長江河口懸浮泥沙向浙閩沿岸輸運近期變化的遙感分析

陳瑞瑞, 蔣雪中

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長江河口懸浮泥沙向浙閩沿岸輸運近期變化的遙感分析

陳瑞瑞, 蔣雪中

(華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室, 上海 200062)

利用2000~2015年Terra-MODIS(terra-moderate resolution imaging spectroradiometer, 中等分辨率成像光譜儀)數(shù)據(jù)和2014年洪枯季現(xiàn)場數(shù)據(jù)建立泥沙反演模型, 分析入長江河口泥沙大幅減少后河口表層懸沙向浙閩沿岸輸運的時空變化和擴散形態(tài)。結(jié)果表明: (1)利用MODIS數(shù)據(jù)的二次型模型能夠揭示長江口及鄰近海域懸沙分布及輸運特征, 入海輸運的長江口懸浮泥沙是浙閩沿岸連續(xù)懸浮泥沙帶存在的物源; (2)受季風(fēng)和沿岸流動力驅(qū)動, 長江口懸沙向浙閩沿岸輸運具有明顯的季節(jié)性: 春季, 懸浮泥沙從長江口向浙閩沿岸呈條帶狀輸運, 春夏之交, 南下的懸沙至溫嶺近岸海域出現(xiàn)中斷現(xiàn)象; 夏季, 長江口大量懸沙滯留在長江口杭州灣近岸, 僅有少量懸沙向南輸運, 泥沙帶中斷; 秋季, 10月下旬—11月中旬逐漸形成連續(xù)的近岸泥沙帶; 歷冬至春, 循環(huán)復(fù)始; (3)受近年來長江流域進入河口的泥沙減少影響, 浙閩沿岸秋冬季連續(xù)的輸沙帶在春季提前斷開, 在秋季有推遲恢復(fù)的現(xiàn)象。本研究對于探究浙閩沿岸泥沙減少新格局, 分析近海生態(tài)環(huán)境新變化具有重要意義。

中等分辨率成像光譜儀(MODIS); 反演模型; 懸浮泥沙; 浙閩沿岸; 長江口

泥沙是河流向海輸運的主要物質(zhì)和陸海相互作用的重要指征[1-2], 對河口三角洲的發(fā)育演變都有重要作用。長江干流經(jīng)三峽水庫調(diào)蓄后, 年入海泥沙通量減少了約2/3[3], 導(dǎo)致長江口及鄰近海域的泥沙供應(yīng)、海岸線、環(huán)境發(fā)生變化, 也對入海泥沙的輸運擴散造成影響[4]。

近年來, 已有許多學(xué)者從海洋地質(zhì)學(xué)角度對長江物質(zhì)擴散范圍進行過一定的探討: Milliman等[5]、楊作升等[6]、孫效功等[7]、Li等[8]等利用物源示蹤對河口海域懸浮體的物質(zhì)來源、組成、擴散范圍、運移方向和沉積等方面開展了研究, 但是對于懸浮泥沙的近期變化缺少持續(xù)觀測和研究。

要全面系統(tǒng)地了解長江口泥沙運動規(guī)律及其空間分布和動態(tài)變化, 常規(guī)定點水文觀測方法不能很好地進行時空覆蓋, 而衛(wèi)星遙感技術(shù)則可以提供表層懸沙運動連續(xù)客觀的信息。利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)研究河口表層泥沙運動(泥沙來源、擴散范圍、輸移方向以及懸沙質(zhì)量濃度等)已成為河口和近海海域泥沙研究的有效手段[9]。國內(nèi)外許多學(xué)者利用TM、SPOT、SeaWiFS、MERIS、AVHRR、MODIS、HJ-1A CCD等衛(wèi)星針對水體懸沙的遙感定量監(jiān)測開展了卓有成效的研究[10-15]。

長江進入河口泥沙大量減少, 這是否會導(dǎo)致向海輸運的泥沙場產(chǎn)生變化？進而影響向浙閩沿岸輸運特征和時空變化。本研究嘗試?yán)?000—2015年的連續(xù)時間序列的MODIS影像, 與現(xiàn)場實測光譜數(shù)據(jù)相結(jié)合建立本地泥沙反演模型, 分析長江流域減沙以來, 長江口及其鄰近海域表層懸沙輸運在不同季節(jié)、不同水文天氣狀況下的時空變化、擴散形態(tài), 研究長江口泥沙向浙閩沿岸輸運季節(jié)性變化的動力機制和近期變化趨勢。

1 數(shù)據(jù)和方法

研究區(qū)北至江蘇省東臺市的弶港, 南至福建省平潭縣(如圖1所示), 區(qū)域范圍為25°40′~32°44′N, 119°~124°E, 覆蓋長江口、杭州灣、甌江口和閩江口。

1.1 實測數(shù)據(jù)

選取兩次現(xiàn)場調(diào)查的表層水體懸沙質(zhì)量濃度和水體光譜數(shù)據(jù)用作定量反演長江口懸沙含量的依據(jù)。分別于2014年5月29日—6月8日(洪季)和2014年12月21日—2015年1月5日(枯季)進行現(xiàn)場調(diào)查, 洪季站點位于長江口南槽H1(121°56′E, 31°10′N)和北港H2(122°4′52″E, 31°22′48″N); 枯季站點位于徐六涇K1(121°7′42″E, 31°45′31″N)、北港攔門沙K2(122°4′52″E, 31°22′48″N)和北港口外K3(122°20′E, 31°22′45″N)(圖1)。

