臺風事件對東中國海懸沙濃度時空演變的影響分析*

趙仁靈 周春艷 ① 許春陽 劉 偉

(1. 河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室 江蘇南京 210098; 2. 河海大學港口海岸與近海工程學院 江蘇南京 210098; 3. 連云港市港航事業發展中心 江蘇連云港 222042)

臺風作為天氣尺度上最大的海氣相互作用過程之一, 它可以在短時間內劇烈改變海氣間的能量交換, 反映在海面的強風浪可以強烈改變常規天氣下的水體狀態, 破壞水體結構(Lietal, 2018), 改變海底地形、地貌(Lietal, 2015c)以及泥沙顆粒的遷移和沉積過程(Lietal, 2015b, 2015c)。東中國海位于太平洋西北, 影響該地區的臺風中, 約有三分之一登陸或影響中國, 其中在東中國海和南海發生的較多, 在渤海和北黃海發生的較少(Wangetal, 2021)。東中國海是世界上懸浮物濃度最高的海區之一, 每年接收來自黃河和長江等大河入海的大量懸沙。東中國海沉積物從“源”到“匯”的過程越來越受關注, 它們在地球化學循環、生態系統變化、資源管理等方面發揮著關鍵作用(Walshetal, 2016)。

東中國海近岸懸沙濃度分布受潮流、風浪、沿岸流、徑流和溫鹽等多種因素的影響, 其中風浪和潮流是最主要的影響因素(宋召軍等, 2006; 權永崢等,2015; Liuetal, 2016a)。在大風或者風暴潮天氣下, 風和風浪成為影響流向和泥沙再懸浮及輸運的主要因素, 顯著影響懸沙的時空分布(Wangetal, 2018;Whippleetal, 2018; Zengetal, 2023)。受制于觀測條件, 臺風過境期間實測數據難以獲得, 遙感可以有效地再現海洋物理過程(Lietal, 2015a; 宋德彬等,2018)。GOCI (geostationary ocean color imager)數據可用于監測臺風過境期間的懸沙等海洋水色要素的時空分布(Chauetal, 2021), 計算臺風前后表層懸沙濃度(suspended sediment concentration, SSC)的變化值。已有很多學者將GOCI 遙感數據與非臺風天氣下的實測資料進行了對比驗證, 結果表現良好(Ahnetal,2012)。大氣校正后使用Tassan 公式反演的SSC 與三門灣至江蘇北部沿岸地區156 個實測SSC 的線性關系為R2=0.8 (Jiangetal, 2020), 反演得到的SSC 在東中國海非臺風天氣下比較可靠。利用GOCI 遙感數據分析極端天氣下的懸沙濃度也有應用, 基于優化的SeaWiFs 算法及Tassan 公式反演的SSC 作為ROMS模型的初始條件, 將模擬結果結合實測水文資料與GOCI 數據反演的SSC 互為驗證, 成功跟蹤預測了2012 年的臺風博拉文事件(Kimetal, 2013)。除此之外, 與我國廣泛應用的MODIS 和Landsat8 遙感數據相比, GOCI 遙感數據產品表現出相當的質量水平。對GOCI 數據進行優化后, 使用SeaWiFs 算法得到的海上555 和660 nm 波段的遙感反射率與MODIS、MERIS 相同產品之間呈現接近1 的線性相關性(Yangetal, 2014), 與Landsat8 產品的線性相關性達0.873 1(Duetal, 2021), 對于東海某點(32.12°N, 125.18°E),基于標準的SeaWiFs 算法優化近紅外波段離水反射率的迭代模型(Ahnetal, 2012)計算得到的560 和665 nm 波段的遙感反射率與實測反射率的相關性分別達到0.85 和0.93 (Doxaranetal, 2014), 這表明了他們之間的高度一致性。

本研究基于不同類型臺風事件期間篩選出的高質量GOCI 遙感數據, 計算臺風過境前1～3 d 到過境后1～3 d 的日平均表層懸沙濃度, 結合風場數據, 探討不同類型臺風對表層懸沙時空分布的影響。

