Monthly surficial suspended sediment concentration in Beibu Gulf from 2003 to 2017

2.2 表層SSC 季節(jié)變化規(guī)律

北部灣海域表層SSC 全年在量級(jí)上差異不大，但仍表現(xiàn)出季節(jié)變化特征（圖4）。

12 月至次年2 月，北部灣沉積動(dòng)力環(huán)境表現(xiàn)為冬季特征，SSC 量值整體較高（圖4a—c）。近岸SSC 高值區(qū)分布范圍較大，但量值逐月減小。12 月為灣平均SSC 最高的月份，大面積海域SSC 大于1 mg/L，在海南島西側(cè)及越南紅河三角洲海域表層SSC 超過20 mg/L。

圖4 北部灣2003—2017 年多年平均各月SSC 分布圖Fig.4 Average monthly surficial SSC in Beibu Gulf

3—5 月，北部灣沉積動(dòng)力環(huán)境變化不大，表現(xiàn)為春季特征，SSC 較冬季整體下降（圖4d—f）。高值區(qū)（～20 mg/L）僅分布在幾個(gè)河流入?？?，海南島西側(cè)濃度仍較高，達(dá)10 mg/L。SSC 高值水體逐月往陸地方向回退，5 月灣中心海域SSC 降至0.5 mg/L。

6—8 月（圖4g—i），表現(xiàn)為夏季特征，近岸SSC 有所增大，中部海域SSC 仍較低。近岸高值區(qū)分布與冬季大體接近，主要集中在河流入?？谔帲秶黠@減小，冬季高濃度值與近岸淺水再懸浮有關(guān)，而夏季高值則與入海泥沙增多有關(guān)。在北部灣西岸紅河主要支流Balat 的入?？谔?，高濃度表層懸浮體往東方向上分布較遠(yuǎn)。8 月紅河三角洲附近海域SSC 達(dá)到全年最高，在紅河支流Van Uc 河口附近SSC 可超過50 mg/L。

9—11 月，表現(xiàn)為秋季特征，北部灣表層懸浮體開始向?yàn)持行臄U(kuò)展，SSC 仍較高。越南紅河三角洲沿岸SSC 高值區(qū)開始逐月減小，11 月僅在紅河支流入?？谔幱行》秶咧捣植?；但海南島西側(cè)SSC 逐月升高，并向南、向西擴(kuò)展，11 月SSC 可達(dá)20 mg/L。

縱觀整個(gè)海灣表層SSC 的時(shí)間變化，12 月至5 月北部灣區(qū)域（17.1°～21.92°N，105.6°～109.92°E[28]）平均SSC 一直呈逐月下降趨勢，6 月開始回升但在9 月又有回落，10 月為秋季SSC 最大月份。12 月北部灣區(qū)域平均SSC 約為3.40 mg/L，為全年最大，12 月 至 次 年1 月 冬 季 平 均SSC 約 為2.75 mg/L；3—5 月SSC 均較低，其中5 月為全年SSC 最低月份，SSC 約為1.74 mg/L，春季區(qū)域平均SSC 約為1.85 mg/L；夏季區(qū)域平均SSC 約為2.21 mg/L；秋季區(qū)域平均SSC 約為2.60 mg/L。

從空間分布來看，雷州半島西側(cè)終年存在著SSC 大 于2.72 mg/L 的 水 體，12 月 有 較 大 范 圍SSC大于7.39 mg/L 的水體分布；海南島西側(cè)SSC 的季節(jié)變化與雷州半島較為類似，但在昌化江等河流入?？诟浇嬖诮K年高值區(qū)；廣西沿岸也存在SSC 高值區(qū)，但范圍極??；紅河三角洲沿岸受紅河入海泥沙季節(jié)變化影響，在7、8、9、10 月高值分布都較為明顯，局部海域超過50 mg/L。

2.3 北部灣主要斷面表層懸浮體分布

選取北部灣紅河主要支流Balat 入?？谔帞嗝妫〝嗝鍭，圖5a）、海南島西側(cè)19.31°N 昌化江入?？诟浇鼣嗝妫〝嗝鍮，圖5b）分析河流入?？谔幐邼舛葢腋◇w月變化及近岸高濃度懸浮體向海灣中部擴(kuò)展特征，西岸灣口17.6°N 附近斷面（斷面C，圖5c）分析紅河入海物質(zhì)向南海輸運(yùn)特征，瓊州海峽109.92°E 處斷面（斷面D，圖5d）分析北部灣與南海北部陸架懸浮體輸運(yùn)特征，各斷面位置如圖1 所示。12 月至次年1 月，研究海域低濃度水體向海灣中部擴(kuò)展較遠(yuǎn)（圖5a—c），近岸在12 月存在小范圍的高值區(qū)。1—4 月近岸SSC 均較小，瓊州海峽南北向水體SSC 的梯度較大（圖5d）。5 月，研究海域各斷面近岸SSC 開始升高，Balat 入?？谠? 月達(dá)到最高，昌化江入?？谠? 月達(dá)到最高。9—11 月，近岸仍存在表層SSC 較高的水體，但范圍和向外擴(kuò)展距離均較小。瓊州海峽北側(cè)即雷州半島沿岸SSC終年高于南側(cè)，即海南島沿岸。

