毛 政， 王 楠， 宋德海,2， 鮑獻(xiàn)文,2， 仲 毅

(中國(guó)海洋大學(xué) 1. 海洋與大氣學(xué)院； 2. 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 3. 海洋地球科學(xué)學(xué)院， 山東 青島 266100)

河口是陸海相互作用地帶，河口泥沙輸運(yùn)是研究陸海相互作用的重要內(nèi)容[1]。黃河口是典型的高濁度河口，入海泥沙量巨大。黃河入海泥沙大部分沉積在河口附近，秦蘊(yùn)珊等[2]研究表明，大約70%的黃河入海泥沙沉積在距河口10～15 km范圍內(nèi)。切變鋒是控制黃河入海泥沙擴(kuò)散以及河口演變的一個(gè)重要因素[3-5]，在潮流和切變鋒的共同作用下，黃河入海泥沙大部分沉積在河口附近5 m等深線以淺的范圍內(nèi)[5]。研究切變鋒的特征及其對(duì)泥沙輸運(yùn)的影響，對(duì)于理解黃河口泥沙輸運(yùn)過(guò)程具有重要意義。

切變鋒是指流向相反或流速差異顯著的兩個(gè)水體間的水流剪切界面，切變鋒處具有低流速的特征，有著顯著的流速梯度、懸浮泥沙濃度(SSC)梯度和溫鹽梯度[4]。切變鋒最早于1976年由Ingram報(bào)道[6]，此后其他河口也有切變鋒的相關(guān)研究[3,7-9]。

黃河口切變鋒于1994年被李廣雪等[3]首次報(bào)道，此后有不少工作都對(duì)黃河口切變鋒進(jìn)行了研究[1,4-5,10-15]。這些研究[1,3,4-5,10-15]表明，黃河口切變鋒在潮周期內(nèi)存在內(nèi)漲外落(IFOE)和內(nèi)落外漲(IEOF)兩種形態(tài)，并且交替出現(xiàn)，每次出現(xiàn)約持續(xù)2～3 h，持續(xù)時(shí)間共占整個(gè)潮周期的1/3左右。黃河口切變鋒形成的主要原因是地形，地形的顯著差異使得近岸和離岸潮流的相位不一致，切變鋒近岸一側(cè)潮流流向先于遠(yuǎn)岸一側(cè)轉(zhuǎn)變，使鋒面兩側(cè)形成了流速剪切，并導(dǎo)致切變鋒形成后由陸向海移動(dòng)。隨著黃河口地形的變化，黃河口切變鋒的形成位置、鋒的長(zhǎng)度和強(qiáng)度等都有所變化。岸線、徑流等對(duì)黃河口切變鋒的形成影響較小，底摩擦能改變切變鋒的強(qiáng)度，但對(duì)其位置幾無(wú)影響。

切變鋒對(duì)黃河口泥沙的影響主要表現(xiàn)在：切變鋒處具有低流速特征，使懸浮泥沙失去動(dòng)能，使其難以跨鋒面輸運(yùn)而快速沉積在鋒面內(nèi)側(cè)[3,11-12]。切變鋒會(huì)影響黃河口泥沙輸運(yùn)路徑，有關(guān)切變鋒作用下黃河口泥沙輸運(yùn)路徑的研究頗多，如王厚杰等[1]研究表明，在潮流和切變鋒的作用下，黃河入海泥沙主要隨落潮流向北輸運(yùn)，極少向南輸運(yùn)；Wang等[4]提出了鋒區(qū)泥沙輸運(yùn)的概念，認(rèn)為黃河入海泥沙主要在切變鋒內(nèi)側(cè)隨落潮流向東北輸運(yùn)，繼而在切變鋒外側(cè)隨漲潮流向東南輸運(yùn)；Wang等[16]研究表明，黃河入海泥沙主要沿萊州灣近岸向渤海海峽輸運(yùn)。盡管如此，目前黃河入海泥沙輸運(yùn)路徑尚無(wú)定論，需要進(jìn)一步研究。

此外，眾多研究關(guān)注的多為調(diào)水調(diào)沙等高水沙量期間的黃河口切變鋒特征及其對(duì)泥沙輸運(yùn)的影響，非汛期黃河口切變鋒的研究較少。Bi等[5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)2003年非汛期黃河口切變鋒進(jìn)行了研究，但其研究?jī)H針對(duì)三條斷面，所覆蓋的空間范圍有限，對(duì)切變鋒影響河口泥沙輸運(yùn)路徑的研究不足，且隨著黃河口岸線、地形以及動(dòng)力環(huán)境的變化，相比2003年，現(xiàn)行黃河口切變鋒的特征及其對(duì)泥沙輸運(yùn)的影響可能也發(fā)生了變化，而相關(guān)研究較少，因此需要對(duì)其進(jìn)行研究。

前人對(duì)黃河口切變鋒的研究主要運(yùn)用數(shù)值模擬和多船同步觀測(cè)的手段，但鋒面在潮汐和地形控制下具有明顯的時(shí)空變化特征，覆蓋范圍較大，多船同步觀測(cè)難以全面地描述鋒面過(guò)程且成本較高，數(shù)值模擬結(jié)果可以較好地拓展鋒面的時(shí)空范圍認(rèn)識(shí)，但泥沙輸運(yùn)的模擬結(jié)果通常存在較大誤差，也缺乏較大范圍的實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

