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基于ADCP反演渤海湾悬浮体浓度年变化

李舒豪 李广雪 徐继尚 刘世东 丁咚 王祥东 闵建雄 田举 张洋

李舒豪, 李广雪, 徐继尚, 刘世东, 丁咚, 王祥东, 闵建雄, 田举, 张洋. 基于ADCP反演渤海湾悬浮体浓度年变化[J]. 海洋地质前沿, 2020, 36(1): 30-41. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.043
引用本文: 李舒豪, 李广雪, 徐继尚, 刘世东, 丁咚, 王祥东, 闵建雄, 田举, 张洋. 基于ADCP反演渤海湾悬浮体浓度年变化[J]. 海洋地质前沿, 2020, 36(1): 30-41. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.043
LI Shuhao, LI Guangxue, XU Jishang, LIU Shidong, DING Dong, WANG Xiangdong, MIN Jianxiong, TIAN Ju, ZHANG Yang. Annual Variation of Suspended Sediment Concentrationin Bohai Bay Based on ADCP[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(1): 30-41. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.043
Citation: LI Shuhao, LI Guangxue, XU Jishang, LIU Shidong, DING Dong, WANG Xiangdong, MIN Jianxiong, TIAN Ju, ZHANG Yang. Annual Variation of Suspended Sediment Concentrationin Bohai Bay Based on ADCP[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(1): 30-41. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.043

基于ADCP反演渤海湾悬浮体浓度年变化

doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.043
基金项目: 

渤海湾西部等重点海岸带综合地质调查子项目“渤海湾西部海底观测站建设与观测” HD-JJHT-2016214

国家自然科学基金 41806072

详细信息
    作者简介:

    李舒豪(1994—),男,在读硕士,主要从事海洋地质方面的研究工作.E-mail:1006885933@qq.com

    通讯作者:

    李广雪(1962—),男,博士,教授,主要从事海洋沉积和海底工程环境研究.E-mail: estuary@ouc.edu.cn

  • 中图分类号: P736

Annual Variation of Suspended Sediment Concentrationin Bohai Bay Based on ADCP

图(10) / 表 (4)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-11
  • 刊出日期:  2020-06-30

基于ADCP反演渤海湾悬浮体浓度年变化

doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.043
    基金项目:

    渤海湾西部等重点海岸带综合地质调查子项目“渤海湾西部海底观测站建设与观测” HD-JJHT-2016214

    国家自然科学基金 41806072

    作者简介:

    李舒豪(1994—),男,在读硕士,主要从事海洋地质方面的研究工作.E-mail:1006885933@qq.com

    通讯作者: 李广雪(1962—),男,博士,教授,主要从事海洋沉积和海底工程环境研究.E-mail: estuary@ouc.edu.cn
  • 中图分类号: P736

摘要: 基于座底ADCP实测回波强度信号,结合短期实测悬浮体质量浓度,反演长时间序列悬浮体质量浓度,定量分析了渤海湾近一年悬浮体质量浓度变化特征及其影响因素。结果表明:受风浪影响,该区悬浮体质量浓度具有明显季节性变化特征,风浪作用强烈的季节其悬浮体浓度表现为相对高值。悬浮体净输运同样具明显季节性变化,秋冬强风浪作用下,悬浮体的净输运量明显增加;而在不同季节,月净输运方向具有不同的主输运方向。悬浮体质量浓度日变化受潮流控制明显,长周期变化则主要与风场的变化有关。潮流涨急过程与风致大浪过程均可引起沉积物再悬浮,导致悬浮体浓度明显增高。

