东海内陆架夏季台风与冬季寒潮沉积动力过程的差异——基于现场观测的认识

卢健，姜静波，李安春，马小川

1. 中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室，青岛 266071

2. 中国科学院海洋研究所海洋环流与波动重点实验室，青岛 266071

台风（热带气旋发生在西北太平洋称为台风，大西洋和北太平洋东部称为飓风，在本文中统一称为台风）是地球上最具破坏性的自然灾害之一，其严重威胁着沿海地区居民的人身和财产安全[1]。除了对社会经济造成危害外，台风还会对沿海地区的地形地貌、水文和生态环境等产生影响[2-7]。作为台风活动最为频繁的区域之一，每年有近1/3 的热带气旋发生在西北太平洋[8]。据统计，平均每年有4 个台风经过并影响我国东海[9]。近些年来，登陆我国东部沿海省份的强台风和超强台风造成了巨大的经济损失[10]。在过去的几十年中，影响东亚的台风强度增加了12%～15%，并且由于全球气候变化，影响这一区域的台风强度将进一步增加[11]。随着我国沿海地区人口的聚集和经济的发展，未来台风可能会在沿海省份造成更大的灾害，这对我们制定台风灾害应对措施提出了新的挑战。

在全球气候变暖的背景下，关于未来台风的发展变化，尤其是未来台风的发生频率会降低[12-14]还是会增加[15-16]，不同研究之间的认识并不一致。引起这一争议的主要原因是我们对台风长期的发展与演化机制的认识还不充分。台风器测记录只有近百年的时间，这限制了我们对于台风长周期变化的认识。因此，我们需要其他的方法来获取更长时间的台风活动记录，并从记录中辨识出台风的活动规律。从沉积记录中提取台风信息是重建器测记录之前台风活动的有效手段之一。通过沉积记录中台风信息的提取，可以了解数千年以来台风的发生频率和强度变化以及台风的活动规律[17-20]，结合其他气候指标可以进一步判别影响台风活动的因素，从而为预测未来台风的发展趋势提供帮助。相关研究可以为我国沿海地区的开发建设，台风灾害应急预案的制定，以及防灾减灾工作提供科学参考。

东海内陆架泥质区沉积环境相对稳定，沉积记录连续且具有较高的沉积速率[21-22]，是研究过去几千年来东海台风活动的理想区域。但是，其他极端事件，尤其是冬季寒潮大风的干扰，会影响台风事件沉积记录识别的准确性。台风与冬季寒潮沉积特征的辨识是东海内陆架泥质沉积用于台风活动准确重建的基础和难点之一。目前，为了解决这一问题，除了利用台风和冬季寒潮事件中沉积物矿物和地球化学等指标组成的不同，还可以根据这两种不同极端事件中沉积动力过程的现场观测数据的分析，来探讨二者的差异，帮助我们更加准确地识别台风事件的沉积记录并进行台风活动的历史重建。

1 研究区概况

东海内陆架泥质区主要是自中全新世以来由长江的大量入海悬浮物质沉积形成，冬季入海的悬浮物和其他季节入海的再悬浮物质被沿岸流携带着向南输运并沉积下来[23-26]。在全新世中期海平面达到高水位以后，大约30%的长江入海沉积物形成了从长江口至台湾海峡西南延展的长约1 000 km的楔形泥质体[21,27]。由于相对稳定的沉积环境和较高的沉积速率，东海内陆架泥质区是研究气候变化以及陆海相互作用的理想区域。东海悬浮体的输运受波浪、潮流、陆架环流和极端事件（如夏季台风和冬季寒潮）等影响[28]。东海内陆架泥质区南部的环流系统主要由东海沿岸流和台湾暖流所组成（图1）。受季风的影响，东海沿岸流在冬季向南流动，而在夏季向北流动。台湾暖流以温度和盐度较高而浊度较低为特征，全年向北流动[9]。东海易受到台风活动的影响，在2002—2011 年期间，大约有35 个台风经过东海，对海洋环境造成了影响[29]。虽然台风沉积会受到后期的改造作用，但是在沉积物供应充足和沉积速率较高的情况下，强台风等事件的沉积记录仍然可以保留下来[30]。已有利用东海内陆架泥质区沉积物岩芯记录重建过去150～2 000年以来台风活动的相关报道[19,31]。

