百年尺度東海內陸架風暴事件重建：器測記錄與沉積記錄耦合

上（大于等于51 m/s）是超強臺風。為了敘述方便，本文將近中心風力大于等于8級的熱帶氣旋泛稱為臺風。

臺風過境會引起大量降水和超警戒高潮位，海水漫溢堤壩、淹沒沿海陸地，對沿海地區的生命財產造成很大的威脅。今后，需要在調整區域發展規劃的同時，提高應對未來極端事件的能力。其中一項重要措施是提高海岸防護標準，而建設經濟有效的海岸防護標準需要根據臺風等極端事件的頻率-強度關系來確定。災害的強度和頻率問題，是一個統計學問題。人類只有一兩百年的氣象觀測記錄，中國的觀測記錄更少，在1950年之后才有全國性的系統觀測。通過六七十年的器測記錄，最多只能給出百年或兩百年一遇的災害強度。全球的海平面將持續上升，極端事件的強度和頻率可能增加[3]，這就為臺風災害的防護標準研究提出了挑戰。回應這個挑戰的一個解決思路，是從沉積物中尋找臺風記錄。沉積記錄的時間跨度大，可能留下更強的臺風記錄，這樣的記錄有助于科學確定海岸防護標準。因此，我們設計了如下研究方案：首先，以器測氣象記錄為鏡，根據臺風沉積研究和放射性同位素定年方法，尋找與氣象觀測同期的沉積物中留下的臺風事件沉積，定量分析二者之間的關系（怎樣的臺風留下了沉積記錄）；其次，根據定量關系，回溯到200年的尺度，分析沉積記錄反演的臺風序列與替代性的臺風歷史文獻記錄（比如《中國氣象大典·浙江卷》[1]中記載的成災臺風）是否一致。通過這樣的研究，試圖走出從沉積記錄中反演和擴展臺風時間序列的第一步。

風暴沉積研究始于20世紀60年代，在泥質海岸和陸架，風暴沉積主要具有以下幾種特征：（1）粗（風暴層序）與細（正常層序）沉積互層；（2）具有清晰的侵蝕面；（3）風暴浪造成的波狀起伏的交錯層理[4]。中國東部陸架是世界上最寬的陸架之一，受大河影響顯著，沉積物供應豐富，自全新世海平面上升以來，形成了許多的沉積體系[5]。東海內陸架泥質區沉積環境相對穩定，沉積物的連續性好，沉積速率較高，這些為建立高分辨率的臺風沉積記錄提供了充足的條件[6]。

2 研究區概況

浙江海域的大陸海岸線綿長，全長2 200 km。東海大陸架坡度較緩，年均水溫在20～24℃之間，營養鹽含量較為豐富，近海的沉積速率約為0.91～1.19 cm/a，沉積速率高，呈現自北向南逐步減小的趨勢[7]。浙江海域常年遭受臺風侵襲。1950-2009年期間，臺風登陸浙江次數最多的地區為溫嶺市，共6次[8]。

所選研究地點靠近浙江省溫嶺市（圖1），處于浙閩泥質沉積帶，受浙閩沿岸流和臺灣暖流影響顯著[9]，夏季沿岸流因東南季風盛行向北，物源主要是長江入海沉積物[10]。

圖 1 研究區域和采樣位置Fig. 1 The study area and sampling location

3 材料與方法

3.1 沉積樣的采集處理

3.1.1 樣品的采集與前處理

2018年5月，租用漁船“蘇如漁運08327”號在浙江岸外使用重力采樣器采集1根2 m短柱樣J1（28°14′50″N，121°51′52″E），取樣地水深約 20 m。該柱樣巖芯呈黃褐色，主要由粉砂構成，夾少量黑灰色粗粉砂質或細砂質條帶。

將樣品冷凍保存，帶回實驗室后使用巖芯切割機縱向剖開，拍照，描述巖心沉積特征。對其中半根柱樣進行XRF地球化學元素掃描分析，后將其按照1 cm間隔進行分樣，放入相應編號的塑料樣品袋中，室溫保存。