1 研究區域臺風事件介紹

影響東中國海的臺風事件路徑可分為登陸型、海上活動型及特殊型(由陸向海發展, 多為南海穿出)三大類(孫林海等, 2010; Yanetal, 2020; 張智偉, 2020)。登陸型又可細分為正面登陸、登陸后向北偏東發展、向陸中及向西發展型, 海上活動型又可細分為近海和遠?；顒有?圖1a)。本文統計了2015～2022 年期間,臺風七級風力半徑直接影響了東中國海50 m 等深線以西的臺風事件34 起, 其路徑類型統計見表1。近?；顒有秃瓦h?；顒有团_風發生頻率高于其他5 種登陸型臺風事件和南海穿出型臺風事件, 5 種登陸型臺風事件中登陸消失和登陸北上中的臺風事件出現次數較高, 近8 a 未出現南海穿出型臺風事件。本研究將討論不同類型的臺風事件對研究區域SSC 分布時空變化的影響, 且重點討論近?；顒有秃瓦h?；顒有团_風事件, 研究區域如圖1b 所示。

表1 2015～2022 年期間影響東中國海的臺風類型次數統計Tab.1 Statistics of typhoon types affecting the East China Sea during 2015～2022

圖1 影響東中國海的臺風類型(a)以及研究范圍和水深分布(b)Fig.1 Types of typhoons affecting the East China Sea (a) and the study area and bathymetry (b)

在統計的34 起臺風事件中篩選出可觀察到高質量少云GOCI 遙感數據的臺風, 臺風信息見表2, 臺風路徑見圖2。

表2 不同類型臺風信息Tab.2 Information about different types of typhoons

圖2 臺風路徑圖Fig.2 Tracks of typhoons

2 觀測數據與分析方法

2.1 遙感數據

GOCI 載在韓國2010 年發射的靜止衛星COMS上。GOCI 空間分辨率為500 m, 共有8 個波段, 光譜分辨率為412～865 nm, 軌道高度達35 786 km, 覆蓋范圍為2 500 km×2 500 km。GOCI 每天從8 點到15 點(北京時間)可以提供8 個時刻的觀測數據, 時間間隔為1 h, GOCI 數據可從韓國海洋衛星中心(http://kosc.kiost.ac.kr/index.nm)上獲得。GOCI 數據的8 個波段可用于反演研究區域表層懸浮泥沙濃度(suspended sediment concentration, SSC)和葉綠素(chlorophyll)濃度等海洋水色要素。

我國現行的全球熱帶氣旋等級劃分標準(GB/T 32935-2016)將熱帶氣旋中心附近地面最大風速達到32.7～41.4 m/s, 即12～13 級定義為臺風。在本研究中,我們選擇了2015～2022 年期間中央氣象臺臺風網公布的臺風信息, 特別是臺風路徑經過東中國海、風力半徑影響東中國海海域尤其是近岸高渾濁水域的臺風事件。在這些臺風事件中篩選出臺風到達研究區域前1～3 d 至臺風通過研究區域后1～3 d 的高質量GOCI遙感數據, 以便分析臺風事件影響下研究區域SSC的時空分布變化特點。本研究用于計算SSC 的遙感數據日期統計如表3 所示。

表3 用于計算SSC 的GOCI 遙感數據日期Tab.3 Dates of GOCI remote sensing data used to calculate SSC

2.2 風場數據及臺風過程信息

臺風影響期間, ERA5 再分析風場數據在黃海、東海區域的風速大小與實測資料有較高一致性, 相關性均在0.8 以上(譚海燕等, 2021)。以臺風“利奇馬”通過東中國海為例, 渤海、黃海、東海的實測風場數據與ERA5 再分析數據之間展現出良好的匹配度(李愛蓮等, 2021)。所以, 本研究采用ERA5 數據對臺風期間的風場進行分析。

