環(huán)礁潟湖沉積物重建南沙群島小冰期以來(lái)的熱帶氣旋活動(dòng)

楊紅強(qiáng), 譚飛, 徐輝龍, 張喜洋, 施祺, 陶士臣

1. 中國(guó)科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所, 中國(guó)科學(xué)院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院, 廣東廣州 510301;

2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州), 廣東 廣州 511458;

3. 中國(guó)科學(xué)院南沙海洋生態(tài)環(huán)境實(shí)驗(yàn)站, 海南 三沙 573199;

4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

極端熱帶氣旋活動(dòng)對(duì)世界各地沿海生態(tài)系統(tǒng)和城市基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成了重大威脅(Peduzzi et al,2012)。西北太平洋海盆是地球上遭受熱帶氣旋災(zāi)害最為頻繁和劇烈的區(qū)域, 每年熱帶氣旋個(gè)數(shù)約占全球氣旋活動(dòng)總量的30%左右(Mei et al, 2015;廖菲 等, 2019; 陶麗 等, 2020), 給中國(guó)大陸東南沿海地帶及南海周邊帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和漁業(yè)損失(Yang et al, 2015; Soria et al, 2016; 張敏 等,2019)?，F(xiàn)代觀測(cè)記錄和氣候模型預(yù)測(cè)結(jié)果均表明在全球變暖背景下熱帶氣旋活動(dòng)可能會(huì)向更強(qiáng)和更頻繁的趨勢(shì)發(fā)展(Knutson et al, 2015; Bacmeister et al, 2018)。相對(duì)短暫的器測(cè)記錄阻礙了我們對(duì)熱帶氣旋長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的認(rèn)識(shí)(Landsea et al, 2006;Toomey et al, 2013; Chen et al, 2019b; 高抒 等,2019)。利用沉積物重建的長(zhǎng)尺度古風(fēng)暴記錄, 可為全球熱帶氣旋的預(yù)測(cè)提供重要參照(Knutson et al,2015; 周亮 等, 2015; Liu et al, 2016; 高抒 等,2019; 徐笑梅 等, 2019; Ishizawa et al, 2020)。大洋型珊瑚環(huán)礁潟湖中的粗粒沉積物可用于古風(fēng)暴或海嘯事件的判定(Yu et al, 2009; Toomey et al, 2013;Yue et al, 2019)。環(huán)礁潟湖沉積物具有沉積速率高、成巖蝕變小、可精確定年的特點(diǎn), 可發(fā)育連續(xù)的高分辨率風(fēng)暴記錄。南海珊瑚礁區(qū)是研究百年～千年尺度古風(fēng)暴的理想?yún)^(qū)域(Yu et al, 2009)。研究表明小冰期南海地區(qū)遭受了強(qiáng)烈且頻繁的熱帶氣旋活動(dòng)(Liu et al, 2001; Chen et al, 2019a; Sun et al,2020)。然而, 南海南部熱帶地區(qū)的高分辨率古風(fēng)暴活動(dòng)記錄目前還較少, 對(duì)南海小冰期熱帶氣旋活動(dòng)的時(shí)空差異性、活動(dòng)變率和驅(qū)動(dòng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)不足。

本研究利用南沙群島安樂(lè)環(huán)礁礁后潟湖沉積物中的粗粒組分, 重建該區(qū)小冰期以來(lái)的熱帶氣旋活動(dòng), 進(jìn)一步證明小冰期早期南海南部處于強(qiáng)烈的熱帶氣旋活動(dòng)期, 并與附近的永暑礁 潟湖風(fēng)暴記錄進(jìn)行對(duì)比, 探討了區(qū)域熱帶氣旋活動(dòng)的時(shí)空差異及可能機(jī)制。

1 材料及方法

1.1 研究區(qū)位置和樣品采集

南海位于亞洲—澳大利亞季風(fēng)的中心轉(zhuǎn)換地帶,同時(shí)受到太平洋和印度洋海氣作用的相互影響(Contreras-Rosales et al, 2019)。南海不僅受到西太暖池的熱帶氣旋的影響, 而且也是西太平洋熱帶氣旋的重要起源區(qū)(Zuki et al, 2008)。研究區(qū)位于南沙群島的九章環(huán)礁中的安樂(lè)礁, 為大洋型珊瑚環(huán)礁(圖1)。據(jù)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局 (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) 的IBTrACS Hurricane Dataset 的熱帶氣旋路徑數(shù)據(jù)庫(kù),在1945—2020 年, 共有75 次熱帶氣旋活動(dòng)登錄南沙群島附近區(qū)域, 其中大于Cat 1 級(jí)別強(qiáng)度的風(fēng)暴事件達(dá)17 次(圖1b)。安樂(lè)環(huán)礁位于九章群礁東北部,很少受到人為活動(dòng)的干擾。安樂(lè)礁形似耳狀, 從西北部延伸到東南部, 是一個(gè)幾乎完全封閉的珊瑚環(huán)礁, 僅由南部的幾個(gè)潮汐通道與外海和九章環(huán)礁的深潟湖相連通。環(huán)礁內(nèi)為障壁礁后潟湖, 水深6～30m。在天氣溫和晴朗時(shí), 潟湖沉積物很少受到礁坪外圍波浪及潮汐作用的影響(圖1c)。衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)和南沙永暑礁驗(yàn)潮站儀器觀測(cè)資料顯示, 研究區(qū)多年平均潮差為0.5～1.4m, 潮汐對(duì)礁后潟湖沉積物的影響較小。強(qiáng)熱帶風(fēng)暴或臺(tái)風(fēng)引起的波浪或風(fēng)暴潮超過(guò)2m, 風(fēng)暴潮可將粗粒沉積物從周圍的寬緩礁坪輸送到礁后 潟湖。因此, 安樂(lè)礁潟湖內(nèi)部的粗顆粒沉積物能夠記錄熱帶氣旋活動(dòng), 可以用來(lái)重建熱帶氣旋活動(dòng)規(guī)律和變化趨勢(shì)。