与此同时，全校教师在相互影响之下，不断转变教学理念，逐步改变传统的课堂教学方式，创建“成功导学”的课堂教学模式，关注每一位学生的成长，让学生在课堂中学有所成，学有所乐。课堂中学生“抬头率”的提高和“趴桌率”的降低，证明了教师的教与学生的学在发生变化。这些理念的推行碰到了很多挫折与困难，但是全体师生紧密团结，在实践中不断探索，促进了学校、教师和学生的共同发展。

图1 四脚架站位分布图及结构示意图a： 四脚架站位分布图，绿色和蓝色阴影代表2015 年台风“苏迪罗”和“天鹅”中心距离四脚架最近时七级风圈的影响范围，台风路径数据引自网站http://typhoon.weather.com.cn/，红色等值线为东海楔形泥质体等厚图，修改自文献[21]；b： 2015 年夏季和2019 年冬季四脚架布放站位表层沉积物的粒度分布，修改自文献[33]；c： 四脚架结构示意图，修改自文献[7]。Fig.1 Distribution of the quadripod stations and its structurea: Distribution of the quadripod stations. Green and blue areas represent the influence range of the category 7 wind circle when the center of Typhoon Soudelor and Goni was closest to the quadripod. Data of the typhoons are from website http://typhoon.weather.com.cn/. The isopach map of the Yangtze River-derived sediment is modified from reference [21]; b: grain size distribution of surface sediments at the quadripod deployment stations in the summer of 2015 and the winter of 2019 (modified from reference [33]); c: structure schematic of the quadripod (modified from reference [7]).

2 数据来源与研究方法

本文研究所用数据是通过2015 年8 月6 日至9 月3 日（位置27°27.574′N、121°18.660′E，水深40 m）和2019 年11 月27 日至12 月9 日（位置29°11.867′N、122°22.036′E，水深27 m）布放在东海内陆架泥质区的四脚架观测系统所取得。四脚架结构示意图如图1 所示，长宽高尺寸分别为2.2m × 2m × 2m，为保证架体的稳定性，在四脚架底部配置了铅块。四脚架上搭载了姿态仪、水质仪、光学后反射仪（OBS）、仰视声学多普勒流速剖面仪（ADCP）和俯视多普勒海流剖面仪（PC-ADP）等仪器设备。姿态仪以30 min 间隔进行采样，记录四脚架的翻滚角和俯仰角等姿态变化。水质仪固定在四脚架的顶部，用来采集海水的温度和盐度等数据。OBS 传感器固定在距四脚架底部1.4 m 的位置。水质仪和OBS 设置采样间隔为30 min，每次测量1 min。ADCP 固定在四脚架顶部，工作频率为614.4 kHz，采样频率为2 Hz，采样间隔30 min，每次测量2 min，测量剖面分层单元为1 m。PC-ADP 固定在距四脚架底部1.7 m 的位置，工作频率为1.5 MHz，采样频率为2 Hz，采样间隔30 min，每次测量2 min，测量剖面分层单元为0.1 m。

四脚架记录了2015 年台风“天鹅”和2019 年冬季寒潮期间东海内陆架泥质区的近底层流速、悬浮体浓度、海水温度和盐度等数据（图5 和表2）。可以看出，2015 年8 月近底层海流流向以西北向和东南向交替变化，台风“天鹅”期间流速平均值为29.1 cm/s，最大流速55.2 cm/s；与6 号浮标记录的有效波高极大值相对应，在8 月9 日和8 月24 日附近悬浮体浓度突然增大，是由于台风“苏迪罗”及“天鹅”经过东海时所引起，悬浮体浓度平均值为

图2 四脚架观测期间俯仰角和翻滚角变化a： 2015 年台风“天鹅”期间， b： 2019 年冬季寒潮期间。橙色长方形区域为本文用于分析的数据。Fig.2 Changes in pitch and roll angles recorded by the quadripoda: During the Typhoon Goni in 2015,b: during winter cold waves in 2019.Data in the orange rectangular area were used in this study.

