悬浮泥沙的输运扩散是陆海相互作用的重要内容^[1],陆源输入和海洋动力共同作用下海洋沉积物的侵蚀、搬运和堆积过程是国内外学者关注的重要科学问题。环山东半岛海域是渤海与北黄海、北黄海与南黄海的过渡区域,是现代黄河物质向外海扩散的重要通道,同时发育全新世大型楔状泥质沉积体^[2⁃3]。研究该海域悬浮泥沙的输运特征和影响因素,可以为渤黄海物质交换、泥质沉积体发育机制提供科学依据。同时,山东半岛附近海域建有大规模海洋牧场,是支撑海洋经济发展的重要战场,悬浮泥沙浓度影响了水体浊度和透光度^[4],是影响海洋生态环境的重要因子。因此,研究悬浮泥沙的变化对山东半岛海洋经济发展也有重要意义。

前人对山东半岛附近海域的悬沙浓度分布、悬沙锋面和温度锋面做了大量研究。鲍献文等^[5]利用冬、夏季北黄海调查海域的浊度资料通过线性拟合得到悬浮体的大面分布,认为风场的不同导致水体悬浮物分布特征和输运机制有明显的季节性差异。余佳^[6]利用MODIS月平均数据反演了黄海的悬浮泥沙浓度,并认为悬浮泥沙的输运具有显著的季节变化特征,冬季风浪及沿岸流的强盛,使山东半岛北岸和成山头附近海域存在悬浮泥沙浓度高值区。刘传玉^[7]对中国东部近海温度锋面的分布特征和变化规律开展研究,分析了山东半岛温度锋的形态、演变和成因。杨扬等^[8]使用SeaWiFS卫星数据,反演出黄东海表层悬沙浓度并使用Sobel算法获取悬沙锋面,认为黄东海悬沙次级锋面的季节变化是水动力条件季节变化的作用结果,其中风浪的掀沙作用和冬夏季显著不同的环流结构是主要控制因子。王勇智等^[9⁃11]通过潮流观测和悬浮体通量计算,表明部分悬浮体可跨越沿岸流与黄海暖流形成的海流切变锋进行跨锋面输送,同时认为夏季黄海冷水团或冬季黄海暖流都对再悬浮沉积物有“水障”作用,并分别对其输运机制做出分析,认为山东半岛东侧外海两道强海流切变锋控制了楔型泥质区底积层上大量再悬浮体沉积物的分布,有利于泥质沉积体的发育。陈标等^[12]系统总结了中国近海27条典型海洋锋的时空分布特征,并按照锋面系统的分布特征对中国海区进行分区,分析各分区内海洋锋特征参数。藏政晨等^[13]认为锋面的空间分布和季节性变化对黄海悬浮沉积物的输运有重要的控制作用,悬浮沉积物集中在温度锋面的向岸一侧,难以跨越锋面输运,锋面对悬浮沉积物产生捕集效应。

前人的研究集中于山东半岛附近海域悬沙浓度水平分布的季节变化特征,而对其在以温度锋为主要表现形式海洋锋面控制下的时空格局,尤其是年际变化研究较少。本文基于近十年海表温度和悬沙浓度数据,开展月、季节和年际不同时间尺度下,温度锋面和悬沙浓度时空变化及两者关系的研究,并进一步探讨冬季风的作用。

本文使用的海表温度遥感数据MURSST（Multi-scale Ultra-high Resolution Sea Surface Temperature）来源于https://coastwatch.pfeg.noaa.gov/erddap/files/jplMURSST41/网站,空间分辨率为0.01°,时间分辨率为1天。使用的数据时间长度为2011年1月至2020年12月。

悬沙遥感数据来源于韩国海洋卫星中心（http://kosc.kiost.ac.kr/index.nm）GOCI（Geostationary Ocean Color Image）,空间分辨率为500 m。GOCI提供每天从上午8点到下午3点（北京时间）共8个时刻的观测数据,时间间隔1 h。使用的数据覆盖的时间段是2011年4月至2021年3月。GOCI共有8个波段,用于此次悬沙浓度反演的是490、555和660三个波段。