衛(wèi)星遙感觀測(cè)在一定程度上能克服海況和天氣的限制，并且其觀測(cè)空間范圍廣、數(shù)據(jù)獲取相對(duì)便捷，不失為一種研究海洋鋒的有效手段。近年來(lái)進(jìn)行了海洋鋒的衛(wèi)星遙感研究，如Shaw等[17]利用改進(jìn)型甚高分辨率輻射計(jì)(Advanced Very High Resolution Radiometer，AVHRR)的海表面溫度(SST)遙感影像研究了海洋溫度鋒的不同時(shí)間尺度變化；Li等[11]和Wang等[4]利用陸地衛(wèi)星(Landsat)遙感影像研究了切變鋒的特征及其對(duì)泥沙輸運(yùn)的影響。然而，包括Landsat在內(nèi)的絕大多數(shù)衛(wèi)星，其時(shí)間分辨率不足以揭示潮周期內(nèi)切變鋒的特征。而靜止軌道海洋水色成像儀(Geostationary Ocean Color Imager, GOCI)具有逐時(shí)觀測(cè)海面的特性，這使得其監(jiān)測(cè)海洋鋒、近岸水體SSC的潮周期甚至逐時(shí)變化成為可能。Hu等[18]的研究表明，GOCI適用于研究高濁度海區(qū)泥沙鋒的逐時(shí)變化。

因此，本文利用GOCI遙感數(shù)據(jù)反演海表SSC，并結(jié)合數(shù)值模型，研究現(xiàn)行黃河口的切變鋒特征及其對(duì)河口泥沙輸運(yùn)的影響，這是對(duì)以往研究手段的一種有效補(bǔ)充，可加深對(duì)黃河口切變鋒潮周期內(nèi)變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，并能得到在切變鋒影響下泥沙輸運(yùn)通量與泥沙輸運(yùn)路徑。

1 研究區(qū)域

本研究區(qū)域?yàn)辄S河口附近海域，南起萊州灣西北部，北至孤東附近，經(jīng)緯度范圍為：118°54′E—119°30′E，37°30′N(xiāo)—38°00′N(xiāo)。渤海以及萊州灣的水深如圖1所示，渤海平均水深為18 m，最大水深為85 m，大部分海域水深不足50 m，而萊州灣和黃河口的水深在20 m以淺。

黃河改道頻繁，1996年黃河由清水溝老河口改道清8出汊口入海，因此黃河口附近海域形成了兩個(gè)分叉口，即現(xiàn)行清8出汊口和清水溝老黃河口(見(jiàn)圖1(b)、(d))。

黃河口以北的孤東附近海域有一個(gè)半日潮無(wú)潮點(diǎn)，無(wú)潮點(diǎn)附近為全日潮，潮差小，越遠(yuǎn)離無(wú)潮點(diǎn)，半日潮性質(zhì)越明顯。黃河口北側(cè)以不規(guī)則日潮為主，南側(cè)以不規(guī)則半日潮為主。黃河口潮流主要為往復(fù)流，潮流橢圓長(zhǎng)軸與海岸平行。漲潮時(shí)潮流往南流入萊州灣，落潮時(shí)往北流出萊州灣[19]。

黃河是黃河口和萊州灣乃至渤海海域最大的陸源輸入，以含沙量高著稱(chēng)，根據(jù)2018年中國(guó)河流泥沙公報(bào)(http://www.mwr.gov.cn/sj/tjgb/zghlnsgb/)，黃河下游利津站測(cè)得近10年黃河年平均徑流量為178.3億m3，年平均輸沙量為1.05億t，年平均含沙量為0.860 kg·m-3。受黃河徑流的影響，黃河口附近海域懸浮泥沙濃度高、水體渾濁，是典型的高濁度河口。河口泥沙以粉砂、粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土為主[20]。

黃河口泥沙輸運(yùn)分為異重流和異輕羽狀流兩種形式，隨著黃河入海水沙量的減少，異重流已較為罕見(jiàn)，異輕羽狀流成為河口泥沙輸運(yùn)的主要形式[1,21-22]。黃河口泥沙輸運(yùn)和擴(kuò)散受季風(fēng)影響較大，夏季黃河口成為泥沙的“匯”，冬季成為泥沙的“源”，形成了“夏儲(chǔ)冬輸”的格局[23]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

潮位、潮流和分潮：潮位和潮流驗(yàn)證數(shù)據(jù)均來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金-山東聯(lián)合基金(U1706215)2018年秋季航次。于濰坊港使用潮位儀測(cè)量1個(gè)月，測(cè)量了從北京時(shí)間2018年10月20日0:00起至11月20日23:00期間的潮位，測(cè)量間隔為1 h；潮流驗(yàn)證數(shù)據(jù)為多船同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，站位分布如圖1(a)所示，使用亞力克海流計(jì)測(cè)量，測(cè)量了從北京時(shí)間2018年10月30日11:00起至31日12:00期間共26 h的海流數(shù)據(jù)，測(cè)量間隔為1 h。分潮調(diào)和常數(shù)的驗(yàn)證資料為龍口、濰坊、孤東等8個(gè)驗(yàn)潮站(見(jiàn)圖1(a))2018年全年潮位資料經(jīng)t_tide工具包調(diào)和分析得到；模型開(kāi)邊界分潮調(diào)和常數(shù)來(lái)源于TPXO.9模型(https://www.tpxo.net/global/tpxo9-atlas)。

(a)為渤海水深與調(diào)查站位；(b)為黃河口位置及其附近海域的水深；(a)、(b)中填充色為水深，單位為m。(a)中實(shí)心點(diǎn)為實(shí)測(cè)SSC站位，星號(hào)為驗(yàn)潮站，C1～C6為海流和SSC站位;(b)中虛線框?yàn)辄S河口。(a)Bathymetry and survey stations in Bohai Sea；(b)Location of Yellow River Estuary and bathymetry off Yellow River Estuary；The fill color in (a) and (b) represents the bathymetry, Unit: m. The solid points in a represent the measured SSC stations. Tidal stations are marked by asterisk and C1～C6 are both the current stations and SSC stations. The dashed box in (b) is the Yellow River Estuary.)圖1 研究區(qū)域站位分布(a)和水深(b)及模型計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格(c)和黃河口區(qū)域網(wǎng)格(d)Fig.1 Survey stations(a) and bathymetry(b) in the study area and mesh grid of the entire computation area (c) and zoom-in Yellow River Estuary(d)