3 结果

3.1 近海浮标观测结果

中国近海观测网络东海站的6 号和20 号浮标分别记录了2015 年台风“天鹅”经过时以及2019 年冬季寒潮期间的风速、风向、波浪和海流等数据，其变化如图3 所示。6 号浮标记录的数据显示，风向以南风和北风为主，交替不规则变化，在8 月24 日风速达最大值，10 分钟平均风速最大达18.9 m/s，此段时间内风向主要为北风；在2015 年8 月9 日和8 月24 日有效波高出现显著的高值，其中8 月24 日有效波高最大达到4.5 m，有效波高的两个极高值分别由2015 年第13 号台风“苏迪罗（Soudelor）”和第15 号台风“天鹅”经过东海所引起。近底层流速主要受潮流的影响，在8 月24 日近底层流速突然增大，最大流速达78.3 cm/s。20 号浮标记录的数据显示，风向以北风为主，10 分钟平均风速最大可达18.0 m/s；海水温度总体呈下降趋势；在2019 年12 月6 日，有效波高出现最大值，为3.9 m，有效波高变化趋势与风速大小变化相一致；近底层流速反映出东海半日潮的影响，最大流速为68.6 cm/s；浊度仪记录了水面以下1.4 m 处的浊度数据，总体呈现高值与低值间隔变化，且浊度高值对应着近底层流速的低值。以6 级风，即风速大于10.8 m/s 作为冬季寒潮大风的划定标准[32]，统计了冬季寒潮期间20 号浮标的观测数据，并与台风“天鹅”距离浮标最近时6 号浮标的观测数据进行了比较（表1）。可以看出，台风经过时与冬季寒潮发生时，各观测指标的变化相似：有效波高出现显著高值，风向以北风为主，近底层流速增大。但是，台风的强度要大于冬季寒潮，如台风期间有效波高（平均值3.0 m）大于冬季寒潮时的数值（平均值2.2 m），台风期间近底层流速平均值（42.0 cm/s）是冬季寒潮时（19.2 cm/s）的2 倍多，台风期间近底层海流平均流向为西南方向，而冬季寒潮期间近底层海流平均流向为东南方向。东海泥质区表层沉积物的起动流速临界值约为41.6 cm/s[7]，在台风经过时及台风经过后一段时间内，近底层的流速明显高于该临界值，可以引起沉积物的再悬浮，而冬季寒潮期间，近底层流速大于该临界值的时刻较少（图3）。

表1 东海站6 号和20 号浮标分别在2015 年台风“天鹅”和2019 年冬季寒潮期间的观测数据Table 1 Observation data of buoys No. 6 and No. 20 in the East China Sea during Typhoon Goni in 2015 and winter cold waves in 2019,respectively

图3 东海站6 号和20 号近海浮标观测数据蓝色阴影代表台风“天鹅”中心距离四脚架最近的时期。Fig.3 Observation data recorded by offshore buoys No. 6 and No. 20 in the East China SeaBlue shade represents the period when the center of Typhoon Goni was closest to the quadripod.

3.2 四脚架观测结果

魔芋是一种半阴性植物，喜欢阴暗潮湿，怕高温、寒冷及水涝。在亚热带湿润季风气候区、低纬度和高海拔地区最适合其生长，因为这些地区气候温和、日照充足、雨量充沛、土地肥沃且湿度较高。Y市属于亚热带湿润季风气候，自然条件得天独厚，正是魔芋的理想种植地［1］。

利用四脚架布放站位表层沉积物配制的多浓度悬浊液，在实验室里对OBS 浊度数据进行了标定，获得了浊度和悬浮体浓度之间的关系式（图4），进而将所得浊度值换算为悬浮体浓度值。