English Abstract

李舒豪, 李广雪, 徐继尚, 刘世东, 丁咚, 王祥东, 闵建雄, 田举, 张洋. 基于ADCP反演渤海湾悬浮体浓度年变化[J]. 海洋地质前沿, 2020, 36(1): 30-41. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.043
引用本文: 李舒豪, 李广雪, 徐继尚, 刘世东, 丁咚, 王祥东, 闵建雄, 田举, 张洋. 基于ADCP反演渤海湾悬浮体浓度年变化[J]. 海洋地质前沿, 2020, 36(1): 30-41. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.043
LI Shuhao, LI Guangxue, XU Jishang, LIU Shidong, DING Dong, WANG Xiangdong, MIN Jianxiong, TIAN Ju, ZHANG Yang. Annual Variation of Suspended Sediment Concentrationin Bohai Bay Based on ADCP[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(1): 30-41. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.043
Citation: LI Shuhao, LI Guangxue, XU Jishang, LIU Shidong, DING Dong, WANG Xiangdong, MIN Jianxiong, TIAN Ju, ZHANG Yang. Annual Variation of Suspended Sediment Concentrationin Bohai Bay Based on ADCP[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(1): 30-41. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.043
    • 目前对悬浮体浓度(SSC)的观测主要基于以下4种方法,分别为水体采样抽滤、光学后向散射(如OBS)、激光小角度前向散射(如LISST)以及声学后向散射。与常规采水法和光学法相比,声学后向散射反演SSC具有不干扰流场,且可实时、连续观测的优点,得到广泛关注与研究。理论尝试起始于20世纪80年代[1-2],此后,Libicki等[3]详细地介绍了利用ABS(泥沙浓度剖面仪)反演SSC的理论方法。Thorne等[4]研究了不同悬浮沉积物的后散射特性,并利用散射理论给出了声学测量悬浮沉积物浓度的反演公式。Deines[5]考虑声波信号在海水中的发射、传播、后向散射以及接收过程,详细描述了利用ADCP(声学多普勒流速剖面仪)回波强度校正得到后向散射的步骤。近十几年来,国内外学者利用ADCP对不同区域悬浮体运移以及时空演变进行了大量研究[6-10]。以往的研究论证了ADCP回波强度反演悬浮体浓度的可行性[11]

      渤海悬浮体的研究对于海洋沉积及生态环境等具有重要意义,众多学者基于不同方法对渤海悬浮体分布以及影响因素做了大量研究[12-15]。渤海悬浮体的空间格局受控于河流输入以及沉积物再悬浮,季风活动对渤海悬移质泥沙的季节格局起主导地位[16]。从整体上看,通常情况下渤海悬浮物浓度受潮流控制,但大风作用下形成的风浪对悬浮物浓度分布具有重要影响,风场的季节性变化导致渤海春季的悬浮体浓度高于夏季[17]。数值模拟作为探讨悬浮体分布格局形成动力机制的有效方法,自20世纪80年代末以来,广泛应用于渤海区域悬浮体分布格局研究之中,不同学者从不同角度对渤海区域悬浮体输运或沉积过程进行了研究[18-21]。模型结果表明,渤海悬浮体浓度“夏低冬高”特征与波浪密切相关[22],冬季大风事件是导致渤海沉积物向黄海远距离输送的主要因素[23]

      以往对渤海悬浮体的研究主要基于遥感反演或者模型模拟,缺乏实测数据对比,并且对渤海悬浮体分布以及影响因素缺乏长时间连续性观测研究,现场观测资料也多分布于黄河口以及渤海海峡区域[24-27],缺乏渤海湾内浅水环境下悬浮体浓度年变化研究。传统船测方法获取悬浮体质量浓度数据受海况限制,而基于连续观测ADCP的数据反演可获得不同天气条件下长时间序列的悬浮体浓度。因此本文在前人研究基础上,基于渤海湾海域ADCP实测回波强度反演悬浮体浓度,结合流场数据,研究渤海湾悬浮体内的变化特征,探讨该区悬浮体浓度变化对风浪、潮流的响应过程,定量计算了悬浮体输运通量,并进一步分析了渤海湾浅水环境下风浪以及潮流对悬浮体分布与输运的作用。

    • 基于渤海湾布放的海底观测站BH02,获得连续一年的高分辨率实测数据,包括回波强度、水位、波浪、流速等数据,观测时间为2016年6月21日至2017年7月23日。BH02位于天津南港外中海油歧口油田QK18-1平台附近,坐标(117.91°E,38.61°N),平均水深约11 m(见图 1)。海底观测平台座底打桩固定,仪器安装在平台上,由潜水员负责安放、回收观测站。座底观测平台长时间观测会附着牡蛎与海草,春季到秋季平均每1.5个月进行一次回收维护,冬季3个月进行一次维护,共计进行了7次观测。维护周期短,附着物的发育对于传感器测量影响较小。冬季航次需进行3个月连续观测,测量间隔设置为30 min,其他航次测量间隔设置为10 min,仪器其他参数设置在观测期间各阶段完全相同。每次进行观测站维护时,使用CTD(SeaBird37)进行温盐剖面测量,该数据主要用于计算水体吸收衰减系数。

