吳 昊 , 丘仲鋒, , 張艷萍 孫德勇, , 王勝?gòu)?qiáng),

(1. 南京信息工程大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 江蘇 南京 210044; 2. 南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院, 江蘇南京 210044; 3. 江蘇省海洋環(huán)境探測(cè)工程技術(shù)研究中心, 江蘇 南京 210044)

水體中的懸浮顆粒物包括有機(jī)顆粒物和無(wú)機(jī)顆粒物[1-2], 無(wú)機(jī)顆粒物中的大顆粒泥沙易沉降并淤積,對(duì)航道、海岸工程造成影響, 而有機(jī)顆粒物中的懸浮藻類漂浮于水中, 直接影響光束穿透[3], 進(jìn)而影響海洋的初級(jí)生產(chǎn)力。因此, 監(jiān)測(cè)懸浮顆粒物、研究其粒徑的時(shí)空變化特征是非常必要的。

國(guó)外學(xué)者在懸浮顆粒粒徑分布的監(jiān)測(cè)和反演方面已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究。Winterwerp[4]提出了細(xì)顆粒的絮凝、沉降和再懸浮等動(dòng)力過(guò)程與顆粒粒徑的大小有直接關(guān)系; Bowers等[5]基于前人的工作,利用單位散射系數(shù)與懸浮顆粒粒徑之間的關(guān)系, 建立了顆粒物中值粒徑的遙感反演模型; Lee等[6]基于Bowers等[5]的方法, 利用MODIS月平均數(shù)據(jù)產(chǎn)品, 分析研究愛(ài)爾蘭海懸浮顆粒濃度、粒徑及其動(dòng)力特征的時(shí)空變化。

國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了一些關(guān)于懸浮顆粒粒徑時(shí)空分布的研究, 主要是基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料。張志忠[7]對(duì)長(zhǎng)江口河段 1976～1982年不同季節(jié)與潮型時(shí)的懸浮泥沙進(jìn)行了粒度分析, 并計(jì)算了國(guó)內(nèi)外河口懸沙的平均中值粒徑, 發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒泥沙占優(yōu); 李伯根等[8]基于實(shí)測(cè)的懸沙粒徑觀測(cè)資料, 分析研究椒江河口最大渾濁帶懸沙粒徑分布的區(qū)域變化; 王愛(ài)軍等[9]分析研究 2003和 2004年枯季在長(zhǎng)江口測(cè)量的懸沙濃度和粒度數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)2003年11月小潮期間和2004年 2月大潮期間, 中值粒徑(D50)與懸沙濃度之間存在顯著的指數(shù)關(guān)系; 虞蘭蘭等[10]分析了黃、東海懸浮物的LISST-100(Laser In-Site Scattering and Transmissometry)觀測(cè)數(shù)據(jù), 研究了黃、東海的懸浮物粒徑和體積濃度分布情況, 并從動(dòng)力學(xué)角度對(duì)其進(jìn)行解釋; 沈芳等[11]以長(zhǎng)江口和黃河口的懸浮泥沙顆粒物作為研究對(duì)象, 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集和Mie散射理論, 分析了懸浮物粒徑與后向散射系數(shù)、遙感反射率的定量關(guān)系, 其研究結(jié)果可為河口二類水體懸浮物遙感建模及懸沙粒徑在遙感模型中的參數(shù)化提供依據(jù)。

上述研究對(duì)懸浮顆粒物粒徑的性質(zhì)進(jìn)行了初步介紹, 但對(duì)于整個(gè)黃、渤海不同季節(jié)懸浮顆粒物粒徑的分布特征以及懸浮顆粒物粒徑與水體光學(xué)參數(shù)的關(guān)系, 尚缺乏深入了解[12]。本文針對(duì)這個(gè)問(wèn)題, 利用兩個(gè)航次的觀測(cè)數(shù)據(jù), 分析了黃、渤海懸浮顆粒物粒徑夏季和秋季分布特征。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 觀測(cè)站位

用LISST-100現(xiàn)場(chǎng)激光粒度儀分別于2013年6月和2013年11月兩個(gè)航次對(duì)黃、渤海區(qū)域16個(gè)斷面進(jìn)行了懸浮物濃度和粒徑的測(cè)量, 其中黃海 11個(gè),渤海5個(gè)。夏季共測(cè)量了86個(gè)站, 秋季共測(cè)量了88個(gè)站, 其中秋季測(cè)量了2個(gè)連續(xù)站(圖1)。