光譜測量采用Satlantic公司的Hyper-SAS高光譜數(shù)字光譜儀, 按照水面以上光譜測量方法測量[16-17]。水體采樣與現(xiàn)場光譜測量同步進行, 每天8: 00—17: 00整點采集600 mL表層水樣, 裝玻璃瓶送回實驗室, 室內(nèi)采用過濾稱量法測量表層水樣的懸沙質(zhì)量濃度, 使用0.45mm孔徑的玻璃纖維濾膜過濾水樣, 經(jīng)烘干、冷卻、稱質(zhì)量分析, 計算出水樣懸沙質(zhì)量濃度。兩次調(diào)查共獲取179組光譜和127枚懸沙質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。

1.2 遙感數(shù)據(jù)

1.2.1 MODIS傳感器及數(shù)據(jù)

中等分辨率成像光譜儀(moderate resolution imaging spectroradiometer , MODIS)是圖譜合一的光學(xué)遙感傳感器衛(wèi)星, 裝載在Terra與Aqua衛(wèi)星上, 其中上午軌道衛(wèi)星Terra于1999年12月18日發(fā)射成功, 2000年2月24日開始采集數(shù)據(jù)。MODIS從可見光到熱紅外具有36個光譜通道, 覆蓋0.4~14.4mm波譜范圍, 其中2個通道(B1—B2)的空間分辨率為250 m, 5個通道(B3—B7)的空間分辨率為500 m, 其余29個通道(B8—B36)的空間分辨率為1 km。因具有更高時間分辨、信噪比、靈敏度、空間覆蓋范圍廣以及免費共享等優(yōu)點, 在動態(tài)監(jiān)測近岸海洋環(huán)境方面具有很大的潛力和應(yīng)用價值[16], 特別是監(jiān)測懸浮泥沙分布及時空變化取得良好效果[18-21]。

從美國國家航空航天局(NASA)的MODIS數(shù)據(jù)共享網(wǎng)獲取MODIS/Terra衛(wèi)星數(shù)據(jù), 下載了2000年2月24日~2015年12月31日期間覆蓋長江口到閩江口的影像共733景, 每年40~50幅影像, 時間分布均勻, 空間分辨率均為250 m。

1.2.2 MODIS數(shù)據(jù)處理

獲取的MODIS L1B數(shù)據(jù)的遙感反射率值沒有經(jīng)過標(biāo)定, 因此在與實測懸沙質(zhì)量濃度建立關(guān)系之前, 首先基于IDL平臺對所有MODIS影像進行批量預(yù)處理, 包括投影轉(zhuǎn)換、幾何校正、拼接、裁剪、輻射標(biāo)定、大氣校正和云掩膜處理等。然后利用MATLAB處理分析現(xiàn)場實測光譜數(shù)據(jù)和懸沙質(zhì)量濃度數(shù)據(jù), 建立泥沙反演模型, 并利用部分實測數(shù)據(jù)進行精度驗證。

1.3 風(fēng)場數(shù)據(jù)

所研究海域大都屬于強潮海區(qū), 波浪對近岸懸沙質(zhì)量濃度的分布影響非常顯著, 大風(fēng)天氣下的海水懸沙質(zhì)量濃度比一般天氣下高, 因此認(rèn)為懸浮泥沙的運動方向與潮流、風(fēng)況等因素有關(guān)[22], 選取風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)來代表近岸風(fēng)浪作用的強弱。采用的風(fēng)場數(shù)據(jù)來自歐洲中期預(yù)報中心(European Centre for Medium Range Weather Forecasts, ECMWF), 空間分辨率為0.25°×0.25°, 時間分辨率是3 h。ECMWF提供的預(yù)報數(shù)據(jù)是基于衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)與歷年氣候、陸地表面以及海洋實測數(shù)據(jù)(來自大量衛(wèi)星傳感器, 氣象站, 船、浮標(biāo)及其他機構(gòu))建立的預(yù)測模型和數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)進行再分析創(chuàng)建的全球數(shù)據(jù)集, 再分析數(shù)據(jù)經(jīng)過三維最優(yōu)插值, 同時考慮了觀測資料誤差、資料的空間相關(guān)、觀測要素間的關(guān)系以及分析推測值的誤差與其空間上的統(tǒng)計相關(guān)[23], 并且利用衛(wèi)星資料、飛機資料、浮標(biāo)資料等來完善再分析系統(tǒng)。其7~10 d的預(yù)報具有較高的預(yù)報精度, 對中短期天氣預(yù)報具有重要的指示意義。

應(yīng)用該數(shù)據(jù)時, 利用上海市氣象中心提供的實測風(fēng)速數(shù)據(jù)驗證其預(yù)報精度, 以長江口佘山島(122°14′E, 31°25′30″N)為例, 利用2015年2月21日、2月26日、9月18日、11月29日和2016年2月9日、6月8日、6月27日這7天的每日18: 00時刻的實測數(shù)據(jù)驗證, 其結(jié)果如表1所示, 風(fēng)速最大誤差為29.2%, 最小誤差為8.7%, 平均誤差為17.9%; 風(fēng)向最大誤差為20.7%, 最小誤差為2.1%, 平均誤差為12.6%。ECMWF提供的風(fēng)場數(shù)據(jù)精度為82.1%。說明ECMWF的風(fēng)場數(shù)據(jù)精度相對較高, 可以滿足研究的需要。

