渤海湾海洋环境20年变迁：遥感揭示三大要素变化规律
渤海湾海洋环境20年变迁：遥感揭示三大要素变化规律
海洋水文和悬浮物质等要素是海洋环境研究的重要依据，是了解海洋、认识海洋、经略海洋的关键要素。渤海作为我国的内陆海，是我国改革开放的前沿和海洋开发的重要场所，是人民生活不可缺少的宝贵资源，对环渤海经济带的发展起到不可估量的作用。
近年来，随着经济的飞速发展，城市化、工业化不断加快，大量的工业废水和生活污水排放，人口增加带来的人类活动的日渐频繁，港口海岸的开发利用，这些都给渤海水环境带来极大的影响。悬浮体是影响水体的重要陆源物质，也是水体生态系统的重要组成部分，它既是藻类的生存基础，又可以通过改变水质、透光度等，影响其他水生生物的生存环境。
渤海湾是水动力条件较为复杂的海湾，人类活动频繁，物质和能量高频交换。在水动力作用下，悬沙的输运往往会引起海底冲淤变化，影响海床演变和岸滩稳定，进而也影响着人类生活。开展近岸和海湾地区悬浮泥沙分布特征和输运机制的研究，对于指导海洋工程建设和人类活动有重要意义，对底床冲淤、营养盐和污染物的输送、生物初级生产力、旅游业等具有重要影响，对于研究现代沉积过程有实用意义和理论价值。
渤海湾的泥沙输运具有季节变化特征。夏季渤海湾表层悬浮体浓度表现出近岸高、远岸低，底层高、表层低的分布特征，冬季表层悬浮体空间分布也不均匀，呈现近岸高、远岸低；南岸高、北岸低的趋势，冬季受强风浪以及冬季风的影响，水体扰动强烈，黄河口的沉积物发生再悬浮，悬浮体浓度增加，并在环流、潮流、波浪等作用下向渤海湾西部和北部扩散。发生极端天气事件时，由于波浪影响，渤海湾浅水区破波带范围内形成较宽的高含沙带，而且在风暴过程中悬沙变化比深水区更加剧烈。另外，关于潮流对泥沙输运的影响，从小潮到大潮，渤海湾表层水体SSC呈现为先减小后增加的趋势，潮汐作用对SSC的半月潮周期变化有着非常重要的影响。黄河口作为渤海湾泥沙供应的重要来源，黄河口附近的水动力结构对渤海湾的泥沙输运也有重要影响。
在风、潮汐和环流影响下，渤海湾内悬浮体的搬运对海岸工程也有重要作用，前人多用实测、遥感和数值模拟的方法勘测水体的悬浮体浓度和分布情况，然而现场勘测不仅受天气影响较大，又耗费大量人力、物力和财力，因此本文利用海水表层的遥感数据，探寻渤海湾悬浮泥沙、海表温度以及叶绿素浓度的变化规律。
研究区域与数据来源
渤海湾是中国渤海三大海湾之一，位于渤海西部。研究区（图1）海域水深变化平缓，最大水深为32.4 m，出现在东北部凹槽处；海湾平均水深不大于20 m，约为18 m。海底地形平坦，除个别海域（如凹槽、水下岸坡）外，海底地形坡度不大于0.2‰。
图1.研究区地理位置图
悬沙浓度SSC
MODIS-Aqua卫星数据来自美国NASA官网，时间跨度从2003年1月至2022年12月，数据级别为L1B级，空间分辨率是1 km。目前关于MODIS-Aqua卫星数据在海洋方面的应用较为广泛，技术手段目前也较为成熟，它提供的遥感数据时间尺度较长，数据质量较好，遥感波段丰富，覆盖范围也较广泛，空间分辨率也满足本次研究的需要。
遥感数据的处理主要使用官网提供的SeaDAS软件。在处理数据之前，首先要将下载的L1B级数据转化为L2级的遥感反射率（Rrs）数据，然后对遥感数据进行大气校正、云剔除等预处理。将处理之后的数据与实测的海表悬浮体抽滤数据进行匹配拟合，建立反演模型。建立反演模型时，用于匹配的表层悬浮体数据与遥感获得的反射率数据时间相隔不超过3个小时，本次用于反演的反射率波段是Rrs555波段。本文使用的渤海表层悬浮泥沙反演公式：
SSC = Exp(101.8 × X) × 1.301
温度SST
海表温度（SST）数据来自美国NASA官网共享的4 km空间分辨率NOAA AVHRR（2001年1月1日至2018年12月31日）白天数据和1 km空间分辨率MODIS-Aqua白天数据（2002年7月4日至2020年12月31日）。
将下载的NC格式的数据文件，进行信息提取，质量控制值为大于等于3，将提取的信息进行月平均、历年月平均处理，得到区域月平均值，历年区域月平均值，所有年份的平均及区域平均值。
将NOAA的AVHRR数据与MODIS-Aqua数据获取时间重叠的部分进行分析对比，将AVHRR数据校准到MODIS平台上来，得到2001年1月至2020年12月连续20年的海表温度月平均数据。