2017 年9 月至10 月期間, 研究團(tuán)隊(duì)在安樂(lè)礁礁后潟湖中(9°55'56.75"N, 114°31'19.55"E)利用內(nèi)徑9cm 的沖擊不銹鋼管采集了長(zhǎng)度約5m 的潟湖沉積物巖心(圖1c), 巖心采收率為100%, 確保了垂向地層的完整性。取心地水深12m, 為砂質(zhì)的潟湖底環(huán)境, 該環(huán)境不利于原生大型造礁石珊瑚叢體生長(zhǎng),因此該地的珊瑚叢體斷枝或大的珊瑚礫塊沉積物通常為高能風(fēng)暴浪異地搬運(yùn)形成。

圖1 研究區(qū)位置及氣象和地貌學(xué)特征Fig. 1 Study location and the regional atmosphere-geomorphology context

1.2 實(shí)驗(yàn)室粒度分析

在野外提取 潟湖沉積物巖心后, 巖心隨后被運(yùn)往中國(guó)科學(xué)院大洋與邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步處理分析。在室內(nèi)首先對(duì)巖心進(jìn)行縱向剖分、分離、拍照和沉積物定性描述。根據(jù)目視初步觀察, 安樂(lè)礁 潟湖巖心的背景沉積物為粒徑小于0.25mm 的細(xì)粉砂—細(xì)砂質(zhì)細(xì)粒沉積, 基本無(wú)陸源沉積物輸入;頂部和底部含多層可能由風(fēng)暴事件作用引起的粗粒沉積層, 包含極粗砂、珊瑚斷枝或礫塊, 分布雜亂,可見(jiàn)清晰的棱角和完整生物貝殼。為了確定沉積物粗顆粒的百分比, 參考Bramante 等(2020)等的粒度分析流程, 以1cm 等間距對(duì)巖心進(jìn)行了連續(xù)取樣,總共采集了496 個(gè)樣品用于粒度分析。然后使用250、500、1000 和2000μm 孔徑的樣品篩對(duì)分散的干樣進(jìn)行篩分并稱量不同粒級(jí)的干重, 再使用63μm 和125μm 孔徑的樣品篩對(duì)250μm 以內(nèi)的樣品進(jìn)行濕篩, 并對(duì)各部分篩后樣品烘干稱重, 以獲取每個(gè)粒級(jí)的重量百分比。

本研究將潟湖中的粗粒沉積物作為異常強(qiáng)水流引起的沉積物搬運(yùn)的識(shí)別標(biāo)志。沉積物顆粒大小與沉降速度呈正相關(guān), 地表水流的強(qiáng)度決定了能移動(dòng)的最大顆粒大小和距離。在正常平緩的水流下主要是沉積細(xì)粉砂, 而風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)的快速水流可以搬運(yùn)和沉積厚的粗砂層。一般情況下沉積顆粒沉降速度隨粒徑的增大而單調(diào)增加, 顆粒粒徑可作為異常水流搬運(yùn)的替代指標(biāo)(Bramante et al, 2020)。對(duì)于球形和近球形顆粒, 顆粒直徑和沉降速度之間存在非常強(qiáng)的關(guān)系(Dietrich, 1982)。 但在環(huán)礁 潟湖中產(chǎn)生的許多粗粒碳酸鹽生物碎屑沉積物, 特別是對(duì)于大于2mm的生物碎屑, 通常形狀不規(guī)則, 且可能含有大量的孔隙, 導(dǎo)致搬運(yùn)閾值和沉降速度低于實(shí)際粒徑的預(yù)測(cè)值。如果這類顆粒構(gòu)成沉積物粗粒組分的大部分,那么沉積物顆粒與沉積物搬運(yùn)、沉降和水流強(qiáng)度關(guān)系的推斷可能無(wú)效, 導(dǎo)致生物碎屑沉積物粒度和沉降速度之間的關(guān)系存在偏差(Maiklem, 1968;Braithwaite, 1973; Kench et al, 1996)。參考Bramante等(2020)在太平洋賈魯特環(huán)礁藍(lán)洞沉積物風(fēng)暴事件重建中使用的方法, 本文根據(jù) 潟湖沉積物粒徑的總體分布特征, 將沉積物粒度分為0.25～2mm 的粗組分和小于0.25mm 的細(xì)組分。最后根據(jù)粗組分顆粒(0.25～2mm)的百分比來(lái)識(shí)別風(fēng)暴事件, 大于 2mm的極其粗顆粒并未納入粗組分百分比計(jì)算。本處理方法可以有效降低一些異常的粗粒峰。在這些沉積層中通常含有2 個(gè)粗組分峰, 孤立和異常粗大的生物碎屑, 如大貝殼或者珊瑚礫塊產(chǎn)生了大部分未校正的一個(gè)粗粒峰, 另一個(gè)粗峰為自身沉積物構(gòu)成, 但常被>2mm 的粗峰給掩蓋掉。在實(shí)際處理中,我們僅將這種>2mm 的粗粒峰作為風(fēng)暴層識(shí)別的參考和補(bǔ)充。

