朱穎濤，馮秀麗,2，朱龍海,2，胡日軍,2，姜勝輝,2

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

2.中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室，青島 266100

水體中懸浮體是入海河流向海洋輸送污染物和營養(yǎng)物質(zhì)的主要載體之一，其不僅反映了海洋沉積動力特征，同時也記錄了源區(qū)、輸運(yùn)路徑的地球化學(xué)元素和礦物等信息。懸浮體在水體中的濃度大小、分布特征及輸運(yùn)規(guī)律對海洋生態(tài)環(huán)境和資源的分布有重要影響。中國入海河流懸浮體向渤黃東海輸運(yùn)會影響中國海洋物質(zhì)通量，對全球海洋物質(zhì)循環(huán)的研究具有重要意義[1-3]。由于陸源物質(zhì)供給和海洋水動力的季節(jié)變化，陸架淺海懸浮體濃度和分布也呈季節(jié)性變化[4-6]。受東亞季風(fēng)影響，渤、黃海水動力整體呈現(xiàn)冬強(qiáng)、夏弱的特征，陸源河流攜帶的大量物質(zhì)在夏季沉積后，在冬季又發(fā)生再懸浮繼續(xù)輸運(yùn)[7]。懸浮體濃度分布能較好地反映物源供給、水動力及季風(fēng)的周期性變化特征。山東半島近岸泥質(zhì)區(qū)呈“Ω”型或反C型的獨(dú)特分布特征，其物質(zhì)主要來源于沿岸流攜帶的黃河入海沉積物，平均沉積速率約3.7 mm/ka[8-13]，泥沙沉積后受潮流、波浪以及水團(tuán)的多重影響發(fā)生再懸浮和搬運(yùn)過程。前人通過海洋觀測、遙感反演和數(shù)值模擬等方法，對山東半島附近海域的懸浮體輸運(yùn)和沉積過程開展了研究，并取得了一系列成果。Wang 等[14]通過高分辨率海洋-大氣-波浪-沉積耦合COAWST模式系統(tǒng)的數(shù)值模擬，認(rèn)為鋒面和躍層對山東半島近岸海域的懸浮體輸運(yùn)和沉積產(chǎn)生了明顯影響，并且控制了泥質(zhì)體沉積中心的發(fā)育。王勇智等[15]通過對山東半島東部冬季潮流和懸浮體濃度觀測，認(rèn)為每年冬季約有（8.09～22.91）×104t的懸浮體經(jīng)山東半島東部近岸海域向南輸運(yùn)。學(xué)者普遍認(rèn)為山東半島附近海域懸浮體主要來自于沉積物的再懸浮，但是對波浪和潮流在沉積物再懸浮過程中的作用存在爭議。趙一陽等[16]認(rèn)為冬季風(fēng)浪是底層沉積物再懸浮的主要動力，而邊昌偉[17]及Zeng等[18]則認(rèn)為強(qiáng)風(fēng)浪能顯著增強(qiáng)海底沉積物的再懸浮，但波高＜1 m的風(fēng)浪，對底質(zhì)沉積物的再懸浮作用較小，主要影響水體的垂向混合，潮流是沉積物再懸浮的主控因素。

前人對山東半島附近海域的懸浮體輸運(yùn)取得了豐碩的研究成果，但是研究多集中于大海域范圍，缺少近岸大比例尺、高精度的實測資料。本文選擇山東半島近岸泥質(zhì)區(qū)分布的典型區(qū)域——東北部近岸海域作為研究區(qū)（如圖1、圖2所示），其位于北黃海與南黃海的交界區(qū)域，不僅是內(nèi)外海之間重要的物質(zhì)輸運(yùn)通道，而且是多源物質(zhì)的匯聚區(qū)[19-22]。通過開展大比例尺、高精度的不同季節(jié)水文泥沙調(diào)查，分析山東半島近岸海域懸浮體的水平和垂向季節(jié)分布特征，探討懸浮體濃度分布和季節(jié)變化的控制因素，研究成果對于完善山東半島泥質(zhì)區(qū)沉積物輸運(yùn)機(jī)制具有重要意義。