表1 風(fēng)場數(shù)據(jù)精度驗證

Tab.1 Accuracy evaluation of wind field

1.4 泥沙反演模型

1.4.1 反演模型建立

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù), 在分析水體光譜規(guī)律的基礎(chǔ)上選取出近紅外波段為敏感波段, 參考MODIS數(shù)據(jù)的波段設(shè)置, 考慮波段飽和性以及影像分辨率, 可知該敏感波段即對應(yīng)MODIS數(shù)據(jù)的第2波段。圖2為基于最小二乘法建立的懸沙質(zhì)量濃度(ssc)和MODIS第2通道遙感反射率(rrs)的擬合回歸方程,2代表回歸方程的擬合程度, 可以看出采用近紅外波段建立反演模式都取得了較好的效果, 可以作為長江口近岸水體懸沙質(zhì)量濃度遙感反演的主要波段。

1.4.2 模型驗證

利用2014年12月22日、12月23日、12月24日、12月29日、12月30日以及2015年1月2日、1月4日11: 00過境的MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)與11: 00的整點時刻現(xiàn)場同步測量數(shù)據(jù)進行反演驗證。表2對指數(shù)模式=0.0289e125x和二次型模式=13222– 14.23+0.11的反演結(jié)果進行了驗證分析, 從表2中可以看出, 指數(shù)模型的最小相對誤差為21.6%, 最大相對誤差為56.8%, 平均相對誤差為36.1%; 二次型模型的最小相對誤差為6.1%, 最大相對誤差為32.2%, 平均相對誤差為21.2%。由此可以判斷二次型模型精度更高些。因此, 采用二次型模式為實際遙感反演模型, 結(jié)果精度為78.8%:

ssc=13222–14.23+0.11

式中為MODIS第二波段的遙感反射率;ssc為懸沙質(zhì)量濃度(g/L)。

表2 懸沙質(zhì)量濃度驗證結(jié)果

Tab.2 Results of accuracy evaluation of suspended sediment concentration

注: 反演1和反演2分別為指數(shù)和多項式模型ssc反演結(jié)果; 相對誤差1和相對誤差2分別為指數(shù)和多項式模型反演結(jié)果與實測ssc的相對誤差

2 結(jié)果與討論

利用建立的二次多項式反演模型, 反演了長江口到閩江口的733景MODIS影像, 并利用長江口南槽(H1)、杭州灣(S1)、臺州溫嶺(S2)、甌江口(S3)以及閩江口(S4)站點為圓心、5 km為半徑的圓形區(qū)域(如圖1), 提取該區(qū)域每景MODIS遙感影像反演的懸浮泥沙濃度, 分別估算這些區(qū)域內(nèi)的年平均懸浮泥沙濃度, 用以代表2000~2015年自長江口至閩江口近岸懸浮泥沙分布情況, 如圖3, 其顯示了從長江口到閩江口近岸海域的典型區(qū)域2000~2015年平均懸浮泥沙濃度在時間和空間上的變化情況。

2.1 浙閩近岸泥沙帶的空間特征及物源證據(jù)

從反演的結(jié)果圖像分析, 長江口、杭州灣懸浮泥沙濃度明顯較高, 向南北兩側(cè)遞減, 與北側(cè)海域泥沙較高含沙水體聯(lián)成一片; 但杭州灣以南, 近岸海域懸浮泥沙濃度呈減少趨勢, 自長江口至閩江口近岸形成向南延伸的條帶狀泥沙帶; 同時懸沙向外海擴散基本在122.5°E經(jīng)線以西, 向外海表層懸沙質(zhì)量濃度迅速降低。

從年度空間變化的角度分析, 2000~2002年長江口、杭州灣、臺州溫嶺、甌江口以及閩江口懸浮泥沙質(zhì)量濃度變化較小, 分別位于750, 625, 150, 100, 85 mg/L上下波動; 而從2003~2006年起長江口、杭州灣、臺州溫嶺、甌江口以及閩江口懸浮泥沙濃度變化顯著; 2007年以后其懸浮泥沙質(zhì)量濃度區(qū)域穩(wěn)定, 基本無明顯變化, 懸浮泥沙濃度基本穩(wěn)定在530, 475, 100, 90, 75 mg/L上下。圖3顯示自2003年長江口、杭州灣等泥沙驟然減少, 長江口以南海域懸浮泥沙濃度也隨之降低, 長江口和杭州灣的懸浮泥沙濃度變化較明顯, 而距離長江口較遠(yuǎn)的甌江口、閩江口的泥沙濃度則變化較為緩慢。

研究區(qū)域近岸水域的懸浮泥沙除了近岸淺水海灘再懸浮泥沙外, 主要是長江、錢塘江、甬江、甌江以及閩江等河流每年入海的泥沙。其中, 錢塘江流域多年平均輸沙量只有765萬t, 是水豐沙少的清水河, 河流輸沙量主要集中在洪水期, 3~6月份輸沙量占全年輸沙量高達(dá)60%~85%[24]。據(jù)圩仁和石柱站實測輸沙量資料統(tǒng)計, 甌江也是少沙河流, 多年平均年懸移質(zhì)輸沙量為205.1萬t[25], 集中在汛期輸入河口, 該河口區(qū)懸移質(zhì)主要來自海域, 陸相來沙僅占2%[26]。敖江上游輸沙不多, 多年平均輸沙量為8.17萬t[27]。閩江屬于少沙河流, 根據(jù)竹岐站1951~1992年實測資料統(tǒng)計數(shù)據(jù), 年平均懸移質(zhì)輸沙量708萬t, 由于河流建壩, 近年來閩江下游流域來沙明顯減少[28], 洪季來沙量占全年總沙量的76%, 多集中在洪水期間, 枯季僅占4.2%。與長江多年平均輸沙量為4.175×108t[29]相比, 錢塘江、甌江、敖江和閩江累計的輸沙占比很小, 冬季更是可以忽略不計。遙感資料與實測懸沙質(zhì)量濃度解譯所獲取的長江口及其鄰近海域表層懸沙質(zhì)量濃度空間分布結(jié)果顯示, 整個海域懸沙質(zhì)量濃度和平面分布特征在不同的季節(jié)和區(qū)域差別較大(圖4), 夏季本地各河流入海泥沙雖然較冬季增加, 但是近岸海域泥沙含量較少; 冬季近岸海域泥沙呈條帶狀輸運, 應(yīng)是由長江入海懸沙向南擴散, 使得浙閩沿岸有了豐富的泥沙來源。