懸浮體：實(shí)測(cè)SSC數(shù)據(jù)來(lái)源于2011—2018年期間國(guó)家自然科學(xué)基金委渤、黃海共享航次及課題組2017—2018年渤海的歷史調(diào)查資料。通過(guò)對(duì)表層(約0.5 m)水樣進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽濾、烘干、稱(chēng)重、計(jì)算表層SSC，共獲得SSC有效數(shù)據(jù)590個(gè)。

遙感：SSC遙感資料使用GOCI衛(wèi)星Level 1B遙感數(shù)據(jù)，來(lái)源于韓國(guó)海洋衛(wèi)星中心(Korea Ocean Satellite Center, KOSC)官網(wǎng)(http://222.236.46.45/nfsdb/COMS/)。渤海岸線數(shù)據(jù)提取自Landsat衛(wèi)星2016年10月遙感影像(https://glovis.usgs.gov/)。

水深：模型所用水深數(shù)據(jù)融合了海軍航保部2019年萊州灣海圖數(shù)據(jù)和DBDB5渤黃海水深數(shù)據(jù)[24]。

氣象：本研究所用的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)自ERA5再分析數(shù)據(jù)(https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/search?type=dataset&text=ERA5)，水平分辨率為0.25(°)×0.25(°)，時(shí)間分辨率為1 h。

徑流：黃河2018年徑流量數(shù)據(jù)為利津站實(shí)測(cè)逐日數(shù)據(jù)。

2.2 遙感反演

GOCI是世界上第一顆靜止軌道海洋水色成像儀，由KOSC于2010年發(fā)射，搭載于通信、海洋和氣象衛(wèi)星(COMS，Communication, Ocean and Meteorological Satellite)上，KOSC從2011年4月開(kāi)始提供數(shù)據(jù)，并在2011年9月發(fā)布了專(zhuān)門(mén)處理GOCI數(shù)據(jù)的軟件GDPS(GOCI Data Processing System)。GOCI每天提供8景影像，從約00:16(UTC)到約7:16(UTC)，每隔1 h提供一景遙感影像，GOCI數(shù)據(jù)的中心坐標(biāo)為(130°E，36°N)，覆蓋范圍為2 500 km×2 500 km，空間分辨率為500 m。本文將GOCI的L1B數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)GDPS處理之后，生成L2數(shù)據(jù)用于建立表層SSC反演模型。

首先，將遙感數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)海表面SSC數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空匹配。由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本有限，將兩者時(shí)間偏差在3 h內(nèi)、空間距離在1 km內(nèi)的，確定為有效匹配，經(jīng)質(zhì)量控制后共獲得61組匹配數(shù)據(jù)(N=61)。選取中心波長(zhǎng)為555 nm波段的反射率Rrs555與相應(yīng)的實(shí)測(cè)SSC進(jìn)行擬合，得到如下擬合公式(見(jiàn)圖2)：

圖2 實(shí)測(cè)SSC與遙感反射率Rrs555之間的擬合關(guān)系Fig.2 The relationship between measured SSC and Rrs555

SSC= 0.892 7×e149.962×Rrs555。

(1)

反演結(jié)果表明，遙感反射率Rrs555與實(shí)測(cè)SSC擬合良好，反演模型的決定系數(shù)R2達(dá)到0.916 6。

2.3 數(shù)值模型構(gòu)建

2.3.1 模型介紹 研究黃河口切變鋒影響下的河口泥沙輸運(yùn)過(guò)程除使用遙感反演的手段獲取表層SSC外，同時(shí)也采用了數(shù)值模型獲取研究海區(qū)的流場(chǎng)，用于后續(xù)懸浮體通量的計(jì)算。本研究基于有限體積海岸海洋模型(FVCOM，F(xiàn)inite-Volume Coastal Ocean Model)[25]建立了適用于渤海和黃河口的三維正壓潮流模型，該模型水平方向采用非結(jié)構(gòu)的三角形網(wǎng)格，垂直方向采用σ坐標(biāo)系統(tǒng)，計(jì)算方法為有限體積法。模型方程如下[25]：

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

(4)

連續(xù)方程：

(5)

不考慮海洋熱収支和鹽度變化，溫度T取為常數(shù)25.0 ℃，鹽度S取為常數(shù)30.0。

因此，密度方程為：

ρ=ρ(25,30,P)。

(6)

式中：x、y、z分別為笛卡爾坐標(biāo)系的東、北和垂向坐標(biāo)軸；u、v、w對(duì)應(yīng)x、y、z方向的速度分量；ρ為密度；ρo為水參照密度；p為壓強(qiáng)；f為科氏參量；g為重力加速度；Km為垂向渦動(dòng)粘性系數(shù)；Kh為水平渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；Fu、Fv為水平摩擦項(xiàng)。

Km和Kh分別由Mellor-Yamada 2.5階湍封閉模式[25-26]和Smagorinsky湍封閉模式[25,27]確定，使模型方程在數(shù)學(xué)上封閉。

邊界條件如下[25]：

固體邊界的運(yùn)動(dòng)學(xué)條件為：vn=0，其中vn為固體邊界的法線速度分量，n為固體邊界的法線坐標(biāo)。海表、海底的u、v、w邊界條件為：

在海表z=ξ(x,y,t)處，

(7)

在海底z=-H(x,y)處，

(8)

Cd為底摩擦系數(shù)，由距海底高度Zab處的流速計(jì)算得到的Cd為：

(9)