1 區(qū)域概況

研究區(qū)位于山東半島東北部近岸海域、北黃海南部。該區(qū)屬于溫帶季風(fēng)性氣候，冬季以強(qiáng)度大的北風(fēng)和西北風(fēng)最為盛行，平均風(fēng)速較高，約為6～7 m/s，夏季以南風(fēng)和東南風(fēng)為優(yōu)勢風(fēng)向，風(fēng)速較小，平均約為 5～6 m/s。研究區(qū)最大水深 42 m，平均水深約25 m，以正規(guī)半日潮占主導(dǎo)，M2分潮為黃海潮波的主要分潮[23]。潮流流速約為20～60 cm/s，自成山頭向西北方向M2分潮流速逐漸減小[24]。研究區(qū)受季節(jié)性環(huán)流影響明顯，冬季魯北沿岸流和黃海暖流作用較大[25-26]；夏季北黃海冷水團(tuán)主要影響水深50 m以上海域[27-28]，與研究區(qū)距離也較近（如圖1所示）。受到季風(fēng)和地形影響，波浪表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性變化，冬季波高較大，平均波高為0.9～1.9 m；夏季波高較小，平均波高為0.5～1.0 m[23]。研究區(qū)沉積物類型以砂質(zhì)粉砂和粉砂為主[10]。

2 資料與方法

2.1 資料來源

中國海洋大學(xué)于2018年夏季（8月1——5日）和冬季（12月22——25日）在山東半島東北部海域開展了7條斷面、87個站位大面站水文泥沙現(xiàn)場調(diào)查，取樣站位如圖2所示。調(diào)查內(nèi)容包括水體溫度、鹽度、懸浮體濃度和濁度。

2.2 調(diào)查與處理方法

水體溫度（℃）、鹽度（PSU）、水深（m）采用美國TRDI公司CTD-NV型溫鹽深儀進(jìn)行測量，采樣頻 率 5 Hz， 溫 度 和 鹽 度 測 量 精 度 為 ±0.005 ℃ 和±0.005PSU；水體濁度（FTU）采用英國Aquatec公司生產(chǎn)的Aqualogger 310TY型濁度儀進(jìn)行現(xiàn)場測量，采樣頻率 1 Hz，量程0～200FTU，測量精度為±0.01FTU。儀器從水面下海底勻速釋放，釋放速度約 0.5 m/s。同時，各站位采集表層（距海面約 1 m）、中層（0.5H，H為水深）和底層（距海底約 1 m）水樣，體積約1000 mL，用于懸浮體質(zhì)量濃度的測定。水體懸浮體濃度通過室內(nèi)抽濾實驗測定[29]。溫度、鹽度和濁度平面和垂向分布圖采用surfer11.0軟件繪制，運(yùn)用克里金差值方法，平面分布圖差值步長約330 m，垂向分布圖差值步長約 370 m。

2.3 懸浮體濃度與濁度的關(guān)系

研究區(qū)每個站位只進(jìn)行了表、中、底3層水體取樣，無法詳細(xì)呈現(xiàn)懸浮體濃度的垂向變化特征。由于濁度采用儀器測量，采樣精度高，為更清晰地呈現(xiàn)懸浮體濃度垂向分布特征，本文采用水體濁度（單位：FTU）替代懸浮體濃度（單位：mg/L）進(jìn)行分析[30-32]。通過冬季各站位表、中、底3層水體懸浮體濃度實驗結(jié)果和相應(yīng)的濁度測量結(jié)果相關(guān)性分析表明，研究區(qū)水體懸浮體濃度與濁度的相關(guān)性非常好（R2=0.92）（圖3），說明水體濁度是懸浮體濃度（SSC）的良好替代性指標(biāo)。