1.3 年代地層框架建立

風(fēng)暴事件精確年齡的確定對(duì)古風(fēng)暴活動(dòng)重建至關(guān)重要。同一層位中純凈的鹿角珊瑚(Acroporaspp.)斷枝的U/Th 年齡代表該層最小年齡, 是建立潟湖沉積物年代框架最為可靠的材料(Yu et al, 2009; Chen et al, 2019b)。本研究共選取21 個(gè)無(wú)成巖改造的鹿角珊瑚斷枝進(jìn)行U/Th 定年, 對(duì)潛在的風(fēng)暴粗粒層進(jìn)行加密采樣測(cè)試。

U/Th 測(cè)年處理流程和分析方法遵循Clark 等(2014)提出的方法。首先將每個(gè)珊瑚斷枝樣品的表面拋光, 去除表面的藻類和生物有機(jī)質(zhì)膜。然后用瑪瑙杵或刻刀將珊瑚骨骼粉碎到顆粒大小為～0.5mm 的顆粒。將破碎后的樣品浸泡于預(yù)先清洗干凈的含有15% H2O2的玻璃燒杯中48h 以去除有機(jī)殘留物。然后用MQ 水超聲清洗樣品多次, 直到水變澄清。然后將多余的水倒出, 樣品在40℃下充分干燥。在雙目顯微鏡下檢查每個(gè)樣品的純凈程度, 最終選擇約150mg 的純凈珊瑚骨骼進(jìn)行年代測(cè)定。在年代測(cè)定之前, 對(duì)前處理后的樣品進(jìn)行XRD 射線衍射分析, 以檢測(cè)文石質(zhì)珊瑚骨骼是否發(fā)生成巖蝕變。在澳大利亞昆士蘭大學(xué)地球與環(huán)境科學(xué)學(xué)院的放射性同位素實(shí)驗(yàn)室的 Nu Plasma MC-ICP-MS 上進(jìn)行珊瑚斷枝的 U/Th 年齡測(cè)定。U/Th 比值是利用Isoplot/EX 3.0 軟件程序, 基于Cheng 等(2000)提出的衰變常數(shù)計(jì)算出的活度比值。所有年齡數(shù)值扣除實(shí)驗(yàn)室平均空白, 測(cè)試誤差均表示為2σ 標(biāo)準(zhǔn)偏差。巖心頂部12cm 沉積物由于在取樣過(guò)程中受到攪動(dòng),未進(jìn)行粒度分析。使用BACON 建模軟件建立了高精度的年齡框架, 并利用貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算了巖心每1cm 間隔區(qū)間的加權(quán)平均年齡和年齡不確定性(Blaauw et al, 2011)。

1.4 古風(fēng)暴事件層閾值和頻率

本文通過(guò)沉積學(xué)觀察和粒度分析確定風(fēng)暴事件層, 并將兩種方法識(shí)別的風(fēng)暴層進(jìn)行交叉驗(yàn)證。安樂(lè)礁 潟湖巖心的風(fēng)暴層與上下的正常沉積層突變接觸, 顏色較深, 發(fā)育更粗粒的顆?；蛏汉鲾嘀拓悮さ? 厚度1～20cm 不等。因?yàn)槭录訋缀跏撬查g形成的, 在年齡模型中, 本文將厚度大于2cm 的事件層校正為1cm。采用Bramante 等(2020)和Wallace等(2019)提出的方法確定風(fēng)暴事件層的粒度閾值,以區(qū)分事件層和正常的背景沉積。首先, 對(duì)整體粗組分序列進(jìn)行11 點(diǎn)滑動(dòng)平均濾波處理, 粗組分超過(guò)平均粗組分含量 1σ 的樣品定義為異常值(Outliers)(>10%), 較厚的事件層對(duì)應(yīng)于連續(xù)的異常值, 在2σ 時(shí)間誤差范圍對(duì)其進(jìn)行深度校正, 代表一次強(qiáng)烈的風(fēng)暴事件層。然后, 將排除異常值后的粗組分?jǐn)?shù)據(jù)再次進(jìn)行11 點(diǎn)滑動(dòng)平均濾波處理。最后,我們將超過(guò)滑動(dòng)平均濾波后粗組分百分比1.5σ(2.35%)的粗峰定義為風(fēng)暴事件層。從分析中去除異常值可以防止特別大的事件層掩蓋附近較小事件峰的存在, 使用11 點(diǎn)滑動(dòng)窗口可以消除背景沉積中粗組分信號(hào)的年代際變化的影響(Donnelly et al,2015; Bramante et al, 2020)。

為評(píng)估該方法對(duì)研究區(qū)熱帶氣旋的響應(yīng)能力,巖心頂部的事件沉積與現(xiàn)代熱帶氣旋觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了 校 準(zhǔn)。 從 IBTrACS version 4 收 集 了 AD 1945—2020 期間所有過(guò)境研究區(qū)附近的熱帶氣旋活動(dòng)信息, 將超過(guò)風(fēng)暴閾值的粗粒層與可能影響安樂(lè)礁潟湖的現(xiàn)代熱帶氣旋記錄進(jìn)行比較, 評(píng)估事件層閾值的可信度。在最終確定了風(fēng)暴事件層閾值和巖心中全部的事件層數(shù)量后, 參考Lane 等(2011)的方法, 使用100 年窗口滑動(dòng)重新計(jì)算了研究區(qū)每百年風(fēng)暴事件的發(fā)生頻率, 以評(píng)估百年尺度的熱帶氣旋變化特征。50 年滑動(dòng)窗口的分析用于揭示年代際周期內(nèi)高頻或低頻的熱帶氣旋活動(dòng)。