圖1 航次調(diào)查站位圖Fig.1 Voyage survey stations

1.2 觀測(cè)儀器及方法

本實(shí)驗(yàn)所使用的觀測(cè)儀器為L(zhǎng)ISST-100C現(xiàn)場(chǎng)激光粒度儀。它的原理是激光的衍射, 光線照射到粒子上以后衍射光線繞過(guò)粒子, 通過(guò)一個(gè)凸透鏡聚焦到一個(gè)由32個(gè)圓環(huán)構(gòu)成的光敏二極管檢測(cè)器上, 根據(jù)每個(gè)探測(cè)環(huán)上接收到的能量換算出該尺寸粒子的濃度, 32級(jí)粒子的濃度總和就是懸浮物的總濃度。LISST-100運(yùn)用Mie散射理論, 可以區(qū)分32個(gè)呈對(duì)數(shù)分布的粒級(jí), 測(cè)量范圍為 2.5～500 μm, 并可給出每個(gè)粒級(jí)的體積濃度。

觀測(cè)船每到一個(gè)站位, 使用 LISST-100專用軟件激活儀器, 打開(kāi)觸發(fā)式開(kāi)關(guān), 將LISST-100儀器下放, 儀器每一秒鐘測(cè)量一次。下放過(guò)程中需先在表層短暫停留一段時(shí)間進(jìn)行溫鹽校正, 然后緩慢下放至底層, 最后上提儀器直至出水面, 關(guān)閉開(kāi)關(guān)。獲取原始數(shù)據(jù)(.DATE)后, 利用 LISST-100專用軟件去除用純凈水對(duì)儀器進(jìn)行矯正的背景噪聲(.asc), 將原始數(shù)據(jù)處理為粒徑分布數(shù)據(jù)(.psd), 最后將它轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制(.asc), 導(dǎo)入excel表格內(nèi)(42列)。本文所使用的數(shù)據(jù)為第42列的衰減系數(shù)以及前32列不同粒徑粒子的體積濃度, 將前32列數(shù)據(jù)求和即得到懸浮物總的體積濃度。將該32列數(shù)據(jù)從較小粒徑對(duì)應(yīng)的體積濃度值開(kāi)始相加, 當(dāng)所加的和等于總的體積濃度值的一半時(shí)停止, 此時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑即為中值粒徑D50。根據(jù)第37列水深數(shù)據(jù)選取水面以下1 m作為表層數(shù)據(jù), 儀器下放的最大水深為底層數(shù)據(jù)(一般距離水底3 m左右)。在此將顆粒物近似為球體, 則尺寸間隔為D±0.5?D,D表示對(duì)應(yīng)的粒徑大小, ?D表示每個(gè)粒級(jí)的尺寸范圍, 32個(gè)不同粒級(jí)的體積濃度V見(jiàn)公式(1),N表示每單位尺寸、單位體積濃度內(nèi)的粒子個(gè)數(shù)(個(gè)/(m3·μm)), 單位體積內(nèi)所含粒子個(gè)數(shù)為

2 結(jié)果與討論

2.1 黃、渤海懸浮物整體分布

2.1.1 懸浮物濃度分布

夏季表層體積濃度(圖 2a)在渤海區(qū)域的值為10～30 μL/L, 北黃海區(qū)域的值為 5～10 μL/L, 南黃海區(qū)域的值為 10～50 μL/L; 夏季底層體積濃度(圖 2b)在渤海區(qū)域的值為80～200 μL/L, 北黃海區(qū)域的值為8～20 μL/L, 南黃海區(qū)域的值為 40～300 μL/L。秋季表層體積濃度(圖 2c)在渤海區(qū)域的值為 40～60 μL/L,北黃海區(qū)域的值為 8～20 μL/L, 南黃海區(qū)域的值為20～200 μL/L; 秋季底層體積濃度(圖 2d)在渤海區(qū)域的值為40～100 μL/L, 北黃海區(qū)域的值約為30 μL/L,南黃海區(qū)域的值為40～250 μL/L; 長(zhǎng)江口、黃河口以及魯蘇沿岸夏秋兩季均維持較高的濃度值, 海區(qū)近岸濃度明顯高于遠(yuǎn)岸, 渤海海峽在夏季表層濃度值較高, 可達(dá)到 150 μL, 南黃海 D斷面附近區(qū)域夏秋兩季均出現(xiàn)濃度高值區(qū)。

綜上, 海區(qū)濃度分布基本為秋季比夏季高(渤海海峽表層和近濟(jì)州島底層例外), 近岸濃度高, 遠(yuǎn)岸濃度低; 渤海海域的濃度明顯高于黃海遠(yuǎn)岸海域的濃度; 近底層的懸浮物濃度比上層高[13]。