2.2 浙閩近岸泥沙帶的季節(jié)變化

對獲取的733景反演結(jié)果按季節(jié)對其進行柵格計算, 得到季節(jié)平均懸浮泥沙圖(如圖4), 并按季節(jié)組織選取具有代表性遙感影像(如圖5–圖8所示), 結(jié)果顯示, 懸浮泥沙每個季節(jié)有不同的變化, 具有明顯的季節(jié)性特征。根據(jù)季節(jié)平均影像圖(圖4)以及每季單景影像(圖5–圖8)來分析長江口懸浮泥沙向浙閩沿岸輸運季節(jié)性變化特征。

春季, 長江口、杭州灣懸沙含量較高, 平均質(zhì)量濃度可達(dá)1 000 mg/L左右; 甌江口懸沙質(zhì)量濃度相對較低, 基本在100 mg/L上下; 閩江口水體比較清澈, 懸沙含量明顯較低, 平均質(zhì)量濃度在50 mg/L。從長江口向浙閩沿岸輸運的泥沙呈條帶狀, 貼近海岸, 往南逐漸降低, 寬度逐漸縮窄。到春季后期, 高濃度泥沙帶不再連續(xù), 自浙江溫嶺海域即出現(xiàn)中斷; 遙感影像顯示溫嶺海域懸沙質(zhì)量濃度與其以北海域懸沙質(zhì)量濃度相比是快速降低(如圖5, 圖10)。

夏季, 長江口、杭州灣懸沙含量較春季低, 平均懸沙質(zhì)量濃度基本維持在500~700 mg/L; 遙感影像顯示整個夏季一直存在懸沙輸運中斷現(xiàn)象, 甌江口懸沙質(zhì)量濃度為全年最低, 維持在50 mg/L左右, 閩江口的懸沙含量普遍降至全年最低。長江口及鄰近海域懸沙質(zhì)量濃度較春季普遍降低, 長江口與杭州灣的懸浮泥沙仍連成一片, 但是至舟山以南即中斷, 浙閩沿岸不存在連續(xù)的泥沙條帶(如圖4, 圖6)。

秋季, 長江口及鄰近海域懸沙質(zhì)量濃度較夏季有增高趨勢, 長江口、杭州灣懸沙質(zhì)量濃度在700~ 1 000 mg/L, 長江泥沙向南輸運量開始增加, 甌江口懸沙含量也開始緩慢增高, 平均濃度為50 mg/L;閩江口懸沙含量大部分在20~70 mg/L之間。夏季在臺州溫嶺出現(xiàn)的懸沙輸運中斷現(xiàn)象逐漸消失, 長江口泥沙向南逐漸形成連續(xù)的泥沙帶(如圖4, 圖7)。

冬季, 長江口及鄰近海域懸沙含量大部分海域增加至全年最高, 長江口、杭州灣懸沙含量較秋季高,甌江口懸沙含量平均濃度大于100 mg/L, 閩江口懸沙含量也增至全年最高, 最高可達(dá)100 mg/L, 長江泥沙向南輸運呈現(xiàn)連續(xù)的條帶狀(如圖4, 圖8)。

綜上所述可認(rèn)為, 長江口懸浮泥沙向浙閩沿岸輸運具有明顯的季節(jié)性, 舟山以南海域懸沙向南輸運季節(jié)性變化較明顯, 冬季懸沙質(zhì)量濃度高于其他季節(jié), 并且高懸沙質(zhì)量濃度區(qū)向東南海域擴展最遠(yuǎn), 而夏季懸沙質(zhì)量濃度較低, 舟山以南大部分海域懸沙質(zhì)量濃度很低; 這與許多學(xué)者[30, 37]研究東海陸架泥質(zhì)區(qū)懸浮體含量有季節(jié)性變化(冬季懸浮體含量遠(yuǎn)高于其他季節(jié), 夏季懸浮體含量低)的結(jié)論基本一致。其中, 閩江口懸沙質(zhì)量濃度季節(jié)性變化最為明顯, 而在2009年徐曉輝[31]的研究結(jié)果也是閩江口懸浮泥沙季節(jié)性變化較大, 冬季達(dá)到一年中最大值。

