海滩-珊瑚礁系统风暴响应特征研究——以1409号台风“威马逊”对清澜港海岸影响为例

2016-11-30 05:35邵超戚洪帅蔡锋陈沈良
海洋学报 2016年2期
关键词:珊瑚礁风暴海滩

邵超,戚洪帅,蔡锋,2*,陈沈良

(1.国家海洋局第三海洋研究所,福建厦门361005;2.国家海洋局海岛研究中心,福建平潭350400;3.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062)

海滩-珊瑚礁系统风暴响应特征研究——以1409号台风“威马逊”对清澜港海岸影响为例

邵超1,戚洪帅1,蔡锋1,2*,陈沈良3

(1.国家海洋局第三海洋研究所,福建厦门361005;2.国家海洋局海岛研究中心,福建平潭350400;3.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062)

珊瑚礁海岸在我国热带地区广泛发育,海滩-珊瑚礁海岸的动力地貌过程是认识该类海岸的关键。本文基于对海南铜鼓岭-高隆湾岸段的台风“威马逊”前后跟踪观测,讨论了海滩风暴响应特征及其与珊瑚礁发育之间的联系。结果表明该岸段海滩在“威马逊”风暴作用下响应最为剧烈的区带位于平均海平面(MSL)以上,表现为后滨冲越,以及岸线蚀退、滩肩变窄、滩面侵蚀等响应特征。海滩风暴响应特征与近岸珊瑚礁发育密切相关,在无珊瑚或珊瑚受损的岸段海滩响应剧烈,剖面平均变化率(MPC)为其他岸段的3~6倍,珊瑚礁通过消耗波能对相邻海滩提供良好保护。海滩-珊瑚礁系统对风暴的响应特征受控于珊瑚礁对海岸波浪的消耗能力和海滩固有的缓冲能力。基于本文研究结果,归纳出风暴极端动力条件下海滩-珊瑚礁海岸的4种风暴响应模式。

海滩-珊瑚礁系统;风暴响应;“威马逊”台风

1 引言

珊瑚礁海岸是一种常见的生物海岸类型,在热带和亚热带地区普遍发育。珊瑚独特的生物学特性对海岸生态环境和海岸过程有重要作用[1]。近60余年全球珊瑚礁已损失19%,另外有35%的珊瑚礁将在未来10~40年内消失[2]。对环境极其敏感的珊瑚礁海岸亦正在遭遇触目惊心的退化和破坏过程,海岸侵蚀现象日趋严重[3]。海滩-珊瑚礁系统作为常见的海岸组合类型,两者之间的相互作用和联系一直受到国内外研究者的重视。珊瑚礁构成的粗糙底部产生的摩擦效应,使得波高在礁坪浅水带骤减,入射波能量未达到海岸已被消散[4]。相邻海滩与珊瑚礁唇齿相依,珊瑚礁在自然海岸防护中起到了重要的保护作用,如同离岸堤、潜堤[5—7]。珊瑚礁海岸独特的波浪传播和能量耗散特征,对相邻海滩稳定性有着控制性作用[8—10]。

我国海滩-珊瑚礁系统发育的地区也是热带风暴频发的地区,热带风暴会诱发极端的水动力事件,对海岸带造成灾难性的破坏[11]。海滩动力地貌过程和海岸风暴响应差异一直是研究的热点问题[12—13]。对于海滩-珊瑚礁系统的极端动力事件响应研究是认识其海岸过程和演化的关键,但目前更多的是针对海啸事件的研究。Vitousek等根据马尔代夫13个无人环礁岛在1960年智利海啸前后的地形和滩面调查的观测结果,发现海啸对分布有凹陷的珊瑚环礁的岛屿影响更小[14];Kench等指出发育良好的珊瑚礁、礁内潟湖和离岸陡坡使得法国的Maldives环礁岛基本不受2001年苏门答腊海啸的影响[15]。海滩-珊瑚礁系统的风暴效应需要将海滩特征和珊瑚礁耗能作用两者相结合进一步探讨,目前研究仍然不足[16—17],尤其在我国,定量研究基本缺失。本文基于对海南铜鼓岭—清澜湾岸段对台风“威马逊”的跟踪观测,探讨了海滩剖面地形地貌的变化特征,分析并归纳出风暴极端动力条件下海滩-珊瑚礁海岸风暴响应模式。