ERA5 數據集是歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)制作的第五代大氣再分析資料。它提供自1950 年至今的地表面氣壓、溫度和風場等數據。資料的時間分辨率為1 h, 空間分辨率為0.25°×0.25° (https://cds.climate.copernicus.eu)。臺風過程信息來自于中央氣象臺風網(http://typhoon.weather.com.cn/), 該網站提供的某一時刻臺風路徑中, 記錄的最小風力等級影響半徑為7 級風力影響半徑, 風速為10.8～17.1 m/s。

2.3 數據處理

使用GDPS1.4 對GOCI L1B 數據進行大氣校正,輻射定標等工作。QA Score 評價的結果顯示, GDPS1.4在黃海海域對GOCI 數據處理的表現良好(劉曉燕等,2021)。為分析SSC 的時空演變, 本文使用Tassan 提出的黃海大型海洋生態系統[YSLME (the Yellow Sea large marine ecosystem) ocean color work group, YOC]算法(Tassan, 1994; Siswanto Eetal, 2011)反演表層懸沙濃度CSS, 見公式(1)。

其中,C0、C1、C2分別為0.649、25.623、0.646,Rrs為遙感反射率, 單位為Sr-1。由于臺風天氣云層遮擋,個別像素點會被錯判斷為海水參加SSC 反演, 導致該像素點計算值異常偏高, 這類異常高值孤立噪點可根據梯度閾值法剔除(王榮彬等, 2013), 剔除后采用反距離加權算法將該值填補平滑(趙冰等, 2020)。反距離加權平均如公式(2)～(4)所示, 去噪效果如圖3所示, 為了便于展示, 圖中數字均為該像素實際SSC值向下取整得到的整數。

圖3 去噪前(a)、后(b)效果對比Fig.3 Comparison in the effects before (a) and after (b) SSC denoising

其中,D為像素點(xt,yt)與噪聲像元(x,y)的距離,Wt為像素點t的權重系數,T為加權平均后的SSC 值,Tt為t點像素點的SSC 值, 參與加權計算的像素范圍為:以噪點為中心, 單邊有7 個像素點所圍成的7×7 正方形內的所有像素。

本研究采取的梯度閾值法是用于剔除計算過程中可能將云像素點識別錯為海面的像素點, 錯誤像素點計算SSC 會表現成異常大值, 成為噪點。本文處理的平均每個GOCI 遙感數據圖像剔除的噪點個數占整體像素個數的0.011 42‰, 剔除后的結果更精確,有利于研究區域SSC 的計算。

以往學者將河口海域含沙量急劇變化且在現場觀測可見的清渾水交界面的懸沙濃度線定義為懸沙鋒, 濃度范圍在10～30 mg/L (朱建榮等, 2003; 王厚杰等, 2006), 將2～6 mg/L 懸沙濃度范圍濃度線定義為懸沙次級鋒面, 次級鋒面在全年較為穩定且隨季節變化, 冬季向深海延伸夏季收縮回近岸(楊揚等,2012)。因此本研究選取了30 mg/L 的SSC 等值線代表高渾濁水域與低渾濁水域的分界線, 3.5 mg/L 的SSC 等值線代表低渾濁水域和深海較清水域的分界線(該線同時也是遙感圖像中可以觀測得到的清濁水域分界線), 以便于分析臺風影響下不同渾濁程度水域中的SSC 時空分布。本研究篩選出的臺風事件集中于秋季, 秋季東中國海高濃度懸沙一般都限制在50 m 水深以西范圍(劉鵬等, 2022), 而遙感觀測下的30 mg/L 的SSC 等值線一般位于20 m 等深線附近, 為了便于討論SSC 時空分布在不同水深范圍的特點,本研究將 20 m 水深以西水域表述為近岸淺水區,20～50 m 水深范圍水域表述為過渡區水域, 大于50 m水深的區域表述為深水區。