3 北部灣表層懸浮體分布控制因素

根據(jù)前人研究，表層SSC 分布與風(fēng)、海洋環(huán)流、入海泥沙通量等因素密切相關(guān)。

3.1 季風(fēng)和環(huán)流

根據(jù)CCMP 風(fēng)場計(jì)算的南海北部灣區(qū)域平均風(fēng)場，冬季盛行東北風(fēng)，平均風(fēng)速可超4 m/s；夏季盛行偏南風(fēng)，平均風(fēng)速小于4 m/s（圖5e）。夏季，北部灣西岸表層懸浮體的向東擴(kuò)展主要受控于季節(jié)風(fēng)向，偏南風(fēng)Ekman 作用下有利于其向海灣中部擴(kuò)展。冬季，在強(qiáng)北風(fēng)作用下，近岸出現(xiàn)懸浮體高濃度區(qū)，且海灣中部SSC 超過1 mg/L。

前人研究發(fā)現(xiàn)北部灣表層環(huán)流呈現(xiàn)較明顯的風(fēng)生流特征[29-36]。冬季，在風(fēng)場驅(qū)動(dòng)及地形約束下，越南沿岸表層環(huán)流為東南向沿海岸線流動(dòng)，可將北部灣懸浮體向南海輸運(yùn)（圖5c），Balat 河口處表層懸浮體向海灣中部擴(kuò)展不明顯（圖5a）；夏季受增溫和淡水徑流的影響，北部灣西岸仍為沿岸南下的沿岸流，南向季風(fēng)有利于近岸表層懸浮體向海灣中部擴(kuò)展（圖5a）。

圖5 北部灣主要斷面表層SSC(a,b,c,d)及北部灣區(qū)域平均風(fēng)場(e)隨時(shí)間變化Fig.5 Variation of surficial SSC and average wind field conditions （e） in the selected sections （a, b, c, d） of Beibu Gulf with time

瓊州海峽海流絕大多數(shù)時(shí)間向西，僅在夏季個(gè)別月份西風(fēng)風(fēng)速較大時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)向，而在雷州半島和瓊州海峽東側(cè)，逆時(shí)針渦旋流的存在促使其形成現(xiàn)代沉積中心，由此入海泥沙可穿越過瓊州海峽向西輸運(yùn)至北部灣[37-40]。

3.2 熱帶氣旋

除季風(fēng)、環(huán)流外，極端天氣也是影響北部灣表層懸浮體分布的重要原因。盡管夏季平均風(fēng)速較小，但在熱帶氣旋經(jīng)過時(shí)，風(fēng)速短時(shí)間內(nèi)急劇增大，往往會(huì)造成表層懸浮體的大幅升高，同時(shí)在控制區(qū)域環(huán)流的基礎(chǔ)上進(jìn)一步影響表層懸浮體的分布。

北部灣是熱帶氣旋發(fā)生頻率較高的海區(qū)[41-42]，2003—2017 年過境北部灣的各種等級(jí)TC 共有43 個(gè)，年均接近3 個(gè)，其中2013 年6 月，第5 號(hào)熱帶風(fēng)暴“貝碧嘉”穿過北部灣，過境風(fēng)速為35～0 m/s。選取2013 年6 月表層懸浮體分布與多年平均值進(jìn)行對(duì)比（圖6），可以看到受臺(tái)風(fēng)右側(cè)增強(qiáng)理論的作用，“貝碧嘉”路徑右側(cè)的SSC 較多年平均值（圖6b）明顯增大，即SSC 變化最劇烈的海域?yàn)槔字莅雿u西側(cè)，SSC 增幅超10 mg/L，可達(dá)多年平均值的75%；海南島西北海域SSC 增幅也可達(dá)50%。而在紅河三角洲30 m 等深線以淺的近岸淺水區(qū)，SSC 明顯降低，30 m 等深線以外的海灣中部SSC 則升高。這可能與無風(fēng)暴時(shí)近岸高濃度懸浮體被海洋鋒面限制在近岸淺水[43]，而風(fēng)暴加強(qiáng)了水平和垂直混合，使得近岸懸浮體得以向海灣中部輸運(yùn)，因此淺水區(qū)SSC 降低，深水區(qū)SSC 升高。

