文献总结 | Nature Communications：全球河口三角洲悬浮沉积物呈现增加趋势

文摘 2024-07-03 17:00 北京

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研究背景

RESEARCH BACKGROUND

位于近海的悬浮沉积物对海岸带湿地、海洋生态系统和三角洲的维持起着至关重要的作用。近几十年来，受到河流水坝建设影响，诸多河流的沉积物供应显著减少，主要是悬浮泥沙浓度(SSC)的减少。但是当前研究关于河流沉积物减少和沿海SSC减少的证据是综合性的，并且有研究证明20世纪滨海沉积物仍然呈增加趋势。因此，获取滨海SSC长期变化及其影响因素对于准备评估滨海系统的未来至关重要。

为了弥补相关研究的空白，本文利用2000-2020年全球可用遥感数据获取了349个主要河流三角洲附近滨海SSC的月度数据，并尝试解决以下三个问题：

(1) 近20年来，世界范围河流三角洲附近海域SSC时空变化格局如何？

(2) 三角洲附近海域的SSC面向河流SSC的供应变化的响应？

(3) 对靠近河流三角洲的滨海SSC可能有哪些其他控制因素？

研究方法

1. 数据介绍

研究主要基于MODIS Terra和Aqua的空间分辨率为500 m的8天SR产品进行SSC的估算。研究共计利用58万张复合影像，进行基于6S辐射传输的大气校正，并利用质量控制波段QC从SSC中排除潜在的劣质像元。在此基础上利用与野外实测数据一致的日SR产品进行SSC反演模型构建。

研究利用珠江口、长江口、黄海和东海(YECS)、SeaSWIR、CoastColour Round Robin (CCRR)和AquaSat等6个野外SSC数据集对SSC反演算法进行了标定和验证，如下Fig. S1所示。

野外实测数据主要在2018年9月至2020年1月开展，在珠江口进行了三次调查，获取共计64个采样点，其SSC范围为0.16~137.5 mg/L。2011年2月、6月和2013年3月在长江口进行了3次野外调查，采集水样99个，SSC范围为0.1~2068.8 mg/L。YECS数据集包括2003年在黄海和东海的春季和秋季测量的150个水样，SSC范围为0.5~1762.1 mg/L。

SeaSWIR为公开数据集，包括三个浑浊河口(法国吉伦特、阿根廷Río de La Plata和比利时Scheldt)收集的137个沉积物样本。CCRR同样为免费数据集，该数据集旨在校准和评估算法性能。本研究中使用的SSC范围为0.17 ~ 506 mg/L。AquaSat收集了包括美国内陆和沿海水域在内的各种实测水体成分数据，包含超过40万个河口沉积物样本。但在本研究中仅采用满足以下两个要求的样本：(1) 2002年之后收集的样本；(2) 位于开阔的河口，以减轻陆地邻近效应的潜在干扰。其SSC范围为0.2~305.3 mg/L。

为验证模型准确性，研究还获取了Sentinel-3 OLCI在2016-2020年间生成的月平均4公里SSC产品(https://sentinels.copernicus.eu/web/sentinel/user-guides/sentinel-3-olci/product-types/level-2-water)。由于Sentinel-3 OLCI的空间分辨率较粗， 349个三角洲中仅有227个可获得数据。

此外，本研究还从文献中收集相关辅助数据集，主要包括：长期平均河流水量(m3/s)和2000 - 2020年的河流泥沙通量(Q_river)、月平均潮汐幅值(a)、角速度(ω)、河道坡度(s)、潮汐效率系数(k)、上游河道深度(du)和河道宽高比(β)，并基于OSU TPXO获取2000-2020年日潮汐幅值，同样基于NOAA WaveWatch III获取日平均波高(h)和波周期(p)。此外，还通过计算获得月潮输沙通量(Q_tide)和日波浪泥沙通量(Q_wave)，计算公式如下：