2.4 反演數據驗證

為驗證GOCI 數據反演的SSC 精度, 本研究收集了臺風影響期間長江口徐六涇和佘山站兩個固定測站的實測SSC 資料, 即每日水深0～0.2 m 的600 ml表層水樣。臺風事件分別為2011 年05 號臺風米雷和2014 年19 號臺風黃蜂, 米雷于6 月22 日的菲律賓東部海區, 經3 d 的發展逐漸影響長江口附近海域, 6 月25 日長江口佘山站附近海平面以上10 m 的風速達到14 m/s, 6 月27 后在朝鮮西部海域消亡。黃蜂于10 月3 日在太平洋生成, 10 月12 日長江口佘山站附近海面以上10 m 的風速達到15 m/s, 10 月13 日在日本九州附近衰弱。用于驗證的實測表層SSC 及對應時間內的少云GOCI 數據信息如表4 所示, 反演得到的SSC與實測數據對比如圖4 所示。

表4 實測表層懸沙濃度、GOCI 數據、風速數據信息Tab.4 The measured surface suspended sediment concentration, GOCI data, and wind speed

圖4 SSC 驗證及誤差分析Fig.4 SSC verification and error analysis

臺風影響期間GOCI 反演得到的SSC 與實測SSC整體趨勢相近, 平均誤差不超過20%, 說明GOCI 數據反演適用于研究臺風天氣影響下的SSC 時空分布。

3 結果

3.1 遠海及近?；顒有团_風過程中SSC 的時空分布

1 個近?；顒有?201918)和 4 個遠?；顒有?201718、202009、201825 和201917)臺風事件通過研究區域前和通過后的表層SSC 時空分布如圖5 所示。臺風通過研究區域前, 東中國海的表層SSC 分布如圖5 中a1, b1, c1, d1, e1 所示, 在東中國海近岸淺水區, SSC 明顯高于深水區, 而且隨著水深增加逐漸減小。近岸SSC 最高可達249 mg/L, 20 m 等深線附近SSC 約為20 mg/L。在蘇北近岸、長江口近岸和浙閩沿岸三個區域內, 各自相同水深的水域內SSC 表現出較為均勻的特點, 但蘇北近岸水域和長江口沿岸的SSC 明顯高于浙閩沿岸。過渡區水域的SSC 較淺水區低, SSC 從20 mg/L 向外海下降至1 mg/L 左右,平行于等深線方向的SSC 分布較為均勻。東中國海深水區的SSC 小于1 mg/L。

圖5 海上活動型臺風影響下的SSC 時空分布Fig.5 Spatio-temporal distribution of SSC under the influence of typhoons active in the sea area

201718 (圖5b1)、202009 (圖5c1)號臺風經過研究區域前, 3.5 mg/L 的SSC 等值線多分布在20 m 等深線以西的區域, 201825 (圖5d1)、201917 (圖5e1)、201918 (圖5a1)號臺風經過研究區域前, 3.5 mg/L 的SSC 等值線在31°～33°N 的范圍內突破了20 m 等深線延伸到了30～45 m 水深區域, 最遠延伸至125°E, SSC等值線的分布趨勢與等深線走向相近。

對比遠?；顒有团_風(201825、201917 號)和近?；顒有?201918 號)臺風事件接近研究區域時連續兩天的SSC 時空分布(圖5d1、5d2; 圖5e1、5e2; 圖5a1、5a2)可知, 3.5 mg/L 和30 mg/L 等值線位置保持穩定,沒有發生明顯的表層渾濁水域向深海延伸的現象;在 20 m 水深以西的淺水水域, 代表高 SSC 值(＞70 mg/L)的深紅色范圍加大; 過渡區水域的平均濃度基本不變。

圖5a3, b2, c2, d3, e3 分別為5 個臺風通過研究區域后的SSC 分布圖。遠海及近?；顒有团_風離開研究區域后, 近岸淺水區的SSC 明顯增大, 30 mg/L的SSC 等值線向東擴展到20 m 等深線附近, 形狀與20 m 等深線相似, 說明東中國海近岸高渾濁水域向外海延伸。3.5 mg/L 的SSC 等值線也向外海遷移, 呈現舌狀的特點, 形狀與50 m 等深線相似, 最遠可達125.5°E, 其中201825 號臺風引起的3.5 mg/L 等值線遷移距離最大, 南北方向橫跨近2 個緯度; 201918 號臺風造成的遷移面積最廣, 3.5 mg/L 等值線在經度上的變化范圍最大; 202009 號臺風風力半徑對東中國海影響最小, SSC 等值線的變化不如其他4 個臺風事件明顯, 但也出現了表層濁水水域明顯向深海延伸的現象。

