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基于走航观测的长江口邻近海域悬浮颗粒物高频变化研究.docx
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基于走航观测的长江口邻近海域悬浮颗粒物高频变化研究.docx
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摘要
基于 2018 年 5 月 27 日—31 日长江口邻近海域的海洋科学综合调查,利用船载走航式表观
光谱观测系统进行了定点及连续光谱测量,结合快速多参数水质仪和声学多普勒流速剖面仪
同步观测结果,研究了悬浮颗粒物(SPM)的高频变化特征及其影响因素。研究结果表明,长江
口邻近海域 SPM 浓度存在高频变化特征,且受潮汐作用影响显著。在退潮周期内,其浓度在
定点站位内有明显的先上升后下降过程,且浓度高值与高流速相对应。断面走航观测显
示,SPM 在短时间内变化特征存在明显的空间差异。在水深较浅的区域中局地再悬浮过程
的作用明显,且 SPM 浓度与流速之间有着良好的对应关系,而在水深较深、离岸较远的区域
中 SPM 浓度的变化则可能与长江冲淡水过程相关。
Abstract
Based on a comprehensive marine scientific survey conducted in the sea area adjacent
to the Yangtze Estuary from May 27 to May 31, 2018, a fixed point and continuous
spectrum observation with the ship-based underway apparent spectrum observation
system is carried out. Simultaneous observation results of a rapid multi-parameter water
quality meter and an acoustic Doppler current profiler are also incorporated to study the
high-frequency variation of the suspended particulate matter (SPM) and its influencing
factors. The results show that the SPM concentration in the sea area adjacent to the
Yangtze Estuary demonstrates high-frequency variations and significant influence by the
tide. During the ebb period, the SPM concentration at the fixed station distinctly increases
first and then decreases,with high value corresponding to the high current velocity.
Underway transect observation results exhibit obvious regional differences in the
variation characteristics of the SPM in a short time. In a shallower area, the local
resuspension process plays a dominant role, with a close relationship between SPM
concentration and the current velocity. In contrast, the concentration variation of the SPM
in farther offshore areas with deeper depth may be related to the Yangtze River diluted
water process.
1 引言
悬浮颗粒物(SPM)作为水体重要的光学组分,会通过吸收和散射作用改变水下光场,进而影响
海洋初级生产力
[1]
。针对 SPM 的监测在泥沙输运、营养盐流动和污染物运移等研究方面也
有重要价值
[2-3]
。受陆源输入、底质再悬浮以及地形变化等诸多因素的影响,在人类活动较多
的河口、近岸海域中 SPM 浓度较高,且在较短时间内(小于 1 h)有很大的变化幅度,有些研究
学者将这种短时间内的变化表述为高频变化特征
[4-5]
。
作为中国径流量最大的河流,长江每年携带大量悬浮物质进入海洋,再加上潮汐、季风及复
杂地形等诸多因素的影响,长江口邻近海域的 SPM 时空分布复杂多变
[6-9]
,故对其高频变化特
征的研究受到了国内外学者的广泛关注
[4-5,8-10]
。然而,受制于观测手段,最初对此区域的研究
多集中在季节与大小潮周期分布特征的变化
[11-12]
。受冬季风和环流系统的影响,冬季泥沙大
量输出,SPM 含量较高;夏季则因温跃层存在,垂向混合受限,表层 SPM 浓度较低
[10,12]
。此外,
受到潮汐动能变化的影响,大潮期间 SPM 浓度普遍高于小潮
[9,11]
。
长江口邻近海域易受径流、潮汐等水动力及风场、气温等大气强迫过程的影响
[13]
,并且
SPM 浓度还存在明显的短周期内变化特征。因此,季节尺度上进行研究显然不能满足需
求。前人基于现场定点站位观测指出在潮周期内 SPM 浓度有明显变化,高值对应低潮位,低
值对应高潮位,这与该区域潮差较大、潮流较强和易受长江口及杭州湾泥沙扩散影响等因素
密切相关,涨落潮的平流作用很大程度上会引发 SPM 变化
[9,14]
。赵盖博等
[15]
通过原位座底连
续观测的方式研究发现,在陆架浅海区中,SPM 分布会受到潮流、波浪等多种要素的综合影
响,平流作用会导致其浓度及分布产生水平空间的变化。潮流及风浪的湍混合还会造成垂直
方向上 SPM 的扩散,进而对局地分布产生影响。