      图  1  渤海湾水深分布和BH02海底观测站位置图

      Figure 1.  Water depth map of Bohai Bay and the location of BH02

      实测回波强度数据采集自座底观测站搭载的诺泰克公司生产的AWAC型(声学波浪流速剖面仪)ADCP,附加温度、压力传感器,可同时测量流速剖面、温度、水位以及波高与波向,具有全天候的波浪、海流、潮汐水位以及温度变化的监测能力。仪器工作频率为600 kHz,3个换能器同步工作,换能器距离海底约1.5 m,向上观测,层厚1 m,第1层距底约3 m。

      悬浮体抽滤质量浓度数据来源于25 h连续取样测量,取样时间为2016年12月18日18:00至2016年12月19日19:00,每隔1 h对表层、中层、底层取水样500 mL,保存带回进行室内抽滤,计算获得悬浮体质量浓度。

      风场数据来自NCEP提供的CFSv2数据(http://rda.ucar.edu/datasets/),时间分辨率为1 h,空间分辨率为0.205°,经过插值处理得到BH02站风场数据。

    • 实测悬浮体质量浓度测定使用滤膜为孔径0.45μm、直径47 mm的微孔醋酸纤维膜。在滤膜烘干称重后对水样进行过滤并洗盐,除去滤膜上残留的盐分。抽滤后将滤膜放在60 ℃恒温烘箱中烘干24 h,另静置1 h后使用高精度(十万分之一克)天平称重。考虑到抽滤过程中海水会造成滤膜的损失,因此采用上下两层膜进行抽滤,上膜用于海水的过滤,下膜用于矫正滤膜的误差损失。通过以下公式得到悬浮体质量浓度:

      $$ SSC = \frac{{({M_2} - {M_1}){\rm{ - }}({M_4} - {M_3})}}{V} $$ (1)

      式中:SSC为悬浮体的质量浓度,mg/L;

      M1M2分别代表抽滤前后上膜的质量,mg;

      M3M4分别代表抽滤前后下膜的质量,mg;

      V为实际抽滤的海水体积,mL。

    • 由于ADCP发射声波的散射体主要是水体中的悬浮颗粒,其回波强度可用来反演悬浮体浓度。基于瑞利散射原理,体积后向散射强度(Sv)可表示为[5]

      $$ S{\rm{v = }}10{\rm{lg}}(SSC) + b $$ (2)

      式中:b为校准因子,与悬浮体粒径和密度等有关。假设观测期间悬浮体的粒径、密度以及其他物理性质保持相对稳定,则体积后向散射强度与悬浮体浓度的对数呈线性关系。水体声波传播过程中,由于回声球面扩散和介质吸收的存在,在计算散射源处声强时,须考虑声波的几何衰减和吸收因素[28],对ADCP测量的回波强度进行校正后得到体积后向散射强度。基于声呐方程,ADCP测量的体积后向散射强度表达为[5]

      $$ \begin{array}{l} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} S{\rm{v = }}C + 10{\rm{lg}}(t + 273.16) + 20{\rm{lg}}(\psi R) - \\ 10{\rm{lg}}(L * P) + 2\alpha R + {K_{\rm{c}}}(E - {E_{\rm{r}}}) \end{array} $$ (3)

      公式(3)综合考虑了声波球状扩散、声速、噪声本底、海水及悬浮体对声波衰减等的校正过程。式(3)中:C为ADCP性能相关常数(dB);t为换能器温度(℃),基于CTD温盐数据可知,该站水深较浅,水体混合充分,因此,以对应ADCP记载近底层温度为准;ψ为近场校正函数[29],对于600 kHz、换能器半径为3.3 cm的ADCP,计算所得临界距离为1.45 m,而第1层设置距换能器1.5 m,因此,可不考虑声波近场非球状扩散;R为悬浮体沿声波波束方向离换能器的距离(m),与换能器倾角有关;L为声波脉冲长度(m);P为声波发射功率(W);α为海水及悬浮体对声波的吸收衰减系数(dB/m),包括海水对声波的吸收αw和悬浮体对声波的吸收αsαw具体计算可参考Francois和Garrison的研究[30-31],计算需考虑温度盐度影响,其取值介于0.061~0.172 dB/m,计算αs[32]其量级为0.001 dB/m,与αw相比可忽略;Kc为转换系数(dB/count),一般取典型值0.45;E为回波强度,Ec为噪声本底值,取均值25(count)。