使用1945—2020 年IBTrACS 的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集經(jīng)過(guò)安樂(lè)礁 潟湖115km 范圍內(nèi)的Cat 1級(jí)別或大于Cat 1 熱帶氣旋級(jí)別的頻率來(lái)計(jì)算研究區(qū)附近局地?zé)釒庑烙?jì)頻率(熱帶風(fēng)暴和 Cat 1～Cat 5 不同熱帶氣旋級(jí)別強(qiáng)度的詳細(xì)定義見(jiàn)https://www.nhc.noaa.gov/aboutsshws.php)。研究區(qū)局地?zé)釒庑秶?115km)劃定是參考 Rodysill 等(2020)根據(jù)巴哈馬現(xiàn)代颶風(fēng)事件和碳酸鹽沉積記錄及水動(dòng)力模擬得出的結(jié)果。以安樂(lè) 潟湖為中心, 統(tǒng)計(jì)研究區(qū)300km 半徑范圍內(nèi)的Cat 1 級(jí)別及更強(qiáng)熱帶氣旋的頻率(基本涵蓋了整個(gè)南沙群島), 獲得南海南部區(qū)域熱帶氣旋估計(jì)頻率。比如, 根據(jù)IBTrACS 觀測(cè)記錄, 安樂(lè)礁附近的熱帶氣旋記錄始于AD 1945, 在AD 1945—2020 期間, 在半徑115km 的范圍內(nèi)登陸或者直接影響安樂(lè)礁強(qiáng)度大于或等于Cat 1 級(jí)別熱帶氣旋的數(shù)目為5 個(gè), 據(jù)此每百年的當(dāng)?shù)責(zé)釒庑l率λ=5÷75×100=6.7(小數(shù)點(diǎn)后保留1 位有效數(shù)字)。本文使用局地?zé)釒庑烙?jì)頻率來(lái)界定安樂(lè)礁 潟湖的風(fēng)暴相對(duì)活躍期和平靜期,當(dāng)某個(gè)時(shí)期100 年滑動(dòng)窗口風(fēng)暴事件超過(guò)該區(qū)的局地?zé)釒庑l率λ界限即定義為風(fēng)暴活躍期。

2 研究結(jié)果

2.1 年代框架

基于21 個(gè)純凈的鹿角珊瑚斷枝高精度U/Th 年齡建立了AL-1 的年代地層框架(圖2c)。整體上,U/Th 年齡隨著沉積物深度增加而增加, 表明潟 湖沉積序列的連續(xù)性。79cm 和187cm 處的鈾系年齡出現(xiàn)倒轉(zhuǎn), 被剔除(圖2c)。根據(jù)年代模型, AL-1 記錄在小冰期以來(lái)的記錄中, 其沉積速率為0.86cm·a–1, 即1cm 沉積物的分辨率為～1.37a, 是目前南海區(qū)域分辨率較高的古風(fēng)暴記錄之一。根據(jù)沉積速率的變化, AL-1 可大致分為下部(496～234cm)、中部(233～153cm)、上部(152～0cm)三部分。下部234cm(校準(zhǔn)深度后為209cm)為AL-1 初始沉積速率較快的部分, 沉積速率為 1.15cm·a–1。234cm 到153cm(校準(zhǔn)深度為 128cm)的中部, 沉積速率降低至 0.33cm·a–1。而 巖 心 上 部 沉 積 速 率 增 加 到1.42cm·a–1。巖心中粗組分含量與沉積速率的變化一致, 巖心底部和頂部的粗組分含量相對(duì)較高, 中間層段粗組分含量相對(duì)較低(圖2a)。事件層粗組分含量變化范圍為6.1%～52%, 平均為11%。事件層整體以灰白色中—粗砂為主, 且常含粒徑>2mm 的珊瑚斷枝和生物殼體, 可與正常沉積層的淺灰色泥質(zhì)—細(xì)砂質(zhì)碳酸鹽沉積區(qū)別。

圖2 安樂(lè)礁潟湖AL-1 巖心沉積物剖面和U/Th 年齡模型Fig. 2 Profiles of sediment core AL-1 collected from the Anle lagoon and U/Th age model

2.2 歷史風(fēng)暴事件頻率

研究區(qū)熱帶氣旋活動(dòng)頻率在年代際到百年尺度上變化很大。AL-1 巖心中共識(shí)別出了28 層事件沉積層, 其中底部含有17 個(gè)事件層, 中部3 個(gè), 頂部8個(gè)(圖3)。本文使用經(jīng)過(guò)安樂(lè)礁附近115km 范圍內(nèi)的大于或等于Cat 1 級(jí)別的每百年區(qū)域熱帶氣旋頻率(λ=6.7)來(lái)定義風(fēng)暴活動(dòng)期。風(fēng)暴事件頻率的100年滑動(dòng)窗口分析結(jié)果顯示, AL-1 巖心記錄了兩個(gè)主要風(fēng)暴活躍時(shí)期。持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的風(fēng)暴活躍期(A1)發(fā)生于小冰期(Little Ice Age, LIA)早期(AD 1421—1610), 平均每百年風(fēng)暴事件數(shù)為9.2 個(gè) (圖3), 尤以AD 1510—1550 期間熱帶氣旋活動(dòng)最為頻繁, 每百年平均為12 個(gè), 幾乎為現(xiàn)代區(qū)域熱帶氣旋頻率的2 倍。隨后從AD 1610—1890, 安樂(lè)礁潟湖熱帶氣旋活動(dòng)趨于平靜, 熱帶氣旋頻率呈下降趨勢(shì), 最平靜時(shí)期為AD 1810—1890 期間, 每百年熱帶氣旋頻率為0, 沒(méi)有任何沉積記錄超過(guò)風(fēng)暴事件閾值。另一個(gè)相對(duì)風(fēng)暴活躍期(A2)位于AD 1930—1960, 平均每百年熱帶氣旋數(shù)為7.5 個(gè)。50 年滑動(dòng)窗口風(fēng)暴事件頻率揭示了年代際的古風(fēng)暴極高活躍期, AD 1496—1529 和 AD 1534—1557 期間熱帶氣旋事件頻率分別達(dá)到每50 年6.1 個(gè)和7.0 個(gè)。整體上, 50年滑動(dòng)窗口分析顯示了和100 年滑動(dòng)窗口分析類似的熱帶氣旋活動(dòng)變化規(guī)律, 即在小冰期早期的大約2 個(gè)世紀(jì)期間(AD 1400—1600), 研究區(qū)熱帶氣旋活動(dòng)頻繁且強(qiáng)烈, 此后研究區(qū)熱帶氣旋活動(dòng)頻率和強(qiáng)度顯著減弱。在不同的滑動(dòng)窗口中, 小冰期晚期是熱帶氣旋活動(dòng)最不活躍的時(shí)期。AD 1931—1966 在50 年滑動(dòng)窗口中則表現(xiàn)為現(xiàn)代熱帶氣旋最活躍期,基本和百年滑動(dòng)窗口同步。