叶绿素数据
叶绿素（Chla）数据来自美国NASA官网共享的1 km空间分辨率MODIS-Aqua数据（2003年1月1日至2020年12月31日）。
将下载的NC格式的数据文件，进行信息提取，将提取的信息进行月平均、历年月平均处理，得到区域月平均值，历年区域月平均值，所有年份的平均及区域平均值。
结果分析
SSC
从渤海湾SSC多年月平均分布图（图2）来看，渤海湾SSC月变化特征明显。一月渤海湾SSC由南向北逐渐降低，高值区分布在渤海湾南岸，低值区分布在渤海湾东北部；二月SSC高值向北扩大，高值区依然分布在南侧；三月，SSC南北分布特征与二月相似，高值区的分布在继续向北扩展；四月，渤海湾SSC南北分布特征与二月和三月相似，高值区回缩明显；五月，渤海湾SSC高值区减少，仅在南部近岸河口附近出现，最西侧到达渤海湾近岸大港附近，以至于渤海湾SSC在南北方向上的分布出现先下降再上升的特点；六月，渤海湾SSC高值区几乎消失，分布在南部河口附近，低值区的范围继续扩大，由北向南延伸；七月，渤海湾SSC高值区出现在渤海湾南部沿岸附近，整体呈现近岸高远岸低的特点；八月，SSC低值区的主体区域继续东撤；九月，高值区分布特征较七月相似，低值区分布特征明显，SSC分布由南向北再次出现先减小再增加的特点；十月，渤海湾南部SSC高值区范围扩大明显；十一月，渤海湾南岸的高值区范围继续扩大，SSC小于5 mg/L区域消失；十二月，渤海湾南部SSC高值区继续向北扩展，低值区近岸部分几乎消失。
渤海湾SSC多年月平均空间变化规律非常清楚。每年10月份黄河三角洲地区近海出现明显的高浊度带，范围和强度逐渐加强，到第二年2、3月份达到最大，4月份突然收缩，5~9月份高浊度带消失，整个渤海湾SSC很低。从最大浊度带分布状况可以看出，渤海湾表层悬浮体主要来自现代黄河三角洲的再悬浮，尤其是2、3月份，SSC高值区覆盖大部分渤海湾区域。
图2.渤海湾SSC多年月平均分布图（mg/L）
SST
渤海湾SST多年月平均分布图（图3）显示，一月除港口和河口小范围区域，渤海湾SST呈现近岸低远岸高的分布特征，远岸的北部高南部低；二月渤海湾SST整体最低，渤海湾区域内其他区域分布特征与一月相同；三月渤海湾西侧和南侧SST分布出现近岸高远岸低的特点，整体呈现南部高北部低，沿岸流特点消失，在渤海湾的东北部3℃等温线出现闭合，形成低温闭合中心，“暖舌”现象消失（沈辉等，2017）；四月渤海湾SST分布整体呈现近岸高远岸低南部高北部低的特点，在渤海湾东北部7℃等温线闭合形成低温中心；五月渤海湾SST分布整体呈现近岸高远岸低南部高北部低的特点，在渤海湾东北部存在13℃等温线闭合低温中心；六月渤海湾SST分布整体呈现近岸高远岸低南部高北部低的特点，在渤海湾东北部形成19℃等温线闭合低温中心；七月渤海湾SST分布整体呈现近岸高远岸相对较低，南部和北部SST相差不大的特点，渤海湾东北部的等温线低温闭合中心消失；八月渤海湾SST分布特征与七月相近，整体SST达到一年中的最高值；九月渤海湾中部出现24.5℃等温线高温闭合中心，相对较低的SST开始从东北部进入渤海湾；十月渤海湾SST再次出现近岸低远岸高现象，南北部SST差别不大，19.5℃等温线形成的高温闭合中心进入“暖舌”内部；十一月渤海湾SST近岸低远岸高，等温线闭合中心消失；十二月渤海湾SST依然呈现近岸低远岸高的特点，温度继续下降。
图3.渤海湾SST多年月平均分布图（℃）
Chla
从渤海湾Chla多年月平均分布图来看，渤海湾Chla高浓度区域主要分布在近岸海域。渤海湾的西北部是高值区分布的重点区域。本文将Chla梯度变化最明显的8 mg/m3等值线作为高值区的界限，>8 mg/m3的区域作为Chla分布的高值区，<3.5 mg/m3的区域作为Chla分布的低值区。
一月，Chla的高值区主要分布在渤海湾的四周沿岸区域，低值区从东北部向渤海湾延伸；二月，Chla的高值区仍分布在渤海湾沿岸区域，而低值区范围扩大，继续向西延伸；三月，Chla的低值区范围继续增大，向西北方向；四月Chla的分布范围与三月类似，近岸Chla的浓度与湾内海域差异明显；五月，Chla浓度整体上升，整个渤海湾Chla浓度几乎都高于5.5 mg/m3，但近岸Chla浓度仍明显高于离岸区域，可达 > 10 mg/m3；六月和七月，渤海湾Chla浓度整体有所下降，东部开始再次出现低值区，但近岸仍是高值区；八月，渤海湾Chla达到峰值，整个区域都被高浓度Chla覆盖，渤海湾中部出现分散高值区，低值区消失；九月开始，近岸高值区范围缩小，渤海湾中东部海域零星分布着Chla高值区，低值区开始在渤海湾中部出现；十月和十一月Chla分布特征相似，高值区范围逐渐缩小，低值区范围逐渐增大；十二月，渤海湾Chla达到年内最低值，低值区开始出现回缩的趋势（图4）。