3.1.2 地球化學元素掃描

使用Avaatech公司生產的XRF（X射線熒光光譜儀）進行地球化學元素的掃描，儀器設置參數如下：電壓依次設定為 10 kV、30 kV、50 kV，電流為 500 μA，時間為10 s，掃描步長為5 mm。最終獲得Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ti、Cr、Mn、Fe、Rh、Cu、Zn、Ga、Br、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Pb、Bi、Ag、Cd、Sn、Te、Ba共29種元素的掃描數據。本項工作在廈門大學近海海洋環境科學國家重點實驗室完成。

3.1.3 粒度分析

巖心以1 cm間隔進行分樣，共200個子樣，全部進行粒度分析。先取適量樣品，加入濃度為0.5 mol/L的六偏磷酸鈉溶液并靜置12 h，使樣品充分分散。放入英國Malvern公司生產的Mastersizer 2000型激光粒度儀，超聲振蕩7 s使其分散后測試其粒度數據。該儀器的粒徑測量范圍是0.02～2 000 μm，進行重復測試，控制相對誤差在2%以內。本項工作在南京大學海岸與海島開發教育部重點實驗室完成。

對粒度分析結果以（1/4）Φ間隔分組，采用矩法公式[11]計算粒度參數，包括平均粒徑、分選系數、偏度和峰度。

3.1.4210Pb測年

針對現代沉積速率問題，以210Pb法為代表的放射性同位素定年得到廣泛的應用；該方法最初使用在冰芯和湖泊沉積等穩定、連續、擾動少的環境，后來逐漸拓展到海灣、河口、陸架環境。雖然東海的臺風頻發，但是210Pb定年法主要是得到百年尺度的平均沉積速率，可以認為它濾去了年際的沉積速率波動，能夠確定大致的年代框架。這一方法在東海泥質沉積區有較多成功的研究案例[10,12-14]。

在巖心上部110 cm共取16個子樣，放入烘箱在40℃條件下低溫烘干。將烘干的樣品研磨、過100目篩，稱取一定體積的樣品放入樣品管密閉靜置20 d左右，使樣品中的222Rn與226Ra達到平衡狀態，最后放入井型超低本底高純鍺Gamma能譜儀（型號GSW275L，生產廠家為美國Canberra公司）進行放射性活度檢測。本項工作在華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室完成。

采用恒定比活度模式—CIC（Constant Initial Concentration）模式[15]計算巖心沉積速率。根據下列公式計算沉積物某層的沉積年代(t)和沉積速率(SR，單位：cm/a)：

式中，t為某一深度x（單位：cm）的年齡；λ為210Pb的衰變常數（取0.031 14 a-1）；r是沉積物的堆積速率（單位：g/(cm2·a)）；C是沉積物中210Pbex的過剩比活度（單位：Bq/kg）；F是210Pbex從水體到沉積物的輸運速率（通量）（單位：Bq/（cm2·a））。

3.2 氣象觀測記錄的收集與處理

3.2.1 資料來源

判定臺風影響的標準是臺風在該區域期間總雨量是否大于50 mm或者臺風的最大風力等級是否大于等于8級[16]。在日本國家信息中心數字臺風網（http://agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/search_geo.html.en）和浙江省水利廳臺風路徑網（http://typhoon.zjwater.gov.cn/default.aspx###）上獲得1950-2018年間影響J1臺風的器測數據，包括臺風中心氣壓、臺風移動路徑、各站點臺風最大風速以及臺風形成、消亡時間。將所得數據篩選分析，若相鄰臺風出現的時間接近則合并為一次，若臺風的最大風速小于8級則剔除。

3.2.2 臺風影響的參數

由于影響J1的臺風風速無法直接獲得，本文通過相關參數進行擬合計算得出，如臺風中心氣壓、臺風中心移動速度、最大風速半徑等。用來計算最大風速半徑的方法主要有兩種：MEF經驗公式[17]和MGCG公式（根據臺風7級、10級風圈半徑進行計算）。我國氣象站臺僅記錄了2002年至今臺風的7級和10級風圈半徑，缺少1950-2001年期間臺風的7級和10級風圈數據，為了計算的統一，本文選用MEF經驗公式，即利用下式來計算最大風速半徑（R），