圖3 AL-1 巖心粗組分異常和風(fēng)暴事件層數(shù)百年滑動(dòng)窗口Fig. 3 The Coarse sediment anomalies and 100-year sliding window on the number of storm event layers recorded by core AL-1

3 討論

3.1 風(fēng)暴事件識(shí)別和現(xiàn)代記錄校準(zhǔn)

評(píng)估地質(zhì)代用指標(biāo)適用性和確定風(fēng)暴事件閾值有助于準(zhǔn)確重建長(zhǎng)期的古風(fēng)暴變化歷史(Donnelly et al, 2015; Winkler et al, 2020)。礁后潟湖是主要堆積區(qū), 其沉積物主要來(lái)源于礁坪和礁脊, 潟湖中的原生點(diǎn)礁亦可作為物質(zhì)來(lái)源。潟湖水動(dòng)力從礁脊到潟湖盆地逐漸減弱, 粒度逐漸變細(xì), 沉積物以粉砂—細(xì)砂質(zhì)沉積為主。正常天氣條件下, 波浪能量通常在珊瑚礁100～500m 消散(Kench et al, 2006), 限制了粗顆粒珊瑚礁沉積物進(jìn)入潟湖。風(fēng)暴期間的大浪和風(fēng)暴潮會(huì)沖刷 淺的礁脊邊緣和礁坪, 將珊瑚碎片、斷枝、珊瑚藻和底棲有孔蟲(chóng)等粗粒骨骼碎屑搬運(yùn)到富含砂質(zhì)沉積的礁后潟湖(Toomey et al, 2013;Klostermann et al, 2014)。對(duì)安樂(lè)環(huán)礁的實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)活體Acroporaspp. 是礁坪的優(yōu)勢(shì)物種之一, 其骨骼相對(duì)脆弱, 易受到風(fēng)暴潮的影響, 破碎后被迅速搬運(yùn)和堆積在潟湖。巖心AL-1 距離礁坪約600m(水深約12m), 沒(méi)有活珊瑚生存。堆積在粗粒事件層中的珊瑚枝大多呈白色和灰白色, 保存有明顯的棱角和新鮮斷面, 表明這些珊瑚枝是被迅速搬運(yùn)和沉積的。因此,低能潟湖環(huán)境中較粗沉積物可作為識(shí)別熱帶古風(fēng)暴活動(dòng)的標(biāo)志(Yu et al, 2009; Yue et al, 2019)。不同粗組分的百分含量可以代表古風(fēng)暴強(qiáng)度。

熱帶氣旋強(qiáng)度、路徑、平移速度等參數(shù)均可影響風(fēng)暴沉積(Winkler et al, 2020; Rodysill et al,2020)。在佛羅里達(dá)州的Apalachee 海灣, 水動(dòng)力學(xué)模擬表明, 盡管Cat 4 級(jí)別和Cat 5 級(jí)別的颶風(fēng)產(chǎn)生了最極端的強(qiáng)風(fēng)暴潮, 但中等強(qiáng)度Cat 1～ Cat 3 級(jí)別的颶風(fēng)也能夠產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)暴潮, 這與風(fēng)場(chǎng)、熱帶氣旋路徑、移動(dòng)速度或更接近的路徑等因素有關(guān)(Lin et al, 2014; Winkler et al, 2020)。風(fēng)暴沉積可能發(fā)生在風(fēng)暴頻繁的時(shí)期, 一個(gè)粗粒層可能記錄了多個(gè)風(fēng)暴。我們將安樂(lè)礁潟湖附近現(xiàn)代熱帶氣旋移動(dòng)路徑的觀測(cè)數(shù)據(jù)與巖心中的粗顆粒事件層進(jìn)行比較, 以評(píng)估巖心對(duì)不同熱帶氣旋記錄的潛力, 并驗(yàn)證事件閾值的可靠性。

