Surficial distribution of suspended sediment in Beibu Gulf of the South China Sea
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摘要: 受实测数据海域位置的限制，目前基于遥感手段对北部湾表层悬浮体的研究，在部分海域如海湾西部精度不高，且缺乏对悬浮体浓度（suspended sediment concentration，SSC）季节变化的研究。基于2003—2017年MODIS-Aqua卫星L1B数据，结合海南岛西部、广西沿岸和越南沿岸实测数据，建立表层SSC的反演模型，获得北部湾海域2003—2017年月均表层SSC分布，并对其影响因素进行初步探讨。结果显示：北部湾表层SSC存在3个终年高值区，包括广西沿岸、海南岛西侧和红河三角洲沿岸；受河流输沙和海洋动力季节变化影响，SSC表现为冬季和夏季较高、春季最低的季节变化特征；热带气旋过境导致北部湾海域SSC增高，其中热带风暴“贝碧嘉”过境时位于路径右侧的雷州半岛西部SSC较多年平均值增幅达75%。Abstract: The study of surficial suspended matter based upon remote sensing is not accurate enough in Beibu Gulf, especially in the western part of the Gulf, due to location constraint. In addition, the data on seasonal variation in suspended sediment concentration (SSC) is lacking in the area. In this paper, a retrieval algorithm for surficial suspended sediment concentration was established by analyzing the images from the MODIS-Aqua satellite in the years from 2003-2017 and the in situ measured data from the Gulf, and thus the distribution of surficial SSC in Beibu Gulf is revealed and carefully studied. The results suggest that the main high-value areas of the surficial suspension are located along the coast of Guangxi, the west side of Hainan Island and the Red River Delta. Under the influence of fluvial sediment transport and ocean dynamics, SSC are higher in winter and summer rather than other seasons in the coastal areas, and reaches the lowest in spring. The transit of tropical cyclones will lead to the increase in SSC. SSC on the west side of Leizhou Peninsula increased by 75% compared with the multi-year average owing to the transit of tropical storm Bebinca.
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Keywords:
- MODIS /
- suspended sediment /
- seasonal variations /
- Beibu Gulf
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北部湾位于南海西北部，北面为我国广西沿海，东面与雷州半岛、海南岛相邻，西面为越南沿海，南面即南海深水盆地，以琼州海峡与南海北部陆架相连。北部湾等深线大体与岸线平行，由海岸向湾内和湾口地区逐渐加深，平均水深约为50 m（图1）。入海河流众多，其中越南沿岸主要有红河，海南岛沿岸有珠碧江、昌化江，广西沿岸有南流江、钦江、防城河等[1-2]。