201825、201917 和202009 號(遠?；顒有?通過研究區域后連續2 d 的SSC 分布如圖5d3, 5d4, 5e3,5e4, 5c2, 5c3 所示。隨著臺風遠離研究區域后的連續2 d 內, 30 mg/L 等值線的位置變化不大, 3.5 mg/L 等值線明顯向西遷移。后一天的SSC 低于前一天的SSC,但仍然高于臺風通過前的SSC。

綜上所述, 近?；顒蛹斑h?；顒有团_風影響研究區域期間, SSC 等值線均向外?！吧酄睢毖由? “舌狀”區域主要分布在長江口以北至江蘇以南(31°～33°N), 并向東延伸(最遠可達125.5°E); 近?；顒有团_風對SSC 分布的影響程度比遠?；顒有团_風更大。臺風接近研究區域期間SSC 整體呈增加的趨勢, 臺風離開研究區域后SSC 逐漸下降。與臺風通過前相比, 臺風通過后近岸淺水區SSC 明顯增大, 臺風通過后SSC 的恢復至少需要3～4 d。

3.2 近海及遠?；顒有团_風過程中SSC 的變化率

為分析近海及遠?；顒有团_風過程中研究區域淺水區(20 m 等深線以西), 過渡區(20～50 m 水深范圍)以及深水區(50 m 等深線以東)的SSC 變化特點, 本文按照公式(5)計算每個臺風過程中相近天數的SSC 變化率。

其中,P為相近日期的日均SSC 變化率, 單位為1。CSSx指日期為x的日均SSC,x日期晚于y日期, 單位為mg/L。

隨著近海及遠?；顒有团_風靠近研究區域(圖6a1,6d1, 6e1,), 淺水區的SSC 升高了50%～100%。浙閩沿岸的 SSC 平均變化率比長江口及蘇北沿岸地區的SSC 平均變化率高50%左右(圖6d1, 6e1); 過渡區海域中, 長江口以北江蘇以南范圍的水域SSC 升高了50%左右, 其余水域變化不明顯; 深水區的SSC 變化不明顯。

圖6 海上活動型臺風事件期間東中國海的SSC 變化率Fig.6 Variation rates in SSC the East China Sea during the typhoons active at sea area

遠海及近?；顒有团_風通過研究區域后與通過研究區域前的SSC 相比(圖6a2, 6b1, 6c1, 6d2, 6e2,),淺水區SSC 普遍增大了200%左右, 但浙閩沿岸以南淺水區(圖6d2, 6e2)的SSC 減少了50%左右; 過渡區SSC 整體呈現上升的趨勢, 尤其是在長江口以北江蘇以南的“舌狀”水域SSC 上升了200%左右; 深水區在臺風通過前后的SSC 變化不明顯。

隨著遠?；顒有团_風遠離研究區域(圖6b2, 6c2,6d3, 6e3), 東中國海大部分區域的SSC 變化不大或下降80%左右。浙閩沿岸南部的水域距離臺風路徑較遠,受臺風影響有限, SSC 變化趨勢與整體趨勢有差異,202009 號臺風事件中長江口沿岸, 尤其是浙閩沿岸附近的SSC 顯著增大了60%左右(圖6c2), 201825 號臺風事件中浙閩沿岸南部的SSC 也上升了80%左右(圖6d3)。

綜上所述, 遠海及近?；顒有团_風通過研究區域前50 m 水深范圍內的表層SSC 整體上升了50%左右; 與臺風通過前相比, 臺風通過后在50 m 水深以淺范圍內的SSC 顯著升高, 達到了150%～200%; 臺風通過后SSC 整體呈下降的趨勢, 而距離臺風路徑較遠的水域SSC 變化不明顯或有上升。