2.1.2 懸浮物粒徑分布

夏季表層粒徑(圖 3a)在渤海區(qū)域的值為 150～250 μm, 北黃海區(qū)域的值為 150～300 μm, 南黃海區(qū)域的值為 250～300 μm; 夏季底層粒徑(圖 3b)在渤海區(qū)域的值為80～150 μm, 北黃海區(qū)域的值為80～200 μm,南黃海區(qū)域的值為50～100 μm。秋季表層粒徑(圖3c)在渤海區(qū)域的值為 40～150 μm, 北黃海區(qū)域的值為100～250 μm, 南黃海區(qū)域的值為40～200 μm; 秋季底層粒徑(圖 3d)在渤海區(qū)域的值為 40～60 μm, 北黃海區(qū)域的值約為 60～200 μm, 南黃海區(qū)域的值為 40～200 μm; 黃海近岸粒徑值明顯小于遠(yuǎn)岸。

圖2 黃、渤海懸浮物濃度分布圖Fig.2 Yellow and Bohai suspension concentration distribution

圖3 黃、渤海懸浮物中值粒徑分布圖Fig.3 Yellow and Bohai suspension median particle size distribution

綜上, 粒徑分布特征可概括為表層近岸細(xì), 遠(yuǎn)岸粗; 夏季上層粒徑比下層大, 并且比秋季大; 秋、夏兩季表層粒徑均大于底層粒徑, 這與青松[14]的研究成果一致。

2.2 斷面分布

為了更好地研究黃、渤海區(qū)域濃度及粒徑隨著水深的變化趨勢(shì), 在此選取了渤海(P)、北黃海(H)和南黃海(D)3個(gè)典型斷面進(jìn)行分析, 如圖1所示。

2.2.1 濃度分布

斷面P夏季濃度(圖4a, 圖中底層表示儀器測(cè)量的最大水深)分布變化不大, 分布區(qū)間為4～16 μL/L。秋季濃度(圖 4b)高于夏季, 近岸濃度(30～40 μL/L)高于遠(yuǎn)岸(10～15 μL/L), 且分布比較均勻; 斷面H夏季濃度(圖 4c)分布層化現(xiàn)象明顯, 近岸底層濃度偏高(20～30 μL/L), 遠(yuǎn)岸底層濃度較小(2～4 μL/L)。秋季濃度(圖 4d)分布相對(duì)均勻, 近岸濃度(20～60 μL/L)高于遠(yuǎn)岸(2～10 μL/L), 底層濃度略高于表層; 斷面 D 夏季濃度(圖 4e)整體偏高, 底層濃度較高(100～250 μL/L),表層相對(duì)較低(10～30 μL/L), 分布層化現(xiàn)象明顯。秋季濃度(圖4f)分布比較均勻, 上下層海水混合的較好, 近岸濃度偏高(50～180 μL/L), 遠(yuǎn)岸濃度較低(5～20 μL/L)。

3個(gè)斷面懸浮物濃度分布呈現(xiàn)顯著的時(shí)空差異,在空間上表現(xiàn)為遠(yuǎn)岸低、近岸高, 表層低、底層高;在時(shí)間上則是秋季濃度比夏季高(斷面 D底層例外),且分布比較均勻, 夏季層化現(xiàn)象比較明顯。

圖4 斷面濃度分布圖Fig.4 Sectional concentration distribution

近岸水深較淺, 受風(fēng)、波浪和流影響, 水體底層動(dòng)力比較活躍, 易造成底質(zhì)的再懸浮, 使得近岸濃度高于遠(yuǎn)岸、近岸近底層濃度高于表層; 當(dāng)水深較大時(shí), 風(fēng)和波浪對(duì)水體底層動(dòng)力的影響變小, 底質(zhì)受到擾動(dòng)產(chǎn)生再懸浮的現(xiàn)象減弱, 濃度相應(yīng)變低(例如H斷面夏季)。夏季表層 P、H斷面存在濃度高值區(qū)漂浮在水體中上層的現(xiàn)象, 跟浮游植物的漂浮區(qū)域及水深有一定的關(guān)系。