3.3 沿岸河流入海泥沙

北部灣沿岸有眾多河流攜帶懸浮泥沙入海，是影響河口地區(qū)SSC 分布的主要因素，各河流輸沙量主要表現(xiàn)為夏季高、冬季低的季節(jié)變化特征[44]。

廣西沿岸南流江、欽江輸沙量和流量均為夏半年較大[45-46]，因此，北部灣灣頂廣西沿岸夏季出現(xiàn)小范圍SSC 較高水體；但冬季沿岸河流處于枯水期，近岸淺水區(qū)SSC 高值主要受控于增強(qiáng)的海洋動(dòng)力。

在北部灣西岸，根據(jù)收集的2009 年紅河最大支流Balat 河口站含沙量數(shù)據(jù)（圖7），可以看出12 月至次年4 月入海河流含沙量較小，6—9 月雨季含沙量較大。河口斷面A 及a 站（位置如圖1）SSC 的季節(jié)變化及高濃度SSC 分布范圍與該河流輸沙量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，而北部灣灣口斷面C 處SSC 季節(jié)變化與Balat 入海河流含沙量變化無直接關(guān)聯(lián)，說明河流入海物質(zhì)只影響到河口附近海域。

海南島第二大河流昌化江入海口位于海南島西部。依據(jù)前人研究中昌化江河口水文資料[25]，可以看出昌化江入?？诤沉吭?2 月至次年4 月極小，在6—10 月較大；除10—12 月外，b 站（位置如圖1）SSC 與河流下游含沙量呈正相關(guān)（圖8）。這說明河流輸沙是昌化江河口鄰近海域懸浮體的主要來源。冬季12 月，盡管昌化江下游含沙量較低，但b 站SSC 仍較高，與冬季受該海域增強(qiáng)的風(fēng)浪和海流等海洋動(dòng)力控制有關(guān)。但10 月昌化江下游含沙量呈現(xiàn)異常增大，而SSC 相對(duì)較低，具體原因有待進(jìn)一步研究。

圖6 2013 年6 月北部灣表層懸浮體分布(a)及其與多年平均6 月的差值(b)Fig.6 Distribution of surficial suspended sediment in Beibu Gulf in June 2013 （a） and its difference from average annual mean in June （b）

圖7 2009 年各月15 日Balat 河口含沙量及a 點(diǎn)處多年月平均SSC 分布Fig.7 The sediment concentration in the Balat estuaries on the 15th of each month in 2009 and the SSC distribution of each month at site a

圖8 昌化江下游水體多年月平均含沙量[25]及b 站處多年月平均SSC 分布Fig.8 Average monthly sediment concentration at the lower reaches of the Changhua river[25] and the SSC distribution of each month at site b

4 結(jié)論

（1）北部灣海域表層SSC 高值區(qū)主要分布在紅河三角洲鄰近海域、廣西沿岸河流入海口處和海南島西部海域，這些海域SSC 終年較高，濃度均超過20 mg/L。

（2）北部灣表層SSC 呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征，全海域平均SSC 季節(jié)變化為：冬季、秋季、夏季和春季依次降低。冬季，近岸SSC 為年內(nèi)最高值，可超過50 mg/L；春季，隨著冬季風(fēng)的減弱，北部灣海域表層SSC 明顯降低；夏季，受河流入海泥沙增多影響，近岸河口附近SSC 升高；從9 月開始，隨著風(fēng)向轉(zhuǎn)換及徑流減弱，北部灣SSC 分布開始向冬季特征過渡。

（3）北部灣海域表層SSC 影響因素：冬季高濃度懸浮體主要受控于較強(qiáng)的冬季風(fēng)及波浪；夏季河流入海物質(zhì)的增多在河口形成高SSC 區(qū)，但冬季河口的高值區(qū)主要受控于海洋動(dòng)力要素；夏季盡管平均風(fēng)速較小，但熱帶氣旋可導(dǎo)致局部海域SSC 提升，2013 年6 月熱帶風(fēng)暴“貝碧嘉”導(dǎo)致路徑右側(cè)表層SSC 增幅達(dá)75%，從海南島過境的熱帶氣旋有利于海南島沿岸物質(zhì)向?yàn)持行妮斔汀?/p>

致謝：在反演過程中得到了廣東海洋大學(xué)李薛提供的廣東海洋大學(xué)海洋遙感信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室MODIS 衛(wèi)星遙感懸浮泥沙資料，在此表示衷心的感謝。