2.3 近期浙閩沿岸泥沙帶變化

從連續(xù)的觀測結(jié)果看, 長江口向浙閩沿岸輸運的泥沙, 在冬季呈現(xiàn)連續(xù)條帶, 至暮春開始減少, 夏季基本處于懸沙質(zhì)量濃度最低的狀態(tài), 秋季開始緩慢增加、恢復(fù)連續(xù)形態(tài), 以此循環(huán), 形成明顯的季節(jié)性變化, 大量遙感資料顯示泥沙驟然減少出現(xiàn)在浙江溫嶺沿海, 據(jù)此, 計算了浙江溫嶺海域自2000~ 2015年懸浮泥沙月平均值, 繪制了這16年浙江溫嶺(圖1中S2站點)懸浮泥沙量的變化圖(如圖9), 發(fā)現(xiàn)2003年以前溫嶺海域在6月份以后懸沙質(zhì)量濃度快速降低, 懸沙質(zhì)量濃度降低至50 mg/L以內(nèi), 6~8月份溫嶺海域懸沙質(zhì)量濃度基本小于50 mg/L, 而從9月份開始溫嶺海域懸沙質(zhì)量濃度又開始逐漸增加, 懸沙質(zhì)量濃度大于50 mg/L。2003年以后, 溫嶺海域在5月份懸沙質(zhì)量濃度就快速降低至50 mg/L以內(nèi), 10月份溫嶺海域懸沙質(zhì)量濃度才開始緩慢增加。由于溫嶺海域懸沙質(zhì)量濃度與其以北海域懸沙質(zhì)量濃度相比快速降低, 在這里定義溫嶺海域懸沙質(zhì)量濃度小于50 mg/L即為泥沙輸運中斷, 大于50 mg/L則形成連續(xù)的泥沙帶。證實浙閩沿岸冬季連續(xù)的輸沙帶在春季提前斷開, 在秋季有推遲恢復(fù)的現(xiàn)象。

結(jié)合圖3分析, 自2003年長江口、杭州灣等懸浮泥沙含量開始減少, 長江口以南海域懸浮泥沙濃度也隨之降低, 長江口和杭州灣的懸浮泥沙濃度變化較明顯, 而長江入海懸沙又是浙閩沿岸泥沙帶的泥沙來源。因此, 導(dǎo)致浙閩沿岸泥沙帶在春季提前斷開、秋季推遲恢復(fù)現(xiàn)象的主要因素可能與長江入海泥沙大幅減少[30-31]。

2.4 浙閩近岸懸浮泥沙帶時空變化的原因分析

風(fēng)浪作用能促使長江口大量細(xì)顆粒懸沙再懸浮并帶動泥沙輸運, 使得長江口的懸浮泥沙隨風(fēng)向貼近岸延伸形成條帶狀泥沙帶。而近岸水體懸沙質(zhì)量濃度隨風(fēng)浪的增大而增大, 其輸運方向和距離受風(fēng)向、風(fēng)時以及風(fēng)速的限制, 風(fēng)向和風(fēng)速隨季節(jié)變化, 圖10表示了浙閩沿岸季節(jié)盛行風(fēng)場。春季盛行偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng), 夏季轉(zhuǎn)為東南季風(fēng), 到了秋季又逐漸為偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng), 冬季盛行東北風(fēng), 遙感影像顯示長江口懸浮泥沙輸運方向與對應(yīng)時期的風(fēng)向是基本一致的, 因此可以推斷風(fēng)速和風(fēng)向變化導(dǎo)致泥沙輸運具有季節(jié)性變化。

據(jù)蔡愛智[32]的研究, 浙閩近岸水域的沿岸流優(yōu)勢流方向也在很大程度上代表著懸沙的主要來源與方向。沿岸流夏季較弱, 冬季較強, 具有明顯的季節(jié)性變化, 夏季, 臺灣暖流較強, 東海沿岸流和蘇北沿岸流減弱, 長江沖淡水在口門附近先順著汊道方向流向東南, 而后在122°30′E右轉(zhuǎn)為東北方向, 長江口泥沙被臺灣暖流阻擋, 大量滯留在長江口、杭州灣海域; 冬季, 東海沿岸流和蘇北沿岸流增強, 長江沖淡水沿岸南下, 而臺灣暖流較弱, 只到28°N[33], 因此, 在冬季長江口有大量懸沙隨季風(fēng)和東海沿岸流南下, 輸運范圍達(dá)到一年中最遠(yuǎn), 形成自長江口至閩江口近岸形成向南延伸的連續(xù)條帶狀泥沙帶。許多學(xué)者認(rèn)為冬季向南的浙閩沿岸流與泥沙帶外側(cè)的一股向南的強烈沿岸流和黑潮爬升水之間會形成一道屏障并阻止長江和浙閩沿岸其他河流懸沙向東南深海輸運, 致使這些高濃度懸沙不能進入沖繩海槽而約束在浙閩沿岸, 形成連續(xù)泥沙帶[34-35]。證實長江口入海泥沙輸運具有季節(jié)性變化是季風(fēng)和沿岸流共同作用的結(jié)果。

3 結(jié)論

利用時序的MODIS影像和實測的長江口杭州灣懸浮泥沙含量數(shù)據(jù), 建立的二次型模型可以實現(xiàn)長江口及毗鄰海域懸浮泥沙含量的反演, 從而觀測泥沙向外海輸運, 揭示向浙閩沿岸懸浮泥沙輸運的時空特征和近期變化。從反演的連續(xù)16年的結(jié)果分析, 長江口入海泥沙是浙閩近岸秋冬季懸浮泥沙條帶存在的泥沙來源地。