式中，p是臺風中心氣壓(單位：mPa)；l是臺風中心所在的緯度。

得到最大風速半徑之后，可以采用Jelesinanski[18]提出的風場模型，計算J1點的風速（），即

式中，k是臺風中心距離觀測點的距離（單位：km）；V是臺風中心移動速度（單位：m/s）。

4 結果

4.1 事件沉積代用指標結果

4.1.1 粒度特征

J1的粒度組分與粒度參數如圖2所示。根據Folk等[19]提出的沉積物分類方法，除了180 cm處為砂質粉砂，其他層序均為粉砂。平均粒徑在7.5～16 μm之間，平均值為11.5 μm。分選系數在1.3～1.8之間，平均值為1.6，分選較差。偏態在0.3～0.6之間，平均值為0.5，屬于正偏。峰態在0.8～1.4之間，平均值為1.2，屬于中等。有 16個層位（23 cm、28 cm、34 cm、51 cm、57 cm、59 cm、71 cm、80 cm、84 cm、93 cm、110 cm、118 cm、131 cm、140 cm、144 cm、180 cm）的平均粒徑出現極大值，分選系數也均變大，峰態與偏態均出現極小的峰值，黏土含量減小，砂和粉砂含量均增加。

4.1.2 地球化學元素

通過XRF掃描得共29種地球化學元素，選取了Fe、Al、K、Sr、Ca、Zr、Rb、Si共 8種與沉積物粒度變化密切相關的元素進行分析[20]，其元素含量隨深度的變化曲線如圖3所示。

圖 2 J1沉積物粒度組分與粒度參數垂向分布Fig. 2 Vertical distribution of grain size composition and grain size parameters of Core J1

圖 3 J1中與粒度相關的8種單元素含量垂直分布Fig. 3 Vertical distributions of the content of 8 single elements from Core J1

Fe、Al、K、Ca、Rb、Si元素含量的總體波動趨勢較為相近，均在14個層位（22 cm、28 cm、52 cm、65 cm、77 cm、80 cm、93 cm、103 cm、110 cm、118 cm、131 cm、140 cm、144 cm、180 cm）出現極小值，而Sr、Zr兩種元素含量的變化趨勢則與之相反，在上述14個層位出現極大值。上述層位的樣品顏色也較深，明顯區別于其他層序，這表明沉積環境可能發生了變化。40 cm層位的子樣出現掃描數據缺失的現象，可能是由于沉積條件的改變所致。

4.1.3210Pb測年結果

柱狀樣J1的總210Pb比活度、226Ra比活度以及210Pbex比活度垂直分布曲線如圖4所示。總210Pb比活度隨著深度增加振蕩下降，到100 cm處時基本達到穩定。226Ra的比活度在垂直方向上較為穩定，在90 cm處開始增加，與總210Pb比活度在95 cm處形成交叉，因此判斷總210Pb比活度在100 cm處達到本底值。

圖 4 J1柱樣總210Pb比活度、226Ra比活度以及210Pbex比活度的垂直分布Fig. 4 Vertical distributions of total 210Pb activity, 226Ra activity and 210Pbex activity of Core J1

對210Pbex比活度和深度進行線性擬合，擬合曲線的相關系數為0.83，擬合結果良好，計算出J1的沉積速率為1.1 cm/a。劉升發等[12]測得東海內陸架泥質區的平均沉積速率為1.9 cm/a，李軍等[13]計算浙閩沿岸泥質區的沉積速率為0.8～2.0 cm/a，Jia等[21]計算該區域沉積速率為1.0～1.5 cm/a，可知本研究所測J1的沉積速率結果與該區域已有測試和研究結果非常一致。

柱樣表層的采樣時間為2018年5月，根據沉積速率進行推算，柱樣J1的沉積時間為1836-2018年。沉積物的210Pbex比活度在21～33 cm、52～61 cm以及70～80 cm處均有較大的波動，可能是由于沉積環境發生了較大的變化。

4.2 臺風的氣象觀測記錄

本文統計臺風是否影響J1的依據是臺風在J1附近的最大風力等級不小于8級[7]，統計結果表明，在1950-2018年間共有43次器測臺風影響J1（圖5）。所有影響J1臺風的平均風力等級為10級，最大風力等級為15級，擬合的J1處平均最大風速為28 m/s。整體來看，自20世紀60年代起，影響J1的臺風數量顯著增加，進入21世紀之后，影響J1的臺風數量減少但臺風強度卻顯著增加。2000年之前影響J1的臺風頻率有著周期約10年的波動規律。