在1945—2020 年期間, 一共有2 個(gè)Cat 1 級(jí)別及以上強(qiáng)度的熱帶氣旋經(jīng)過(guò)安樂(lè)礁潟湖60km 半徑范圍內(nèi), 而熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度級(jí)別及以上的熱帶氣旋數(shù)為10 個(gè)。其中, 在1962 年12 月28 和29 日, Cat 3級(jí)別的熱帶氣旋Lucy 在115km 的范圍內(nèi), 以平均風(fēng)速大于46.3m·s–1, 最大風(fēng)速超過(guò)51.7m·s–1的強(qiáng)度持續(xù)影響安樂(lè)礁超過(guò)48h, 最近距離研究區(qū)不到30km,最有可能在研究區(qū)內(nèi)留下事件沉積的證據(jù)。雖然熱帶風(fēng)暴相對(duì)于Cat1～Cat5 級(jí)別的熱帶氣旋強(qiáng)度更低,但受熱帶風(fēng)暴移動(dòng)路徑與距研究區(qū)的距離、風(fēng)暴持續(xù)時(shí)間等因素影響, 也可能形成風(fēng)暴事件層, 比如熱帶風(fēng)暴Tess (1988)移動(dòng)路徑最近距安樂(lè)潟湖不到10km, 最大風(fēng)速超過(guò)30.9m·s–1。在半徑115km 的范圍內(nèi)過(guò)境安樂(lè)潟湖的熱帶風(fēng)暴及以上級(jí)別的熱帶氣旋共有16 個(gè), Cat 1 級(jí)別及以上的熱帶氣旋為5 個(gè),Cat 2 級(jí)別及以上有3 個(gè)(表1)。

表1 1945—2020 年登陸南沙群島安樂(lè)礁和永暑礁不同半徑范圍內(nèi)的不同強(qiáng)度熱帶氣旋的頻率Tab. 1 The historical tropical cyclones passing within different distances from the Anle Reef and the Yongshu Reef in the Nansha Islands, southern SCS between 1945～2020

本文根據(jù)巖心頂部沉積物的粗組分含量和事件閾值建立了AD 1900 以來(lái)的現(xiàn)代風(fēng)暴沉積序列, 并將其進(jìn)一步與IBTrACS 觀測(cè)值進(jìn)行校準(zhǔn)。從AD 1900—2000, 一共識(shí)別出11 個(gè)事件層(圖4)。考慮到沉積特征、粗組分含量和多個(gè)事件層的年齡位于2σ年代誤差范圍內(nèi), 將事件層E8 附近的4 個(gè)粗粒峰合并為一個(gè)事件層, 該事件層的年齡定義為粗組分含量最高層對(duì)應(yīng)的年齡。最終識(shí)別出以下8 個(gè)事件層。

圖4 安樂(lè)礁現(xiàn)代器測(cè)熱帶氣旋移動(dòng)路徑和沉積物記錄敏感性校準(zhǔn)Fig. 4 Sensitivity calibration of the sediment records to the modern instrumented tropical cyclone tracks passed near the Anle Reef

事件層E1: 沉積于AD 1971—2004(中值年齡為AD 1987), 最可能由Cat 2 級(jí)別的熱帶氣旋Faith造成, Faith 在1998 年12 月12 日在～55km 的范圍內(nèi)自東北向西南向襲擊了安樂(lè)礁。鑒于沉積物記錄無(wú)法區(qū)分同一校正日歷年誤差范圍內(nèi)的事件, 熱帶風(fēng)暴Tess 無(wú)法被排除, 其在1988 年11 月5 日登陸安樂(lè)礁東北方向, 最短距離安樂(lè) 潟湖＜10km。在此時(shí)間范圍內(nèi)的其他熱帶風(fēng)暴的強(qiáng)度和風(fēng)暴距離不足以產(chǎn)生風(fēng)暴事件層。

事件層E2: 沉積于AD 1969—2001(中值年齡為AD 1984), 鑒于非常接近的年齡和較近的風(fēng)暴距離, E2 很可能是熱帶風(fēng)暴Tess 造成的, 其在1988 年11 月5 日, 以距離安樂(lè) 潟湖小于10km 的距離經(jīng)過(guò)安樂(lè)礁東北方向。其他熱帶風(fēng)暴如Mamic(1982 年3月22 日, 距離安樂(lè)礁北110km)強(qiáng)度太小和距離太遠(yuǎn)不足以形成事件層。

事件層E3: 沉積于AD 1962—1989(中值年齡為AD 1973), 則可能是距離相對(duì)較遠(yuǎn)的Cat 1 級(jí)別的熱帶氣旋Freda(1967 年11 月7—8 日, 距安樂(lè)礁～90km)或者近端(＜30km)的熱帶風(fēng)暴Thelma 導(dǎo)致(1973 年11 月14 日, 距離安樂(lè)礁南～27km)。

事件層E4: 沉積于AD 1954—1972(中值年齡為AD 1961), 是巖心頂部最為明顯的粗粒事件層,該事件層包含了41～61cm, 厚度達(dá)20cm 的連續(xù)沉積。E4 的粗組分含量平均為27.80%, 最大為52%,并含有珊瑚礫石, 與粉砂質(zhì)碳酸鹽背景沉積物混雜沉積。Cat 1 級(jí)別的熱帶氣旋Freda 和Cat 3 級(jí)別熱帶氣旋Lucy(1962 年11 月28—29 日, 距離安樂(lè)礁北～29km)在此期間都曾登陸安樂(lè)礁。但是, 根據(jù)事件層的強(qiáng)度和厚度, 過(guò)境風(fēng)速超過(guò) 51.7m·s–1的熱帶氣旋Lucy 是導(dǎo)致此次厚層風(fēng)暴事件沉積的最可能原因。距離熱帶氣旋移動(dòng)路徑短、強(qiáng)度大、登陸過(guò)境時(shí)間長(zhǎng)等因素最終在安樂(lè)礁產(chǎn)生了最強(qiáng)烈的風(fēng)暴事件。