4 討論

4.1 遠?；顒有图敖；顒有团_風對SSC 時空分布的影響

學者們研究發現, 在秋季氣候態平均天氣下, 東中國海近岸淺水區懸沙濃度較高, 向外海懸沙濃度不斷下降, 在水深變化不大的水域, SSC 分布較為均勻(虞蘭蘭等, 2011)。夏季東中國海懸沙分布向岸收縮,冬季在東北偏北的強季風以及蘇北沿岸流的影響下懸沙向外海擴散至50 m 等深線附近的海域, 呈現“冬輸夏貯”的特點, 在秋季呈現過渡的特征(Liuetal,2016b; Zhangetal, 2020)。本研究通過比較不同類型臺風事件通過研究區域前后的SSC 分布和SSC 變化率, 揭示了SSC 分布對臺風過程的響應特點。結果表明遠海及近?；顒有团_風通過研究區域之前, SSC 分布特點與前人研究得到的秋季氣候態平均天氣下的SSC 分布一致。然而, 在近海及遠?；顒有团_風通過研究區域后, SSC 的時空分布顯著改變, 出現了明顯的懸沙向外海延伸的“舌狀”分布特點, 這些改變是在臺風影響期間的2～4 d 內快速形成的。而在氣候態平均天氣下, SSC 分布有明顯的季節特點, 夏季與冬季的分布模式不同, 而春季秋季為過渡季節, 受環流格局、徑流和風場等因素的影響, SSC 分布變化緩慢(龐重光等, 2010; Minetal, 2019)。本研究選取的遠海及近?；顒有团_風事件短期內顯著改變了東中國海SSC 的時空分布格局。為分析臺風過程對SSC 的影響, 分析了六個位置處的風矢量與SSC 變化(圖7)。6 個位置位于蘇北至浙閩沿岸南部(圖1b 中P1～P6 紅色圓點), 其中, P1、P2、P3、P5 和P6 位于東中國海近岸淺水區, 水深不大于20 m, P4 位于長江口以北、江蘇以南向外海延伸的過渡區水域, 同時也是臺風影響時SSC 等值線明顯向外海延伸的水域, 水深大于45 m。

圖7 海上活動型臺風期間六個位置的風矢量與表層懸浮泥沙濃度變化Fig.7 Wind and surface SSC at six locations during typhoons active at sea area

在秋季氣候態平均天氣下, 黃海及東海水體溫度呈現出明顯的分層結構, 8 月溫躍層強度最大, 部分蘇北淺灘及水深小于20 m 的水域易發生強烈混合現象, 導致溫躍層消失(鄒娥梅等, 2001)。絕大部分海域的溫躍層將水體上下層物理隔離, 阻礙懸沙的垂向摻混, 未受大風影響時, 水體的垂向懸沙分布不會發生明顯的變化(劉燾等, 2021; Heetal, 2022)。而臺風引起的強烈風應力和低氣壓會導致上層海洋水體發生強烈混合, 這一混合可以暫時破壞某水深范圍內的溫躍層(Sanfordetal, 2011; Yangetal, 2015; 肖林等, 2018; Lüetal, 2020; Fanetal, 2022), 削弱溫躍層強度(Kwonetal, 2018)。這種變化將水體的混合層加深, 在開闊的海域上由臺風引起的混合層可達幾十米到一百米(Linetal, 2017), 在臺風路徑附近波浪可將混合層加深至40 m 左右, 較遠地區的涌浪可將混合層加深5 m (Bianetal, 2010)。與此同時, 臺風影響期間產生的風浪會增大底剪切應力, 使底床泥沙再懸浮, 近底懸沙濃度大幅度增加(Shenetal, 2018;Lietal, 2019; Liangetal, 2023), 同時增強的風應力加強了水體的垂向混合, 促進了表層SSC 的驟增(陳斌等, 2016; 劉勇等, 2021)。P1、P2、P3、P5 和P6位于20 m 左右水深范圍內, 風速突然增大更易使混合層加深至近底床, 引起強烈的泥沙垂向混合, 導致表層SSC 明顯增大。從圖7 可以看出, SSC 與風速的變化趨勢相近, 在臺風接近研究區域期間SSC 上升,受臺風路徑的影響, 研究區域內接近浙閩沿岸南部的P5 和P6 更早到達風速峰值, 表層SSC 也更早達到高值, 這與SSC 變化率的結果相同(圖6)。風速到達峰值后下降, SSC 也逐漸下降, 臺風通過研究區域后第一天, P1、P2、P3、P4 的風矢量已經與臺風通過前的風速較為相似, 風向轉為西北向, 在風速恢復正常后SSC 仍大于或等于臺風通過前的SSC。隨著臺風進一步消散, 研究區域風速降低到氣候態平均天氣下的大小, 泥沙沉降增強, 表層SSC 下降, “舌狀”分布范圍逐漸萎縮, 逐漸恢復到臺風通過前的SSC 分布格局。為進一步說明風場對表層SSC 變化的影響,計算P1～P6 處的日均風速變化與日均SSC 變化率的相關性(圖8),R2達0.86。