      对ADCP的回波反射强度经过声波几何衰减矫正和声波吸收衰减矫正转换得到体积后向散射强度,可以半定量地指示悬浮体的体积浓度。综合(2)(3)式,简化的声呐方程指数形式为:

      $$ S{\rm{v}} = a * {\rm{lg}}(SSC) + b $$ (4)

      式中:ab为拟合系数,通过实测抽滤所得悬浮体浓度与回波强度的回归分析来标定,本文采用Matlab曲线拟合工具箱进行拟合。

    • 悬浮体输运通量计算公式如下[33-34]

      $$ \begin{array}{*{20}{l}} {Q = } \end{array}\int_0^t {\int_0^h {\begin{array}{*{20}{l}} {V * C{\rm{d}}h{\rm{d}}t} \end{array}} } $$ (5)

      式中:V为流速,m/s;

      C为反演悬浮体质量浓度,mg/L;

      h为水深,m。

      分别计算观测期间u(E—W)、v(S—N)方向上各层单宽悬浮体输运量;累计25 h内u、v方向各层单宽悬浮体输运量并矢量求和,作为每日各层悬浮体单宽净输运通量;累计每月u、v方向各层单宽悬浮体输运量并矢量求和,作为每月各层悬浮体单宽净输运通量。

    • 依据上述方法,选取与采集水样同时刻、同深度的体积后向散射强度与实测悬浮体质量浓度进行反演。由于ADCP的3个传感器声波发射方向不同,回波强度值存在差别。将3个传感器分别计算的体积后向散射强度与抽滤悬浮体浓度进行拟合分析,结果表明,不同传感器与实测悬浮体浓度相关性不同,2号传感器测量结果仅为0.13,即基本不具相关性。1号和3号传感器相关性达到0.6,体积后散射强度与实测悬浮体质量浓度相关性相对较好(表 1)。

      表 1  不同传感器Sv与SSC相关性比较

      Table 1.  Correlation between Sv and SSC for different sensors

      传感器 系数a 系数b 相关系数R2 均方根误差(RMSE)
      1号 10.59 75.43 0.60 2.078
      2号 5.67 84.76 0.1305 3.514
      3号 10.68 74.42 0.6293 1.968

      2号相比1号与3号传感器相关性较差,对比分析各探头原始拟合体积后散射强度数据(图 2)。1号与3号探头观测体积后散射强度值整体上较一致,2号探头观测近表层体积后散射强度值普遍偏高,为主要区别。发射声波波束与垂直轴线呈25°倾角,120°方位角分布,波束信号传播至表层其相互间距可达数米(以水深9 m计其间隔可达约7 m)。一方面,声波发射发现不同导致回波信号强度的差别。另外,表层海气相互作用强,海气交换增加了近表层声阻抗,导致体积后向散射强度值变高。一定范围内表层海气作用状态可能有所差异,从而出现近表层体积后散射强度值的差别。

      图  2  基于实测25 h悬浮体质量浓度的各层拟合Sv值

      Figure 2.  Fitting Sv value of each layer based on measured 25 h SSC

      3号传感器相关性达0.629 3,相关性最好,拟合曲线见图 3。因此,本文采用3号传感器计算所得体积后向散射强度与实测悬浮体质量浓度拟合,反演该站点观测期间悬浮体质量浓度变化,进行定量分析。拟合得到体积后向散射强度与悬浮体质量浓度关系式为:

      图  3  3号传感器后向散射强度Sv3与实测SSC拟合曲线

      Figure 3.  Fitting curve for backscatter intensity Sv3 of 3# sensor and measured SSC

      $$ S{\rm{v = }}10.68 * {\rm{lg}}(SSC) + 74.42 $$ (6)