圖1 黃海冬季環(huán)流及夏季冷水團(tuán)分布圖[23]B.S.: 渤海海峽，SLCC：遼南沿岸流，SBCC：渤南沿岸流，NSCC：魯北沿岸流，SSCC山東半島南部沿岸流，KCC：朝鮮半島沿岸流，NJCC：蘇北沿岸流，YSWC：黃海暖流，CDW：長江沖淡水，KC：黑潮，YSCW：黃海冷水團(tuán)（10 ℃等溫線包圍的水體）。Fig.1 Winter circulation and cold water mass in summer in Yellow Sea[23]B.S.: Bohai Strait, SLCC: South Liaoning coastal current, SBCC: South Bohai coastal current, NSCC: North Shandong Peninsula coastal current, SSCC: South Shandong Peninsula coastal current, KCC: Korean Peninsula coastal current, NJCC: North Jiangsu coastal current, YSWC: Yellow Sea warm current, CDW:Changjiang River diluted water, KC: Kuroshio Current, YSCW: Yellow Sea Cold Water （Water surrounded by isotherms at 10 ℃）.

3 結(jié)果

3.1 研究區(qū)水溫和鹽度分布特征

3.1.1 夏季水溫和鹽度分布特征

（1）水溫和鹽度分布特征

夏季，研究區(qū)各層水溫平面分布顯示，表層水溫普遍較高，溫度為20.4～28.8 ℃，呈近岸低、遠(yuǎn)岸高的特征；中層（0.5H）水溫為 15.0～21.7 ℃；底層水溫為14.2～21.0 ℃，呈近岸高、遠(yuǎn)岸低的特征（圖4）。在近岸淺水區(qū)域不同層位水溫變化較小，遠(yuǎn)岸深水區(qū)域分布不同層位水溫差異較明顯；隨著水深增大，中、底層水溫差異減小。水溫垂向分布顯示（圖5），夏季水體層化現(xiàn)象顯著，但近岸淺水區(qū)域水體層化呈上下波動的特征。底層冷水向岸呈楔形分布，且其楔入程度受水深地形影響，近岸海域水深越大，受冷水影響越大（圖5 Trend 01，Trend 02），水深相近海域冷水楔進(jìn)程度相近（圖5 Trend 05, Trend 06）。

圖2 研究區(qū)位置及取樣站位圖Fig.2 Location of the study area and sampling sites

圖3 懸浮體濃度與濁度相關(guān)性圖Fig.3 Correlation between suspended sediment content and water turbidity

夏季，研究區(qū)各層水體鹽度平面分布顯示，表、中、底三層水體鹽度分別為31.71～32.28PSU、31.70～32.25PSU、31.85～32.31PSU（表1）。各層鹽度平面分布總體趨勢一致，均呈東南高、西北低的特征（圖4）。水體鹽度垂向上變化較小，從底到表有先增大后減小的變化特征（圖5）。

（2）溫躍層特征

根據(jù)垂直梯度法，淺水海域（水深＜200 m），溫躍層的溫度梯度最低標(biāo)準(zhǔn)值為0.2 ℃/m[33]。本文將垂直梯度值大于或等于上述最低指標(biāo)值的水層劃定為溫度躍層，其上下端點(diǎn)所在深度作為躍層上界深度和下界深度。分析結(jié)果表明，研究區(qū)夏季水體存在明顯的溫躍層。溫躍層的上界在0～1 m水深范圍，下界深度在2.4～22.2 m水深范圍，下界深度明顯受水深地形影響，在研究區(qū)北部深水區(qū)，溫躍層下界可達(dá)20 m水深處；在近岸淺水區(qū)域，溫躍層僅在5 m以淺范圍內(nèi)。在水深相近的研究區(qū)中部海域，溫躍層的下界深度也存在明顯差異，研究區(qū)東部的溫躍層下界深度（8～10 m）要明顯淺于西部區(qū)域（約 14 m）（圖6）。

3.1.2 冬季水溫和鹽度分布特征

冬季，研究區(qū)水溫和鹽度平面分布顯示，各層水溫均為 6.3～9.9 ℃，鹽度均為 31.1～32PSU（表2），水溫和鹽度均呈近岸低、遠(yuǎn)岸高的特征（圖7）。

表1 夏季溫度、鹽度Table 1 Water temperature and salinity in summer

圖4 夏季水溫、鹽度平面分布圖Fig.4 Plane distribution of water temperature and salinity in summer

圖5 夏季典型斷面水溫、鹽度垂向分布圖Fig.5 Vertical distribution of water temperature and salinity in summer

