Temporal-spatial variation of surface suspended matter in Zhejiang-Fujian coastal area based on MODIS
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摘要:
基于2015年中分辨率成像光谱仪（MODIS）卫星影像资料，结合实测悬浮体浓度数据及海表温度、风场、海表流场等资料，对浙闽近海表层悬浮体时空分布及控制因素进行了探讨。结果表明，浙闽近海表层悬浮体分布存在显著的季节性变化特征。研究区2～50 m等深线海域存在温度锋面，在一定程度上抑制了表层悬浮体向外海的输运。夏季的河流输沙有利于研究区北部近岸高浓度悬浮体分布，南风、西南风对表层悬浮体扩散起抑制作用；冬季在强烈东北季风作用下，再悬浮作用强烈，同时为表层悬浮体向南扩散提供了动力。本研究对完善东海内陆架泥质区沉积物输送机制具有一定的辅助作用。
Abstract:Based on the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) Terra imagery of 2015, combined with the measured surface suspensions concentration (SSC) data and sea surface temperature (SST), wind field data, sea surface current field data and so on, the temporal-spatial variation of surface suspensions and controlling factors in the coastal waters of Zhejiang and Fujian are discussed. Results show that the distribution of surface suspensions in the study area showed obvious seasonal variability. A temperature front in the 20–50 m isobath of the study area was revealed, and it inhibits the transport of surface suspensions to the offshore. The runoff and sediment transport of river in summer is conducive to the distribution of high-SSC near the coast in the northern part of the study area. Southwest wind inhibits the spread of surface suspensions. In winter, strong winter monsoon can resuspend surface sediments and promote the southward transportation of surface suspensions. This study improved the understanding of the sediment transport mechanism in the inner shelf mud area of the East China Sea.
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0. 引言
悬浮体由源到汇的搬运过程是全球物质循环的一个重要环节，陆架海中的悬浮体分布和输运对近岸海域海底地形地貌的发育起着重要作用，研究表层悬浮体分布及其运移规律是认识该海域物质交换、海陆相互作用的基础[1-5]。浙闽近海作为中国大陆与西太平洋进行能量、物质交换的重要海洋通道之一，其悬浮体的分布对陆架的生态环境有着重要影响[6]。
相较于传统的走航式观测数据采集方式，遥感数据具有空间覆盖、时间周期覆盖以及历史数据再现等方面的优势，既满足动态观测的需要，提高了观测的时效性，又为长时间尺度观测提供了途径，具有较高的时间、空间分辨率。通过遥感影像能有效监测表层悬浮体随时间、空间的分布，有较大的研究价值。