事件層E5(沉積于AD 1949—1961, 中值年齡為AD 1955)和事件層E6(沉積于AD 1936—1956,中值年齡為AD 1947)很可能由Cat 2 級(jí)別的熱帶氣旋Amy 導(dǎo)致, Amy 于1951 年12 月16—17 日過(guò)境安樂(lè)礁 潟湖北部, 最近距離安樂(lè)礁～48km, 最大風(fēng)速為43.7m·s–1?？紤]到事件層E6 僅稍微超過(guò)風(fēng)暴閾值, 我們也可以合理地認(rèn)為它們與近距離的, 但強(qiáng)度相對(duì)較弱熱帶風(fēng)暴有關(guān), 但是熱帶風(fēng)暴Betty(1949 年12 月7 日, 距安樂(lè)礁北52km)的強(qiáng)度和過(guò)境持續(xù)時(shí)間不大可能造成事件沉積。AD 1970之前的熱帶氣旋軌跡和強(qiáng)度記錄存在較大不確定性,加之定年誤差, 使特定風(fēng)暴和粗異常事件層之間的相關(guān)性降低(Winkler et al, 2020)。事件層E7 和E8分別沉積于AD 1941 和AD 1934, 而IBTrACS 數(shù)據(jù)庫(kù)中南沙群島最早的觀測(cè)記錄始于AD 1945, 無(wú)法確定這兩個(gè)事件層和特定熱帶氣旋的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

綜上, 風(fēng)暴事件層的年齡大體對(duì)應(yīng)過(guò)境研究區(qū)115km 范圍內(nèi)的Cat 1 級(jí)別熱帶氣旋和更強(qiáng)級(jí)別的強(qiáng)風(fēng)暴事件。因此, 粗粒沉積層可以表征風(fēng)暴事件,并且達(dá)到相似風(fēng)暴事件閾值的沉積記錄能可靠地捕獲過(guò)去對(duì)應(yīng)的風(fēng)暴記錄?？紤]到熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)最大風(fēng)速估計(jì)的不確定性, 早期熱帶氣旋移動(dòng)路徑和影響可靠半徑的缺失, 本文粗略的估計(jì)還需要 潟湖風(fēng)暴流體動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證。

3.2 南海南部區(qū)域古風(fēng)暴頻率變化及比較

對(duì)比南海不同地區(qū)的研究有助于深入了解過(guò)去整個(gè)區(qū)域或泛盆地范圍的熱帶古風(fēng)暴活動(dòng)。本文將安樂(lè)礁潟湖的古風(fēng)暴記錄與南海南部的其他風(fēng)暴重建記錄進(jìn)行比較。南海南部長(zhǎng)度超過(guò)千年的古風(fēng)暴重建記錄比較稀缺, 目前僅有的記錄來(lái)自研究區(qū)西南200km 的永暑礁潟湖沉積巖心NY-4(Yu et al,2009)。NY-4 利用潟湖沉積物中大于1mm 的粗顆粒峰重建了4000 余年的風(fēng)暴記錄。參照安樂(lè)礁潟湖附近的局地?zé)釒庑烙?jì)頻率, 本文計(jì)算了以永暑礁為中心, 115km 半徑范圍內(nèi)的熱帶氣旋估計(jì)頻率(表1)。在和AL-1 記錄同區(qū)間內(nèi), NY-4 一共記錄了32 個(gè)風(fēng)暴事件, 和 AL-1 風(fēng)暴數(shù)量大致相當(dāng)(28次)(圖5)。NY-4 古風(fēng)暴頻率100 年和50 年滑動(dòng)窗口顯示出明顯的差異(圖5c、d)。在100 年滑動(dòng)窗口中, NY-4 記錄了4 個(gè)持續(xù)10～20 年短周期的風(fēng)暴活躍期(分別位于 AD 1694—1703、1707—1739、1741—1754 和1823—1832)和一個(gè)位于AD1768—1818 期間持續(xù)長(zhǎng)50 年的風(fēng)暴活躍期?？紤]到NY-4整個(gè)巖心的2σ 分辨率誤差為18a·cm–1, 無(wú)法準(zhǔn)確地將低于此年代誤差的事件層單獨(dú)分離出來(lái), 大體認(rèn)為NY-4 記錄了在AD 1664—1832 期間持續(xù)168 年的百年尺度風(fēng)暴活躍期。50 年滑動(dòng)窗口結(jié)果則揭示了兩個(gè)分別位于 AD 1665—1723 和 AD 1758—1837 的風(fēng)暴活躍期, 這兩個(gè)活躍期和100 年滑動(dòng)窗口可以很好的對(duì)應(yīng)。但是, 與100 年滑動(dòng)窗口相反, 在AD 1714—1757 之間表現(xiàn)為一段風(fēng)暴平靜期。鑒于整個(gè)NY-4 巖心年齡的不確定性, 無(wú)法獲悉50 年滑動(dòng)窗口尺度上明顯的風(fēng)暴短暫減弱是由較短的年代際外部氣候驅(qū)動(dòng), 或者表征風(fēng)暴活動(dòng)的隨機(jī)性。

值得注意的是, 與AL-1 巖心記錄不同, NY-4 在小冰期中晚期(AD 1664—1832)發(fā)育多個(gè)風(fēng)暴事件層, 而在AL-1 記錄中, 風(fēng)暴最活躍時(shí)期位于小冰期早期。記錄的不一致性可能反映了影響兩個(gè)地點(diǎn)風(fēng)暴數(shù)的不同以及特定地點(diǎn)對(duì)風(fēng)暴活動(dòng)記錄的敏感性差異。例如, 從1945—2020 年, 一共6 次Cat 1 級(jí)別或以上的熱帶氣旋過(guò)境永暑礁115km 的半徑范圍,然而NY-4 記錄中僅記錄到了AD 1975 的一次風(fēng)暴事件層沉積(表1)。與之對(duì)比, AL-1 記錄了至少5 次風(fēng)暴事件層。在1962 年, Cat 3 級(jí)別的熱帶氣旋Lucy(風(fēng) 速>51.7m·s–1) 潟過(guò)境安樂(lè)礁 湖和永暑礁115km 范圍, 在安樂(lè)礁沉積了厚粗粒事件層, 永暑礁卻沒(méi)有留下明顯的風(fēng)暴沉積證據(jù)。類似的現(xiàn)象也見(jiàn)于Cat 3 級(jí)別的熱帶氣旋Faith(1998 年)和熱帶風(fēng)暴Tess(1988 年)。