另外，其他辅助数据获取情况如下：研究基于GLORYS12V1产品(https://data.marine.copernicus.eu/product/GLOBAL_MULTIYEAR_PHY_001_030/description)获取2000-2020年月度盐度数据；基于GEE平台的全球潮汐湿地变化数据中获取了349个三角洲的湿地变化数据；基于参考文献获取河口形态学数据等。

研究根据主要泥沙通量对三角洲形态的影响，将三角洲划分为河流主导、潮汐主导和波浪主导三类，并利用上述数据进行河流三角洲形态与SSC变化之间的关系讨论。

2. 确定研究的河流三角洲

研究涉及到349个河流三角洲涵盖不同大小和类型，平均年河流流量范围为1.3-138,650 m3/s，占全球总水量的64.2%。上述三角洲根据参考文献5进行划定，包括三角洲系统和三种不同主导类型(Fig. S2)。

3. SSC反演模型构建与验证

研究基于MODIS的SR数据与实测数据进行SSC反演模型的构建，该数据集排除了受邻近像元影响的所有像元，在此基础上采用Yu_adaptive算法进行SSC的估算(公式3)。

此外，为了验证模型的精度，将估算的SSC与已发表文献中的SSC进行对比，发现虽然少部分三角洲结果存在差异，但是整体拟合效果较好。另外，与Sentinel-3对比结果表明二者的SSC平均比值为1.41±0.83，并且基于典型河口长期月均SSC变化对比，发现基于MODIS和OLCI的趋势相似，而当SSC超过100 mg/L时，MODIS的平均SSC明显高于OLCI。

研究结果

1. 全球河流三角洲海域SSC空间分布

研究基于高精度的滨海SSC反演模型(RMSE = 24.9%)绘制了2000-2020年逐月全球三角洲(349个)附近海域的表层SSC。研究发现SSC表现出来显著的空间异质性(Fig. 1)，其数值从2.8 mg/L至379.7 mg/L不等，21.5%的三角洲平均SSC低于10 mg/L, 31.5%的三角洲平均SSC高于50 mg/L。SSC较高的三角洲，特别是排水超过10000 m3/s的三角洲主要位于亚洲，可归因于该地区的大型河流所负载的大量泥沙(Fig. 1d)。SSC较低的三角洲主要分布在欧洲，中位数为20.9 mg/L。3种不同的三角洲类型其SSC均值也不同(Fig. 1c)，潮汐主导的SSC最高(中位数为35.1 mg/L)，而波浪主导的最低(中位数为16.3 mg/L)。

2. 全球河流三角洲海域SSC时序变化

2000-2020年全球河流三角洲海域SSC增长率为+0.46%/yr (或+0.23 mg/L/yr，p < 0.05，Mann-Kendall检验；Fig. 2b)，有超过59%的三角洲呈现SSC增加趋势，与SSC显著减少的三角洲相比，约有2倍的三角洲呈现显著增加(Fig. 2a)，非洲和北美的SSC增加最为显著，分别为+0.41和+0.32 mg/L/yr。相反，亚洲SSC呈现逐年减少0.1 mg/L的趋势，主要受到2000-2021年间河流(如长江和湄公河)大坝建设等影响。在3种三角洲形态中，河流主导的三角洲增长最为显著，其中62.0%的三角洲呈现增长趋势，平均速率为+0.36mg/L/yr (Fig. S6c)。

此外，在经纬度统计结果中，SSC在纬向格局变化中并不显著(Fig. 2a)，在5°N左右的三角洲中，约60%的三角洲SSC显著增加，这些趋势差异主要是由于在潮汐和波浪力的作用下，沉积物羽流对SSC变化的时空响应复杂。高SSC并不一定意味着更大的沉积物羽流面积，因为在河流流量、盐度、潮汐和波浪力的综合作用下沉积物运动更加复杂。