目前已有不少研究者通过实测和卫星遥感等方法对东海及附近海域悬浮体的分布及运移进行了研究[7-8]，并取得了一定的成果。胡静雯等[9]利用颗粒物后向散射原理，验证了MODIS卫星影像反演浊度的真实性，对东海进行了浊度反演；薛文静等[10]利用MODIS-Aqua卫星对长江口及浙江部分海域悬浮体浓度进行反演，验证了风向对悬浮体浓度的扩散作用；薛碧颖等[11]基于实测断面结合卫星遥感海表温度资料验证了闽北海域温度锋面对悬浮体扩散的抑制作用。陈瑞瑞等[12]利用遥感数据研究了长江口表层悬沙向浙闽近岸的扩散形态，认为向浙闽近岸运输的长江口悬沙具有明显的季节性特征。以往的研究更多的是注重长江口、杭州湾等河口小区域或者整个东中国海等大范围的悬浮体分布，对于浙闽近海在较长时间尺度上的表层悬浮体变化研究较少。本文基于MODIS Terra L1B数据建立了适用于浙闽近海表层悬浮体浓度的反演模型，综合海表温度、风场、海表流场等资料，分析了2015年全年浙闽近海表层悬浮体分布变化规律并对其影响因素进行了探讨。
1. 资料和方法
1.1 数据来源
本文实测数据来源于2007年2月和2015年6月“东方红2号”考察船在浙闽近海的2个航次（图1），共50个站，利用卡盖式采水器对表层水体（距海表面不超过1 m）进行取样，取样体积为1 000 mL，用于表层悬浮体浓度测定。遥感数据来源于MODIS Terra卫星的L1B数据，空间分辨率为500 m，时间分辨率为1 d；海表温度SST资料来源于MODIS Terra卫星提供的月平均成品数据，水平空间分辨率为4 km；风场数据来源于Windsat卫星提供的10 m风场风速和风向，空间分辨率为0.25°×0.25°；表层流场数据来源于
www.oscar.noaa.gov 网站提供的海洋表层实时分析流场，空间分辨率为1/3°×1/3°，时间分辨率为5 d。经过一系列的预处理之后，通过对遥感数据与实测数据综合分析，建立起悬浮体浓度与水体反射率之间的关系，用于表征研究区表层悬浮体浓度分布特征。1.2 数据处理
实测表层悬浮体浓度数据通过抽滤实验获取，使用直径47 mm、孔径0.45 μm的双层微孔醋酸纤维滤膜（其中下层滤膜用于实验校正），所有滤膜使用蒸馏水冲洗3次以上，抽滤实验后放入温度设定为60 ℃的烘箱内烘干24 h，使用1/100 000精度天平称重，表层悬浮体浓度为悬浮体重量与取样体积比值。
利用ENVI/IDL软件，对获取的影像依次进行几何校正（消除“蝴蝶结”效应影响）、图像镶嵌、裁剪、辐射定标、快速大气校正（使用FLAASH 大气校正方法，采用MODTRAN4+辐射传输模型，可有效减弱气溶胶散射效应影响）及阈值法去除云污染（采用多光谱云监测方法，确定云层覆盖阈值范围，利用掩膜方法去除）等步骤。然后对每个月数据同一位置的像素点进行叠加求平均，得到月平均反射率值，在进行月平均的同时削弱了薄云对水体反射率值的影响[14]。
1.3 遥感反演
由于本文实测数据来源为走航式观测取样，选取与实测数据时间最接近的卫星影像作为表层悬浮体浓度反演模型的构建基础，MODIS Terra卫星的时间分辨率为1 d，卫星过境时间与采样的时间差在原理上属于可接受范围[13]。在剔除明显数据异常的6个站位点后，提取与实测数据为同一天内相同地理位置并经过一系列处理之后的卫星影像反射率数据。随机选取26个站位数据用于基础模型的构建，剩下的18个站位数据作为模型的验证点。
MODIS Terra卫星L1B数据的B4波段（545～565 nm）的反射率值与悬浮体存在良好的相关性，常用于近岸水体表层悬浮体浓度的反演[14]。本文建立的模型拟合效果较好（图2a），相关系数R2为0.835 8，均方根误差RMSE为0.428 5 mg/L，适用于浙闽近海表层悬浮体浓度的反演。因此，本文采用B4波段反射率值来反演研究区表层悬浮体浓度，具体反演公式如下：
SSC=0.2637×exp(38.83×R555) (1) 式中：SSC为表层悬浮体浓度，mg/L；
R555为B4波段的反射率值。
将上述模型计算的悬浮体浓度与剩下的18个站位数据进行对比（图2b），发现反演数据与实测数据基本相符合，能够反映悬浮体的分布情况。
2. 结果
2.1 2015年浙闽近海海表温度的月均分布特征
海水表层温度（Sea Surface Temperature，SST）分布是海水热量传递的体现，在温度变化大的海域，一般对应着不同水团的交界或是水体流速的切变区。本文利用SST分布特征来反映海水的流动情况，用以研究区域的流系特征。