熱帶氣旋活動(dòng)的隨機(jī)性也是影響其移動(dòng)路徑和登陸強(qiáng)度的重要因素之一(Wallace et al, 2021a, b)。由于研究點(diǎn)的沉積記錄只捕捉到近距離經(jīng)過(guò)的風(fēng)暴,因此這些風(fēng)暴可能僅影響過(guò)境島礁, 卻對(duì)其他區(qū)域的影響有限。來(lái)自巴哈馬Long 島(Wallace et al,2021b)和佛羅里達(dá)西北部Apalachee 灣(Lin et al,2014)的熱帶氣旋研究證實(shí)了上述論斷。研究指出,熱帶氣旋強(qiáng)度、熱帶氣旋性質(zhì)(包括活動(dòng)方向和最大風(fēng)速半徑)在決定是否會(huì)產(chǎn)生足夠的風(fēng)暴潮作用, 進(jìn)而留下粗粒沉積物方面也發(fā)揮了重要作用。在相似的古風(fēng)暴氣候背景值下, 隨機(jī)過(guò)程可以部分解釋古風(fēng)暴活動(dòng)的時(shí)空差異性。特定區(qū)域的某一時(shí)期的古風(fēng)暴活動(dòng)頻率可能是只是隨機(jī)過(guò)程而非氣候因素控制(Wallace et al, 2021a)。

不同地點(diǎn)的沉積過(guò)程也存在顯著差異, NY-4 和AL-1 的沉積物來(lái)源、水體深度 潟、 湖的封閉程度等局部水動(dòng)力環(huán)境都可能造成事件記錄的差異。此外,相對(duì)較低的分辨率也增加了NY-4 年代模型的不確定性。風(fēng)暴識(shí)別和統(tǒng)計(jì)方法的差異也可能是造成兩個(gè)記錄差異的原因。NY-4 基于經(jīng)驗(yàn)原則, 以>1mm粗顆粒峰作為事件層識(shí)別標(biāo)準(zhǔn), 這可能包含了>2mm 生物碎屑或者珊瑚斷枝導(dǎo)致的異常峰, 造成風(fēng)暴層的識(shí)別偏差。NY-4 記錄中>1mm 粗顆粒峰也并未完全捕捉到現(xiàn)代器測(cè)記錄中的風(fēng)暴事件, 表明這一識(shí)別方法中粗粒峰的風(fēng)暴指示意義可能存在偏差, 風(fēng)暴事件識(shí)別的閾值條件或劃分標(biāo)準(zhǔn)需進(jìn)一步校準(zhǔn)。遺憾的是, 受遠(yuǎn)海采樣條件的制約, AL-1 和NY-4 均只提供了單一鉆孔的記錄, 缺乏對(duì)照孔, 增加了利用該記錄推斷南海南部歷史風(fēng)暴活動(dòng)的不確定性。因此, 更多來(lái)自同一研究區(qū)域的高分辨率風(fēng)暴重建記錄將有助于更好地約束風(fēng)暴活動(dòng)的隨機(jī)變化特征, 更完整地還原區(qū)域風(fēng)暴活動(dòng)歷史, 從而更好探討南海南部安樂(lè)礁和永暑礁記錄之間的時(shí)空差異及原因。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)南沙群島安樂(lè)環(huán)礁礁后 潟湖粗粒沉積物的研究, 本文獲得了小冰期以來(lái)的準(zhǔn)年分辨率熱帶氣旋活動(dòng)記錄。采樣分辨率和測(cè)年精度的提高,增進(jìn)了我們對(duì)小冰期南海南部熱帶氣旋活動(dòng)的理解。研究表 明潟 湖沉積可靠地記錄了經(jīng)過(guò)安樂(lè)礁115km 范圍內(nèi)的Cat 1 級(jí)別和更強(qiáng)級(jí)別的熱帶氣旋活動(dòng)。在AD 1945—2020, AL-1 巖心頂部沉積物記錄了6 個(gè)可追溯的風(fēng)暴事件。小冰期以來(lái), 南海南部安樂(lè)礁熱帶氣旋活動(dòng)在年代際到百年尺度上頻繁變化, 發(fā)育兩個(gè)主要的風(fēng)暴活躍期。在小冰期早期(AD 1471—1620)經(jīng)歷了最為強(qiáng)烈的風(fēng)暴活躍期,另一個(gè)風(fēng)暴活躍期位于現(xiàn)代暖期的 AD 1930—1960, 熱帶氣旋活動(dòng)雖有所加強(qiáng), 但明顯低于小冰期早期。南海南部區(qū)域重建記錄的對(duì)比表明熱帶氣旋活動(dòng)具有較大的時(shí)空差異性, 這可能與局部沉積環(huán)境、熱帶氣旋活動(dòng)的隨機(jī)性變化、識(shí)別方法差異等有關(guān)。來(lái)自同一研究區(qū)域的多條高分辨率古風(fēng)暴重建記錄將有助于更好地約束熱帶氣旋活動(dòng)的隨機(jī)變化特征, 增加熱帶氣旋活動(dòng)重建的準(zhǔn)確度。