随着观测技术的发展,利用水色卫星遥感手段对水色要素高频变化的监测研究日益增多
[16-
18]
。利用水色光谱变化特征可有效反演得到 SPM 浓度的变化
[13,17]
。He 等
[5]
基于地球静止海
洋水色成像仪(GOCI)及浮标数据对近岸海域 SPM 日变化过程进行探讨:发现盐度与 SPM
浓度呈现明显的负相关关系,并认为潮汐是重要影响因素;指出台风等偶发性强风事件会造
成 SPM 浓度短时间增加。周钰等
[18]
将 GOCI 观测与有限体积海岸海洋模型(FVCOM)模拟
的潮流潮汐数据相结合,研究认为在长江浅滩区域造成潮周期内 SPM 浓度变化的主要因素
是潮致混合强度,且混合强度大小较 SPM 浓度高低存在约 2 h 滞后。Ding 等
[4]
则探讨了“葵
花 8 号”卫星高频监测 SPM 浓度变化的能力:发现长江口 SPM 浓度 1 h 内的浓度达到的最
大值是初始值的两倍多;指出在监测沿岸高动态水域泥沙变化方面,高时间分辨率及长周期
观测不可或缺。
目前对于 SPM 高频变化的研究多基于遥感数据,且现场同步观测相对匮乏,尤其在受潮汐影
响显著的河口区域。受云层、天气等自然因素的影响以及近岸海域算法精度不足的限制,观
测数据的时空分辨率也难以满足研究需求。走航表观光谱观测平台具有在不同天气条件下
进行长时间、连续高频和多参数同步测量的优势,近年来已被广泛应用于全球海洋综合调查
中
[19-20]
,也为近岸海域 SPM 观测提供了有效手段
[21]
。本文基于长江口邻近海域连续走航观
测时获取的水体表观光谱数据来反演 SPM 浓度,并进一步结合同步实测海流、温度和盐度
等水文要素,探讨其高频变化特征及影响因素。
2 数据和方法
2.1 航次调查
采用的现场实测数据来自 2018 年春季海洋科学综合调查(HHU-OCN-2018)航次,调查船为
“润江一号”,调查海域范围为 29.8°N~31.2°N,121.6°E~123°E,时间为 2018 年 5 月 27 日—
31 日。航次开展了定点站位连续观测及连续走航观测,采用船载走航式表观光谱观测系统
(GZSS_CruiseAOP)测量海面水色光谱并计算遥感反射率 R
rs
,光谱测量范围为 320~950
nm,光谱分辨率为 3.3 nm,采样间隔约为 5 min。利用声学多普勒流速剖面仪(ADCP,频率为
600 kHz)测量水深、流速和流向等数据,采样间隔为 0.5~1.0 s,剖面单元层厚度为 0.5 m。
快速多参数水质仪(RBR maestro)被用于每个站点的温度、盐度、叶绿素 a、溶解氧和浊度
等参数的剖面观测,定点站位每隔 1 h 完成一次投放。
定点站位(122°30.319’E, 30°47.776’N)处于杭州湾以东,长江口东南,近嵊泗县。于 2018 年
5 月 27 日 20:00—29 日 02:00 期间进行了连续 32 h 的水文观测,间隔为 1 h。5 月 28 日
白天利用水体表观光谱观测系统进行了 10 h 的光谱观测,获得了 114 组数据。5 月 30 日沿
D 断面(D2~D9)进行来回走航观测,断面各站点位置的分布如表 1 所示,光谱测量的时段为
8:50—18:35。走航路线大致分三段:1)从 D9 站出发,到达 D2 站,由于光线的原因, 故在 D7
站附近才开始进行光谱测量;2)从 D2 站调转船头原路返回至 D9 站;3)从 D9 站返回至 D6 站
附近。
航次调查过程中获取的有效光谱数据的时间间隔为 5~15 min,参照已有研究
[4-5]
,将观测期间
发现的小时级变化表述为高频变化特征。
表 1. D 断面各站点位置分布
Table 1. Location distribution of each station in section D
Station name
Longitude
Latitude
Station name
Longitude
Latitude
D2
122°15.942’E
30°56.893’N
D3
122.20.566’E
30°53.910’N
D4
122°25.521’E
30°51.011’N
D5
122°30.264’E
30°47.833’N
D6
122°34.896’E
30°44.896’N
D7
122°39.736’E
30°41.707’N
D8
122°44.680’E
30°38.840’N
D9
122°49.443’E
30°35.741’N
查看所有表
2.2 光谱数据处理
高光谱遥感反射率 R
rs
数据通过船载走航式表观光谱观测系统(GZSS_CruiseAOP)获取。该
系统集成了 1 个辐照度传感器(RAMSES-ACC-VIS)和 2 个辐亮度传感器(RAMSES-ARC-
VIS)。借助测量系统配置的自稳云台,采用“水面之上”法
[22]
获取光谱数据,测量过程遵循美国
航空航天局(NASA)海洋光学测量规范
[23]
,收集向上的海面辐亮度 L
water
、向下的天空辐亮度
L
sky
以及总的下行辐照度 E
s
。每个测量时间点在 1 min 内完成 15 条光谱测量。遥感反射率
的计算公式为
Rrs=(Lwater−ρLsky)/Es,(1)Rrs=(Lwater-ρLsky)/Es,(1)
式中:ρ 为气-水界面菲涅耳反射率,其大小取决于观测时太阳方位、天空光辐射分布、光谱
仪观测几何、风速、风向和海面粗糙度等因素,取值范围一般为 0.02~0.06
[16]
。定点站位光
谱观测时的风速范围为 0.09~2.60 m/s。走航观测时的风速范围为 0.2~5.6 m/s,仅个别站点
的风速在 5 m/s 左右。为表征每个时间点光谱测量的稳定性,选取 570 nm 波长处的 R
rs
和
E
s
数据计算变异系数,即多条光谱的标准差与平均值的比率。在对现场测量数据分析后可
知,各时间段内绝大部分 R
rs
测量结果的变异系数低于 10%,相应 E
s
变异系数绝大部分低于
5%。由此,可以认为观测区域内测量过程受风速影响较小,在后续计算中将 ρ 近似取值为
0.023。图 1 分别给出了定点及断面观测获取的部分 R
rs
光谱,可见不同浊度水体中观测到的
水色光谱分布有明显差异,其中 NTU 为比浊度法浊度单位。
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