2 研究区与热带风暴概况

研究区位于清澜湾外湾及其东北部,北起铜鼓岭,南至高隆湾(图1),该区域海岸属沙堤-沙丘海岸,后侧为海积平原,沉积物主要由中细砂构成。铜鼓岭至东郊椰林岸段潮下带多布有礁盘,珊瑚礁发育良好,但局部岸段珊瑚礁遭人为破坏严重[18—19];南部高隆湾为弧形岬湾,湾口两侧发育礁坪[20—21]。研究区沿岸皆发育海滩,属于典型的海滩-珊瑚礁系统,海滩宽度宽窄不一,差异明显。北部铜鼓岭至东郊椰林岸段滩面较窄,潮间带宽度20~40 m,后滨发育滩肩和低矮沙丘;南部高隆湾海滩宽缓,潮间带宽度60~100 m。

图1 研究区概况和台风路径示意图Fig.1 Study area and track of the Typhoon Rammasun

研究区的潮汐属于非正规半日潮,累年平均潮差为0.89 m;外侧海域开阔,水动力较强,波浪以风浪为主,其常浪向为SE-SSE,平均波高0.95 m,平均周期4.26 s。研究区是西北太平洋热带风暴活动的主要地区,年平均风暴次数达4.2次[22]。2014年7月1409号台风“威马逊”(Rammasun)先后在海南文昌、广东徐闻、防城港登陆(图1)。18日15时30分在海南文昌市翁田镇登陆,登陆时最大风力17级,风速为60 m/s,中心气压888 hPa,为四级超强台风[23]。16至19日“威马逊”过境期间,南海中部海域出现8~13 m的狂浪到狂涛,南海北部有5~8 m的巨浪到狂浪。粤西、海南岛、广西沿岸出现不同程度的风暴增水,其中海口测得215 cm增水,清澜站100 cm增水,出现了超过当地警戒潮位0.09~0.51 m的高潮位[24]。

3 研究材料与方法

本文研究以野外观测为基础,先后在台风前后的2014年6月和8月对研究区海岸海滩的7条剖面进行了滩面测量(表1)。为了便于分析海滩剖面变化特征,本文对剖面要素进行了如下定义:(1)剖面与平均大潮高潮线(MHWS)的交点为岸线,风暴前后岸线位置的横向水平距离差为岸线变化量;(2)岸线至平均低潮面之间坡度的正切值为海滩坡度;(3)后滨沙丘顶部至岸线位置的纵向垂直距离为后滨高度。

采用海滩剖面平均变化量(MPC)作为衡量海滩风暴响应强度的指数[25],并根据海滩剖面特征,将剖面分成不同区带。MPC表达式如式(1),海滩剖面要素如图2所示。

图2 海滩剖面要素示意图Fig.2 Definition sketch of parameter of beach profile

4 研究结果

4.1台风前后海滩地形变化特征

野外调查表明不同岸段的海滩剖面在台风前后冲淤状态与响应特征有所差异,通过分析台风前后的剖面形态、滩面体积和高程等数据,并结合海滩剖面图(图3),得出该区域海滩风暴作用下的地形变化如下(表1):(1)N028剖面坡度和后滨高度变化大,受风暴影响最大,在风暴影响下发生冲淤,泥沙整体上表现为向岸运移;(2)N030剖面平均海平面和平均低潮面位置的变化较大,风暴响应程度亦较强,但较N028而言,剖面变化为位置和形式不同,表现为MSL向岸蚀退,MLW向海淤近;(3)其他剖面的地形在台风前后也发生了轻微的变化,受风暴影响较小,后滨高度和岸线位置等均发生相应变化,但基本处于较稳定状态,变化幅度不大。

台风后滩面体积和高程变化来看(表2),剖面N028处因遭受破坏珊瑚礁坪狭窄,海滩沉积物体量小,表现为剖面上各个区带对风暴均有剧烈响应,其中滩面体积的总变化量为17.5 m3/m,最大高程变化达1.2 m,海滩剖面变化最为剧烈;N030剖面位于清澜湾湾口,剖面上各区带的滩面体积变化量大,但剖面总变化量不大,表现出风暴高能条件下海滩较强的自我调节能力。研究区所有7个剖面4个区带的滩面体积变化表现为Ⅰ、Ⅱ区变化较大,海滩变化整体位于MSL以上,风暴对研究区海滩后滨和前滨靠岸侧的影响较大。

从表1、表2和图3看出,研究区不同位置的海滩剖面变化差异明显,剖面N028的变化程度最大,剖面N030响应较为剧烈,剖面N025、N026、N027和N029变化较小,而剖面N031的地形在台风前后基本无变化,表现出良好的稳定性。

表1 剖面基本情况及台风前后形态变化Tab.1 Basic information of profiles and beach morphological change before and after the Typhoon Rammasun

表2 台风后滩面体积和高程变化测量结果Tab.2 Results of the volume and elevation changes on beach profiles after the Typhoon Rammasun

4.2台风前后海滩地貌变化特征

海滩对台风事件的响应可以引起海滩地貌形态的变化[11,26],结合台风前后海滩剖面变化(图3)和野外观测(图4),分析研究区风暴作用下岸线变化、后滨、滩面的地貌响应特征。