秋季濃度比夏季高, 可能是由于風(fēng)導(dǎo)致而成。特例斷面D底層與本文3.1.1節(jié)中近濟(jì)州島底層的特例情況相符合。秋季風(fēng)變大, 由于風(fēng)的驅(qū)動(dòng), 加上溫度降低導(dǎo)致表層水體密度變大而下沉, 使得上下層水體混合比較均勻; 夏季則由于有躍層的存在, 表、底層水體交換不暢, 所以夏季垂向分布不均, 層化現(xiàn)象較明顯(例如P斷面)。

2.2.2 粒徑分布

斷面P夏季(圖5a)粒徑分布比較均勻, 近岸底層粒徑較小(30 μm), 遠(yuǎn)岸表層粒徑較大(300 μm)。秋季(圖 5b)粒徑分布分層明顯, 近岸粒徑較小(50 μm),遠(yuǎn)岸表層(140～200 μm)粒徑大于底層(50 μm), 夏季粒徑大于秋季粒徑; 斷面H夏(圖5c)、秋(圖5d)兩季粒徑分布均為近岸粒徑較小, 遠(yuǎn)岸表層粒徑大于底層粒徑, 夏秋兩季粒徑無(wú)明顯的大小變化; 斷面 D夏季(圖 5e)粒徑分布為近岸粒徑較小, 遠(yuǎn)岸表層粒徑大于底層粒徑。秋季(圖5f)粒徑分布為近岸粒徑較小(20 μm), 遠(yuǎn)岸底層(20 μm)粒徑小于表層(200 μm),夏季粒徑大于秋季粒徑。

3個(gè)斷面懸浮物粒徑的空間分布呈現(xiàn)近岸粒徑小、遠(yuǎn)岸大的特點(diǎn)。時(shí)間上與懸浮物濃度類似, 秋季粒徑垂向分布更加均勻, 夏季則主要是層化分布。此外, 從圖5可以看出, 夏季上層粒徑比下層大, 也比秋季粒徑大, 與虞蘭蘭[10]2011年研究成果一致。

由于近岸水深較淺, 較活躍的底層動(dòng)力導(dǎo)致底質(zhì)再懸浮作用顯著, 而再懸浮物質(zhì)中小粒徑占優(yōu)[15], 因此使得近岸懸浮物粒徑比遠(yuǎn)岸小(例如D斷面夏季)。

圖5 斷面中值粒徑D50分布圖Fig.5 Median particle size distribution of the section

2.3 連續(xù)站

秋季航次在渤海海峽和鴨綠江兩處設(shè)置了兩個(gè)連續(xù)站, 分別是HX和YLJ(圖1), 水深分別為22 m和47 m, 期間恰逢大風(fēng), 起風(fēng)前風(fēng)速范圍是5～8 m/s,而連續(xù)站期間的風(fēng)速達(dá)到12～18 m/s。

HX站表、底層中值粒徑(圖6b)在起風(fēng)前夕分別為78 μm和122 μm, 起風(fēng)后粒徑均變小; YLJ站表、底層體積濃度(圖6c)起風(fēng)前夕分別為6 μL/L和4 μL/L,起風(fēng)后體積濃度均明顯增加。由此可推斷: 在一定的水深范圍內(nèi), 大風(fēng)可導(dǎo)致底層細(xì)小顆粒物再懸浮,從而改變懸浮物的空間分布格局。這與崔廷偉等[16]研究結(jié)果相一致, 即大風(fēng)在短期時(shí)間內(nèi)(1～3 d)可改變懸浮物的空間分布格局, 尤其是底層。

從圖6還可以看出, YLJ站的粒徑及體積濃度均出現(xiàn)約 12 h的周期變化特征, 考慮到研究區(qū)域的潮型屬于半日潮, 可以得出潮流對(duì)懸浮物的時(shí)空分布有著重要影響, 特別在近岸潮流作用顯著的區(qū)域。

圖6 連續(xù)站HX(a, b)和連續(xù)站YLJ(c, d)的數(shù)據(jù)Fig.6 Data from continuous station HX (a, b)and YLJ (c, d)

2.4 衰減系數(shù)

衰減系數(shù)是衡量水體光場(chǎng)的重要參數(shù), 對(duì)于了解水下光場(chǎng)變化具有重要作用, 與水體懸浮物性質(zhì)密切相關(guān)。本文使用的LISST-100傳感器感應(yīng)的為670 nm波長(zhǎng)處的能量[17], 因此所測(cè)衰減系數(shù)為Cp(670)。