式中：k=0.4為von Kármán常數(shù)；Zo為底粗糙度。

2.3.2 模型設(shè)置 模型計(jì)算范圍為117°34′E—126°48′E，32°12′N(xiāo)—40°55′N(xiāo)，覆蓋整個(gè)渤海和大部分黃海(見(jiàn)圖1(c))。模型共有100 804個(gè)三角網(wǎng)格和52 512個(gè)節(jié)點(diǎn)，垂向上分為20個(gè)σ層。對(duì)黃河口近岸進(jìn)行了加密，網(wǎng)格分辨率約為100～500 m，開(kāi)邊界處網(wǎng)格分辨率約為8 km，開(kāi)邊界位于長(zhǎng)江入?？诒眰?cè)與濟(jì)州島的連線處以及濟(jì)州島與朝鮮半島連線處。提取TPXO.9模型Q1、O1、P1、K1、N2、M2、S2、K2八大分潮的調(diào)和常數(shù)，插值到開(kāi)邊界各節(jié)點(diǎn)上，用t_tide工具包回報(bào)出水位，作為模型的開(kāi)邊界驅(qū)動(dòng)。模型的底摩擦系數(shù)根據(jù)公式(9)計(jì)算。模型考慮了風(fēng)場(chǎng)和黃河徑流，風(fēng)場(chǎng)、徑流和水深等數(shù)據(jù)介紹如2.1節(jié)中所述。模型不考慮溫鹽變化帶來(lái)的影響，溫鹽均設(shè)為常數(shù)，溫度T設(shè)為25.0 ℃，鹽度S設(shè)為30.0。模型計(jì)算格式為內(nèi)外模分離，外模時(shí)間步長(zhǎng)為5 s，內(nèi)模時(shí)間步長(zhǎng)為1 s，采用冷啟動(dòng)計(jì)算，即假設(shè)海洋初始狀態(tài)是靜止的，所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)上水位zeta=0，所有三角單元中心的流速U=0，V=0。模型計(jì)算時(shí)間為1年，每隔1 h輸出一次結(jié)果。

圖3 M2和K1分潮調(diào)和常數(shù)與潮位驗(yàn)證Fig.3 Comparison of measured and modeled M2 and K1 of tidal harmonic constants and water levels

圖4 潮流流速和流向驗(yàn)證Fig.4 Comparison of measured and modeled tidal current velocity and direction

2.4 鋒面識(shí)別方法

本研究采用最大互相關(guān)(Maximum Cross Correlation，MCC)原理和SSC梯度相結(jié)合的方法識(shí)別切變鋒，再采用FVCOM模型流場(chǎng)對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

第1步，通過(guò)MCC方法判別切變鋒的位置。MCC方法是一種圖像匹配的方法，根據(jù)2張圖像中相似度最高的“像元塊”的移動(dòng)距離與時(shí)間，計(jì)算移動(dòng)速度，也可得知移動(dòng)方向。利用GOCI遙感影像反演海流即基于此原理，并且得到了成功運(yùn)用[28-31]。根據(jù)MCC方法的原理，從相鄰2張遙感影像中SSC空間形態(tài)的移動(dòng)判別切變鋒是否存在以及切變鋒的位置(見(jiàn)圖5)，虛線為上一時(shí)刻SSC分布的輪廓線，實(shí)線為下一時(shí)刻的輪廓線，從輪廓線的移動(dòng)可以看出，輪廓線包圍水體的運(yùn)動(dòng)方向，即海流的方向。圖5(b)顯示，輪廓線包圍的兩處水體運(yùn)動(dòng)方向相反，即海流方向相反，說(shuō)明切變鋒存在于兩水體之間，大致位置已在圖5(b)中標(biāo)出。

((a)為2018年4月20日約11:00時(shí)的SSC分布；(b)為2018年4月20日約12:00時(shí)的SSC分布；虛線為(a)中SSC的輪廓，實(shí)線為(b)中SSC的輪廓，(b)中黑色箭頭表示SSC輪廓移動(dòng)方向，即海流方向，黑實(shí)線為切變鋒中心線；(c)中箭頭為4月20日約12:00時(shí)模型流場(chǎng)分布。方框?yàn)榍凶儙У奈恢?，其中點(diǎn)劃線為切變鋒中心線。(a)The SSC distribution at approximately 11:00 on April 20th, 2018；(b)The SSC distribution at approximately 12:00 on April 20th, 2018；The dashed lines are the outlines of SSC in (a) and the solid lines are the outlines of SSC in (b). The black arrows in (b) represent moving direction of SSC which means the current direction and the black solid line in (b) is the center line of shear front zone. The arrows in (c) are current field at 12:00 on April 20th. The box in (c) is the position of shear front zone with the dotted dashed line in it which represents the center line of shear front zone.)圖5 切變鋒的識(shí)別與驗(yàn)證Fig.5 Recognition and validation of tidal shear front

表1 2011年4月—2019年8月期間漲、落潮切變鋒的長(zhǎng)度Table 1 Length of shear fronts of flood tides and ebb tides during April, 2011 ～ August, 2019

第2步，通過(guò)SSC梯度研究切變鋒的特征。如前所述，切變鋒附近泥沙等物質(zhì)的濃度梯度較大，因此，本研究將切變鋒附近數(shù)值較高的SSC梯度線用來(lái)表征切變鋒的特征，如SSC梯度線的長(zhǎng)度用來(lái)代表切變鋒的長(zhǎng)度，SSC梯度線的運(yùn)動(dòng)即表示切變鋒的運(yùn)動(dòng)。SSC梯度采用Sobel梯度算法計(jì)算[32]，如圖5(c)所示，黑色矩形框中的點(diǎn)劃線為切變鋒中心線。

將上述方法得到的結(jié)果與模型結(jié)果對(duì)比(見(jiàn)圖5(c))，兩者得到的切變鋒帶的位置吻合程度良好，上述方法可行。

2.5 表層懸浮體通量計(jì)算方法

表層懸浮體通量的計(jì)算方法可分為機(jī)制分解法和等面積時(shí)變網(wǎng)格法[33]，其基本計(jì)算公式為：

F=U×C×A。

(10)

式中：F為懸沙通量(kg·s-1)；U為流速(m·s-1)；C為懸浮泥沙濃度(kg·m-3, 1 kg·m-3=1 000 mg·L-1)；A為面積(m2)。由于遙感反演得到的SSC只有表層的數(shù)據(jù)，因此只計(jì)算表層單位面積(即A=1 m2)的懸沙通量。