圖 5 1950-2019年影響J1的臺風最大風速（a）與頻率（b）Fig. 5 Maximum wind speeds (a) and frequencies (b) of typhoons affecting Core J1 from 1950 to 2019

5 討論

5.1 臺風沉積事件的識別和重建

正常情況下，東海內陸架區域沉積物粒度等特征主要受控于沿岸流的強度[9]，但在J1的部分層位，粒度等特征的顯著突變超出了沿岸流所能帶來的變化的閾值，能產生此類急劇變化的環境因素可能是極端水文事件[14,22]。浙閩沿岸地區極端水文事件主要為臺風、洪水事件。但長江洪水和錢塘江僅能影響其河口附近海域，浙閩沿岸較少記錄有洪水事件[14]。同時長江洪水很難在距離河口較遠的浙閩沿岸南部泥質區形成粗顆粒沉積[5]，而J1采樣位置與甌江和椒江河口也有相當的距離。因此，不失一般性，可以認為J1記錄的異常粗顆粒沉積主要與臺風事件有關。為進一步確定是否為臺風沉積，本文選取以下指標對臺風沉積事件進行進一步的識別。

（1）D90。D90是樣品的累計粒度分布數達到90%時所對應的粒徑，其物理意義是粒徑小于它的顆粒占90%。它可以直觀反映粗顆粒的變化，較大的D90（大于平均值作為閾值）可有效指示巖芯中異常粗顆粒沉積事件。（2）Zr/Fe。二氧化硅、鋁硅酸鹽、鋯石等抗風化力較強的成分通常富集于較粗的砂層沉積物中，而Fe一般富集在較細的顆粒中[23]，Zr/Fe也可有效指示沉積序列中粒度粗化層位。（3）Sr/Al。Sr常常作為海源性元素，富集于含有貝殼碎屑和鈣質微生物等海洋粗顆粒碎屑沉積物中，Al一般富集在較細的顆粒中[23]，較大的Sr/Al可幫助識別風暴事件[24-25]。（4）Ca。因Sr和Ca元素具有親緣性，Sr的峰值有可能指示原地生長的生物殼類碎屑，為此本文同時引入Ca元素峰值變化并結合粒度和Zr/Fe比值分析，以進一步闡明Sr峰值沉積物是否為風暴事件沉積。

根據以上指標建立臺風沉積事件識別程序（圖6）。

圖7的淺灰色區域展示了異常層序，多因素指標均指向風暴的發生，共判別出25個異常的層序，即沉積記錄中可識別出25次臺風事件（標號為S序列）。需要注意的是S15、S16、S23層序，盡管Zr/Fe和Sr/Al并未出現明顯峰值，但是粒度變大且相同層位Si出現較大峰值（圖3），由此可判斷是由石英等粗顆粒沉積物組成的風暴沉積。另有兩層深灰色區域（標號為N系列）判別為非風暴沉積，這是因為N1、N2層位中粒度指標和Ca同時出現較大值，而Zr/Fe無明顯峰值變化，推斷這兩層沉積物是由貝殼、生物碎屑等較粗顆粒組成的沉積，碎屑來源為原地生物殼類碎屑沉積，而非風暴來源。

圖 6 臺風沉積事件識別標準判斷圖Fig. 6 A flow chart for identifying typhoon events in sedimentary records

圖 7 J1的多指標臺風層序識別Fig. 7 Multi-indexes typhoon sequence identification of Core J1

由于2000-2018年未有臺風的沉積記錄保存下來，對1950-2000年的數據進行分析，將影響J1器測臺風的數量看作因變量，將識別出臺風沉積事件的數量、距離2000年的年份兩個參數看作自變量，對表1的數據進行擬合計算，得到公式（6），相關系數為0.99，建立因變量與自變量之間的關系。