风暴引起的极端水动力条件会通常会导致岸线蚀退、滩肩变窄、在后滨侵蚀形成陡坎(图4b、4c),如N026和N027剖面;后滨高度是海滩剖面重要的特征参数[27—28],其变化是风暴对海滩地貌的主要改造表现之一,研究区7个剖面中除N025外,普遍表现为后滨因发生冲越而导致高度增加(图4a),其中剖面N028最为明显。研究区海滩风暴响应的另外一种地貌响应形式为沙坝迁移,是海滩增加耗能水平的常见行为,除剖面N027和N031以外,其他剖面在Ⅱ区(MHWS-MSL)均发生了沙坝的下蚀和向海迁移,其中剖面N030最具代表性(图3);另外,N031剖面由于其海滩宽缓发育、外侧礁坪宽阔(图1),在台风前后地貌基本无变化。

5 讨论

5.1滩面风暴响应与珊瑚礁分布

一次风暴引起的风暴增水及大浪波动力所造成的海滩冲淤量通常是正常海岸动力条件下数月的冲淤量[16,29-30]。这一方面取决于风暴诱发的水动力强度,另一方面则取决于海岸固有的动力地貌特征[11,31]。海滩-珊瑚礁系统中珊瑚礁起着重要的作用。

研究表明,海滩-珊瑚礁系统所独有的海岸环境特征在风暴等极端动力条件下对海滩具有更好的消波耗能作用,防止其遭受严重侵蚀。礁坪的宽度、高度决定了波浪能量耗散的多少,而珊瑚礁与海岸的距离则控制着海滩地形地貌变化的程度。宽阔的礁坪具有抗浪消能的作用,礁坪破坏后变窄后,沿岸水深增大,原礁坪带不再是波浪的消能带,因此对海滩产生侵蚀[32];礁顶高度降低1 m就意味着向岸波能增加10%,导致海滩滩面单宽输沙率增加0.9 m3/h[33-34]。本文研究区海岸面向开阔海域,风暴诱发的高能动力直接作用于海岸会带来海岸的剧烈响应,研究区珊瑚礁的发育构建了天然防波堤,给海滩带来了良好的保护作用,海滩系统未遭受破坏性影响。

剖面平均变化量(MPC)是衡量暴风响应强度的一种有效方法[25],在图5中可观察到研究区各剖面MPC值大小。研究结果表明,珊瑚礁分布特征的不同,会导致风暴响应强度的差异,珊瑚礁发育越好,响应强度越低。同时,随着沿岸珊瑚礁礁坪宽度和活珊瑚覆盖率的减少,珊瑚礁受破坏程度增大,海滩地形地貌变化有相应增大的趋势[32,35]。研究区所选海滩剖面均为砂质海滩,沉积物性质相近,以中、细砂为主,平均粒径为1.8~3.0Φ。铜鼓岭至东郊椰林岸段海滩潮下带布有长度约20 km的珊瑚礁坪,南北两端(剖面N025、N026、N029)活体珊瑚发育良好,总珊瑚覆盖率约30%,礁坪较宽达500~1 000 m,部分宽度超过1 000 m[18,21,36],但中部活体珊瑚发育少,礁坪人为破坏严重,尤其是N028剖面处,无活体造礁石珊瑚分布[21]。剖面N031处珊瑚岸礁发育,总珊瑚覆盖率为31.81%,礁坪宽度常达1 000~2 000 m,为全岛岸礁最宽的岸段[37],剖面N030位于清澜湾湾口,近岸无珊瑚礁发育。图5给出的MPC结果显示,剖面N028和N030的MPC值最大,分别为0.189 m和0.134 m,其值是其他剖面的3~6倍,即较其他剖面具有更明显的风暴响应强度,与珊瑚礁分布具有明显相关性。结合海图测图结果和前人研究来看[18,21],剖面N028处珊瑚礁坪窄,遭破坏严重,近岸坡度较陡,风暴期间波浪能量更强,海滩风暴响应明显,表现为沉积物向后滨运移,发生明显冲越;N030剖面和N031剖面基本情况和位置均相似,差别在于N030处无珊瑚礁发育,而N031处礁坪宽阔,在无珊瑚礁耗能的条件下,N030风暴响应剧烈,在台风作用过程中需要通过改变剖面形态来耗能消浪,表现为典型的沙坝向海迁移[38]。