图4 OBS 浊度与悬浮体浓度室内标定结果Fig.4 Laboratory calibration curve of OBS turbidity with suspended sediment concentration

在2015 年观测期间，第15 号台风“天鹅（Goni）”经过东海，8 月24 日台风中心距离四脚架最近，最大风速达到52 m/s，台风七级风圈的影响范围到达四脚架附近海域（图1）。四脚架姿态仪记录的俯仰角和翻滚角的变化显示，在2015 年8 月31 日后，俯仰角和翻滚角出现较大波动；2019 年11 月28 日之前，俯仰角发生突变（图2）。为了便于比较，本文仅选取了四脚架姿态稳定时期的数据，即2015 年8 月6 日14:30 至8 月31 日17:30，2019年11 月28 日10:00 至12 月9 日15:00 期间采集的数据。由于2015 年8 月6 日之前PC-ADP 距离海底仅70 cm 左右[7]，8 月6 日后四脚架的翻滚角又出现了近30°的变化，PC-ADP 与海底距离进一步缩短，影响了数据的采集，因此，本文仅采用ADCP 近底层的流速流向进行了分析与讨论。作为补充信息，我们参考了中国近海观测网络东海站6 号和20 号浮标（图1）对应于四脚架观测期间采集的风速、风向、波浪、海流和浊度等数据（数据由中国科学院海洋研究所海洋大数据中心提供，http://msdc.qdio.ac.cn/）。

传感器检查是电控系统出现故障后，需要检修人员进行操作的关键环节，由于在实际生产和运行过程中，系统故障发生率较高，因此，施工人员应加强对各个环节的综合控制，故障发生后，必须立即停止工作，并进行相应的检修和维护。

表2 四脚架在2015 年台风“天鹅”和2019 年冬季寒潮期间的观测数据Table 2 Observation data of quadripod during Typhoon Goni in 2015 and winter cold waves in 2019

图5 四脚架记录的2015 年台风“天鹅”和2019 年冬季寒潮期间的流速、悬浮体浓度、温度、盐度以及近底层沿岸方向和垂直岸线方向的流速风速和风向为东海站6 号及20 号观测浮标的记录。Fig.5 Current, suspended sediment concentration, seawater temperature, salinity, along-shelf and across-shelf current velocity at nearbottom layer during the Typhoon Goni in 2015 and winter cold waves in 2019 recorded by the quadripodWind speed and direction were recorded by offshore buoys No. 6 and No. 20 in the East China Sea.

除了海底沉积物再悬浮和长江入海物质输入引起物源组成的不同外，在东海内陆架泥质区向海一侧的边缘位置，由于台风和冬季寒潮期间近底层海流流向的差异，也可以引起两种事件沉积组成上的差别。从四脚架记录的近底层流速玫瑰图分布（图6）可以看出，2015 年台风“天鹅”期间，近底层流向以向西北和向东为主，即以向岸和离岸方向为主；而2019 年冬季寒潮期间，近底层流向以向西南为主，即以沿岸向南方向为主。由于台风路径、强度以及持续时间的不同，各台风对相同地点的影响会有所差别。例如在本研究中，台风“天鹅”的行进路线距离四脚架观测位置较远，记录到的近底层流速最大值为55.2 cm/s；而2015 年台风“灿鸿”经过东海时，由于行进路线距离四脚架观测位置较近，记录到的近底层流速最大值可以达到152.0 cm/s[7]。在东海的外陆架分布着形成于晚更新世的残留砂[37]，砂-粉砂-黏土的混合区呈条带状分布在东海泥质区和残留区之间[38]。现场观测结果显示，2013 年台风“丹娜丝”经过东海时，可以影响到水深110 m 处的残留区，表层沉积物发生再悬浮[39]。2017 年台风“泰利”前后获取的表层沉积物的粒度组成变化显示，台风可以促进东海内陆架泥质区与残留区之间的物质交换，残留区的砂等粗颗粒物质可以被携带至泥质区的边缘沉积下来，粗颗粒的粒径最大可以达到212 μm[33]。长江口外泥质区边缘的一根岩芯的沉积记录显示，岩芯中砂层的黏土矿物、化学元素比值以及磁化率等组成，尤其是砂层中破碎的贝壳和磨蚀严重的有孔虫壳体，均指示了砂层物质来自残留区，在排除了洪水和冬季寒潮的影响后，该岩芯中的砂层代表了台风事件的沉积记录，且在2003 年前台风发生频率与ENSO 之间存在着联系[40]。本研究中四脚架记录的近底层流向也证明了长江口外泥质区边缘岩芯的砂层主要是台风期间来自残留区，而冬季寒潮期间残留区物质无法到达泥质区边缘。东海陆架悬浮体向深海的运移具有“夏储冬输”的输运格局[41-42]，长江入海沉积物中的粗颗粒由于搬运距离较远，无法到达东海内陆架泥质区向海一侧的边缘，因此在泥质区边缘沉积记录中的砂层代表了大部分的台风事件沉积。我们可以在东海内陆架泥质区边缘采集较长的沉积物岩芯，根据沉积记录中砂层的分布特征，判别台风活动的发展规律，例如，在全新世暖期和冷期台风的发生频率如何变化，从而为预测未来台风的发展趋势提供科学参考。