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图 1 北部湾区域图等值线为水深，单位为m；红点为表层悬浮体浓度实测站位；黑色三角为北部湾沿岸主要河流入海口位置（1.Lam River，2.Day，3.Balat，4.Van Uc，5.防城河，6.茅岭江，7.钦江，8.大风江，9.南流江，10.珠碧江，11.昌化江）；黑色线段（A、B、C、D）为选取的研究断面；绿色点（a、b）为选取的研究点位。Figure 1. Map of Beibu GulfContours indicate isobaths in meters. Red dots are the investigation position. Black triangles represent the estuaries of the rivers（1.Lam River，2.Day，3.Balat，4.Van Uc，5.Fangcheng River，6.Maoling River，7.Qinjiang River，8.Wind River，9.Nanliu River，10.Zhubi River，11.Changhua River）. Black lines represent the selected research section. Green dots are the selected observation places.悬浮体输运过程中的“源”与“汇”是陆-海相互作用研究的核心内容[3-4]，对表层悬浮体分布的研究可以为北部湾水质环境和与南海间物质交换等研究提供基础资料。由于北部湾特殊的地理位置，我国于20世纪60年代初与越南合作开展了两次覆盖整个北部湾海域的海洋综合调查[5-6]，对北部湾区域水文气候、地质地貌等多个方面进行了研究。此后，我国对北部湾海域独立开展的调查研究多局限于东部海域[7]，大多学者主要基于近岸局部海域的现场实测数据开展悬浮体分布与输运研究。
21世纪以来，随着信息技术的不断发展，卫星遥感成为获取大范围海域长时间连续数据的有力手段，为悬浮体浓度（suspended sediment concentration，SSC）的获取提供了更多的可能[8-11]。一些学者基于卫星遥感资料和实测水文泥沙资料，对北部湾悬浮体分布、叶绿素浓度、海表温度和浊度的季节变化趋势进行了研究。北部湾悬浮体分布具有明显地域性特征，琼州海峡和海南岛西部近海SSC由近海向海湾中部逐渐减小[12-13]，浓度整体较小，在广西沿海最高值仅为50 mg/L[14]。河流输沙是北部湾悬浮体的主要来源，湾顶的南流江是廉州湾悬浮体的主要物质来源[15]，湾西岸的红河携带大量悬浮体入海。河流入海悬浮体在沿岸流的作用下会向外海输运，但大部分会在河口附近沉积[16-18]，入海口附近SSC明显较高[19]。海南岛西南海域，受冬季离岸风等影响，海表悬浮体在风浪和潮流作用下发生再悬浮，高浓度悬浮体向深海方向逐减扩展。冬季，在季风作用下北部湾水体垂向混合增强，海湾中部叶绿素浓度升高[20]；夏季北部湾水体出现层化，中央海域叶绿素浓度、水体浊度均较低[21-22]。洋流、季风、离岸流、河流入海、近岸地形等，是控制北部湾海域SSC分布的主要因素。利用卫星遥感资料对台风前后SSC及分布特征进行对比，发现台风易造成SSC剧烈变化，如2014年7月“威马逊”台风过境后，越南中东部北部湾海域、雷州半岛西侧SSC增幅明显，海南岛西北部局部地区由台风前的2.86 mg/L增加到7.68 mg/L[23]。但由于受实测数据海域位置的限制，目前基于遥感手段对北部湾表层悬浮体的研究，在部分海域如海湾西部精度不高，且缺乏对SSC季节变化的研究。
本文基于2003—2017年MODIS-Aqua卫星海表反射率数据，利用海南岛西部、琼州海峡、北部湾湾顶和越南沿岸等实测SSC，通过建立遥感反射率和实测表层SSC的拟合关系，实现南海北部湾表层SSC的反演，研究其季节变化规律以及影响机制。
1. 数据及方法
1.1 数据来源
MODIS（moderate resolution imaging spectroradiometer）是美国EOS（地球观测系统）计划的主要传感器之一，其数据可以从NASA官网（https://www.nasa.gov/）免费申请获得。本文收集了2003—2017年MODIS-Aqua卫星每个白天的L1B数据，空间分辨率1 km，空间范围16°～22°N，105°～111°E，用于分析研究海域表层SSC季节变化特征。