1—2月研究区水域的SST特征最为明显（图3），SST呈现“东南高、西北低，远岸高、近岸低”的特征。20 m等深线以浅海域水体SST为6 ℃；20～50 m等深线海域水体SST约为10～15 ℃；50～100 m等深线海域SST约为16～20 ℃，同时在台湾岛东北部海域受到主流区域在100～200 m等深线海域流动的SST为24 ℃的水团入侵影响。随着太阳辐射能量的逐渐加强，3—5月海域的SST特征逐渐变得不明显。6—10月研究区海域SST流系特征完全消失，近岸水体SST可达30 ℃。9—12月，随着太阳辐射能量的减弱，整个研究区海域的SST开始下降，从南到北依次递减，又开始呈现SST东南高、西北低的特征。
2.2 2015年浙闽近海表层悬浮体月均分布特征
MODIS Terra卫星的B4波段为可见光波段，在水中穿透深度较浅，其反演结果可代表海表层悬浮体浓度（SSC）。利用上述模型（公式1）中的反演方法，经反演得到2015年全年浙闽近海表层悬浮体月均浓度、海域表层悬浮体分布特征及输运趋势。
12月至次年2月表层悬浮体分布相似（图4）：高SSC区域主要分布在杭州湾、浙闽沿岸等20 m等深线以浅的区域，悬浮体浓度范围为15 ～20 mg/L，在部分河口附近浓度可达30 mg/L；20～50 m等深线海域悬浮体浓度中等，浓度范围为6～15 mg/L，等深线以南海域，SSC逐渐降低，较高浓度的海域面积有所减少；50～100 m等深线海域SSC较低，浓度范围为2～6 mg/L，其中，靠近杭州湾及台湾岛附近海域悬浮体浓度偏高，台湾海峡悬浮体浓度较高，可达8 mg/L，大部分海域为2～4 mg/L；100 m等深线以深海域主要为低悬浮体海域，浓度范围为0.6～2 mg/L，主要分布在122°E以东海域。
图 4. 表层悬浮体浓度分布b1—b12分别为1—12月Figure 4. Distribution of the surface suspension concentration相较于1、2月，3—5月的SSC有降低趋势，低浓度区域范围明显扩大。高浓度区域仍位于杭州湾附近及浙闽近岸的20 m等深线以浅海域，浓度范围为15～28 mg/L，台湾岛西侧近岸海域表层悬浮体浓度较高；20～50 m等深线海域SSC也有降低趋势，浓度范围为3～10 mg/L，大部分区域水体表层悬浮体浓度为3～4 mg/L；50～100 m等深线海域悬浮体浓度为1.5～3 mg/L，台湾岛西北海域悬浮体浓度偏高，可达5 mg/L；100 m等深线以深海域SSC低至1 mg/L。
6—8月的SSC高值区域主要分布在杭州湾、浙闽近岸20 m等深线以浅的海域，浓度范围为10～28 mg/L，特别是在8月，杭州湾SSC高达30 mg/L；20～50 m等深线海域SSC较高，为4～10 mg/L，大部分海域SSC偏低；50～100 m等深线海域SSC较低，为1～4 mg/L；100 m等深线以深海域悬浮体浓度＜1 mg/L。整体上说，7、8月的高悬浮体浓度范围相对于6月大体维持原状，甚至向近岸方向呈现出缩小的趋势。
9—11月，SSC高值区域主要分布在杭州湾、浙闽近岸20 m等深线以浅的海域，浓度范围为15～30 mg/L，其中10月份钱塘江口、椒江口附近海域浓度可达32 mg/L， 20～50 m等深线海域SSC较高，为6～15 mg/L，随着深度的增加，浓度逐渐减小；50～100 m等深线海域，浓度较低，为2～6 mg/L；100 m等深线以深海域表层悬浮体浓度最低，大部分＜1 mg/L。
3. 讨论
悬浮体的分布作为各种自然环境条件和人类活动的综合反映，与河流入海、海洋环流、风速风向、海浪及水深地形等动力因素的共同作用密切相关。
3.1 物源区悬浮泥沙供应的影响
陆源物质是指海岸带地区直接由河流为主要输送渠道的陆源碎屑物质[3]，物源是控制研究区海域表层悬浮体分布的决定性因素，其中物源区主要包括大型河流（长江）、中小型河流（钱塘江、瓯江、闽江等）和潮流沙脊等。钱塘江流域多年平均输沙量为76.5×108 kg，瓯江流域多年平均输沙量为20.5×108 kg、闽江流域多年平均输沙量为70.8×108 kg，相较于长江多年平均输沙量4140×108 kg，均属于少沙河流，且河流输沙主要集中在洪水期，枯水期中小河流贡献的输沙占比更小[15]。结果显示，研究区近岸海域SSC呈明显的季节性分布，受河流径流量与输沙量的影响（图5），夏季河流入海泥沙量虽然较冬季明显偏多，但舟山以南近岸海域SSC较冬季偏低，这主要是由于长江入海携带的悬浮颗粒大部分在杭州湾及舟山群岛的“群岛效应”下捕获沉积[16]；而冬季近岸海域表层悬浮体呈条带状分布，应是夏季沉积的长江入海泥沙再悬浮后向南，存在“夏储冬输”的特征，为浙闽近海提供了丰富的泥沙来源。
3.2 季风及特殊天气的影响