受季風(fēng)和沿岸流動力驅(qū)動, 長江口懸沙向浙閩沿岸輸運具有明顯的季節(jié)性: 春季, 懸浮泥沙從向浙閩沿岸呈條帶狀輸運, 隨著偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)以及臺灣暖流的逐漸變強, 向南輸運的懸沙越來越少, 春夏之交, 高濃度的懸沙帶不再連續(xù), 自溫嶺海域出現(xiàn)中斷; 夏季, 盛行東南季風(fēng), 再加上臺灣暖流為優(yōu)勢流, 長江沖淡水在夏季偏東北方向, 長江口泥沙向南輸運受到限制, 長江口大量懸沙滯留在長江口杭州灣近岸, 僅有少量懸沙向南輸運, 長江口的懸沙與杭州灣的懸沙連成一片, 但至舟山群島以南即中斷, 浙閩近岸不再有連續(xù)泥沙條帶; 秋季, 隨著偏南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)和東海沿岸流逐漸變強, 懸沙輸運中斷現(xiàn)象逐漸消失, 10月下旬至11月中旬間逐漸形成連續(xù)的近岸泥沙帶; 冬季, 盛行東北風(fēng), 風(fēng)力強勁, 同時東海沿岸流為優(yōu)勢流, 長江口懸沙隨風(fēng)和沿岸流大量向南輸運, 經(jīng)杭州灣繼續(xù)南下進入浙閩沿岸區(qū), 形成連續(xù)泥沙帶。

溫嶺海域的歷年數(shù)據(jù)分析證實, 隨著長江流域進入河口的泥沙明顯減少, 浙閩沿岸海域泥沙濃度也受此影響。冬季連續(xù)的輸沙帶在春季提前斷開, 在秋季有推遲恢復(fù)的現(xiàn)象, 三峽水庫開始運行的2003年成為明顯轉(zhuǎn)折點。這種影響的持續(xù)作用, 將對浙閩沿岸水文泥沙場產(chǎn)生變化, 需要持續(xù)的觀測和研究。

[1] 沈煥庭, 朱建榮. 論我國海岸帶陸海相互作用研究[J].海洋通報, 1999, 18(6): 11-17. Shen Huanting, Zhu Jianrong. The land and ocean interactions in the coastal zone of China[J]. Marine Science Bulletin, 1999, 18(6): 11-17.

[2] 孟憲偉, 劉焱光, 王湘芹. 河流入海物質(zhì)通量對海、陸環(huán)境變化的響應(yīng)[J]. 海洋科學(xué)進展, 2005, 23(4): 391-397. Meng Xianwei, Liu Yanguang, Wang Xiangqin. Material flux from river to sea and its response to land and sea environment changes[J]. Advances in Marine Science, 2005, 23(4): 391-397.

[3] 楊世倫, 李明. 長江入海泥沙的變化趨勢與上海灘涂資源的可持續(xù)利用[J]. 海洋學(xué)研究, 2009, 27(2): 7-15. Yang Shi lun, Li Ming. Evolutional trend of the coastal wetland in Shanghai in response to decrease of sediment supply from the Changjiang River[J].Journal of Marinr Sciences, 2009, 27(2): 7-15.

[4] 袁瑞. 長江入海水沙輸運擴散[D]. 上海: 華東師范大學(xué), 2015. Yuan Rui. The study on the transports of freshwater and suspended sediment from Changjiang River[D]. Shanghai: East China Normal University, 2015.

[5] Milliman J D, Beardsley R C, Yang Zuosheng, et al. Modern Huanghe-derived muds on the outer shelf of the East China Sea: identification and potential transport mechanisms[J]. Continental Shelf Research, 1985, 4(1): 175-188.

[6] 楊作升, 郭志剛, 王兆祥, 等. 黃東海陸架懸浮體向其東部深海區(qū)輸送的宏觀格局[J]. Acta Oceanologica Sinica, 1992, 14(2): 81-90. Yang Zuosheng, Guo Zhigang, Wang Zhaoxiang, et al.Macrocosmic pattern of the Yellow Sea continental shelf suspension conveyed its deep-sea areas east [J]. Acta Oceanologica Sinica, 1992, 14(2): 81-90.

[7] 孫效功, 方明. 黃, 東海陸架區(qū)懸浮體輸運的時空變化規(guī)律[J]. 海洋與湖沼, 2000, 31(6): 581-587. Sun Xiaogong, Fang Ming. Spatial and temporal variations in suspended particulate matter transport on the Yellow and East China Sea Shelf[J].Oceanologia Et Limnologia Sinica, 2000, 31(6): 581-587.

[8] Li Yunhai, Qiao Lei, Wang Aijun, et al. Seasonal variation of water column structure and sediment transport in a mud depo-center off the Zhejiang-Fujian coast in China[J]. Ocean Dynamics, 2013, 63(6): 679-690.

[9] Doxaran D, Froidefond J, Lavender S, et al. Spectral signature of highly turbid waters: Application with SPOT data to quantify suspended particulate matter concentrations[J]. Remote Sensing of Environment, 2002, 81(1): 149-161.

[10] Liao Yingdi, Zhang Wei, Deschamps P Y. Atmospheric correction of SeaWiFS data for the retrieval of suspended sediment in East China coastal waters[J]. China Ocean Engineering, 2005, 19(2): 225-234.

[11] 劉大召, 張辰光, 付東洋, 等. 基于高光譜數(shù)據(jù)的珠江口表層水體懸浮泥沙遙感反演模式[J]. 海洋科學(xué), 2010, 34(7): 77-80. Liu Dazhao, Zhang Chenguang, Fu Dongyang, et al.Hyperspectral data-based remote-sensing inversion model for suspended sediment in surface waters at the Pearl River Estuary[J]. Marine Sciences, 2010, 34(7): 77-80.

[12] Shen Fang, Zhou Yunxuan, Li Jiufa, et al. Remotely sensed variability of the suspended sediment concentration and its response to decreased river discharge in the Yangtze Estuary and adjacent coast[J]. Continental Shelf Research, 2013, 69(1): 52-61.