由于2019 年冬季航次调查船的船时安排及天气原因，四脚架并未布放在与2015 年夏季相同的站位上。根据文献[33]中的粒度数据，我们比较了2015 年夏季与2019 年冬季四脚架布放站位表层沉积物的粒度组成，可以发现：2015 年夏季，沉积物由粉砂（93.7%）和黏土（6.3%）组成，平均粒径为17.2 μm；2019 年冬季，沉积物由粉砂（92.5%）和黏土（7.5%）组成，平均粒径为15.8 μm，两个航次四脚架布放地点的沉积物粒度组成十分相似（图1）。因此，底质类型的差异对开展台风和冬季寒潮沉积动力过程对比研究的影响较小。

4 讨论

长江入海悬浮物主要由长江冲淡水携带并向东海输运。通常情况下，长江冲淡水在夏季指向东北方向[9]，大约70%的长江入海物质堆积在河口附近[21]，而对远离河口区域的悬浮体分布影响极小[36]。所以，在2015 年8 月四脚架记录的高浓度悬浮体并不是直接由长江入海物质所引起。台风经过时引起的涌浪会搅动海底沉积物，未固结的沉积物会发生再悬浮并被海流输运至周围海域。2015 年台风“灿鸿”经过东海时，近底层流速与悬浮体浓度之间较高的相关性证明高浓度悬浮体主要来自海底沉积物的再悬浮[7]。在冬季，长江冲淡水温度较低，且一般沿岸向南输运[9]。20 号浮标记录的水下1.4 m处的浊度高值对应于近底层流速的低值，且与海水温度的低值相对应，证明高浊度主要由长江入海物质所引起（图3）。2019 年冬季四脚架记录的近海底悬浮体浓度高值也对应着海水温度和盐度的低值（图5），说明主要是由长江入海物质导致了高浓度悬浮体的发生。事件沉积物质来源的差异，为从沉积记录中区分台风与冬季寒潮事件提供了可能性。

在东海内陆架泥质区，台风和冬季寒潮相关的沉积动力过程有一定的相似性，同时也存在着明显的差异，我们需要进一步了解二者的差异及可能在沉积记录中的不同，从而为在东海内陆架泥质区及其他海域准确识别台风事件提供科学依据。