风场资料来源于RSS（remote sensing systems）的CCMP（cross-calibrated multi-platform）风场，该资料结合了遥感、浮标以及模型计算结果，时间分辨率6 h，空间分辨率0.25°×0.25°。热带气旋（tropical cyclone，TC）数据来源于Unisys Weather相关网站（http://50.206.172.193/hurricane/w_pacific/index.php）以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）官方网站（https://www.noaa.gov/）。
现场实测资料包括表层SSC数据和河流含沙量数据。实测表层SSC数据来源于越南海洋环境和资源研究所、自然资源部第一海洋研究所、中国海洋大学的现场监测数据，并收集了部分文献资料[7, 24]。实测表层SSC数据用于遥感反射率反演，站位基本覆盖了北部湾北侧、东侧、西侧的悬浮体高浓度区。河流附近含沙量数据包括越南海洋环境和资源研究所提供的红河2009年Balat河口含沙量，以及昌化江下游水体多年月平均含沙量数据[25]。
1.2 遥感反射率反演
利用NASA官网提供的Seadas软件，对MODIS-Aqua卫星的L1B级遥感数据进行除云，削弱太阳耀斑影响，保留反射高值等处理后，将其转换成各波段的遥感反射率（Rrs）数据，最终获得412、443 nm等共10个波段的反射率。
在利用卫星遥感反演海洋表层SSC的研究中，大多数学者都是选取对SSC分布敏感的反射波段进行组合[26]。本研究借鉴Zhang等2010年提出的反演算法来反演表层SSC[27]，提取与实测数据在空间和时间上最匹配的反射波段（即555、645、488 nm波段）进行组合，建立反射波段Rrs和实测表层SSC的拟合关系，实现北部湾表层SSC的反演，反演公式见式（1）。
$$\begin{split}{\rm{lo}}{{\rm{g}}_{{\rm{10}}}}{\rm{SSC }}=&0{\rm{.643\;1 + 27}}{\rm{.21 \times }}\left( {{\rm{Rrs555 + Rrs645}}} \right){\rm{ - }}\\&0{\rm{.529\;8 \times }}\left( {\frac{{{\rm{Rrs488}}}}{{{\rm{Rrs555}}}}} \right)\end{split}$$ (1) 式中：Rrs555、Rrs645、Rrs488分别表示555、645、488 nm波段的反射率。通过对悬浮体敏感的555 nm和645 nm波段反射率进行相加增加两者相关性，同时减去488 nm和555 nm波段的反射率比值以削弱叶绿素对反演结果的影响。反演结果决定系数R2为0.84，均方根误差RMSE为3.71 mg/L，图2展示了MODIS遥感反演结果与现场观测数据的拟合关系。
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图 2 北部湾实测表层SSC与遥感反演结果对比图Figure 2. Comparison between in-situ data and MODIS derived data for Beibu Gulf基于每日SSC，通过算术平均的方法，得到北部湾海域2003—2017年多年平均表层悬浮体月均浓度。
2. 北部湾表层SSC分布
2.1 表层SSC区域分布特征
北部湾海域表层SSC整体较低，一般低于50 mg/L，表现出明显的近岸高、远岸低的分布特点。浓度等值线大致沿等深线分布。高SSC区主要集中在广西沿岸主要河流入海口处、海南岛西侧以及红河各个分支入海口处，其中广西沿岸、海南岛西侧和红河三角洲沿岸SSC大于20 mg/L（图3），雷州半岛西侧大面积海域SSC约为5 mg/L，海湾中部大部分海域SSC低于1 mg/L。
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图 3 北部湾2003—2017年年均表层悬浮体分布Figure 3. Monthly surficial suspended sediment concentration in Beibu Gulf from 2003 to 20172.2 表层SSC季节变化规律
北部湾海域表层SSC全年在量级上差异不大，但仍表现出季节变化特征（图4）。
12月至次年2月，北部湾沉积动力环境表现为冬季特征，SSC量值整体较高（图4a—c）。近岸SSC高值区分布范围较大，但量值逐月减小。12月为湾平均SSC最高的月份，大面积海域SSC大于1 mg/L，在海南岛西侧及越南红河三角洲海域表层SSC超过20 mg/L。