3. 近三角洲沿海SSC对河流输沙变化响应

研究发现47.9%的三角洲在2000-2020年间呈增加趋势，且54.8%的三角洲在Q_river和SSC之间存在一致的变化，这些主要是河流和潮汐主导的三角洲(Fig. 3)。因此，相关的增量极大可能归因于河流和潮汐输入(Fig. 3c-d)。同时，22%的三角洲(主要位于南亚和南美东南部)其SSC和Q_river同时减少，这些三角洲的特征为较低的Q_river以及较高的Q_wave和盐度。

相反，约有45.2%的三角洲中Q_river和SSC之间相反变化趋势(Fig. 3b)。其中30.1%的三角洲SSC增加而Q_river减少；15.1%的三角洲SSC减少而Q_river增加。这些三角洲的共同点为具有流量较小的河流或较弱的潮汐力，或具有较高的盐度和强波浪能量(Fig. 3c-f)。这些均突出了不同因素对三角洲附近海域SSC影响的复杂性。

4. 对沿海SSC的控制

沿海SSC的季节变化通常与单个三角洲的Q_river(R = 0.76，p < 0.05)、Q_tide (R = 0.71，p < 0.05)和Q_wave (R = 0.94，p < 0.05)的波动相对应。河流输沙量大、大潮或波浪能强的季节通常表现出较高的SSC，但这种关系不能反应在三角洲观测的长期趋势，如平均波浪输沙通量较高的三角洲，其SSC往往较低(R = -0.40，p < 0.05；Fig. 4c)，而大的潮汐输沙运动(R = 0.31, p < 0.05)和大的河流输沙量(R = 0.23, p < 0.05)往往导致较高的SSC (Fig. 4a-b)。与河流和潮汐主导的三角洲相比，波浪主导的三角洲具有最低的SSC且更有可能会继续减少。这表明以缺乏分流网络和砂质海岸线为特征的波浪主导的三角洲不能有效地保留沿海沉积物，虽然波浪暂时增加SSC，但高波浪优势的长期影响往往导致SSC减少。另一方面，在潮汐和河流主导的三角洲中，季节和多年的SSC具有相同的变化模式，表明其有能力在较长时间内保持近岸的沿海沉积物。

此外，研究发现盐度与SSC呈现反比关系(R = -0.38，p<0.05；Fig. 4d)，表明低SSC与高盐度密切相关，这与前人研究结果一致，这可能与携带沉积物的高淡水河流排放事件或盐度对沉积物絮凝沉降的影响有关。

为了进一步分析四种因素(Q_river、Q_tide、Q_wave和盐度)对不同三角洲SSC变化的影响，研究评估了不同因素对139个不同类型三角洲SSC长期变化的贡献(Fig. 4e)。Q_river、Q_tide、Q_wave和盐度的变化显著(p <0.05)分别解释了139个三角洲中36%、13%、9%和7%的SSC变化。北美和南美大西洋沿岸Q_river和Q_tide的增加对该地区SSC的增加贡献最大，而上述因素的减少加上Q_wave和盐度的增加，可能导致南亚SSC的下降(Fig. 4e)

总结讨论

本研究利用2000-2020年MODIS影像估算了全球349个河口三角洲附近海域的SSC时空变化情况，并且对河流泥沙羽流面积(RPA)进行了分析，在介绍本文章时着重介绍了关于SSC的变化情况。研究发现全球SSC和RPA分别增加了+0.46%和+0.48%，其中超过59.0%的三角洲显示SSC和RPA同时增加。此外，全球所有大陆(除亚洲外)的SSC和RPA均呈现增加趋势。驱动因素分析表明潮汐、波浪、盐度和三角洲形态的影响导致了不同河流输沙量与SSC具有不同的变化趋势，并就3种不同类型的三角洲形态评估了不同因素对驱动情况。

✎ 编者注

以上总结仅代表个人对论文的理解，仅供研究参考所用，不用于商业用途。若上述理解内容有误，请以论文原文为主。未经同意，禁止转载。

原文链接 ↓

https://www.nature.com/articles/s41467-024-47598-6

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