3 結(jié)果與討論

3.1 切變鋒的特征及其潮周期內(nèi)變化規(guī)律

運(yùn)用2.4中建立的切變鋒識(shí)別方法，對(duì)2011年4月—2019年8月期間所有有效GOCI影像進(jìn)行分析(無(wú)云、缺測(cè)較少不影響切變鋒識(shí)別的為有效影像)，共捕捉到566個(gè)時(shí)刻存在切變鋒，其中414個(gè)時(shí)刻為IEOF型切變鋒，152個(gè)時(shí)刻為IFOE型切變鋒，IEOF切變鋒出現(xiàn)時(shí)刻多于IFOE型；兩種切變鋒的歷時(shí)均為2～3 h，表1為兩種切變鋒的長(zhǎng)度信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表1顯示，落潮期間切變鋒長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)41.1 km，平均長(zhǎng)22.4 km，而漲潮期間切變鋒最長(zhǎng)為36.6 km，平均為16.9 km，落潮時(shí)切變鋒長(zhǎng)度大于漲潮時(shí)；全平均長(zhǎng)度為18.4 km。

Wang等[15]的研究結(jié)果表明，1976—1996年間黃河口切變鋒平均長(zhǎng)度約為27.6 km，漲潮時(shí)平均長(zhǎng)度約為22.1 km，落潮時(shí)平均長(zhǎng)度約為33.1 km，且切變鋒長(zhǎng)度隨時(shí)間推移有所縮短。因此，整體上2011—2019年間黃河口切變鋒長(zhǎng)度小于1976—1996年間。根據(jù)Wang等[15]的分析，切變鋒長(zhǎng)度的變化與底應(yīng)力增強(qiáng)有關(guān)。

選取較為典型的GOCI遙感影像研究潮周期內(nèi)切變鋒的變化規(guī)律。

由于GOCI一天最多只能提供8景影像，無(wú)法覆蓋整個(gè)潮周期，故分別選取符合要求的漲、落潮期間的GOCI影像進(jìn)行研究。選取落潮為主的8景逐時(shí)影像分析IFOE型鋒面過(guò)程，此時(shí)為2018年4月27日約8:00～約15:00，該天日均徑流量為644 m3·s-1；選取漲潮為主的8景逐時(shí)影像分析IEOF型鋒面過(guò)程，此時(shí)為2018年5月3日約8:00～約15:00，該天日均徑流量為727 m3·s-1。據(jù)文獻(xiàn)[10]，1970—1993年期間小于800 m3·s-1的徑流量可視為弱徑流量，但隨著黃河水沙量減小，不能直接將此劃分標(biāo)準(zhǔn)作為當(dāng)前的劃分依據(jù)。對(duì)2009—2018年黃河利津站汛期(7—10月)逐日徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到多年汛期日均徑流量為905 m3·s-1。因此相對(duì)于汛期徑流量，尤其是相對(duì)于2018年汛期1 500～3 500 m3·s-1的徑流量，本研究中兩個(gè)時(shí)段可視為較弱徑流量期間或非汛期。且由于2天徑流量相差較小，可認(rèn)為2個(gè)漲、落潮時(shí)段徑流量這一條件是相似的。

所選取的2個(gè)漲、落潮期間，黃河口附近海域平均風(fēng)場(chǎng)如圖6所示，風(fēng)速均為4 m·s-1左右，極為接近，風(fēng)向有所差異但差異較小且均為北風(fēng)。因此可認(rèn)為兩個(gè)時(shí)段風(fēng)的條件基本一致。

圖6 2018年4月27日8:00—15:00(a)和5月3日8:00—15:00(b)的平均風(fēng)場(chǎng)Fig.6 Mean wind field during the period of 8:00～15:00 on April 27th, 2018 and May 3rd, 2018

綜上所述，本研究選取的兩個(gè)漲、落潮時(shí)段的徑流量和風(fēng)的條件基本是相似的，可用于研究潮周期內(nèi)切變鋒的特征及其對(duì)泥沙輸運(yùn)的影響。

由GOCI數(shù)據(jù)通過(guò)公式(1)，計(jì)算得到2018年4月27日和5月3日共16個(gè)時(shí)刻的黃河口附近海域海表SSC逐時(shí)分布，運(yùn)用2.4節(jié)中建立的切變鋒識(shí)別方法，得到切變鋒的位置、長(zhǎng)度等信息，如圖7所示。

((a)～(h)分別為4月27日8:00—15:00逐時(shí)態(tài)，(i)為點(diǎn)A、B一天之內(nèi)的流向，流向來(lái)自模型數(shù)據(jù)，(f)、(g)、(h)為切變鋒出現(xiàn)時(shí)刻；(a’)～(h’)分別為5月3日8:00—15:00逐時(shí)態(tài)，(i’)為點(diǎn)A’、B’一天之內(nèi)的流向，流向來(lái)自模型數(shù)據(jù)，(e’)、(f’)為切變鋒出現(xiàn)時(shí)刻。(a)～(h) are the hourly condition of SSC from 8:00 to 15:00 on April 27th, 2018, respectively；(i) is the current direction of A and B during a day and the current direction is the results of model；(f),(g) and (h) are the moments when the shear front exists；(a’)～(h’) are the hourly condition of SSC from 8:00 to 15:00 on May 3rd, 2018, respectively；(i’) is the current direction of A’ and B’ during a day and the current direction is the results of model；(e’) and (f’) are the moments shear front exists.)圖7 2018年4月27日和5月3日黃河口附近海域切變鋒和SSC的逐時(shí)變化Fig.7 Hourly variation of shear front and SSC off Yellow River Estuary on April 27th, 2018 and May 3rd, 2018