3—5月，北部湾沉积动力环境变化不大，表现为春季特征，SSC较冬季整体下降（图4d—f）。高值区（～20 mg/L）仅分布在几个河流入海口，海南岛西侧浓度仍较高，达10 mg/L。SSC高值水体逐月往陆地方向回退，5月湾中心海域SSC降至0.5 mg/L。
6—8月（图4g—i），表现为夏季特征，近岸SSC有所增大，中部海域SSC仍较低。近岸高值区分布与冬季大体接近，主要集中在河流入海口处，但范围明显减小，冬季高浓度值与近岸浅水再悬浮有关，而夏季高值则与入海泥沙增多有关。在北部湾西岸红河主要支流Balat的入海口处，高浓度表层悬浮体往东方向上分布较远。8月红河三角洲附近海域SSC达到全年最高，在红河支流Van Uc河口附近SSC可超过50 mg/L。
9—11月，表现为秋季特征，北部湾表层悬浮体开始向湾中心扩展，SSC仍较高。越南红河三角洲沿岸SSC高值区开始逐月减小，11月仅在红河支流入海口处有小范围高值分布；但海南岛西侧SSC逐月升高，并向南、向西扩展，11月SSC可达20 mg/L。
纵观整个海湾表层SSC的时间变化，12月至5月北部湾区域（17.1°～21.92°N，105.6°～109.92°E[28]）平均SSC一直呈逐月下降趋势，6月开始回升但在9月又有回落，10月为秋季SSC最大月份。12月北部湾区域平均SSC约为3.40 mg/L，为全年最大，12月至次年1月冬季平均SSC约为2.75 mg/L；3—5月SSC均较低，其中5月为全年SSC最低月份，SSC约为1.74 mg/L，春季区域平均SSC约为1.85 mg/L；夏季区域平均SSC约为2.21 mg/L；秋季区域平均SSC约为2.60 mg/L。
从空间分布来看，雷州半岛西侧终年存在着SSC大于2.72 mg/L的水体，12月有较大范围SSC大于7.39 mg/L的水体分布；海南岛西侧SSC的季节变化与雷州半岛较为类似，但在昌化江等河流入海口附近存在终年高值区；广西沿岸也存在SSC高值区，但范围极小；红河三角洲沿岸受红河入海泥沙季节变化影响，在7、8、9、10月高值分布都较为明显，局部海域超过50 mg/L。
2.3 北部湾主要断面表层悬浮体分布
选取北部湾红河主要支流Balat入海口处断面（断面A，图5a）、海南岛西侧19.31°N昌化江入海口附近断面（断面B，图5b）分析河流入海口处高浓度悬浮体月变化及近岸高浓度悬浮体向海湾中部扩展特征，西岸湾口17.6°N附近断面（断面C，图5c）分析红河入海物质向南海输运特征，琼州海峡109.92°E处断面（断面D，图5d）分析北部湾与南海北部陆架悬浮体输运特征，各断面位置如图1所示。12月至次年1月，研究海域低浓度水体向海湾中部扩展较远（图5a—c），近岸在12月存在小范围的高值区。1—4月近岸SSC均较小，琼州海峡南北向水体SSC的梯度较大（图5d）。5月，研究海域各断面近岸SSC开始升高，Balat入海口在8月达到最高，昌化江入海口在6月达到最高。9—11月，近岸仍存在表层SSC较高的水体，但范围和向外扩展距离均较小。琼州海峡北侧即雷州半岛沿岸SSC终年高于南侧，即海南岛沿岸。
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图 5 北部湾主要断面表层SSC（a，b，c，d）及北部湾区域平均风场（e）随时间变化Figure 5. Variation of surficial SSC and average wind field conditions （e） in the selected sections （a, b, c, d） of Beibu Gulf with time3. 北部湾表层悬浮体分布控制因素
根据前人研究，表层SSC分布与风、海洋环流、入海泥沙通量等因素密切相关。
3.1 季风和环流
根据CCMP风场计算的南海北部湾区域平均风场，冬季盛行东北风，平均风速可超4 m/s；夏季盛行偏南风，平均风速小于4 m/s（图5e）。夏季，北部湾西岸表层悬浮体的向东扩展主要受控于季节风向，偏南风Ekman作用下有利于其向海湾中部扩展。冬季，在强北风作用下，近岸出现悬浮体高浓度区，且海湾中部SSC超过1 mg/L。
前人研究发现北部湾表层环流呈现较明显的风生流特征[29-36]。冬季，在风场驱动及地形约束下，越南沿岸表层环流为东南向沿海岸线流动，可将北部湾悬浮体向南海输运（图5c），Balat河口处表层悬浮体向海湾中部扩展不明显（图5a）；夏季受增温和淡水径流的影响，北部湾西岸仍为沿岸南下的沿岸流，南向季风有利于近岸表层悬浮体向海湾中部扩展（图5a）。
琼州海峡海流绝大多数时间向西，仅在夏季个别月份西风风速较大时发生转向，而在雷州半岛和琼州海峡东侧，逆时针涡旋流的存在促使其形成现代沉积中心，由此入海泥沙可穿越过琼州海峡向西输运至北部湾[37-40]。