606.6 mg/L，最大值可以达到1 691.9 mg/L；海水温度在台风经过时短暂降低，之后温度升高；沿岸方向的海流分量在台风“天鹅”经过时以东北方向为主。2019 年11—12 月近底层海流流向以西南方向为主，冬季寒潮期间流速平均值为29.3 cm/s，最大流速64.7 cm/s；2019 年11 月28 日18:00 以及2019年11 月30 日23:00 悬浮体浓度出现最大值，为1 780.9 mg/L，但是通过比较近底层ADCP 后向散射回声强度，发现这两个时刻对应的回声强度值并未出现极大值，因此，这两个悬浮体浓度异常高值可能是由其他因素（如生物扰动）引起，而不能代表真实值，在图5 中我们将这两个异常值的峰用虚线表示，去除异常值后悬浮体浓度平均值为149.8 mg/L，悬浮体高值的分布与近底层流速高值的变化并不一致；近底层海水温度呈逐渐降低的趋势，海水盐度呈逐渐升高趋势，盐度与温度的低值和高值一一对应；沿岸方向的海流分量以西南方向为主。通过比较可以发现，在台风和冬季寒潮期间，近底层流速的平均值相接近，但是近底层流速大于起动流速临界值的时刻台风经过时要多于冬季寒潮时期；台风期间悬浮体浓度的最大值是冬季寒潮时期的2 倍多，台风期间悬浮体浓度的平均值要明显高于冬季寒潮时期，台风引起的悬浮体浓度升高持续时间要明显长于冬季寒潮时期，这与东海台风引起悬浮体浓度升高可以持续5～14 天的观测结果相一致[7, 34-35]。

“以督促创”——强力度提升文明创建效力。始终坚持“一把手”工程，继续针对环境短板、管理短板、素质短板和制度短板，完善创建领导机制、协作机制、考核机制、参与机制等，持续推进精神文明建设工作。市文明委与各镇街（园区）和14个重点部门签订了创建“四连冠”责任书，制定下发《日常文明创建督导工作方案和考核问责办法》，实行三重立体督导。2017年5至12月份，开展了月度督导7轮，共召开督导反馈会230多场，督促整改问题事项1000多项。全面启用文明创建年终考评新标准，将文明创建财政投入、队伍架构、品牌打造、日常工作等常态指标纳入年终考评，探索制定日常创建奖惩办法。

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图6 2015 年台风“天鹅”和2019 年冬季寒潮期间四脚架记录的近底层流速玫瑰图Fig.6 Rose histograms of near-bottom currents recorded by the quadripod during the Typhoon Goni in 2015 and winter cold waves in 2019

5 结论与展望

5.1 结论

（1）台风与冬季寒潮在风向、增大有效波高和近底层流速上具有一定的相似性，但是台风的强度更大，更容易引起近底层沉积物的再悬浮。

（2）台风经过时，高浓度悬浮体主要来自海底沉积物的再悬浮，且台风过后高浓度悬浮体会维持较长的时间，而冬季寒潮期间高浓度悬浮体与长江入海物质的输入相关。

（3）由于台风和冬季寒潮近底层海流流向的差异，在东海内陆架泥质区向海一侧的边缘，其沉积记录中的砂层更可能代表了台风事件沉积，可以作为全新世台风活动记录研究的良好载体。

5.2 研究展望

台风和冬季寒潮期间高浓度悬浮体的来源不同，台风期间高浓度悬浮体会受到浙闽沿岸沉积物再悬浮物质的影响，而冬季寒潮期间高浓度悬浮体主要来自长江入海沉积物，这为识别两种不同极端事件提供了可能。由于长江入海沉积物与浙闽沿岸沉积物黏土矿物组成的差异[25]，台风后及冬季寒潮期间海水悬浮体颗粒有机碳δ13C 值的差别[6,43]，以及底层海水缺氧区变化[6]引起的沉积物氧化还原敏感元素组成的差别，可以在后续研究中用来尝试区分台风与冬季寒潮事件沉积。从东海内陆架泥质区沉积记录中更准确地提取台风信息，可以为预测未来台风的发展趋势提供科学参考，从而为我国沿海地区的开发建设以及台风灾害应急预案的制定提供帮助。

致谢：感谢中国科学院海洋研究所“科学三号”和“创新二号”全体船员在航次中的帮助。感谢中国科学院海洋研究所海洋大数据中心提供的数据，感谢东海海洋观测研究站的数据支撑。