圖6 夏季溫躍層厚度分布圖Fig.6 Plane distribution of thermocline thickness in summer

從冬季典型斷面水溫和鹽度剖面顯示，水體垂向混合劇烈，近岸和遠(yuǎn)岸水體之間存在明顯的溫、鹽切變鋒面（圖8），在Trend 01斷面上鋒面在WH06和WH07之間，Trend 02斷面上鋒面在WH16和WH17之間。在鋒面兩側(cè)的水體溫度和鹽度比較均勻。其他斷面由于離岸較近，未觀測到明顯的水溫和鹽度鋒面。

3.2 研究區(qū)水體濁度分布特征

3.2.1 夏季濁度分布特征

夏季，研究區(qū)水體濁度平面分布特征顯示，表層濁度普遍較低（0.2～2.3FTU）（表3），威海灣及劉公島近岸區(qū)域水體濁度相對較高；中層（0.5H）濁度（0.2～8.9FTU）略高于表層，呈近岸高、遠(yuǎn)岸低，東南高、西北低的分布特征；底層濁度（2.9～37.8FTU）最高，呈東南高、西北低的分布特征（圖9）。

表2 冬季水溫和鹽度特征值Table 2 Water temperature and salinity in winter

圖7 冬季水溫、鹽度平面分布圖Fig.7 Plane distribution of water temperature and salinity in winter

圖8 冬季典型斷面水溫和鹽度垂向分布圖Fig.8 Vertical distribution of water temperature and salinity in winter

表3 冬季和夏季水體濁度特征值Table 3 Water turbidity in winter and summer FTU

研究區(qū)典型斷面水體濁度垂向分布顯示，懸浮體濁度明顯呈底層高、表層低的梯度變化（圖10）。在20 m以深區(qū)域，水體上部存在厚10 ～20 m且濁度較?。ǎ?FTU）的均勻?qū)樱浜穸扰c水深大小大致呈正相關(guān)關(guān)系，水深大則均勻?qū)雍瘢钚t均勻?qū)颖　?/p>

3.2.2 冬季濁度分布特征

冬季，研究區(qū)水體濁度從表至底逐漸增大，表層水體濁度為1.5～22.4FTU，中層（0.5H）水體濁度為2.3～44.0FTU，底層水體濁度為3.9～100.1FTU。各層水體濁度平面分布特征基本一致，研究區(qū)中部存在高濁度區(qū)，自東向西呈舌狀分布，自中部向海灣和外海兩側(cè)濁度逐漸降低（圖11）。

研究區(qū)水體濁度垂向分布特征顯示，底層濁度略高于表層，沿剖面方向底部濁度越高、表層濁度相應(yīng)也較高（如圖12所示）。受水體垂向混合作用，濁度分層現(xiàn)象不明顯，例如Trend 02斷面的WH16、WH17和WH18站位的水體濁度基本不隨水深變化。

圖9 夏季水體濁度平面分布圖Fig.9 Plane distribution of water turbidity in summer

圖10 夏季典型斷面水體濁度垂向分布圖Fig.10 Vertical distribution of water turbidity in summer

4 討論

前人研究表明，山東半島泥質(zhì)區(qū)的沉積物主要來源于冬季發(fā)育的由西向東的魯北沿岸流攜帶的黃河物質(zhì)[8-13]。但是，從研究區(qū)濁度平面分布來看，冬、夏兩季均呈現(xiàn)出東高西低的特征，這一特征與沿岸流的運(yùn)動方向相反，說明懸浮體的來源有待商榷。同時，濁度垂向分布特征顯示，底層的懸浮體濃度明顯高于表層，尤其夏季濁度自底層往上階梯式減小，說明底質(zhì)沉積物再懸浮才是懸浮體的主要來源，與前人研究結(jié)論一致[14-15]。沉積物再懸浮之后，在潮流、波浪以及水體結(jié)構(gòu)等綜合因素的控制下發(fā)生輸運(yùn)和再次沉積。