图4.渤海湾Chla多年月平均空间分布图（mg/m3）
讨论
渤海湾SSC长期变化特征
渤海湾的SSC三月最高，二月次之；七月最低，六月次之。冬季最高（12月、1月和2月），春季次之（3月、4月和5月），夏季最低（6月、7月和8月），月变化和季节变化特征明显。
渤海湾SSC的变化主要受海床泥沙再悬浮和径流泥沙输入的影响。环渤海湾径流的水沙输入主要来自黄河，近50年来，黄河的输沙量巨幅下降，在上游筑坝和盆地降雨减少的影响下，径流泥沙输入量由19501970的年均13亿吨，下降为20012020年的年均1.3亿吨，输入渤海的沉积物仅为原有的10%，这也是渤海湾SSC呈下降趋势的主要原因。另一方面，渤海湾再悬浮泥沙的变化主要受风浪的影响，三月是冬春转化的月份，渤海湾既受到北向冬季风的影响，又受到南向夏季风的影响，两者共同作用，加强了悬浮泥沙的再悬浮，致使三月份成为一年中SSC最高的月份。
渤海湾SST长期变化特征
渤海湾的SST二月最低，一月次之；八月最高，七月次之；冬季最低（12月、1月和2月），春季次之（3月、4月和5月），夏季最高（6月、7月和8月），月变化和季节变化特征明显。
由于渤海湾属于中纬度大陆性季风气候，季风是影响渤海湾SST的重要因素。在冬季风影响下沿岸流盛行，沿岸流从东北部进入渤海湾带来温度相对较低的冷水，来自渤中海域温度相对较高的暖水作为补偿流进入渤海湾，从而使得渤海湾SST分布呈现近岸低远岸高的特点。二月是一年中冬季风最强的月份，冬季风加强，沿岸流也会加强，渤海湾的SST随之更低。随着冬季风的减弱，沿岸流减弱，因此，在三月沿岸流带来的冷水只分布在渤海湾的东北部，渤海湾SST呈现北部低南部高的特点。三月低温等值线闭合中心的出现是沿岸流消失的标志。四月，受大陆性气候影响，渤海湾出现近岸SST高于远海的分布特点，受纬度的影响，SST北部低南部高。随着冬季风的消失，太阳的北移，渤海湾SST继续升高，直到八月达到一年中的最大值，九月渤海湾SST出现下降趋势，九月高温中心的出现是北部“冷水”开始南下的标志。随着太阳的南移，冬季风的出现，渤海湾SST继续下降，并再次呈现近岸低远岸高的分布特点，高温等值线的闭合中心出现在“暖舌”内部。随着冬季风的加强，沿岸流加强，渤海湾SST继续降低，等值线闭合中心的消失是沿岸流比十月份加强的标志。冬季风影响下的十二月，渤海湾的SST继续下降。
渤海湾Chla长期变化特征
渤海湾叶绿素分布特点始终呈现近岸高远岸低的特点。八月达到一年中的最大值，五月次之，12月达到一年中的最小值，11月次之。叶绿素是反映浮游植物的重要指标，通过分析研究叶绿素的变化和分布，可以进一步了解水域生态环境。随着工业发展，由于废水的注入和水交换不良，水体富营养化，赤潮现象时有发生，水域生态环境治理引起了人们的重视，随着治理措施的不断推进，叶绿素也呈逐年下降的趋势。另外，浮游植物的生长跟水环境的温度，营养盐成分，悬浮泥沙浓度等密切相关。
结论
渤海湾SST多年月平均空间变化规律十分明显，表现出冬半年和夏半年特征。冬半年，10
12月至翌年13月，近岸SST低，远岸SST高；4至9月为夏半年，近岸SST高，远岸SST低。渤海湾的细颗粒物质主要来自黄河三角洲近海的再悬浮。每年10月份黄河三角洲地区近海出现SSC高浊度带，范围和强度逐渐加强，至翌年2、3月份达到最大，4月份突然收缩，5~9月份高浊度带消失，整个渤海湾SSC也随之降低。从最大浊度带分布状况可以看出，渤海湾表层悬浮体主要来自现代黄河三角洲的冬季再悬浮，尤其是到2、3月份SSC高值区覆盖大部分渤海湾区域。
渤海湾叶绿素分布特点始终呈现近岸高远岸低的特点。八月达到一年中的最大值，五月次之，12月达到一年中的最小值，11月次之。
基金项目
资助项目：山东省第一地质矿产勘查院开放基金“黄河三角洲海洋牧场生态环境遥感监测及其时空变化规律研究”（鲁地一勘2021DW01）。
NOTES
*通讯作者。