切變鋒出現(xiàn)在漲、落潮轉(zhuǎn)換的時(shí)段，即漲、落潮開(kāi)始或結(jié)束的時(shí)間段。從圖7可知，在一個(gè)漲落潮周期內(nèi)，出現(xiàn)IEOF和IFOE型兩種切變鋒，兩種形態(tài)的切變鋒輪流出現(xiàn)，每次大約持續(xù)2～3 h，總持續(xù)時(shí)間為4～6 h，這與前人的結(jié)論一致[1,4-5,11,14-15]。Wang等[4]和Li等[11]研究的是1996年前黃河經(jīng)由清水溝流路入海時(shí)的切變鋒，而本文研究的為2018年前后的切變鋒，黃河已改道清8出汊口，黃河泥沙入海使得現(xiàn)行黃河口往東北向逐步向海發(fā)育，黃河口附近海域形成了2個(gè)分叉口，岸線變化顯著；1997—2018年期間現(xiàn)行黃河口總體呈淤積狀態(tài)，10 m等深線總體呈向海推進(jìn)趨勢(shì)[34]。這說(shuō)明1996年前與2018年前后黃河三角洲岸線和地形發(fā)生了顯著變化，但切變鋒歷時(shí)幾乎不變，因此黃河口岸線和地形的演化對(duì)切變鋒持續(xù)時(shí)間的改變很小。

切變鋒形成于黃河口口門(mén)東側(cè)或東北側(cè)，環(huán)繞河口呈弧形，切變鋒形成后，往東南向外海移動(dòng)，結(jié)合圖1可知，切變鋒形成、運(yùn)動(dòng)和消亡基本都在約10 m以淺的范圍內(nèi)。兩種類(lèi)型切變鋒消失的位置不同，IFOE型切變鋒消失于老黃河口東南側(cè)，而IEOF型切變鋒消失位置相對(duì)偏北。整體上，切變鋒產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和消失主要在新老黃河口之間的范圍內(nèi)，而黃河口改道前切變鋒主要圍繞老黃河口運(yùn)動(dòng)[4,11,15]，這說(shuō)明切變鋒位置的變動(dòng)與河口地形地貌演變有關(guān)。

3.2 切變鋒對(duì)黃河口泥沙輸運(yùn)的影響

3.2.1 切變鋒對(duì)黃河口懸浮體通量的影響 將模型流場(chǎng)數(shù)據(jù)和GOCI反演得到的SSC數(shù)據(jù)代入公式(10)，計(jì)算得到2018年4月27日和5月3日共16個(gè)時(shí)刻黃河口附近海域的海表懸浮體通量逐時(shí)分布(見(jiàn)圖8)。切變鋒已在圖中用虛線標(biāo)出，并用“shear front”字樣和黑色箭頭突顯。

((a)～(h)依次為4月27日8:00～15:00逐時(shí)態(tài)，(a’)～(h’)依次為5月3日8:00～15:00逐時(shí)態(tài)，填充色為懸浮體通量，白色箭頭為流速，黑線為6、8和10 m等深線，切變鋒的位置已在圖中標(biāo)注。(a)～(h) are the hourly condition of sediment flux during 8:00～15:00 on April 27th, 2018, respectively; (a’)～(h’) are the hourly condition of sediment flux during 8:00～15:00 on May 3rd, 2018, respectively. The fill color is the sediment flux. The white arrows are current field. The black solid lines are 6 m, 8 m and 10 m isobath. Location of shear front is marked by dashed line.)圖8 2018年4月27日與5月3日期間黃河口附近海域懸浮體通量分布Fig.8 Distribution of sediment flux off the Yellow River Estuary on April 27th, 2018 and May 3rd, 2018

圖8顯示，懸浮體通量高值區(qū)集中于現(xiàn)行黃河口兩側(cè)和老黃河口南側(cè)。漲、落潮階段均能明顯看出切變鋒對(duì)懸浮體通量的減小作用，即對(duì)黃河口泥沙輸運(yùn)的限制作用。

落潮為主的階段(a～h)：(b)～(e)中黃河口附近無(wú)切變鋒，此時(shí)懸浮體通量在6 m以淺均為高值，在6～8 m等深線范圍內(nèi)通量變化較小，8～10 m范圍內(nèi)銳減，10 m外懸浮體通量遠(yuǎn)小于內(nèi)側(cè)，說(shuō)明懸浮體通量與水深密切相關(guān)；(f)～(h)中存在IFOE型切變鋒，(f)和(g)為切變鋒產(chǎn)生和維持階段，切變鋒在6 m等深線內(nèi)側(cè)，切變鋒處懸浮體通量值不足0.02 kg·s-1，顯著小于兩側(cè)的0.04 kg·s-1左右，切變鋒處通量值不足內(nèi)側(cè)的50%，改變了無(wú)切變鋒時(shí)(b～e)6 m以淺范圍內(nèi)均為高值的格局。無(wú)切變鋒時(shí)，懸浮體通量在6 m等深線處開(kāi)始緩慢減小，8 m等深線處才開(kāi)始銳減，而有切變鋒時(shí)，懸浮體通量在6 m以淺便開(kāi)始銳減，懸浮體通量提前減小，而隨著切變鋒向外海移動(dòng)，切變鋒內(nèi)側(cè)通量逐漸恢復(fù)到無(wú)切變鋒時(shí)的分布格局(見(jiàn)圖8(h))。

漲潮為主的階段(a’～h’)：(a’)～(c’)黃河口附近無(wú)切變鋒，與落潮無(wú)切變鋒時(shí)(見(jiàn)圖(b)～(e))一樣，與水深關(guān)系密切，(d’)～(f’)存在IEOF型切變鋒，(d’)切變鋒即將出現(xiàn)但不明顯(文中未標(biāo)明)，河口附近懸浮體通量已提前在6 m以淺范圍內(nèi)迅速銳減；(e’)為切變鋒維持階段，切變鋒運(yùn)動(dòng)到了新老黃河口之間，此區(qū)域通量銳減，鋒區(qū)懸浮體通量仍不足0.02 kg·s-1，不足鋒區(qū)內(nèi)側(cè)的50%；(f’)為切變鋒消亡階段，對(duì)河口附近通量影響很小，通量開(kāi)始恢復(fù)到無(wú)切變鋒時(shí)的狀態(tài)。值得注意的是，IEOF型切變鋒較弱，長(zhǎng)度也短于IFOE型，對(duì)通量的減小作用不如IFOE型顯著，作用范圍也更小。