      体积后向散射强度与实测悬浮体质量浓度的对数相关说明:随着悬浮体质量浓度的增加,悬浮体质量浓度的大幅变化仅导致体积后向散射强度的微小变化。抽滤所得悬浮体质量浓度最大值仅为217.3 mg/L,缺乏实测高值悬浮体质量浓度数据与体积后向散射强度拟合,因而对超高值悬浮体质量浓度的反演的可能存在误差。

      后向散射强度表层表现为异常高值,且高值区在强风天气下,由近表层至近底层延伸(见图 4b)。表层体积后向散射强度高值区明显受控于水位变化,即体积后向散射强度高值变化和水位波动基本一致。由于表层海气交换增加了表层声阻抗,导致体积后向散射强度值明显变高[35-36],即表现为表层异常的高悬浮体质量浓度。强风加强了海气混合,使海气混合界面加深,从而扩大了表层高体积后向散射强度区的深度范围[37]。实测观测分层层厚1 m,分辨率较低,且后向散射强度记录点为层位中间点(如距传感器1~2 m层记录1.5 m处数据),因此表层高后向散射强度厚度一般可达约2 m,水位曲线即代表海气界面。实际分析时,仅考虑3~8 mab层悬浮体浓度(mab代表距底高度,单位:m)。

      图  4  风、Sv和SSC时间序列图

      Figure 4.  Time series of wind, Sv and SSC

    • 整个观测期间悬浮体质量浓度变化见图 4c。渤海湾区悬浮体质量浓度变化与以往研究中渤海地区“冬高夏低”的悬浮体浓度季节变化特征存在差异。冬季(12—次年1月)时,悬浮体浓度表现为低值,而秋季(9—11月)悬浮体浓度表现为高值。悬浮体浓度分布垂向上一般混合良好,但是部分时段发育许多由底至表的高悬浮体浓度突刺。观测站位平均水深11 m,水深相对较浅。对比风速时间序列(图 4a),高悬浮体浓度突刺的形成应与强风过程引起沉积物的再悬浮有关,沉积物的再悬浮导致悬浮体浓度急剧增加,下文将对此进行具体讨论。

      月均悬浮体浓度变化如图 5所示。各层月均悬浮体浓度变化趋势基本一致,呈现出较连续的变化且具有双峰特点,峰值分别出现在6月和10月。悬浮体浓度月均最大值出现在10月份3 mab层,达333.80 mg/L,此时8 mab层悬浮体浓度值为207.31 mg/L。月均悬浮体浓度低值分别出现在7月和1月,最小值为1月份7 mab层,为69.60 mg/L,此时3 mab层悬浮体浓度值为80.64 mg/L。月均悬浮体浓度在冬季(12—次年2月)以及7月份较其他季节年垂向分布上更加均匀,而在6月和10月峰值月份,3 mab层与8 mab层垂向分布差异大,最大可达约150 mg/L。

      图  5  月均SSC变化图

      Figure 5.  Variation of monthlyaveraged SSC

    • 考虑到该海域潮汐不等现象明显,涨急与落急流速差别较大,导致悬浮体浓度变化相差显著,且涨落潮历时也不等,因此,在一个潮周期(25 h)内由存在悬浮体净输运变化。结合实测期间悬浮体抽滤数据,计算了冬季一个潮周期内悬浮体单宽输运量(表 2)。悬浮体存在W—WS向的净输运,一个潮周期内整体悬浮体净输运量为39.91 kg。中层净悬浮体净输运量相比表层和底层较大,考虑其原因为底层摩擦力作用,一方面使得底层达到最大流速时间相对中层更早,再悬浮沉积物垂向混合可更加充分;另一方面底摩擦作用减少了底层流速,从而中层流速较底层偏大。

      表 2  一个潮周期内实测期间各层悬浮体单宽输运量

      Table 2.  Single width transport volume of SSC in different layers during a tidal cycle in the measured period

      U向净输运量/g V向净输运量/g 输运总量/kg 输运方向(正北为0°)
      表层 -8 574.67 -1 040.92 8.64 263.1°
      中层 -18 986.3 -37.86 18.99 269.9°
      底层 -6 175.99 -9 441.54 11.28 213.2°