笔者还收集了88个站位的实测悬沙浓度数据,用于建立悬沙反演模型。实测悬沙数据站位分布于山东半岛附近海域,数据观测时间分别在2011、2012和2017—2020年。在调查站位利用CTD对标准层海水取样,使用孔径0.045 μm的醋酸纤维膜过滤定量体积的海水并烘干称重,获得单位体积海水的悬浮颗粒物质量。

本文所用到的风数据来源于https://hycom.org/dataserver/ncep-cfsr网站的CFSR （Climate Forecast System Reanalysis）。该数据提供海面10 m高度的风场数据,时间分辨率是1 h,空间分辨率是0.2°。

（1） 悬沙浓度的反演

首先将GOCI的L1级遥感数据经过大气校正等处理后,批量处理成L2级遥感反射率（Rrs）。基于收集的88个实测表层悬沙浓度数据,使用其中的44个建立由遥感反射率反演表层悬沙浓度（SSC,Suspended Sediment Concentration）的算法公式：

式中：Rrs₅₅₅、Rrs₆₆₀、Rrs₄₉₀分别为555、660和490三个波段的遥感反射率。再使用另外44个实测数据验证公式的准确性,经验证,该公式反演获得的表层悬沙浓度与实测值的拟合系数R²达到0.78,均方根误差（RMSE）为0.32 mg/L。

对每小时遥感数据进行月平均,基于公式（1）可反演获得各月平均的表层悬沙浓度,继而对十年各月数据分别平均,得到多年平均的1—12月各月海表悬沙浓度,再分季节平均得到四个季节的季节平均浓度。为定量研究海表温度和悬沙浓度的年际变化,还对研究区（图1b）范围内的海表温度和悬沙浓度做了区域平均。

图  1  研究区站位和水深图（红色线段示意为37° N剖面）

Figure 1.  Observation stations and water depth in the study area (red line indicates a section at 37° N)

（2） 锋面强度提取方法

海表温度锋是指海表温度明显不同的两种或几种水体之间的狭长过渡带^[14],是海表温度的跃变带。本文使用梯度法提取海表温度锋面,取温度矩阵数据每个点的x,y方向梯度,温度梯度值GM由公式（2）计算^[15]。

式中：SST为该像元上的海表温度值。

目前关于温度锋的判别标准尚未统一,万邦君等^[16]对东海东北部的温度梯度取值为0.1 ℃/n mile,刘传玉^[7]对黄海暖流锋的判别标准为3 ℃/100 km,在不同的研究海域和不同的季节,划分标准有所不同。本文主要研究多时间尺度下温度锋面的变化,为了避免弱温度梯度对研究过程的干扰,在月变化和季节变化分析中仅绘制了强度大于0.1 ℃/km的温度锋面,而由于冬季锋面较强,在研究多年1月温度锋面变化时,仅绘制强度大于0.12 ℃/km的温度锋面。

基于前人研究,海流切变锋表现为锋面两侧海流流向相反。在悬沙浓度值最高的冬季,山东半岛东端外海的北向逆风补偿流与南向风海流形成了两道强海流切变锋^[11]。

通过对比数值模拟的37° N断面海流南北向流速分量^[17]与近十年平均表层温度分布（图2）,可以明显看到该断面冬季126.7° E和123.2° E附近存在海流切变锋,北向的逆风补偿流表现为高温性质,而南向风海流表现为低温性质,因此海流切变锋也表现出强温度梯度特征,位置与温度锋面一致。而春、秋季由于南向风海流较弱、流幅窄,海流切变锋强度弱且位置向西摆动,温度梯度也较小,所以温度锋也较弱。夏季研究海域尽管也有海流反向特征,但悬沙浓度极低,在悬沙输运过程中贡献也小。

图  2  山东半岛附近海域37° N断面（a）南北向流速分量（正值表示北向,负值表示南向^[17]）和（b）表层悬沙浓度和温度分布

Figure 2.  (a) North⁃south velocity component of seawater (positive number. north; negative number. south ^[17]); (b) SSC and SST at 37° N section off the Shandong Peninsula

总体来看,在悬沙浓度高、输运通量大的冬季,海流切变锋与温度锋面位置对应良好,考虑到不同时间尺度,尤其是长时间尺度的海流数据不易获得,本文将基于海表温度指示海洋锋面的位置,用温度梯度指示锋面的强度,研究海洋锋面与悬沙分布的关系,并重点关注冬季过程。

