长江口和沿海海域春季悬浮泥沙含量的分布外文翻译资料

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长江口和沿海海域春季悬浮泥沙含量的分布

摘要：利用MODIS遥感数据，分析了2007 ~ 2011年春季长江口和沿海海域悬沙浓度(SSC)的空间分布。结果表明，长江口附近并不是SSC的高生区，而是沿长江口100公里左右的海岸向北集中。台湾暖流的驱动、SSC沿海岸向南漂移以及河流的排放是SSC向北集中的混合原因。海流也将SSC沿海岸向高浓度区域推进。第一种EOF模式通过EOF分析说明了研究区SSC的主要分布模式。这种控制模式是由东北风、沿海洋流和台湾暖流共同作用造成的。SSC在122°E至126°E(约400km)、30°N至34°N(约440km)范围内广泛分布和扩展。2010年春季和2011年的SSC明显高于前三年。结果表明，近两年来长江流域的悬沙和伴生污染物呈上升趋势。较强的东北风对SSC有显著的负面影响。

关键词:悬沙浓度;长江河口;遥感

1介绍

长江口位于我国东海岸，与东海直接相邻(图1)，悬沙浓度(SSC)在河口海岸系统和环境中起着重要作用。长江口和沿海水域的悬浮泥沙特征是浓度范围很广[1,2]。SSC从沿海陆地向海洋的运输和随后的扩散过程中，直接影响海洋的海洋环境和生物生产力,如浮游植物和渔业[3,4,5]。然而，利用传统的方法和技术很难完成对SSC的分布和运输以及跟踪其途径的研究。河口和沿海水域SSC的空间分布十分复杂，受季节性河流排放、波浪、洋流和底部沉积物以及风变化的影响[6,7]。长江流入东扩散形成了向东延伸的悬浮泥沙带。其中，夏季为104 - 105平方公里。根据收集的数据,郭等人研究了悬浮物在东海北部冬天和夏天分布情况,并发现季风和大洋环流对悬浮物的分布和运输产生很大影响[8]。庞等人通过对SSC的实地观测，得出结论:长江悬浮物无论在冬季还是夏季[9]，都始终沿东南方向输送。每年约有87%的泥沙在汛期排放(即，由六月至九月)。长江所携带的沉积物中约有50%在河口处堆积，形成较大的淹没三角洲和河口坝[10]。

遥感方法已被广泛应用于河口和海洋表面的SSC、降雨、海面温度、浮游植物等分布的跟踪和研究[2,4,5]。上述研究提高了我们对长江口及沿海水域SSC分布动态及其影响因素的认识。但近年来对长江口及沿海水域春季SSC空间分布规律的研究较少。本文利用MODIS卫星遥感数据，研究长江口及邻近海域春季SSC的空间分布格局，以及2007 - 2011年5年春季风环流对SSC的影响。

2研究区域和卫星数据

研究区位于长江口及邻近海域，范围为29°N ~ 34°N, 120°E ~ 126°E(图1)，覆盖长江口、杭州湾、沿海水域及部分邻近深水区。

图 1 研究区域和取样面积

卫星遥感反射率(RSR)与SSC的物理参数单调相关。单调关系意味着从光谱中提取物理性质是可行的。沈等人发现RSR对SSC的敏感度和饱和度水平依赖于波长和SSC水平。沈等人还利用半经验转移模型[2]从长江口和沿海水域的RSR中反演了SSC数据。根据以上研究，将海水的RSR作为SSC的测量数据是合理的。在这项研究中,卫星moDISrsr值为555nm(sr-1)。我们将RSR称为SSC。RSR数据在555 nm (sr-1)处的分辨率为4公里，数据来自美国国家航空航天局海洋颜色时间序列项目(http://ration.gsfc.nasa.gov/giovanni/)。选择2007 - 2011年5年春季3个月的数据(2月、3月、4月)。2009年春季风矢量卫星数据0.25°分辨率来自PODAAC-ESIP ，PODAAC-ESIP只能提供2010年前的风能数据。因此，我们只是用2009年的风数据作为代表性数据，来研究研究区域风与SSC的相关性。因为研究区不同年份春季的风场是相似的。

3方法

本研究采用经验正交函数(EOF)分析。它是指主成分分析(PCA)，它最初应用于气象数据[12]。EOF方法还用于从一系列遥感数据中识别主导时空模式[13,14]。本研究的EOF过程如下:

(a)在研究区域，设置时间序列的空间数据矩阵：

X=[SSC2007，SSC2008，SSC2009，SSC2010，SSC2011]. (1)

(b)计算协方差矩阵：C=(1/n)XxXT. (2)

(c)计算c的特征值和特征向量。EOF模式可以估计为c的特征向量：

CE=AE. (3)

特征向量矩阵E包含EOF模式，矩阵A包含其对角线上的特征值。

主成分计算（PC）。EOF可以投影到原始数据矩阵X上：

PC=ET*X (4)

其中PC的第一行就是第一个EOF模式的时间系数。

前几个EOF可以解释大部分数据的方差。当作为线性预测时，第一个EOF解释了总方差的最大部分。采用皮尔逊相关系数r分析SSC与风的相关性，试验前SSC与风的数据均进行标准化处理。皮尔逊相关系数r的检验采用普通t检验。为了比较SSC和相同尺度的风，我们将SSC数据从4km到0.25°分辨率进行了汇总。通过对春季三个月风矢量的纬向分量和经向分量进行平均，得到春季风场。