      各月不同层位悬浮体单宽净输运量变化如下图 6,各层月悬浮体单宽净输运方向整体上以EW向输运为主,11月至次年5月悬浮体表现为偏W向输运,其他时间则为偏E向输运。各月单宽净输运方向变化具有明显规律性,具体为:7—9月主要为W向输运,10月为过渡期,11月至次年1月则主要为E向输运,2—3月输运方向发生偏转,为偏NE向,4—6月则由偏NW向过渡为W向输运,具有明显季节变化特征。3~7 mab层月悬浮体输运量变化趋势基本一致,一般状态下,悬浮体月净输运量为10~20 t。9月存在明显的W向净输运,月净输运量达到百吨量级。垂向分布上,各月月悬浮体净输运量基本符合由底至表逐渐降低的变化。但8 mab层由于靠近表层,受风场影响更显著,海气相互作用仍然可部分影响形成8 mab层高体积后向散射强度,尤其是在低潮时其作用更为明显(图 4b);另外,近表层流速因风场影响,较以下层位偏大。因此,8 mab层的月净输运量表现出与其他各层不同的变化特征,各月间突变较明显且表现为普遍较高的月净输运量。

      图  6  不同层位各月悬浮体净输运量变化

      Figure 6.  Variation of net transport flux of SSC at different layers each month

      对比3 mab与4 mab层悬浮体日单宽净通量与有效波高序列,分析风浪对悬浮体输运的影响(图 7)。一般状态下,3 mab与4 mab层悬浮体每日单宽净通量较小,但强风浪作用可明显增强该区悬浮体净输运。对比有效波高序列,有效波高近2 m时,单宽净通量明显突增至数吨,当其耦合每月小潮期时,通量量级甚至可达十数吨。如2016年10月20—22日(小潮期)期间的强风浪过程,3 mab与4 mab层日单宽净通量突增至15~20 t。由于悬浮体浓度高值区反演的特点,日单宽净通量数值可能偏大,但可了解到该区风浪作用对悬浮体输运的极大影响。

      图  7  有效波高Hm0与净通量序列对比图

      Figure 7.  Comparison of Hm0 and net flux

    • 潮流作为渤海海域水体运动的主要形式,通常情况下渤海区域悬浮体浓度变化受潮流控制[18]。对风速、流速、悬浮体浓度进行频谱分析对比,流速以3 mab层为代表,悬浮体浓度选取3 mab层(近底层)与8 mab层(近表层)为代表。频谱结果显示,悬浮体浓度与潮流的周期性变化在几个分潮频率峰值位置具有一致性(图 8b8c8d)。悬浮体浓度谱值在频率f分别为1 cpd(cycle per day)、2 cpd、近3 cpd与近4 cpd下均呈现为高值,与3 mab流速谱值对应良好。频谱高值对应频率f分别与潮流主要日分潮O1与K1的日周期变化频率,主要半日分潮M2与S2的半日周期变化频率,以及三分日浅水分潮和四分日浅水分潮的周期变化频率相一致,即该区悬浮体浓度的日变化受潮流影响明显,这与以往的认识基本一致。该区浅水环境下,潮流浅水分潮在悬浮体浓度变化上作用突出,尤其是四分日浅水分潮。

      图  8  频谱分析对比图

      Figure 8.  Spectrum analysis and comparison

      以10月15—19日期间(大潮期)3 mab层悬浮体浓度的变化为例,直观反映该区潮流对悬浮体浓度日变化具体作用过程(图 9)。3 mab层悬浮体浓度变化与3 mab层流速的潮周期变化较一致,潮流涨急或落急时,悬浮体浓度为高值;潮流平潮或停潮时,悬浮体浓度则对应为低值。涨急流速一般大于落急流速,潮流涨急和落急流速分别可达近0.6 m/s和近0.4 m/s,悬浮体对涨急与落急响应程度不同。涨急潮流流速较大,可引起原地沉积物再悬浮,致使3 mab层悬浮体浓度值由量级100 mg/L增至量级为1 000 mg/L。近底层沉积物再悬浮对流场响应有时存在延迟现象,延迟时间约为1 h。实测期间底层悬浮体浓度变化对3 mab潮流流速也存在类似响应。