山东半岛附近海域海表温度分布有明显的时间和空间变化特征。从时间上看,研究区海域8月水温最高,然后开始降低,直到翌年2月水温最低。从空间上看,研究区海域的海表温度等值线呈沿等深线环绕山东半岛分布特征,尤其是11月至翌年3月沿岸冷水在偏北风作用下从莱州湾向山东半岛东部扩展,整个海域表层温度具有“近岸低,远岸高”的特征,5月起,莱州湾由于水深较浅对海表热通量升高反应迅速,因此相较于山东半岛其他海域表现为高温特征。海表温度锋面月变化特征如下（图3）：1月份海表温度锋面最强,可达0.2 ℃/km,可能与1月海表热损失多近岸冷却快,且强劲北风下渤海冷水向黄海输运通量大有关；2月开始温度锋面强度逐月减弱,至9月温度锋面最弱。空间分布上,近岸冷水使得1月温度锋面可环绕山东半岛北部、东部、南部连续分布,形状似一个反“C”型,其中山东半岛东南段的锋面最强。12月和2月温度锋面虽与1月形态基本一致,但是东北段锋面明显变弱,这一现象将在第4部分展开讨论。3月强锋面只存在于山东半岛东侧。4—6月山东半岛北部出现局部的强度较弱的温度锋面。7—9月温度锋面只存在于山东半岛北部沿岸区域。10月开始,山东半岛东南海岸出现较强温度锋面,11月山东半岛东南部温度锋面继续加强,到12月山东半岛北部和东部近岸海域的温度锋面明显增强,但是空间分布不连续。

图  3  山东半岛附近海域十年平均各月海表温度锋面分布

Figure 3.  Locations of 10⁃year averaged monthly thermal fronts off the Shandong Peninsula

锋面的各月强度变化特征与表层温度的月变化显著相关,1月海面失热多,偏北风强,来自渤海的沿岸冷水较强,使得近岸表现为低温特征,而外海水深,水体冷却慢,且在北风强劲时,逆风高温的黄海暖流可使表层海水也表现为高温特征。因此,冬季近岸冷水与外海水形成明显温度梯度,环山东半岛锋面强。

分别对12月—翌年2月、3—5月、6—8月和9—11月的海表温度进行平均,获得2011—2020年冬、春、夏、秋季季节平均海表温度和温度锋面分布。春季研究区温度介于6.4 ℃~11.6 ℃；夏季温度介于21.5 ℃~25.6 ℃,山东半岛南岸沿海温度较高,成山头外海出现一个局部的低温区,可能与该海域上升流有关^[18]；秋季研究区温度介于17.4 ℃~21 ℃,莱州湾由高温区变成低温区,研究区东南海域等温线呈东—西向；冬季研究区温度介于2.2 ℃~10.5 ℃,表现为近岸冷水,冷水东侧受高温高盐黄海暖流影响延伸至渤海的大型暖水舌,导致该海域温度梯度最大,同时也说明黄海暖流在冬季强盛期可影响至表层海水。

四季节中冬季温度锋面的强度最强,主要环山东半岛分布,锋面强度最大处位于山东半岛的东南海域,该处温度梯度可达0.2 ℃/km。春季温度锋面减弱,仅存在于山东半岛北部和东南位置。夏季温度锋面只存在于山东半岛北部近岸小范围海域,且有少段高值区。秋季温度锋面仅存在于山东半岛南部小范围海域,该段锋面在冬季发育成为高值区。

考虑到1月是温度锋面强度最大的月份,因此本文统计了2011—2020每年1月的山东半岛附近海域海表温度变化情况。1月份,研究区温度介于0.9 ℃~9.2 ℃,在年际变化上其空间分布（图略）没有显著差异,但是从区域平均（计算范围如图1b）温度变化可以明显看到,2011—2020年1月海表温度有明显升高的趋势（图4a）,平均每年升高0.25 ℃,十年升温幅度达2.9 ℃,显著高于1945—2006年62年间东中国海0.9 ℃的升温^[19],体现了近年来中国近海水温对全球气候变暖的响应变化。