綜上所述，切變鋒能顯著減小懸浮體通量，極大地阻隔了黃河口泥沙輸運(yùn)，鋒區(qū)懸浮體通量不足鋒內(nèi)側(cè)的50%，且切變鋒能提前使懸浮體通量銳減。IFOE型對(duì)泥沙輸運(yùn)的阻隔作用相對(duì)于IEOF型更顯著。

對(duì)比圖7和8，(a)～(h)各時(shí)刻的SSC分布形態(tài)非常相似，差別不大，但懸浮體通量卻差異顯著。從通量計(jì)算公式(10)可知，當(dāng)SSC相差不大時(shí)，通量的差異主要取決于流速。如圖7中(a)、(c)時(shí)刻SSC分布相似，而(a)時(shí)刻流速很小，(c)時(shí)刻流速較大，兩時(shí)刻懸浮體通量差異顯著。圖8中切變鋒處SSC與兩側(cè)差異較小，而鋒區(qū)流速近乎為0，通量也處于低水平狀態(tài)，流速和通量均遠(yuǎn)小于兩側(cè)。因此，切變鋒減小懸浮體通量，減弱泥沙輸運(yùn)，是由于切變鋒帶具有低流速的特征，這與Li等[11]的研究結(jié)論相一致。切變帶所到之處，懸浮體通量均為低水平狀態(tài)。

按照Wang等[16]設(shè)置的4個(gè)斷面a、b、c、d(離岸約為30 km，斷面長(zhǎng)40 km)，計(jì)算潮周期內(nèi)4個(gè)斷面的懸浮體通量，通量計(jì)算方法和所用數(shù)據(jù)仍與前述相同，并根據(jù)潮周期內(nèi)的通量計(jì)算月通量，得到如表2所示的斷面懸浮體通量結(jié)果，正值表示向外的通量，負(fù)值表示向內(nèi)的通量。

表2 潮周期內(nèi)黃河口30 km范圍內(nèi)4個(gè)斷面的懸浮體通量*Table 2 Sediment flux of four transects 30 km away from Yellow River Estuary during tidal cycle

表2顯示，落潮通量絕對(duì)值基本都大于漲潮通量，說(shuō)明落潮期間泥沙輸運(yùn)多于漲潮期間。整個(gè)潮周期4個(gè)斷面通量均為正值，即經(jīng)過(guò)斷面的泥沙輸運(yùn)方向均向外。4個(gè)斷面中d斷面通量最大，占比將近70%，遠(yuǎn)大于其余3個(gè)斷面通量之和，c斷面通量?jī)H次于d斷面，c和d斷面通量之和達(dá)到91.3%，a斷面通量占比8.2%，而b斷面僅為0.5%，說(shuō)明黃河口泥沙絕大多數(shù)往南和東南輸運(yùn)，極少數(shù)往北輸運(yùn)，泥沙難以直接輸運(yùn)至渤海灣和渤海中部。由潮周期瞬時(shí)通量計(jì)算得到的月通量，與Wang等[16]的月通量結(jié)果較為相近但略有差異，兩者b斷面通量均極小，d斷面的輸運(yùn)通量非常接近，占比較大且輸運(yùn)方向一致，而a斷面輸運(yùn)方向不一致，c斷面通量的大小有所差異，這是由于兩者的輸運(yùn)動(dòng)力不同。Wang等綜合考慮了大風(fēng)等強(qiáng)動(dòng)力，而本文主要是潮動(dòng)力的結(jié)果。

3.2.2 黃河口泥沙輸運(yùn)路徑 為了獲悉潮周期內(nèi)黃河口泥沙輸運(yùn)路徑，選取與前述SSC與懸浮體通量計(jì)算所用的相同的GOCI和FVCOM數(shù)據(jù)，利用公式(1)和公式(10)，分別計(jì)算SSC與懸浮體通量在漲潮、落潮以及整個(gè)潮周期內(nèi)的平均值，得到如圖9所示的平均SSC和懸浮體通量圖。

圖9 黃河口和萊州灣落潮(a)、漲潮(b)和整個(gè)潮周期(c)平均SSC及落潮(d)、漲潮(e)和整個(gè)潮周期(f)平均懸浮體通量Fig.9 Mean SSC (a) during ebb tides, (b) during flood tides and (c) during entire tidal cycle and mean sediment flux (d) during ebb tides, (e) during flood tides and (f) during entire tidal cycle off Yellow River Estuary and in Laizhou Bay

圖9顯示，漲、落潮期間，平均SSC及平均懸浮體通量均呈這樣的分布態(tài)勢(shì)：高值區(qū)集中于現(xiàn)行黃河口、新老黃河口之間和老黃河口南側(cè)附近海域，高值區(qū)延伸至萊州灣中部，而高值區(qū)與低值區(qū)之間界限分明，這些界限主要位于黃河口10 m等深線附近、孤東附近海域以及萊州灣西北部。

本研究與前人研究均表明，黃河口約10 m以淺海域內(nèi)存在切變鋒，10 m附近的高、低值區(qū)的分界線主要為切變鋒所致，而B(niǎo)i等[5]研究表明，孤東附近海域以及萊州灣西北部(均為低值區(qū))也存在切變鋒，切變鋒的位置與SSC及懸浮體通量的低值區(qū)對(duì)應(yīng)。在3處切變鋒的限制下，懸浮泥沙難以跨鋒面輸運(yùn)，泥沙輸運(yùn)被阻隔，使得SSC及懸浮體通量的高、低值界限分明。因此，萊州灣中部較高濃度的懸沙主要來(lái)源于老黃河口附近海域，而不是萊州灣西部。老黃河口附近為淤積區(qū)[5]，其泥沙來(lái)自黃河。圖9(c)顯示，潮周期平均時(shí)，SSC高值區(qū)分布與漲、落潮階段(a、b)相一致，圖9(f)顯示，現(xiàn)行黃河口部分泥沙向西北輸運(yùn)，但量值很小，而老黃河口附近懸浮體通量較大，且通量方向?yàn)槟舷颍邳S河口10 m等深線外，通量方向主要為東北。