      图  9  潮流流速与SSC对比

      Figure 9.  Changein SSC of 3 mab and its response to tidal current speed

    • 无论是各月SSC的变化还是悬浮体日单宽净通量的变化,秋季9—11月与冬季12月至次年2月相比均为高值,尤其是10月。风速与3 mab层悬浮体浓度谱值在低频部分均表现为高值,即悬浮体浓度的长周期变化可能受气候变化或气象因素造成的伪长周期性变化作用(图 8a8c8d)。风浪对该区域悬浮体浓度变化具有重要影响,主要表现在海底沉积物对强风浪的快速响应上。强风浪使得沉积物再悬浮,致使悬浮体浓度大幅增加。

      图 10所示,以10月份为例,10月3—9日期间连续大风过程造成有效波高达2 m,同时近底层迅速响应,沉积物发生再悬浮,3 mab层悬浮体浓度值剧增,最高达4 000 mg/L。对比同月份10月24—27日小潮期附近悬浮体浓度变化,10月24—26日期间有效波高基本保持在0.5 m左右,悬浮体浓度值维持在数十至数百毫克每升;而26—27日一次大风浪事件,有效波高达近2.5 m,悬浮体浓度突增至2 500 mg/L。站点附近沉积物主要类型为黏土质粉砂或者粉砂质黏土[38],海底最表层沉积物常处于半流动状态,易于悬浮。海底表层沉积物对于风浪迅速响应,沉积物发生再悬浮使得悬浮体浓度突增。

      图  10  有效波高Hm0与3 mab层SSC对比

      Figure 10.  Change in SSC of 3 mab and its response to Hm0

      全年各月按照最大波高统计所得各波浪分级及对应频率如下表。10月与11月大浪出现次数分别达57次、36次,且全年仅有10月与11月有10次巨浪出现;其他大绝部分月份大浪出现次数仅为10次左右。9—10月中浪、大浪在全年出现的次数以及频率相比其他均明显更多。10月份大浪与巨浪的频繁发生引起沉积物再悬浮,使得该区域悬浮体浓度明显增加,各层月均悬浮体浓度均为全年最高,以3 mab层为例月均悬浮体浓度达到333.80 mg/L。

      表 3  各月按最大波高(m)的波浪分级及对应频率

      Table 3.  Wave classification and corresponding frequency of maximum wave height (m) each month

      年份 波浪分级/m
      小浪(0~0.5) 轻浪(0.5~1.25) 中浪(1.25~2.5) 大浪(2.5~4) 巨浪(>4)
      2016/07 247(33.70%) 405(55.25%) 61(8.32%) 14(1.91%) 6(0.82%)
      2016/08 309(41.53%) 328(44.09%) 64(8.60%) 42(5.65%) 1(0.13%)
      2016/09 280(39.27%) 333(46.70%) 85(11.92%) 15(2.10%) 0(0%)
      2016/10 156(21.02%) 337(45.42%) 182(24.53%) 57(7.68%) 10(1.35%)
      2016/11 171(23.75%) 360(50.00%) 143(29.86%) 36(5.00%) 10(1.39%)
      2016/12 295(39.97%) 311(42.14%) 117(15.85%) 15(2.03%) 0(0%)
      2017/01 289(38.84%) 326(43.82%) 116(15.59%) 13(1.75%) 0(0%)
      2017/02 353(52.53%) 224(33.33%) 89(13.24%) 6(0.89%) 0(0%)
      2017/03 379(54.53%) 235(33.81%) 71(10.22%) 10(1.44%) 0(0%)
      2017/04 352(48.89%) 312(43.33%) 56(7.78%) 0(0%) 0(0%)
      2017/05 246(33.06%) 377(50.67%) 106(14.25%) 15(2.02%) 0(0%)
      2017/06 274(38.43%) 306(42.92%) 120(16.83%) 13(1.82%) 0(0%)

      AWAC记载浪向为波浪来向,将波浪波峰值波向以45°间隔按照8个方向统计,所得各波浪浪向及对应频率见表 4。站点靠近渤海湾西岸,相对其他方向来风,在偏东向风作用下较易形成强风浪。整体来看,波浪E向占比达37.84%,其次为SE向,NE向浪再次之,3个主浪向占比总和达到69.11%。同时各月中也以E向、SE向以及NE向为主,尤其是E向波浪。即使在秋冬季节,该海区主浪向仍然以偏东向为主。偏东向波浪对该区悬浮体浓度变化具有重要影响。