图  4  山东半岛附近海域1月区域平均（a）海表温度多年变化和（b）区域平均表层悬沙浓度多年变化

Figure 4.  For January off the Shandong Peninsula: (a) annual variation of area averaged SST; (b) area⁃averaged surface suspended sediment concentration

1月是黄海暖流和山东半岛沿岸流较强的月份,从而导致该海域形成全年最强的温度锋面（图5）。各年1月山东半岛北部温度锋面大致呈西北—东南走向,东南部温度锋面呈东北—西南走向。成山头东北位置温度锋面相对较弱,在个别年份如2011年、2013年甚至不连续。影响锋面强度的原因将在第4部分详细讨论。

图  5  山东半岛附近海域十年1月平均海表温度锋面分布

Figure 5.  Locations of thermal fronts in January off the Shandong Peninsula

受黄河入海泥沙影响,在空间分布上,悬沙浓度的高值区主要分布在莱州湾黄河口、胶州湾和成山头附近海域,低值区出现在山东半岛南侧的沿岸海域。时间分布上,除莱州湾黄河入海口处全年悬沙浓度都是高值外,山东半岛附近海域的悬沙浓度分布有明显的月变化特征（图6）。12月和1—2月,悬沙浓度的空间分布相似,悬沙浓度高值（>100 mg/L）区分布在黄河口附近海域、蓬莱北部海域和成山头沿岸海域。整个研究区从近岸到外海悬沙浓度逐渐降低。3月悬沙浓度总体降低,山东半岛东侧高浓度悬沙范围向岸收缩,悬沙浓度大于80 mg/L。4月悬沙高值区只分布在黄河口附近海域和成山头海域,整体悬沙浓度降低。5—7月悬沙浓度高值区仅出现在胶州湾和五垒岛近岸的小范围海域。8—9月原来悬沙高值区的浓度降低,低于50 mg/L。10月悬沙浓度开始升高,空间分布与4月相似,山东半岛北部沿岸流又开始携带莱州湾悬沙向东输运。11月山东半岛北部的悬沙向东输运变强,出现70 mg/L的高值区。

图  6  山东半岛附近海域十年平均各月表层悬浮体浓度分布

Figure 6.  Ten⁃year averaged monthly surface suspended sediment concentration off the Shandong Peninsula

总体来看,沿山东半岛北部由莱州湾输往黄海的高浓度悬沙,主要在11月至翌年3月向东输运,且在该路径上,悬沙浓度并非均匀分布,而是在长岛、成山角附近海域表现为高浓度值,而在烟台附近海域则表现为相对低值,尤其是在11月、2月和3月,高悬沙浓度等值线在该海域出现不连续情况。由此说明,大量高浓度悬沙由渤海向黄海输运,并非持续向东运动,而是阶段性在山东半岛北部和东部沉积,再在合适的天气条件下（如12月、1月或冬季风暴期）起动再向东搬运。同时,长岛、成山角附近的高浓度值也可能与该海域强海洋动力导致的再悬浮有关。

研究海域悬沙浓度表现出“冬季高,夏季低”的分布特征,有明显的季节变化特征。春季悬沙高浓度（>80 mg/L）区主要分布在黄河口和五垒岛湾海域,20~40 mg/L悬沙浓度等值线大致环山东半岛沿岸分布。夏季与春季的悬沙浓度空间分布相同,但是浓度值略有降低。受山东半岛北部沿岸流的影响,秋季黄河口有50 mg/L以上浓度的悬沙向东输运,到冬季出现更大规模的输运。冬季山东半岛北部沿岸流向东输沙,冬季平均的表层悬沙浓度在烟台海域也表现出低于东西两侧的低浓度分布特征。