4.1 潮流對懸浮體輸運(yùn)的影響

M2分潮是研究區(qū)的主要分潮[17]，如圖13可見，研究區(qū)以東為成山頭強(qiáng)潮區(qū)海域，M2分潮流速可達(dá)50～70 cm/s；以西為威海北部弱潮區(qū)海域，M2分潮流速低至30 cm/s[34]。潮流平面不均勻性對泥沙輸運(yùn)的作用不容忽視。

夏季，整個黃海受東南季風(fēng)的影響，波浪作用很小，水體垂向混合弱，潮流對懸浮體的分布、輸運(yùn)及沉積過程起到了主導(dǎo)作用[35-36]。由于海底底摩擦作用，潮流出現(xiàn)水體層間流速不等現(xiàn)象，平均運(yùn)動的動能將轉(zhuǎn)化成湍流而消耗，湍流應(yīng)力將克服海水浮力而做功。水深越小，湍流越強(qiáng)[37]。遠(yuǎn)岸深水區(qū)域，地勢平緩，水體湍動能較小，無法打破水體層化，使得上層海水懸浮體濃度非常低并且均勻分布；而在近岸淺水區(qū)，潮混合作用的效果體現(xiàn)的異常明顯，上層水體的懸浮體濃度較深水區(qū)明顯增大，說明在潮混合和波浪的共同作用下，近岸水體的層化被打破，水體垂向混合加強(qiáng)，底層的懸浮體被帶到上層水體中。同時，潮混合作用使上層水體溫度相對降低，下層水體溫度相對升高。這一個過程使得深水和淺水區(qū)域之間溫度梯度增大，阻礙了懸浮體在深水和淺水區(qū)域的交換，一定程度上影響了懸浮體的水平輸運(yùn)。

冬季由于強(qiáng)風(fēng)浪的影響，潮流作用在垂向上的體現(xiàn)相對變?nèi)酰饕求w現(xiàn)在懸浮體平面分布特征上。東部強(qiáng)潮區(qū)底層水體懸浮體濃度明顯比西部弱潮區(qū)水體懸浮體濃度高，冬季潮流主要影響研究區(qū)懸浮體的平面分布。

4.2 波浪對懸浮體輸運(yùn)的影響

波浪也是黃海沉積物再懸浮的主要動力之一。研究區(qū)夏季盛行偏南風(fēng)，風(fēng)速弱；冬季盛行偏北風(fēng)，風(fēng)速強(qiáng)。受季風(fēng)影響，研究區(qū)波浪也存在季節(jié)性變化。冬季研究區(qū)平均波高為0.9～1.9 m，夏季平均波高約為 0.5～1 m[35-36]。Wei Zhong 等[38]根據(jù)風(fēng)況資料計算，夏季浪基面可達(dá)30 m以上（大于研究區(qū)平均水深25 m），冬季浪基面更深，波浪對懸浮體的影響不容忽視。

研究區(qū)濁度分布特征顯示，冬季底層水體濁度最大值達(dá)到100.1FTU，明顯大于夏季（37.8FTU）；冬季表層水體的濁度最大值為22.4FTU，明顯高于夏季（2.3FTU）。溫鹽的垂向分布顯示，冬季水體垂向上的溫鹽值基本一致，而夏季水體的溫度隨水深增大逐漸降低。綜合溫鹽和濁度特征表明，波浪不僅促進(jìn)了沉積物的再懸浮，而且加強(qiáng)了水體的垂向混合及懸浮體的垂向運(yùn)動。

4.3 溫躍層對懸浮體輸運(yùn)的影響

溫躍層附近常發(fā)育湍流邊界層，水體變得極為穩(wěn)定，抑制了底層懸浮體向上擴(kuò)散，使得沉積物主要集中在溫躍層以下輸運(yùn)[39-40]。從WH06、WH15和WH75三個典型站位水溫和濁度的垂向分布可見，溫度和濁度在垂向上的變化相反，溫躍層以下水體濁度顯著高于上部水體濁度（圖14）。底部再懸浮的泥沙在湍流作用下隨機(jī)向上運(yùn)動，但是受到溫躍層的阻隔，再懸浮的泥沙無法向上部運(yùn)動，使得上部水體中的懸浮體濃度很低，濁度相應(yīng)地減小，小于1FTU。因此，溫躍層阻礙了懸浮體的垂向運(yùn)動。