圖8 日均SSC 變化率與日均風速差值的相關關系Fig.8 Correlation in the difference between daily mean SSC variation rate and daily mean wind speed

除了臺風過程期間風浪、涌浪和潮流影響水體結構導致SSC 上升, 伴隨著臺風的強降雨, 入海的淡水和沉積物顯著增加, 導致近岸淺水區的SSC 明顯升高(Duetal, 2019; Zhang, 2023)。而P4 位于過渡區水域, 該位置在臺風影響期間的風向與冬季季風風向相近。有研究發現, 在冬季季風的影響下蘇北淺灘的泥沙可輸運至黃海中部泥質區, 且臺風事件可能是泥沙沿陸架方向輸運的主要動力(邊昌偉, 2012), 近?；顒有团_風可將長江表層懸浮體向東輸運(龍小志等, 2022), 也能顯著增大蘇北淺灘東南向的冷水團流速(孫凡等,2021), 有利于懸沙的跨陸架輸運, 造成P4處的SSC 增大。

近?；顒有图斑h?；顒有团_風事件強烈且迅速地改變了研究區域SSC 的分布特點, 出現了向東南發展的“舌狀”等值線。SSC 的變化率與風速有較高的一致性, 相關性可達0.86。臺風過程影響SSC 時空演變的因素是復雜的, 其中風浪及潮流共同作用下底部剪切應力的增大、湍流增強導致的垂向混合增強和臺風過程引起的徑流量增加, 均可使表層SSC 在短期內發生劇烈變化, 各因素的影響效果需要結合數值模型及觀測數據進一步分析驗證。

4.2 不同類型臺風對SSC 時空分布的影響差異

3.5 mg/L 等值線的遷移能夠更好地反映近岸SSC 分布向外海的延伸。近?；顒有团_風201918 號,及遠?；顒有团_風201917 號臺風對3.5 mg/L 等值線的時空變化影響最突出, 其次是201825 號臺風事件,影響最小的2 個臺風事件為201718 和202009(圖5)。近海和遠?；顒有团_風事件的臺風路徑、等級以及影響研究區域的時間均不同(圖9), 201918 號臺風12 級風力半徑影響東中國海淺水區及過渡區的時間最長,達到1 h; 10 級風力半徑影響的時間為13 h; 201825、201917 及202009 號臺風的10 級風力半徑也能夠影響到過渡區水域; 5 個臺風的7 級風力半徑都影響了淺水區和過渡區水域, 其中201718 號臺風影響時間最長為90 h。

圖9 遠海及近?；顒有团_風12 級, 10 級, 7 級風力半徑作用在不同水深水域的持續時間Fig.9 Time duration at different water depths under the effect of wind radius of level 12, level 10, and level 7 of typhoons active in offshore or nearshore area

從3.5 mg/L 等值線的遷移距離及影響淺水區和過渡區的風力等級統計可以發現, 影響淺水區和過渡區的高風力等級與SSC 的變化之間存在一定的關聯。高風力等級會導致風速在短期內大幅度變化。在近海及遠?；顒有团_風事件中, 當12 級風力影響淺水區時, 對東中國海SSC 時空分布的影響最為顯著。近?；顒有团_風更易以高強度的風力影響淺水區及過渡水域, 而影響該水域的風力等級越高, SSC 的分布格局變化越顯著。