1月是山东半岛沿岸流较为强盛的月份,同时伴有冬季的强劲北风导致的再悬浮作用,所以在空间上高浓度悬沙分布的范围较其他月份更广（图7）。2012年1月,山东半岛北侧海域悬沙浓度较高,大于150 mg/L,成山头附近海域也分布高浓度悬沙。从2012年到2014年,1月的悬沙浓度持续降低,山东半岛北部沿岸流从莱州湾到成山头携带的泥沙大幅度减少,蓬莱和成山头附近海域高值区（>150 mg/L）消失。2015年1月悬沙浓度重新增加到2013年1月的量值。2016年1月山东半岛东南部海域高浓度悬沙一直向南延伸到36.3° N。2017年1月悬沙浓度的空间分布特征变化不大,但是悬沙浓度值小幅减少。2018—2019年莱州湾向东运输的悬沙大量减少,导致莱州湾东部海域悬沙浓度低于60 mg/L。同时山东半岛东侧海域的悬沙浓度也减少。2020年1月莱州湾东部海域悬沙浓度又增大,2021年1月增大到130 mg/L。从区域平均的悬沙浓度变化来看,2012—2020年悬沙浓度总体呈降低的趋势（图4b）,平均每年降低13 mg/L。研究海域悬沙浓度降低,可能与近年来来自渤海的悬沙浓度降低有关,后者可能与黄河输沙量的减少以及渤海冬季风减弱导致的再悬浮能力降低有关^[20]。

图  7  山东半岛附近海域多年1月平均表层悬浮体浓度分布

Figure 7.  Averaged surface suspended sediment concentration in January off the Shandong Peninsula

另外,本文2015年1月悬沙浓度高值区分布的海域与刘琳等^[21]根据遥感反演的结果一致,悬沙浓度50 mg/L等值线位置与冷星等^[22]在2015年冬季4个站位得到的悬浮泥沙实测结果（表层悬沙浓度50 mg/L左右）一致,再次验证了反演结果的可靠性。

海洋锋面对于悬浮泥沙的扩散与沉降具有显著影响^[23]。从2012—2020年冬季平均的悬沙浓度和海表温度锋面（图8）分布来看,研究区海表温度锋面与表层悬沙50 mg/L高浓度等值线分布有重合的趋势,锋面外侧悬沙浓度迅速降低,低于20 mg/L,表明强温度锋面与悬沙水平分布具有一致性。而在成山头东北海域温度梯度值在0.12 ℃/km以下,温度锋面相对较弱,该处可以发现近岸高浓度悬沙向外海扩散现象。

图  8  山东半岛附近海域近十年平均冬季表层悬浮体浓度和海表温度锋面分布

Figure 8.  Surface suspended matter concentration and thermal front off the Shandong Peninsula in winter

温度锋面对悬沙分布的控制作用,主要体现在以下几个方面。首先,温度锋面可以指示海洋流场或者海流切变锋的分布情况（图2b）,而海流流场是影响悬沙分布的重要因素,锋面处流速接近于0（图2a）,有利于悬沙的快速沉降,因此在122.7° E和123.1° E附近双锋面处悬沙浓度大幅下降（图2b）；而外海主要受相对“洁净”的暖流水控制,悬沙浓度低。其次,温度的突变会引起细颗粒泥沙絮凝沉降,根据蒋国俊等^[24]在长江口的研究结果,在水温、沉降历时、盐度、粒度、含沙量和流速等影响细颗粒泥沙絮凝沉降的主要因素中,水温是影响最大的因素,当水温低于25 ℃时,细颗粒泥沙沉积强度极低,不超过0.2 mg/(L·s)；当水温高于25 ℃时,细颗粒泥沙发生絮凝沉降,悬沙沉降强度迅速增大,由于不同海域的影响絮凝过程的水温临界值有所差异,但除秋季外,环山东半岛的水温都表现为近岸低值,外海高值的分布特征,因此外海的相对高值也有利于悬沙的沉降。总体来看,温度锋面的存在阻碍了近岸高浓度悬沙的向外海扩散。

至于山东半岛东北部高浓度悬沙从弱温度锋面处向外海“逃逸”的分布特征,是近岸悬沙跨锋面向外海输运的通道,可能与该海域地形诱导下海流辐散有关。该海域温度锋面强度较弱,温度梯度小于0.12 ℃/km,加之40 m等深线（图1b）有向海弯曲的特征,因此沿岸流在该海域向海辐散,导致高浓度悬沙等值线也表现为向海突出的特征。该现象将有利于近岸物质与外海的交换。