圖14 典型站位水溫和濁度垂向變化圖Fig.14 Vertical variation diagrams of water temperature and turbidity at some typical stations

4.4 溫鹽鋒面對懸浮體輸運(yùn)的影響

鋒面是指物理性質(zhì)不同的兩種水團(tuán)或水系的交界面，其常常表現(xiàn)為梯度變化的極大值。最明顯的鋒面發(fā)生在兩種不同密度的水體之間。鋒面不僅會影響水體的混合及營養(yǎng)元素、污染物等的富集[41-42]，同時其穩(wěn)定的水體結(jié)構(gòu)和弱水動力條件，對沉積物輸運(yùn)及沉降過程起到了重要作用[43-44]。

冬季水體垂向混合均勻，其溫鹽鋒面與夏季的形成機(jī)理完全不同，起因于環(huán)流作用。在強(qiáng)冬季風(fēng)的影響下，低溫、低鹽的魯北沿岸流和高溫、高鹽的黃海暖流發(fā)育明顯，黃海暖流進(jìn)入北黃海之后在123°E、37.7°N 左右自東向西經(jīng)過研究區(qū)北部[45]。由研究區(qū)表層水體T-S圖可見，研究區(qū)可分為三種不同性質(zhì)的水體，分別為高溫高鹽水、低溫低鹽水和過渡帶水（圖15左），這一特征恰好響應(yīng)了研究區(qū)的環(huán)流特征。近岸低溫低鹽水體（溫度：6.2～7.8 ℃，鹽度：31.1～31.5PSU），影響研究區(qū)約離岸 30 km以內(nèi)的整個近岸海域；遠(yuǎn)岸高溫高鹽水體（溫度：9.8～10 ℃，鹽度：31.9～32.1PSU），影響研究區(qū)的北部海域。在兩個性質(zhì)迥異的水團(tuán)之間，水溫和鹽度均呈現(xiàn)階梯式變化，形成近東西向的水溫和鹽度的切變鋒。在溫鹽鋒面的影響下，東部高濃度懸浮體難以向北擴(kuò)散，主要向西擴(kuò)散，使得研究區(qū)北部的懸浮體濃度急劇下降，濁度在5FTU以內(nèi)，研究區(qū)中部形成了條帶狀的高濁度帶。從典型斷面Trend03的濁度分布與溫鹽鋒面圖可知（圖15右），鋒面兩側(cè)的濁度相差巨大，說明溫鹽鋒面阻礙了懸沙的水平輸運(yùn)。輸運(yùn)模式概念圖詳見圖16。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)懸浮體濃度存在明顯的季節(jié)變化，夏季濁度為0.2～37.8FTU，冬季濁度為1.5～100.1FTU，均表現(xiàn)為底高表低、東高西低的特征。

（2）夏季水溫分層明顯，表現(xiàn)為表高底低的特征，鹽度整體變化較?。欢緶佧}垂向上混合均勻，平面上表現(xiàn)為近岸低溫低鹽水體向遠(yuǎn)岸高溫高鹽水體的過渡。

圖15 冬季表層水體T-S圖（左），Trend03溫鹽鋒面位置與濁度分布圖（右）Fig.15 The T-S diagram of surface water in winter（left）and the temperature and salinity front position and turbidity distribution map in Trend03（right）

圖16 冬夏季輸運(yùn)模式概念圖Fig.16 Conceptual transportation models in winter and summer

（3）研究區(qū)懸浮體濃度分布特征受控于潮流、波浪、溫躍層和溫鹽鋒面。夏季，懸浮體垂向上受到溫躍層影響，底層懸浮體難以向表層輸運(yùn)；平面上近岸潮混合和波浪作用阻礙了懸浮體的水平輸運(yùn)。冬季，強(qiáng)風(fēng)浪促使懸浮體垂向混合劇烈，表層懸浮體濃度明顯較夏季變高；平面上魯北沿岸流和黃海暖流形成的溫、鹽鋒面阻礙了水團(tuán)間懸浮體的輸運(yùn)。