由于臺風對研究區域的影響具有不對稱性(Congetal, 2021), 因此臺風路徑對SSC 的分布也有一定的影響。前文討論了近?；顒有图斑h?；顒有团_風事件,為了討論不同臺風路徑對東中國海SSC 跨陸架方向時空分布的影響, 又另外研究了四個登陸型臺風事件: 201818 登陸北上西型、201810 登陸北上東型、201812 登陸消失型和201808 登陸向西型臺風。對3.5 mg/L 的SSC 等值線的影響。登陸型臺風通過后大部分區域的等值線向外海平移較短距離, 甚至某些地方的3.5 mg/L 等值線基本不變(圖10), 這與海上活動型導致等值線產生“舌狀”分布特點明顯不同。登陸型臺風事件和海上活動型臺風事件對SSC 時空分布的影響, 分別與東中國海SSC 夏季儲存及冬季輸運 (郭志剛等, 2002)的分布特點相似。

圖10 登陸型臺風事件前后3.5 mg/L 等值線的變化圖Fig.10 Changes of 3.5 mg/L isolines before and after typhoons landed with landfall

風場的持續作用可以影響東中國海的SSC 分布,冬季季風以及臺風事件會引起東中國海懸沙大規?？珀懠茌斶\(喬璐璐等, 2017; 劉世東等, 2018)。海上活動型臺風影響研究區域期間的大風風向主要為西北偏北風, 登陸型臺風離開研究區域時以偏南風影響位于臺風路徑左、右兩側的研究區域, 這兩種風向分別與冬季和夏季的平均風向相似。海上活動型臺風引起SSC 等值線向外?！吧酄睢毖由? 呈現“冬季懸沙輸運”的特點, 登陸型臺風對跨陸架方向SSC 分布的影響比遠?；顒有团_風更小。

5 結論及展望

本文基于臺風事件通過研究區域前、后的GOCI 遙感數據及風場數據, 分析了臺風類型對研究區域表層懸沙濃度時空變化的影響, 主要有兩個特點:

(1) 近海及遠?；顒有团_風在接近研究區域期間近岸高濃度SSC (＞70 mg/L)范圍增大, 在臺風通過研究區域后SSC 顯著增高了150%～200%, 30 mg/L 和3.5 mg/L的SSC 等值線明顯向東遷移, 3.5 mg/L 等值線呈舌狀分布, 隨著臺風的遠離, SSC 逐漸下降, SSC 等值線逐漸回縮為臺風通過前的分布狀態, 需要至少3～4 d 的時間恢復。風速變化與SSC 變化率的相關性高達0.86, 風速增大SSC 也隨之增大。近?；顒有图斑h?；顒有偷呐_風事件影響研究區域的風向主要為偏北風, 與氣候態平均天氣下冬季東中國海的常風向一致, 該類型臺風事件使秋季SSC 等值線向外海擴展, 呈舌狀, 與冬季的SSC 分布特點相似。近海及遠?；顒有团_風事件可將SSC 分布迅速向冬季輸運的類型改變, 且在相同風力等級情況下,近?；顒有蛯ρ芯繀^域的SSC 分布影響更大。

(2) 4 種登陸型臺風在研究區域的風向前期為偏北風, 后期為偏南風, 這幾類臺風事件不產生渾濁水域向外海延伸的舌狀分布, 僅使SSC 等值線平行向外海移動較短距離。登陸型臺風對跨陸架方向SSC 分布的影響比遠?；顒有团_風更小。

臺風過程中影響研究區域SSC 分布的因素很多, 例如徑流懸沙驟增、底層泥沙再懸浮、伴隨臺風的高強度降雨導致陸源物質的增加, 以及部分被暫時改變的流場輸運的懸沙, 臺風的風力等級半徑及移動速度等。臺風過程對泥沙再懸浮的垂直輸運及水平輸運的貢獻量需要在極端條件下進行固定站觀測, 并結合數值模擬來進一步研究。