根据以上分析,冬季是海洋锋面强盛和悬沙浓度的高值期,而冬季风是关键的影响因素,可能导致温度锋面的位置、强度和形态在不同的风条件下发生变化^[25]。记录37° N断面多年1月温度梯度最大值及其经度位置,分别指示温度锋面强度和位置,同时综合当年的1月平均的风速数据,研究风对温度锋面和悬沙浓度分布年际变化的影响（图9）。

图  9  山东半岛附近海域37° N断面多年1月（a）表层悬沙浓度（填色）、温度锋经度（黄色实线）和（b）温度锋最大强度、风速变化

Figure 9.  (a) Multi⁃year variations of surface suspended sediment concentration (colored area) and location of thermal fronts (solid line); (b) temperature gradient vs. wind speed at 37° N in January off the Shandong Peninsula

在37° N剖面上,温度锋面位置包络了近岸的高浓度悬沙范围（图9a）,当锋面向东摆动,此时温度锋面强度偏弱,近岸高浓度悬沙则向海扩展更远,如2012、2016、2018和2020年；反之,当温度锋面位置偏西,此时锋面较强,近岸悬沙向海扩散范围小。而温度锋面位置摆动和强度变化,与冬季风的风速密切相关（图9b）。研究海域1月盛行西北风,当风速偏大时,温度锋面就向东摆动,说明鲁北沿岸流的势力偏强,流幅宽,近岸冷水范围广。同时风速偏大时,鲁北沿岸流携带了更多的高浊度水体沿山东半岛运动,以及强风力下更多的沉积物从海床再悬浮,而在温度锋面以东海域,水深已近30 m,再悬浮作用较弱^[26],该处表层悬沙浓度的变化主要与平流输送有关。

从多年变化来看,近年来该断面处1月的风速有增强的趋势,按照以上风速与表层悬沙扩散范围的关系,以及3.3部分对区域平均悬沙浓度值多年变化的分析,可推测环山东半岛近岸高浓度悬沙向海影响范围将变大,但浓度将变低。

研究海域还分布大型楔状泥质沉积区,根据前人在山东半岛的实测数据分析,无论是冬季还是夏季,表层、10 m层、30 m层和底层悬沙浓度的高值区和低值区在空间地理位置呈现一致性^[5]。假设沉积区的悬沙垂直分布均匀,并且全年水体中悬沙全部沉积,根据孙钿奇等^[27]通过地震属性对沉积体的识别,该泥质区覆盖面积为3.611×10¹⁰ m²,再乘以水深,可估算2012—2020年每年悬沙的沉积量（表1）。

即使在现代沉积环境下,各年份沉积通量与Liu et al.^[28]利用地震剖面和岩心样品的放射性同位素估算出的山东半岛泥质沉积区沉积速率3.3×10⁷ t/y量级一致,但量值略大。考虑到高悬沙浓度主要出现在冬季近岸,且近岸海流向南为主,可以认为山东半岛海域为渤、黄海物质交换的重要通道,约有50%的泥沙向南输往黄海。

本文根据2011—2020的GOCI遥感反演悬沙数据和MURSST海表温度数据,获取了山东半岛附近海域海表温度、温度锋面和表层悬沙浓度的时空变化特征,并探讨了温度锋面和悬沙浓度水平分布的关系。取得如下认识。

（1） 冬季温度锋面的出现位置最偏东,强度最大,温度梯度介于0.1~0.2 ℃/km,夏季温度锋面强度最小；2011—2020年1月山东半岛附近海域海表温度呈上升趋势,十年升温幅度为2.9 ℃,冬季温度锋面强度呈增大趋势。

（2） 近十年冬季环山东半岛的区域平均悬沙浓度呈降低趋势,与来自渤海的悬沙浓度降低有关。

（3） 悬沙浓度高、输运通量大的冬季,温度锋面与海流切变锋位置对应良好,其阻碍了近岸高浓度悬沙向外海扩散,而东北部弱温度锋面处是近岸高浓度悬沙跨锋面输运的通道。

（4） 近十年冬季温度锋面的东西向摆动和近岸高浓度悬沙向海扩散距离,与冬季风的强弱密切正相关；山东半岛附近海域冬季风有增强趋势,近岸高浓度悬沙向海影响范围将变大,但浓度将变低。