[13] Miller R L, Mckee B A. Using MODIS Terra 250 m imagery to map concentrations of total suspended matter in coastal waters[J]. Remote Sensing of Environment, 2004, 93(1): 259-266.

[14] 王林, 楊建洪, 李冠男, 等. 江蘇近岸海域HJ CCD影像懸浮泥沙遙感反演[J]. 海洋科學(xué), 2016, 40(2): 77-83.Wang Lin, Yang Jianhong, Li Guannan, et al.Retrieval of suspended sediment concentration from HJ-CCD imagery in Jiangsu coastal sea[J].Marines Sciences, 2016, 40(2): 77-83.

[15] 叢丕福, 牛錚, 曲麗梅, 等. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和TM圖像的大連灣海域懸浮物質(zhì)量濃度的反演[J]. 海洋科學(xué), 2005, 29(4): 31-35.Cong Pifu, Niu Zheng, Qu Limei, et al. Retrieval of suspended sediment concentration in Dalian Bay on basis of neural network model and TM imagery[J]. Marine Sciences, 2005, 29(4): 31-35.

[16] Mobley C D. Estimation of the remote-sensing reflectance from above-surface measurements.[J]. Applied Optics, 2000, 38(36): 7442-7455.

[17] 唐軍武, 田國良, 汪小勇, 等. 水體光譜測量與分析Ⅰ: 水面以上測量法[J]. 遙感學(xué)報, 2004, 8(1): 37-44. Tang Junwu, Tian Guoliang, Wang Xiaoyong, et al. The methods of water spectra measurement and analysisⅠ: above-water method[J].Journal of Remote Sensing, 2004, 8(1): 37-44.

[18] Doxaran D, Froidefond J M, Castaing P, et al. Dynamics of the turbidity maximum zone in a macrotidal Estuary (the Gironde, France): observations from field and MODIS satellite data[J]. Estuarine Coastal & Shelf Science, 2009, 81(3): 321-332.

[19] 鄔國鋒, 崔麗娟, 紀(jì)偉濤. 基于時間序列MODIS影像的鄱陽湖豐水期懸浮泥沙濃度反演及變化[J]. 湖泊科學(xué), 2009, 21(2): 288-297.Wu Guofeng, Cui Lijuan, Ji Weitao. Time-series MODIS images-based retrieval and change analysis of suspended sediment concentration during flood period in lake Poyang[J].Journal of Lake Sciences, 2009, 21(2): 288- 297.

[20] 王繁, 凌在盈, 周斌, 等. MODIS監(jiān)測河口水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度的短期變異[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2009, 43(4): 755-759. Wang fan, Ling Zaiying, Zhou Bin, et al. MODIS images monitoring short-period variation of estuary surface water suspended sediment concentration[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2009, 43(4): 755-759.

[21] 劉艷霞, 黃海軍, 樊建勇, 等. 黑泥灣近岸懸沙分布與擴散變化監(jiān)測[J]. 海洋科學(xué), 2009, 33(1): 25-29.Liu Yanxia, Huang Haijun, Fan Jianyong, et al. Detection of distribution change and diffusion of suspended sediment concentration around Heini Bay[J]. Marine Sciences, 2009, 33(1): 25-29.

[22] 左書華, 楊華, 趙群, 等. 溫州海區(qū)近岸表層水體懸沙分布及運動規(guī)律的遙感分析[J]. 地理與地理信息科學(xué), 2007, 23(2): 47-50. Zuo Shuhua, Yang Hua, Zhao Qun, et al. Remote sensing analysis on distribution and movement of surface suspended sediment in coastal waters of Wenzhou[J].Geography and Geo-Information Science, 2007, 23(2): 47-50.

[23] Lorenc A C. A global three-dimensional multivariate statistical interpolation scheme[J]. Monthly Water Review, 1981: 701-721.

[24] 馮利華. 錢塘江流域的水文規(guī)律[J]. 地理科學(xué), 1990, 10(2): 177-184. Feng Lihua. Hydrological law of the qiantang river basin[J]. Scientia Geographica Sinica, 1990, 10(2): 177- 184.

[25] 鄭敬云, 李孟國, 麥苗, 等. 甌江口水文泥沙特征分析[J]. 水道港口, 2008, 29(1): 1-7. Zheng Jingyun, Li Mengguo, Mai Miao, et al. Hydrographic and sediment analyses of the Oujiang Estuary[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2008, 29(1): 1-7.

[26] 林偉波, 王義剛. 甌江口海域懸浮泥沙輸運特性研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報, 2013, 32(2): 119-128. Lin Weibo, Wang Yigang. Study on characteristics of suspended sediment transport in Oujiang River Estuary[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2013, 32(2): 119-128.

[27] 李浩麟. 敖江港淤積及治理措施研究[J]. 海洋工程, 1992, 2: 51-62. Li Haolin.A study of silting reasons and measures for improving navigation depth in the ao port[J]. The Ocean Engineering, 1992, 2: 51-62.

[28] 劉蒼字, 賈海林. 閩江河口沉積結(jié)構(gòu)與沉積作用[J]. 海洋與湖沼, 2001, 32(2): 177-184. Liu Cangzi, Jia Hailin. Sedimentary texture and sedimentation in the Minjiang River Esturay[J].Oceanologia Et Limnologia Sinica, 2001, 32(2): 177-184.

[29] 汪亞平, 潘少明, 高建華, 等. 長江口水沙入海通量的觀測與分析[J]. 地理學(xué)報, 2006, 61(1): 35-46. Wang Yaping, Pan Shaoming, Gao Jianhua, et al.Measurements and analysis of water discharges and suspended sediment fluxes in Changjiang Estuary[J]. Acta Geographica Sinica, 2006, 61(1): 35-46.