3.2 热带气旋
除季风、环流外，极端天气也是影响北部湾表层悬浮体分布的重要原因。尽管夏季平均风速较小，但在热带气旋经过时，风速短时间内急剧增大，往往会造成表层悬浮体的大幅升高，同时在控制区域环流的基础上进一步影响表层悬浮体的分布。
北部湾是热带气旋发生频率较高的海区[41-42]，2003—2017年过境北部湾的各种等级TC共有43个，年均接近3个，其中2013年6月，第5号热带风暴“贝碧嘉”穿过北部湾，过境风速为35～0 m/s。选取2013年6月表层悬浮体分布与多年平均值进行对比（图6），可以看到受台风右侧增强理论的作用，“贝碧嘉”路径右侧的SSC较多年平均值（图6b）明显增大，即SSC变化最剧烈的海域为雷州半岛西侧，SSC增幅超10 mg/L，可达多年平均值的75%；海南岛西北海域SSC增幅也可达50%。而在红河三角洲30 m等深线以浅的近岸浅水区，SSC明显降低，30 m等深线以外的海湾中部SSC则升高。这可能与无风暴时近岸高浓度悬浮体被海洋锋面限制在近岸浅水[43]，而风暴加强了水平和垂直混合，使得近岸悬浮体得以向海湾中部输运，因此浅水区SSC降低，深水区SSC升高。
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图 6 2013年6月北部湾表层悬浮体分布（a）及其与多年平均6月的差值（b）注：绿色线为2013年第5号热带风暴“贝碧嘉”过境路线。Figure 6. Distribution of surficial suspended sediment in Beibu Gulf in June 2013 （a） and its difference from average annual mean in June （b）Note: The green line is the route of the tropical storm Bebinca.3.3 沿岸河流入海泥沙
北部湾沿岸有众多河流携带悬浮泥沙入海，是影响河口地区SSC分布的主要因素，各河流输沙量主要表现为夏季高、冬季低的季节变化特征[44]。
广西沿岸南流江、钦江输沙量和流量均为夏半年较大[45-46]，因此，北部湾湾顶广西沿岸夏季出现小范围SSC较高水体；但冬季沿岸河流处于枯水期，近岸浅水区SSC高值主要受控于增强的海洋动力。
在北部湾西岸，根据收集的2009年红河最大支流Balat河口站含沙量数据（图7），可以看出12月至次年4月入海河流含沙量较小，6—9月雨季含沙量较大。河口断面A及a站（位置如图1）SSC的季节变化及高浓度SSC分布范围与该河流输沙量呈现明显的正相关，而北部湾湾口断面C处SSC季节变化与Balat入海河流含沙量变化无直接关联，说明河流入海物质只影响到河口附近海域。
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图 7 2009年各月15日Balat河口含沙量及a点处多年月平均SSC分布Figure 7. The sediment concentration in the Balat estuaries on the 15th of each month in 2009 and the SSC distribution of each month at site a海南岛第二大河流昌化江入海口位于海南岛西部。依据前人研究中昌化江河口水文资料[25]，可以看出昌化江入海口含沙量在12月至次年4月极小，在6—10月较大；除10—12月外，b站（位置如图1）SSC与河流下游含沙量呈正相关（图8）。这说明河流输沙是昌化江河口邻近海域悬浮体的主要来源。冬季12月，尽管昌化江下游含沙量较低，但b站SSC仍较高，与冬季受该海域增强的风浪和海流等海洋动力控制有关。但10月昌化江下游含沙量呈现异常增大，而SSC相对较低，具体原因有待进一步研究。
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4. 结论
（1）北部湾海域表层SSC高值区主要分布在红河三角洲邻近海域、广西沿岸河流入海口处和海南岛西部海域，这些海域SSC终年较高，浓度均超过20 mg/L。
（2）北部湾表层SSC呈现明显的季节变化特征，全海域平均SSC季节变化为：冬季、秋季、夏季和春季依次降低。冬季，近岸SSC为年内最高值，可超过50 mg/L；春季，随着冬季风的减弱，北部湾海域表层SSC明显降低；夏季，受河流入海泥沙增多影响，近岸河口附近SSC升高；从9月开始，随着风向转换及径流减弱，北部湾SSC分布开始向冬季特征过渡。