从2015年全年的表层悬浮体月均分布来看，夏季（6—8月）SSC高浓度区范围较小，冬季（12月—次年2月）SSC高浓度范围区较大。据分析，这可能是由于1月风力增强（图6），表层沉积物在风力作用下发生再悬浮所致。冬季浙闽海域，在东亚冬季风的作用下，同时受到南向的浙闽沿岸流的影响，大量的悬浮体向南扩散。悬浮体大量沉降在浙闽近岸海域，在强烈而稳定的东北季风作用下，浅水区垂向混合强烈，部分表层较细颗粒沉积物再悬浮频繁，使得表层悬浮体浓度维持在较高水平[17]。同时，风向对表层悬浮体的扩散也有一定贡献[10]，受表层Ekman效应影响，北风、东北风有利于表层悬浮体向外扩散，而南风、西南风则抑制了悬浮体向外海的输送。统计历史海洋天气发现，8月份风力较强，其中有11天风力达到5～6级及以上，这就对杭州湾及浙闽近岸海域的高浓度SSC具有一定的影响。同时，10月近岸SSC高于11、12月，可能是由于9月底于福建登陆的超强台风“杜鹃”的影响，台风过境时风速最高可达55 m/s，有效浪高可达6～7 m，“波浪掀沙”作用强，近岸水体扰动和再悬浮作用强烈，使得近岸SSC明显偏高。
3.3 海洋环流的影响
SST作为海洋环流、水团、锋面的一种直观指示[18-19]，结合SST分布与表层流场分布特征（图3、7），可用于探讨海洋环流对SSC分布及运输的影响。冬季SST分布特征明显，在冬季风的驱动作用下，长江冲淡水与苏北沿岸流南下的分支汇合，并继续贴岸南下，形成浙闽沿岸流[6-7]。浙闽沿岸流的主流范围主要在20 m等深线以浅海域，在东北季风的作用下继续南下，与北上的台湾暖流在浙闽海域交汇，20～50 m等深线海域为浙闽沿岸流与台湾暖流的交汇混合区，形成冬季台湾海峡北部沿岸变性水团；50～100 m等深线海域为台湾暖流的主流区域，在台湾岛北部海域同时也受到主流区域在100～200 m等深线海域黑潮的入侵影响。
图 7. 2015年1、4、7、10月平均表层流场分布Figure 7. Distribution of average surface flow field in January, April, July and October of 2015前人研究认为台湾暖流对悬浮体向外海的输运起着阻碍作用，但台湾暖流与浙闽沿岸流混合过程中必然携带着悬浮体[7]。通过分析冬季的SST分布，发现冬季南下的低温浙闽沿岸流域与北上的高温台湾暖流在20～50 m等深线海域形成了明显的温度锋面（图8），在锋面的“水障”作用影响下[20]，阻碍了陆源碎屑沉积物及有机质向外海的输运，长江等河流的入海物质基本控制在锋面以西[21]，在水平方向上控制了冬季浙闽海域表层悬浮体的分布。在锋面摩擦作用下，水动力条件减弱，高浓度的悬浮体在锋区附近海域发生沉积，温度锋面在一定程度上抑制了表层悬浮体向外海的输送。
图 8. 2015年1月海表温度锋面分布锋面计算方法：浓度差/距离；锋面强度单位：℃/kmFigure 8. The front distribution of SST in January of 2015水下地形作为形成陆架锋面的主要原因，同时也控制着锋面的稳定性分布[22]。但随着台湾暖流向北流动，水下地形变得逐渐平缓，暖流被迫抬升，产生上升流[4,17]，将下层较高浓度的悬浮体运输至表层水体，使得研究区北部SSC增加。
冬季研究区海域温度垂向结构基本呈垂向均匀状态，仅有局部海域水体存在微弱的温度跃层。加之冬季风浪作用强烈，50 m等深线以浅海域表层沉积物发生再悬浮[23-24]，使得海水表层悬浮体浓度有所增加。对于深水海域（水深＞100 m），深水海域的表层悬浮体主要来源于近海海域表层悬浮体的平流输运。由于缺少必要的观测条件及相关的水动力数据，对于具体的悬浮体运动方式及环流的细致结构仍待探究。
4. 结论
本文数据主要来源于2007年2月和2015年6月2个东海航次调查获取的实测悬浮体浓度数据，结合MODIS卫星影像资料，综合海表温度、风场、海表流场等资料，对浙闽近海表层悬浮体时空分布及其控制因素进行了探讨，得出以下结论：
（1）浙闽近岸海域表层悬浮体浓度分布整体呈近岸海域高、远岸海域低的特点；同时，表层悬浮体分布还存在显著的季节性变化特征，冬季高浓度表层悬浮体分布范围最广。
（2）研究区20～50 m等深线海域存在明显的温度锋面，在一定程度上阻碍了表层悬浮体向外海的输运。
（3）河流的径流输沙对夏季研究区北部近岸高SSC分布有一定贡献作用，同时南风、西南风对表层悬浮体扩散起抑制作用，突发性的台风对近岸高SSC分布有显著影响；在冬季强烈东北季风的作用下，部分表层较细颗粒沉积物再悬浮作用强烈，同时还为表层悬浮体向南输运提供动力。
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