[30] 郭志剛, 楊作升, 雷坤, 等. 東海陸架北部泥質(zhì)區(qū)沉積動力過程的季節(jié)性變化[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版, 1999, 3: 507-513. Guo Zhigang, Yang Zuosheng, Lei Kun, et al. Seasonal variation of the sedimentary dynamic processes for the mud area in the northern East China Sea[J]. Jornal of Ocean University of Qingdao, 1999, 3: 507-513.

[31] 徐曉暉. 基于MODIS的閩江口懸浮泥沙長期特征研究[D]. 廈門: 國家海洋局第三海洋研究所, 2010.Xu Xiaohui. Study on long-term character of suspended sediments in Minjiang Estuary based on MODIS[D]: Xiamen: Third Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, 2010.

[32] Yang Shilun, Zhang Jing, Dai Shibao, et al. Effect of deposition and erosion within the main river channel and large lakes on sediment delivery to the estuary of the Yangtze River[J]. Journal of Geophysical Research Earth Surface, 2007, 112(F2): 111-119.

[33] 劉高偉, 程和琴, 李九發(fā), 等. 近期長江河口南匯南灘水域水沙變化特征[J]. 海洋科學(xué), 2015, 39(10): 108-115.Liu Gaowei, Cheng Heqin, Li Jiufa, et al. Recent variations in tidal current and suspended sediment concentration in the Nanhui south shoal of the Changjiang Estuary[J]. Marine Sciences, 2015, 39(10): 108-115.

[34] 蔡愛智. 長江入海泥沙的擴散[J]. 海洋學(xué)報, 1982, 4(1): 80-90. Cai Aizhi. Diffusion of sediments of the Changjiang River discharging into the sea[J]. Acta Oceanologica Sinca, 1982, 4(1): 80-90.

[35] 翁學(xué)傳, 王從敏. 臺灣暖流水的研究[J]. 海洋科學(xué), 1985, 9(1): 7-10.Weng Xuechuan, Wang Congmin.A study on Taiwan warm current water[J]. Marine Sciences, 1985, 9(1): 7- 10.

[36] 郭志剛, 楊作升, 張東奇, 等. 冬、夏季東海北部懸浮體分布及海流對懸浮體輸運的阻隔作用[J]. 海洋學(xué)報, 2002, 24(5): 71-80. Guo Zhigang, Yang Zuosheng, Zhang Dongqi, et al. Seasonal distribution of suspended matter in the northern East China Sea and barrier effect of current circulation on its transport[J].Acta Oceanologia Sinica, 2002, 24(5): 71-80.

[37] 蘇育嵩, 李鳳岐, 馬鶴來, 等. 東海北部區(qū)域底層冷水團的形成及其季節(jié)變化[J]. 青島海洋大學(xué)學(xué)報. 1989, S1: 1-14. Su Yusong, Li Fnegqi, Ma Helai, et al. Formation and seasonal variation of bottom cold water mass in northern area of the East China Sea[J]. Journal of Ocean University of Qingdao, 1989, S1: 1-14.

(本文編輯: 劉珊珊)

Analysis of suspended sediment variations from the Yangtze Estuary to Zhejiang-Fujian Provincial coastal waters using remotely sensed data

CHEN Rui-rui, JIANG Xue-zhong

(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

The construction of a number of dams in the Changjiang River basin (and in particular, large dams in the mainstream) has led to a sharp reduction in the amount of suspended sediment transported from the basin to the sea. This study was instigated to determine the effect on adjacent waters from a change in sediment source, and the paper focuses on spatial and temporal variations in suspended sediments from the Yangtze Estuary to Zhejiang-Fujian Provincial coastal sea obtained from remotely sensed data. A reliable model is established (according to in-situ measurements in different seasons during 2014) to extract suspended sediment concentration (SSC) from Terra- moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) images, and the SSC transport mechanism is studied based on results of these analyses. Results reveal that the transportation of suspended sediment from the Yangtze Estuary to the south coast has an obvious seasonal variation and is driven by the monsoon and coastal ocean currents. In spring, suspended sediment is transported as a strip from the Yangtze Estuary to Zhejiang-Fujian Provincial coastal water, and in late spring the suspended sediment transport is interrupted by Wenling coastal waters. In summer, a large amount of suspended sediment is left stranded in the Yangtze Estuary and the Hangzhou Bay: these interruptions are obvious. In autumn, a continuous coastal suspended sediment strip gradually forms between mid-October and late November. In recent years, under the influence of reducing suspended sediment from the river basin into the estuary, the continuous suspended sediment strip in winter has been broken off prior to spring and recovery has been delayed in autumn.

moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS); inverse model; suspended sediment concentration; Zhejiang-Fujian Provincial coastal waters; the Yangtze Estuary

Sep. 20, 2016

[National Natural Science Foundation of China, No.41271547, No.41401644; Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No.XDA05010400]

TP79

A

1000-3096(2017)03-0089-13

10.11759/hykx20160920002

2016-09-20;

2016-11-02

國家自然科學(xué)基金項目(41271547, 41401644); 中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDA05010400)

陳瑞瑞(1990-), 女, 河南開封人, 碩士研究生, 主要從事河口變化分析和遙感應(yīng)用, E-mail: 1320411007@qq.com; 蔣雪中, 通信作者, 男, 副教授, 主要從事河口海岸變化與GIS&RS應(yīng)用研究, E-mail: xzjiang@sklec.ecnu.edu.cn