式中，y表示影響J1器測臺風的數量； x1表示距離2000年的時間；x2表示沉積記錄中識別出臺風事件的數量。

1950-2000年影響J1的臺風共33次（表1），同期影響浙江的臺風（進入 25°～32°N，115°～125°E）數量是173次[8]，可以認為影響浙江的臺風數量是影響J1數量的5倍左右。J1柱樣共識別出25次臺風記錄，根據沉積速率估算柱樣底部是1836年，通過公式（6）計算出1836-1950年影響J1的臺風為70次；假設沉積環境和海氣系統在過去的100多年中基本穩定，可以推算出1836-1950年影響浙江的臺風約350次。氣象資料統計顯示，浙江成災的臺風占影響浙江臺風總數的43.3%[1]，可以推算出1836-1950年浙江成災的臺風約150次；同期（1836-1950年）歷史資料《中國氣象災害大典·浙江卷》記載的浙江成災的臺風記錄共90次[1]。這表明了歷史文獻中1950年之前的臺風記錄可能存在部分缺失。

表 1 1950-2000年相關參數數據Table 1 Relevant parameter data from 1950 to 2000

圖 8 1950年以來有器測記錄時期J1（0～100 cm深度）的多指標臺風層序識別圖Fig. 8 Multi-index typhoon deposits identified during meteorological observation period in Core J1 (0-100 cm)

5.2 器測記錄與沉積記錄的對比分析

1950年以來中國有系統的臺風觀測記錄，這段時間對應的沉積記錄位于J1柱樣上部76 cm，因此先討論這一段巖芯中保存的臺風記錄情況。從圖7可以看出，巖芯20 cm、23 cm、28 cm、32 cm、34 cm、44 cm、47 cm、51 cm、57 cm、59 cm等10個層位的D90出現較大的峰值（超過平均值），表明這些層位的粒度顯著增大，樣品在這些層序的顏色加深，出現侵蝕面，元素 Fe、Ti、K、Ca、Rb、Si的含量減小，元素 Zr、Sr的含量增大，綜合起來可認定為臺風層序（圖2）。根據沉積速率可將這些層位的年代推算出來，再根據年代與影響J1的器測臺風建立聯系，可以得到1950-2018年之間共有10次臺風的器測記錄與沉積記錄吻合（圖8），10次臺風的相關參數見表2。

這10次臺風的最大風速平均為28 m/s（圖9），頻率分布較為均勻。

如果以1950-2018年影響J1的43次器測臺風記錄為基數，則J1的臺風沉積記錄的保存潛力為23%（10/43）。不過，雖然2000-2018年器測臺風的頻率和強度都大大增加[8]，而同期的沉積記錄（即J1上段0～20 cm）的平均粒徑非常穩定，無風暴記錄被保存識別。因此，1950-2000年間J1沉積記錄中共識別出10次臺風，而這個時間段內有33次臺風影響J1；換言之，J1的臺風沉積保存潛力應該約為30%（10/33）。考慮到部分風暴層位對應年份發生多次強臺風事件（圖8），說明該風暴層位可能是多次臺風作用的結果，可以認為J1的沉積記錄對于臺風事件的保存潛力約為30%。

J1上段20 cm沒有記錄臺風事件，分析其原因，可能與海輪和航運等人類活動有關。J1位于浙江沿岸重要航路—東航路附近[26]。進入21世紀以來，我國的港口迎來飛速的發展與增長，外貿出口額和沿海港口建設投資的增長速度大大加快，1999年浙江港口貨物的總吞吐量為1.4億t，2017年總吞吐量已增長至12.6億t，使得J1所處航道線上通行的船只數量及吞吐量飛速增長。已知20 000 t排水量船只的吃水深度大約在10 m左右[27]，而J1采樣點的水深在20 m左右，船只的通航易造成海底表層沉積的攪動。大量巨輪通航增加，伴隨夏季頻繁發生的更高能的臺風，可能快速沖刷了剛形成不久的沉積層序。210Pbex在10～20 cm之間雖然衰減，但在0～10 cm處增大，20～30 cm處出現了異常的增加，這表明0～20 cm層位沉積環境并不穩定，有上下層位擾動現象。結合夏季頻繁發生的臺風，船舶擾動層位的厚度大約是0～20 cm。也許能解釋210Pbex剖面在表層0～20 cm（對應1996-2018年）出現極大的擾動，從而沒有留下過去20年的臺風沉積記錄。