      表 4  各月按波浪波峰值波向统计的波浪浪向及对应频率

      Table 4.  Wave direction and corresponding frequency of peak direction each month

      年份/月份 浪向
      N NE E SE S SW W NW
      2016/07 19(2.56%) 66(8.89%) 342(46.09%) 222(29.92%) 34(4.58%) 35(4.72%) 16(2.16%) 8(1.08%)
      2016/08 91(12.23%) 255(34.27%) 193(25.94%) 74(9.95%) 23(3.09%) 28(3.76%) 40(5.38%) 40(5.38%)
      2016/09 31(4.33%) 82(11.45%) 283(39.53%) 145(20.25%) 53(7.40%) 64(8.94%) 33(4.61%) 25(3.49%)
      2016/10 22(2.96%) 71(9.54%) 339(45.56%) 149(20.03%) 31(4.17%) 97(13.04%) 22(2.96%) 13(1.75%)
      2016/11 27(3.76%) 90(12.52%) 279(38.80%) 95(13.21%) 30(4.17%) 122(16.97%) 60(8.34%) 16(2.22%)
      2016/12 46(6.21%) 109(14.71%) 278(37.52%) 96(12.96%) 46(6.21%) 106(14.31%) 46(6.21%) 14(1.89%)
      2017/01 53(7.12%) 145(19.49%) 276(37.10%) 97(13.04%) 37(4.97%) 55(7.39%) 44(5.91%) 37(4.97%)
      2017/02 63(9.38%) 99(14.73%) 269(40.03%) 98(14.58%) 30(4.46%) 35(5.21%) 36(5.36%) 42(6.25%)
      2017/03 100(13.44%) 73(9.81%) 294(39.52%) 92(12.37%) 46(6.18%) 53(7.12%) 46(6.18%) 40(5.38%)
      2017/04 46(6.39%) 56(7.78%) 211(29.31%) 137(19.03%) 39(5.42%) 106(14.72%) 98(13.61%) 27(3.75%)
      2017/05 30(4.03%) 46(6.18%) 271(36.42%) 202(27.15%) 40(5.38%) 126(26.94%) 20(2.69%) 9(1.21%)
      2017/06 23(3.20%) 38(5.29%) 275(38.30%) 198(27.58%) 53(7.38%) 72(10.03%) 46(6.41%) 13(1.81%)
      总计 551(6.30%) 1130(12.92%) 3310(37.84%) 1605(18.35%) 462(5.28%) 899(10.28%) 507(5.80%) 284(3.24%)
    • 本文基于连续观测的长时间序列ADCP回波强度计算后向散射强度,结合短期实测的悬浮体质量浓度数据,反演了渤海湾西部海域一年悬浮体质量浓度变化,并对比风场与实测波浪、流速数据,具体分析了悬浮体浓度变化及其影响因素,基本结论如下:

      (1) 基于ADCP回波强度,综合考虑声波几何衰减矫正和声波吸收衰减矫后,得到体积后向散射强度数据与反演悬沙浓度相关性达62.9%,可用于定量分析长时间序列悬浮体浓度变化特征,但表层悬浮体浓度由于海气相互作用影响无法正常反演。

      (2) 渤海湾浅水环境的悬浮体浓度日变化受潮流控制明显,长周期变化则主要与风场的变化有关。潮流涨急(约0.6~0.7 m/s)与强风浪均可引起海底表层沉积物的迅速响应,沉积物再悬浮致使悬浮体浓度显著增高,但不同月份响应程度存在差异,与风浪的月变化有关。

      (3) 风浪对该区悬浮体浓度变化以及净输运有重要影响,为悬浮体季节性变化的关键因素。风浪作用强烈时,其悬浮体浓度表现为高值,偏东向风浪影响占主要作用。一般状态下悬浮体各层月单宽净输运量在10~20 t左右,而强风浪可引起日单宽净通量明显增加。悬浮体7—9月主要为W向输运,10月为过渡期,11—次年1月则主要为E向输运,2—3月输运方向发生偏转,为偏NE向,4—6月则由偏NW向过渡为W向输运。

参考文献 (38)

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