結(jié)合表2可知，黃河口泥沙主要向南和東南輸運(yùn)，往北和渤海中部輸運(yùn)的泥沙占比極少。

綜上所述，西北向輸運(yùn)和東向輸運(yùn)均被切變鋒阻隔，黃河入海泥沙只有極少數(shù)向西北輸運(yùn)，且難以向渤海中部輸運(yùn)，絕大部分經(jīng)老黃河口往南輸運(yùn)，再往東輸運(yùn)至萊州灣中部，繼續(xù)往東北向萊州灣外輸運(yùn)。這與Wang等[16]以及劉興民等[35]的研究結(jié)果稍有不同。不同之處在于Wang等的研究結(jié)果表明，黃河入海泥沙主要沿著萊州灣近岸向渤海海峽輸運(yùn)，少數(shù)輸運(yùn)至萊州灣中部。而劉興民等認(rèn)為黃河入海泥沙冬季向北輸運(yùn)至遼東灣灣口附近，或向東經(jīng)萊州灣灣口輸運(yùn)至渤海海峽，夏季只能向北或東北輸運(yùn)至渤海中部海域。

研究結(jié)果不同的原因在于：Wang等和劉興民等研究的是黃河口泥沙的季節(jié)性輸運(yùn)，時(shí)間尺度較長(zhǎng)，包含了大風(fēng)等強(qiáng)動(dòng)力因素的影響，而本研究為潮周期內(nèi)的泥沙輸運(yùn)結(jié)果。如前所述，本研究的漲落潮時(shí)段為弱風(fēng)期間，且徑流為非汛期徑流，相對(duì)較弱，而據(jù)顧玉荷等[36]研究認(rèn)為，5級(jí)(風(fēng)速為8～10.7 m·s-1)以下的風(fēng)場(chǎng)對(duì)潮流場(chǎng)作用不明顯，可以忽略不計(jì)。據(jù)Wang等[16]認(rèn)為，非冬季大風(fēng)期間，風(fēng)對(duì)泥沙輸運(yùn)的影響較為微弱，徑流對(duì)黃河口泥沙輸運(yùn)的作用也遠(yuǎn)小于潮流。因此，本研究期間風(fēng)和徑流的作用相對(duì)較小，可近似視為潮動(dòng)力作用。

4 結(jié)論

本文基于GOCI遙感反演得到的SSC及其梯度，利用MCC方法反演海流的原理，建立了切變鋒的識(shí)別方法，并用此方法研究了黃河口切變鋒的特征。同時(shí)，利用GOCI數(shù)據(jù)結(jié)合FVCOM模型，通過(guò)計(jì)算表層懸浮體通量，研究了切變鋒對(duì)黃河口泥沙輸運(yùn)的影響及切變鋒作用下河口泥沙的輸運(yùn)路徑。本文的主要研究結(jié)論如下：

(1) 黃河口切變鋒存在IEOF和IFOE兩種類(lèi)型，且兩種類(lèi)型切變鋒在潮周期內(nèi)輪流出現(xiàn)，每次持續(xù)時(shí)間為2～3 h，切變鋒形成后從陸向海移動(dòng)，IFOE型切變鋒的活動(dòng)范圍更大，且其消失的位置相較于IEOF型切變鋒偏南；多年切變鋒統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，IEOF型切變鋒平均長(zhǎng)度約為16.9 km，IFOE型切變鋒平均長(zhǎng)度約為22.4 km，IFOE型切變鋒普遍長(zhǎng)于IEOF型，所有切變鋒的平均長(zhǎng)度約為18.4 km，較歷史長(zhǎng)度有所縮短。

(2) 切變鋒顯著減小懸浮體通量，限制泥沙輸運(yùn)，是由于鋒帶具有低流速特征，切變鋒所到之處懸浮體通量均為低水平狀態(tài)。切變鋒的存在使得泥沙難以跨越鋒面向海輸運(yùn)，大部分沉積在口門(mén)附近。切變鋒使得懸浮體通量提前減小，使得原本6～8 m開(kāi)始減小的懸浮體通量在6 m以淺即開(kāi)始銳減。切變鋒處懸浮體通量水平不足其內(nèi)側(cè)的50%，即切變鋒存在時(shí)50%以上的泥沙被限制在切變鋒內(nèi)側(cè)。IFOE型切變鋒對(duì)黃河口泥沙輸運(yùn)影響更顯著，影響范圍更大。

(3) 潮周期內(nèi)懸浮體通量計(jì)算結(jié)果表明，非汛期時(shí)，在潮動(dòng)力作用下，通過(guò)黃河口南側(cè)和東南側(cè)斷面的懸浮體通量占河口泥沙輸運(yùn)通量的90%以上，黃河口泥沙主要往南或東南輸運(yùn)至萊州灣中部，再向東北往萊州灣外輸運(yùn)，極少部分往西北和渤海中部輸運(yùn)。這與考慮大風(fēng)等強(qiáng)動(dòng)力因素的黃河口泥沙的季節(jié)性輸運(yùn)路徑有所不同。

本研究基于GOCI反演的海表SSC，僅能反映海表面的泥沙輸運(yùn)規(guī)律，對(duì)于海表面以下的SSC分布和輸運(yùn)規(guī)律，還需要通過(guò)對(duì)SSC的數(shù)值模擬，才能更全面地展示黃河口切變鋒對(duì)泥沙輸運(yùn)的影響。

致謝：感謝KOSC提供GOCI數(shù)據(jù)和GDPS軟件，感謝FVCOM開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)The Marine Ecosystem Dynamics Modeling Laboratory(MEDML)提供FVCOM源碼支持，感謝國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)共享航次計(jì)劃NORC2018-01、NORC2019-01，感謝青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室“透明海洋”工程渤海、南黃海標(biāo)準(zhǔn)斷面調(diào)查項(xiàng)目航次。