黄河河口至开阔海域悬浮沉积物输送的多时间尺度变化

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Multi-temporal scale variations of suspended sediment transport from Yellow river estuary to open sea

黄河口附近海域悬浮泥沙输运机制及贡献率分析，基于多源遥感数据与数值模拟，揭示潮汐周期至年际尺度下泥沙输运规律及动力因子贡献。结果显示：春分潮期以涨潮流向外输送为主，冬季至春季显著；长期呈现泥沙浓度递减趋势；波浪作用贡献率38.02%，高于潮流（29.26%）；黄海暖流抑制泥沙外输（-3.57%）。

　　在世界范围内，渤海湾以其极高的浑浊度而著称，是研究悬浮沉积物输送过程的重要区域之一。近年来，随着全球气候变化和人类活动的加剧，不同海湾的悬浮沉积物浓度（SSC）呈现出显著的差异。例如，在亚洲沿海地区，由于河流径流量和沉积物输送量的减少，悬浮沉积物浓度出现了明显下降的趋势；而在美国太平洋沿岸，悬浮沉积物浓度则呈现出增加的趋势。这种变化不仅受到自然因素的影响，还与人类活动密切相关。因此，深入研究悬浮沉积物的输送机制，对于理解海洋生态系统的演变、改善沿海区域管理以及优化航道疏浚工作具有重要意义。

渤海湾作为全球浑浊度最高的海域之一，主要受到黄河输入的大量沉积物影响。黄河是世界上第二大输沙河流，每年向渤海输送约1亿吨的沉积物。这些沉积物不仅改变了渤海湾的水体特性，还对当地的生态环境和地貌演变产生了深远影响。因此，研究黄河口附近的悬浮沉积物输送过程，不仅具有重要的科学价值，还能够为其他全球区域的悬浮沉积物变化和输送研究提供参考。

悬浮沉积物的输送过程受到多种动态因素的共同影响，包括潮汐、波浪、风场、水文条件以及海流等。这些因素在不同时间尺度上对悬浮沉积物的输送产生不同的作用。例如，在潮汐周期尺度上，潮汐的涨落直接影响了悬浮沉积物的搬运过程；而在季节尺度上，风场的变化和水体的分层则成为主导因素；而在年际尺度上，气候变化和人类活动的影响更为复杂。以往的研究大多集中在单一时间尺度上，分析了特定动态因素对悬浮沉积物输送的作用。然而，对于多时间尺度下悬浮沉积物输送机制的综合研究仍较为缺乏，因此有必要通过多源遥感数据和数值模拟方法，系统地探讨不同动态因素对悬浮沉积物输送的贡献。

本研究基于多源遥感数据（如MODIS和GOCI）和数值模拟系统，对不同时间尺度下的悬浮沉积物变化及其主要控制机制进行了分析。研究首先回顾了研究黄河口附近悬浮沉积物输送的重要性，接着介绍了研究区域的地理特征，随后详细说明了所使用的卫星遥感数据和数值模型。在分析部分，研究识别了不同时间尺度下的悬浮沉积物输送变化特征，探讨了控制这些变化的动态因素，并进行了不确定性分析。最后，总结了研究的主要发现和结论。本研究不仅为深入理解渤海湾复杂的沉积物动态系统提供了关键基础，还为解决海岸工程问题、保护生态环境、管理自然资源以及制定适应性策略提供了科学依据。

在具体的研究过程中，本研究收集了渤海和黄海区域的悬浮沉积物浓度数据，用于建立遥感反演模型。这些数据主要来源于2010年至2019年间由国家自然科学基金和“透明海洋”计划资助的联合科考活动。通过现场采样、实验室过滤和称重等方法，研究人员获得了准确的悬浮沉积物浓度数据。这些数据不仅有助于验证遥感反演模型的准确性，还能够为后续的数值模拟提供重要的参考。此外，本研究还分析了不同时间尺度下的悬浮沉积物输送变化，包括潮汐周期、季节、年际等，揭示了这些变化背后的动态机制。

在潮汐周期尺度上，本研究利用GOCI卫星遥感数据，对比了2019年12月2日（春潮，潮高0.65米）和2020年12月24日（大潮，潮高0.19米）期间的悬浮沉积物浓度和分布情况。两个研究时间段均处于西北风天气条件下，风速约为10米/秒，从而排除了风场差异对研究结果的影响。同时，这两个时间段均处于冬季，为分析冬季潮汐对悬浮沉积物输送的影响提供了良好的条件。研究结果表明，在春潮期间，由于潮汐的涨落和流速的变化，悬浮沉积物的输送更为显著，而在大潮期间，由于潮汐的相对稳定，悬浮沉积物的输送则有所减弱。

在季节尺度上，研究分析了风场和水体分层对悬浮沉积物输送的影响。风场的变化直接影响了海水的流动方向和速度，从而影响了悬浮沉积物的搬运过程。同时，水体的分层状况也对悬浮沉积物的沉降和扩散产生了重要影响。例如，在冬季，由于风场较强，海水流动更加活跃，悬浮沉积物的输送更为显著；而在夏季，风场较弱，海水流动趋于平缓，悬浮沉积物的输送则有所减少。这种季节性变化不仅反映了自然因素对悬浮沉积物输送的影响，也揭示了海洋生态系统在不同季节中的动态演变过程。