圖7給出了衰減系數(shù)與體積濃度Vc及中值粒徑的關(guān)系(以秋季航次D2站點(diǎn)為例), 從中可以看出,Vc和Cp(670)具有很好的一致性, 而D50與Cp(670)相關(guān)性較差, 說(shuō)明衰減系數(shù)與體積濃度密切相關(guān), 受粒徑影響較小。此外, 我們?nèi)∏锛竞酱?8個(gè)站位的表層Vc和Cp(670)進(jìn)行擬合(圖8), 從中也可以看出,Vc和Cp(670)具有顯著的正相關(guān)性。

2.5 粒徑的尺度分布

粒徑的尺度分布(PSD)在海洋生態(tài)系統(tǒng)研究中被廣泛提及, 目前已有一些數(shù)學(xué)模型用來(lái)描述 PSD,包括Junge分布, 高斯分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布和伽瑪函數(shù)等[18-20]。相比其它模型, Junge分布能夠更加直接推導(dǎo)出PSD的相關(guān)特性[21]。其表達(dá)式為

其中,N表示每單位尺寸、單位體積濃度內(nèi)的粒子個(gè)數(shù)(個(gè)/(m3·μm)),D0為參考粒徑(μm),N0表示D0處的N,j為粒徑分布的斜率(也稱為Junge指數(shù))。

本文根據(jù)實(shí)測(cè)粒徑資料, 計(jì)算了Junge指數(shù), 以H2站為例(圖9), 從中可以看出, 采用Junge分布可以很好擬合PSD。從Junge指數(shù)在黃、渤海的分布(圖10)可以看出, 表層j值的大小分布區(qū)間為 3.5～5, 底層j值的大小分布區(qū)間為 3～4.5, 其中, 渤海和黃海近岸j的取值偏大, 北黃海及南黃海遠(yuǎn)岸j的取值則相對(duì)較小。

圖7 秋季站位B2衰減系數(shù)與變量的關(guān)系圖Fig.7 Autumn station B2 attenuation coefficient and variable

3 結(jié)論

圖8 秋季88個(gè)站位表層衰減系數(shù)與體積濃度的關(guān)系圖Fig.8 Autumn 88-station attenuation coefficient and surface volume concentration diagram

圖9 粒徑分布的Junge分布圖(H2站位)Fig.9 Junge distribution of particle sizes (H2 station)

本文研究了黃、渤海區(qū)域懸浮物粒徑和濃度的整體分布情況, 還分析了渤海、北黃海和南黃海3個(gè)典型斷面的懸浮物粒徑和濃度隨著水深的變化趨勢(shì);根據(jù)連續(xù)站數(shù)據(jù)分析大風(fēng)對(duì)底層顆粒物的再懸浮作用以及潮流對(duì)懸浮物時(shí)空分布的影響; 研究了衰減系數(shù)與體積濃度及中值粒徑之間的關(guān)系; 探討了Junge分布在黃、渤海區(qū)域的適用性。得出以下結(jié)論:

1) 黃、渤海懸浮物濃度分布特征基本為秋季比夏季高(少數(shù)區(qū)域例外), 近岸濃度高, 遠(yuǎn)岸濃度低;近底層的懸浮物濃度比上層濃度高。粒徑分布特征為表層近岸細(xì), 遠(yuǎn)岸粗; 夏季上層粒徑比下層大, 并且比秋季大; 秋、夏兩季表層粒徑均大于底層粒徑。

2) 典型斷面濃度分布為: 空間上, 近岸高于遠(yuǎn)岸, 底層高于表層; 時(shí)間上, 秋季濃度比夏季高, 分布比較均勻; 夏季層化現(xiàn)象比較明顯。粒徑分布為近岸粒徑小、遠(yuǎn)岸大; 時(shí)間上, 秋季粒徑垂向分布更加均勻, 夏季則主要是層化分布。并且夏季上層粒徑比下層大, 也比秋季粒徑大。

3) 大風(fēng)導(dǎo)致底層細(xì)小顆粒物再懸浮, 對(duì)底層體積濃度和粒徑的變化效果明顯; 潮流對(duì)懸浮物的時(shí)空分布有著重要影響, 特別在近岸潮流作用顯著的區(qū)域。

圖10 黃、渤海Junge指數(shù)j的分布圖Fig.10 Yellow, BohaiJunge distribution index of j

4) 衰減系數(shù)與體積濃度具有顯著的正相關(guān)性。

5) 黃、渤海區(qū)域的粒徑分布符合 Junge分布,Junge指數(shù)j與體積濃度和中值粒徑之間存在著一定的相關(guān)性。這需要以后利用更多有效的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證分析。

致謝: 感謝中科院海洋所、中國(guó)海洋大學(xué)等單位同仁辛苦的數(shù)據(jù)采集工作。

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