4结果和讨论

4.1.SSC在春季的空间分布

5年SSC分布对比(图2)表明，2007 - 2011年春季SSC分布空间格局基本相似。SSC在120°E~126°E（约400千米）、30°N~34°N（约440千米）范围内广泛分布和扩散。悬浮泥沙浓度在近岸较高，离海岸远处较低。但是不正常的是，SSC的高浓度区没有直接环绕长江口，而是沿海岸向北漂移约100公里。为什么会这样?由于采用了[15]算法，使得MODIS无法有效地获取某些过于浑浊的沿海水域的数据。因此，海岸附近的SSC的“无效”缺失值没有包含在遥感图像中。SSC空间分布范围在2008年最大，2009年最小。

为了进一步研究近年来春季SSC分布的空间格局，EOF分析得到了5个空间格局(图3)，其中第一个格局在EOF中的方差比例显著高于其他格局(86.33%)。由于其他四个EOF模式所占的比例很小(少于5%),只有第一种模式SSC(图4)。第一个EOF模式演示了一次明显的SSC分布的反常现象, SSC的主要集中区域没有直接围绕着长江口，而是明显沿着海岸向北漂移约100公里。SSC的空间分布呈分散扩展趋势，范围从122°E到126°E(约400km)，从30°N到34°N(约440km)。这一范围大大超过了张[1]发现的范围。

图 2 2007~2011年春季SSC的空间分布

图 3 五种EOF模式的方差比例

基于2001年7月、2001年8月和2002年1月的SSC现场观测，庞等人得出结论，无论第几季，长江排出的悬浮泥沙总是向东南方向输送。然而，通过遥感方法，本研究结果清楚地表明，大范围的高SSC向东北方向漂移集中[图2,4]。

4.2.2007年至2011年春季SSC的变化

为避免沿海水体过于浑浊的影响，在悬沙主要集中表面积选取1°times;1°采样区(32°N-33°N, 123°E-124°E)。从2007年到2011年，SSC的变化很小。但总体趋势仍是2007年至2009年期间悬浮泥沙浓度略有上升(图5)。4月份的悬浮泥沙明显偏低。四月比其他月份更接近夏天。这可能是4月份SSC下降的原因。因为长江口和沿海水域的SSC在夏季[8]较低。2010年和2011年的SSC明显高于前三年。这可能表明近年来长江的悬沙和伴生污染物呈上升趋势。

图 4 2007年至2011年春季第一个EOF模式的SSC分布

图 5 2007年至2011年SSC的变化情况（32°N-33°N，123°E-124°E）

4.3.风、流环流对SSC的影响

根据风场图显示，研究区春季受东北风控制(图6)，说明东北风不可能驱动SSC向北漂移。由图6和东北风方向可知，风场的两个分量(纬向和经向)主要小于零(负)。为了避免风矢量在二维坐标下负方向的影响，我们用两个分量的相对值(主要为正)来检验两个分量与SSC的相关性。有趣的是(表1)，风矢量的纬向分量(沿经度)对SSC的正向或负向影响较弱(|r| lt; 0.3)，而风的经向分量(沿纬度)与SSC呈显著负相关(r = -0.72)。风速(无方向风速)对SSC有显著的负向影响(r = -0.637)。一般认为，当风速小于4m/s时，SSC往往受到风浪再悬浮的正向影[16-18]。这说明东北风越强，研究区SSC越低。

研究区在冬季和春季主要存在两种相互冲突的洋流(图7)，一种是较弱的沿岸流，另一种是较强的台湾暖流。台湾暖流由东南流向长江口，在不同季节变化不大[8,19]。沿海洋流推动沿岸的悬浮泥沙向东南方向运动。另一方面，台湾暖流将悬浮泥沙推向东、北两个方向。Wang and Jiang(2008)发现，由于台湾暖流和黑潮在黄海南部和东海的阻碍，悬浮泥沙的输移在夏季和冬季很难到达124°E或126°E[9,20]。我们的研究结果表明，在春季，悬浮泥沙的输移可达126°E，略大于126°E[图2,4]。

图 6 2009年春季风场

表 1 SSC与风的相关性检验

图 7长江口和沿海海域的水流循环

长江口排水量、风、流和地形是影响长江口和东海SSC分布的重要因素[6,7,20]。在我们的研究中，东北风不能将SSC的高浓度区域吹向东北方向。台湾东南暖流和沿海暖流是造成该地区SSC浓度高的主要原因;沿海海流也将SSC沿海岸向南推进至SSC的高浓度区。在东北风和两股逆流的共同作用下，可能将悬浮体混入较深的海水层中，加速了悬浮泥沙的沉积。

5总结

SSC的高集中区域并没有直接环绕长江口，而是沿海岸向北漂移了大约100公里。东北风并没有造成这种漂移。台湾东南暖流是造成SSC北移的主要原因。海流也将SSC沿海岸向高浓度区域推进。第一种EOF模式解释了研究区SSC的主要空间分布格局。这种SSC的分布格局应是由东北风、海流和台湾暖流共同作用造成的。研究区风与SSC呈高度显著负相关。2010年春季和2011年的SSC明显高于前三年。这可能表明近年来长江的悬沙和伴生污染物呈上升趋势。

参考文献

[1] Zhang J., Wu Y., Jennerjahn T. C., et al, Distribution of organic matter in the Changjiang (Yangtze River) Estuary and their stable carbon and nitrogen isotopic ratios: Implications for source discrimination and sedimentary dynamics. Marine Chemistry, 2007, 106: 111-126.

[2] Shen F., Verhoef W., Zhou Y. X., et al, Satellite Estimates of Wide-Range Suspended Sediment Concentrations in Changjiang (Yangtze) Estuary Using MERIS Data. Estuaries and Coasts, 2010, 33: 1420–1429.

[3] Witt G., Siegel H., The consequences of the Oder flood in 1997 on the distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in the Oder River estuary. Marine Pollution Bulletin, 2000, 40(12): 1124–1131.

[4] Yan Z., Tang D. L., Changes in suspended sediment

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