在年际尺度上，研究发现悬浮沉积物浓度的变化趋势受到多种因素的影响，包括气候变化、河流径流量的变化以及人类活动的影响。例如，全球变暖导致海面温度升高，可能影响了海洋环流的强度和方向，从而改变了悬浮沉积物的输送路径。同时，黄河径流量的减少也对悬浮沉积物的输送产生了显著影响。研究结果表明，随着黄河输沙量的下降，进入渤海的悬浮沉积物浓度呈现出明显的减少趋势。这种变化不仅影响了渤海湾的生态环境，还对周边的海岸管理产生了重要影响。

在本研究中，通过数值模拟方法，研究人员对不同动态因素对悬浮沉积物输送的贡献进行了定量分析。研究发现，在黄河口附近的悬浮沉积物输送过程中，波浪作用的贡献率最高，达到38.02%，远高于潮汐作用（29.26%）。这表明，波浪在悬浮沉积物的搬运过程中起到了主导作用。然而，黄海暖流（YSWC）则对悬浮沉积物的向外输送产生了不利影响，其贡献率为-3.57%。这表明，黄海暖流在一定程度上抑制了悬浮沉积物的输送。因此，在研究悬浮沉积物的输送机制时，需要综合考虑波浪、潮汐和海流等多种因素的作用。

此外，本研究还探讨了不同时间尺度下悬浮沉积物输送的变化特征，包括潮汐周期、季节和年际变化。这些变化不仅反映了自然因素对悬浮沉积物输送的影响，还揭示了海洋生态系统在不同时间尺度上的动态演变过程。例如，在潮汐周期尺度上，悬浮沉积物的输送呈现出明显的周期性变化；在季节尺度上，悬浮沉积物的输送则受到风场和水体分层的显著影响；而在年际尺度上，悬浮沉积物的输送则呈现出更为复杂的变化趋势。

本研究的结果表明，悬浮沉积物的输送过程受到多种动态因素的共同影响，其中波浪作用在短期内（潮汐周期尺度）对悬浮沉积物的搬运起到了决定性作用。然而，在长期尺度上，由于黄河输沙量的减少和全球变暖的影响，悬浮沉积物的输送呈现出逐渐减弱的趋势。这表明，长期的环境变化对悬浮沉积物的输送产生了重要影响。因此，在进行海洋环境管理时，需要综合考虑短期和长期的动态因素，以制定更加科学和合理的管理策略。

本研究还通过遥感数据和数值模拟方法，对不同时间尺度下的悬浮沉积物变化进行了综合分析。遥感数据具有广泛的时空覆盖范围，能够提供长期的悬浮沉积物变化信息，而数值模拟方法则能够定量分析不同动态因素对悬浮沉积物输送的贡献。因此，结合遥感和数值模拟方法，可以更全面地揭示悬浮沉积物输送的机制，为海洋环境管理提供科学依据。

在研究过程中，研究人员还对遥感数据的准确性进行了验证。通过对比现场观测数据和遥感反演数据，研究人员发现遥感数据能够较为准确地反映悬浮沉积物的分布情况，但仍然存在一定的误差。因此，在进行遥感反演模型的建立时，需要结合现场观测数据，以提高模型的准确性。此外，本研究还对数值模拟模型的参数进行了优化，以确保模拟结果的可靠性。

本研究的结果不仅为理解黄河口附近悬浮沉积物的输送机制提供了重要的科学依据，还为其他全球区域的悬浮沉积物变化和输送研究提供了参考。例如，在亚洲沿海地区，由于河流径流量和输沙量的减少，悬浮沉积物的输送呈现出明显的下降趋势；而在美国太平洋沿岸，悬浮沉积物的输送则呈现出增加的趋势。这种变化不仅受到自然因素的影响，还与人类活动密切相关。因此，在进行海洋环境管理时，需要综合考虑自然和人为因素，以制定更加科学和合理的管理策略。

此外，本研究还对不同时间尺度下的悬浮沉积物输送变化进行了不确定性分析。研究发现，不同时间尺度下的悬浮沉积物输送变化存在一定的不确定性，这主要来自于数据的精度和模型的参数设置。因此，在进行悬浮沉积物输送机制的研究时，需要充分考虑这些不确定性因素，以提高研究的科学性和可靠性。

综上所述，本研究通过多源遥感数据和数值模拟方法，对不同时间尺度下的悬浮沉积物输送变化及其主要控制机制进行了系统分析。研究结果表明，波浪作用在短期内对悬浮沉积物的输送起到了主导作用，而潮汐作用和海流作用则在不同时间尺度上对悬浮沉积物的输送产生了不同的影响。此外，长期的环境变化，如全球变暖和河流径流量的减少，对悬浮沉积物的输送也产生了显著影响。因此，在进行海洋环境管理时，需要综合考虑这些因素，以制定更加科学和合理的管理策略。本研究不仅为理解渤海湾复杂的沉积物动态系统提供了关键基础，还为解决海岸工程问题、保护生态环境、管理自然资源以及制定适应性策略提供了科学依据。