图3 研究区海岸海滩风暴响应特征Fig.3 Characteristics of storm-effect on beaches in study area

图4 台风前后地貌景观Fig.4 Morphologic landscape before and after the Typhoon Rammasun

图5 各剖面的剖面平均变化量(MPC)Fig.5 MPC values of beach profiles

5.2海滩-珊瑚礁系统风暴响应模式

目前,关于珊瑚礁水动力环境的研究较为丰富[7,39—40],已经提出了较为完善的珊瑚礁海岸动力模型。然而,海滩-珊瑚礁系统的联动作用才是海滩风暴响应的关键。本文研究表明,海滩-珊瑚礁系统中海滩风暴响应特征受控于海滩固有的缓冲能力和珊瑚礁对海岸能量的消耗能力。基于这两方面因素,本文将海滩风暴响应模式分为4种,见表3。

6 结论

海滩-珊瑚礁系统是一种常见的海岸类型,在我国热带地区广泛发育,尤其是海南岛海岸。本文基于对海南铜鼓岭-高隆湾岸段的风暴响应特征研究,得出如下结论:

(1)研究区海滩的剖面形态响应最为剧烈的区带位于MSL以上的Ⅰ、Ⅱ区,在地貌上表现为后滨冲越和沙坝向海迁移,以及岸线蚀退、滩肩变窄、滩面侵蚀等响应特征。

表3 珊瑚礁-海滩系统海滩风暴响应模式Tab.3 Storm-response modes of beach-coral reef system

(2)在风暴作用下不同位置海滩的响应强度和响应特征各不相同,剖面N028的变化程度最大,剖面N030的响应较为剧烈,剖面N025、N026、N027和N029变化较小,而剖面N031的地形在台风前后基本无变化,表现出良好的稳定性。剖面N028和N030的MPC值大,表明珊瑚礁对相邻海滩具有良好保护作用,是影响海滩-珊瑚礁系统变化过程的重要因素。

(3)海滩-珊瑚礁系统对风暴的响应特征主要受珊瑚礁的发育程度和海滩沙量的多寡,即海滩-珊瑚礁系统中海滩风暴响应特征受控于珊瑚礁对海岸能量的消耗能力和海滩固有的缓冲能力。基于两者综合考虑,本文提出了珊瑚礁-海滩系统海滩风暴响应模式。

致谢:本项目部分野外数据由华东师范大学河口海岸学国家重点实验室陈沈良课题组支持,在此向各位参与野外调查的人员表示感谢!

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Study on storm-effects on beach-coral reef system—Taking the response of Qinglangang Coast on No.1409 Typhoon Rammasun as an example

Shao Chao1,Qi Hongshuai1,Cai Feng1,2,Chen Shenliang3
(1.Third Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Xiamen 361005,China;2.Island Research Center,State Oceanic Administration,Pingtan 350400,China;3.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai 200062,China)

Coral reefs distribute extensively along tropical coasts in China.The interactional behavior of beach-coral reef system is the key to understanding its morphodynamic process.Based on repeated field surveys before and after the Typhoon Rammasun,the paper discussed the storm-effects on beaches and its relationship with coral reefs along Tongguling-Gaolongwan coast in Hainan.The results showed that the most active zone during TyphoonRammasun was above MSL,which was characterized by backshore scarp,shoreline retreat,berm erosion and the reduction of beach face.The storm-effects on beaches are closely related to the condition of nearshore coral reefs.In the case of absence or destruction of coral reefs,the storm-effects on beaches significantly increased by 3-6 times Mean Profile Change(MPC)value.Coral reefs can provide effective protection for adjacent beach by mean of wave dissipation through reef flat.The characteristics of the storm-effects on beach-coral reef system are controlled by the wave dissipation of reefs and the sediment buffering of beaches.Four types of storm-response modes of beachcoral reef system were summarized.

beach-coral reef system;storm-effects;Typhoon Rammasun

邵超,戚洪帅,蔡锋,等.海滩-珊瑚礁系统风暴响应特征研究——以1409号台风“威马逊”对清澜港海岸影响为例[J].海洋学报,2016,38(2):121-130,

10.3969/j.issn.0253-4193.2016.02.012

Shao Chao,Qi Hongshuai,Cai Feng,et al.Study on storm-effects on beach-coral reef system—Taking the response of Qinglangang Coast on No.1409 Typhoon Rammasun as an example[J].Haiyang Xuebao,2016,38(2):121-130,

10.3969/j.issn.0253-4193.2016.02.012

P737.2

A

0253-4193(2016)02-0121-10

2015-06-07;

2015-08-04。

海洋公益性行业科研专项经费项目(201405037);国家自然科学基金项目(41106076,41306083)。

邵超(1990—),女,浙江省宁波市人,从事海岸动力地貌研究。E-mail:bukeneng711@126.com

蔡锋,男,研究员,主要从事海洋地质、海岸过程与海滩保护与管理研究。E-mail:fcai800@126.com

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