（3）北部湾海域表层SSC影响因素：冬季高浓度悬浮体主要受控于较强的冬季风及波浪；夏季河流入海物质的增多在河口形成高SSC区，但冬季河口的高值区主要受控于海洋动力要素；夏季尽管平均风速较小，但热带气旋可导致局部海域SSC提升，2013年6月热带风暴“贝碧嘉”导致路径右侧表层SSC增幅达75%，从海南岛过境的热带气旋有利于海南岛沿岸物质向湾中心输送。
致谢：在反演过程中得到了广东海洋大学李薛提供的广东海洋大学海洋遥感信息技术实验室MODIS卫星遥感悬浮泥沙资料，在此表示衷心的感谢。
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图 1 北部湾区域图
等值线为水深，单位为m；红点为表层悬浮体浓度实测站位；黑色三角为北部湾沿岸主要河流入海口位置（1.Lam River，2.Day，3.Balat，4.Van Uc，5.防城河，6.茅岭江，7.钦江，8.大风江，9.南流江，10.珠碧江，11.昌化江）；黑色线段（A、B、C、D）为选取的研究断面；绿色点（a、b）为选取的研究点位。
Figure 1. Map of Beibu Gulf
Contours indicate isobaths in meters. Red dots are the investigation position. Black triangles represent the estuaries of the rivers（1.Lam River，2.Day，3.Balat，4.Van Uc，5.Fangcheng River，6.Maoling River，7.Qinjiang River，8.Wind River，9.Nanliu River，10.Zhubi River，11.Changhua River）. Black lines represent the selected research section. Green dots are the selected observation places.
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图 2 北部湾实测表层SSC与遥感反演结果对比图
Figure 2. Comparison between in-situ data and MODIS derived data for Beibu Gulf
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图 3 北部湾2003—2017年年均表层悬浮体分布
Figure 3. Monthly surficial suspended sediment concentration in Beibu Gulf from 2003 to 2017
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图 5 北部湾主要断面表层SSC（a，b，c，d）及北部湾区域平均风场（e）随时间变化
Figure 5. Variation of surficial SSC and average wind field conditions （e） in the selected sections （a, b, c, d） of Beibu Gulf with time
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图 6 2013年6月北部湾表层悬浮体分布（a）及其与多年平均6月的差值（b）
注：绿色线为2013年第5号热带风暴“贝碧嘉”过境路线。
Figure 6. Distribution of surficial suspended sediment in Beibu Gulf in June 2013 （a） and its difference from average annual mean in June （b）
Note: The green line is the route of the tropical storm Bebinca.
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图 7 2009年各月15日Balat河口含沙量及a点处多年月平均SSC分布
Figure 7. The sediment concentration in the Balat estuaries on the 15th of each month in 2009 and the SSC distribution of each month at site a
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