通過沉積記錄反演歷史臺風，其分辨率（臺風發生的次數）及頻率分布并非百分之百的復刻，沉積記錄可被高能的臺風事件、船只通航造成的擾動抹除，因此往往不能從沉積記錄百分之百的反演器測臺風事件。同時，登陸浙閩的臺風其保存潛力更大。

表 2 1950-2018年在J1沉積記錄中識別出的10次臺風的相關參數Table 2 Parameters of 10 typhoons identified in Core J1 from 1950 to 2018

圖 9 1950-2018年影響J1的臺風強度Fig. 9 The typhoon intensity affecting Core J1 from 1950 to 2018

5.3 沉積記錄中保存的臺風分析

從J1的沉積記錄中分析得到，1950-2018年間有10次事件沉積記錄；它們的年齡可由210Pb法推算，對應年份都有影響J1的臺風氣象記錄，二者的對比列于表2。

朱業等[8]提出可將1950-2009年影響浙江的熱帶氣旋的路徑分為5種（圖1）：Ⅰ型是在125°E以東、140°E以西轉向的熱帶氣旋；II型是在125°E以西轉向的熱帶氣旋；III型是在浙江、上海、江蘇登陸又或是在近海處消失的熱帶氣旋； IV型是登陸福建或在臺灣海峽消失的熱帶氣旋；V型是前往廣東、海南的熱帶氣旋。其中，出現頻次由多到少依次是：IV型（31.8%）、II型（22.3%）、V 型（21.7%）、III型（15.3%）、Ⅰ型（8.9%）。

1950-2018年，沉積記錄中識別出的10次臺風有7次臺風都是在浙江登陸的III型臺風，依次是7209號Betty、7514號Doris、8707號Alex、8920號Vera、9219號Ted、9711號Winnie、0004號Kai-tak。此外還出現2次在福建登陸的IV型臺風6616號Alice，僅有1次II型臺風6405號Betty轉向日本（表2）。

影響浙江的臺風登陸地點主要集中于浙江省溫州市和臺州市，登陸時間集中于7-10月（表2）。另外，臺風在東海內陸架登陸最頻繁的3個地區分別為：浙江省臺州市、溫州市和福建省寧德市。這些地區的近海因頻受臺風影響，可能保存的臺風沉積記錄也更多。

6 結論

本文通過對浙江海域采集的柱樣J1的粒度與地球化學元素分析，根據D90、Sr/Al、Zr/Rb、Ca等指標建立了浙閩泥區的臺風判定程序，整根柱樣（2 m）共有25次臺風事件沉積可識別出來。

通過210Pb測年法，計算得J1的沉積速率為1.1 cm/a，推算J1的沉積年份為1836-2018年。根據年代將沉積記錄與影響J1的器測臺風建立聯系，其中與臺風器測時期（1950-2018年）記錄相吻合的臺風沉積記錄共10次。同期影響J1的臺風總數為33次，表明臺風在J1的沉積記錄中保存潛力約為30%。這10次臺風的平均風速約等于器測時期影響J1臺風的平均風速，幾乎都是登陸浙江和福建的臺風，說明登陸浙閩的臺風其保存潛力更大。

若建立時間跨度、臺風氣象觀測記錄數量、臺風沉積記錄數量與《中國氣象災害大典·浙江卷》記載的成災臺風數量等變量的模糊數學關系，可以認為，歷史文獻中1950年之前的臺風記錄可能存在部分缺失。

J1點處于航道線上，自2005年以來，隨著洋山深水港的開港及溫州港、臺州港的升級，大大增加的吞吐量及高能頻繁的臺風造成了J1表層20 cm沉積層序的擾動。因此，在以后的臺風沉積研究采樣時，選點應避開航道線，選取較強登陸臺風多次經過的采樣點可望獲得保存更完整的臺風沉積記錄。

致謝：廈門大學田莉老師為巖芯掃描實驗提供了很大的幫助，趙培培、劉楨嶠、梅亞萍等人協助進行巖芯掃描，畢倩倩、鄧彬彬、鐘強強等人幫助完成了210Pb放射性同位素測試及沉積速率計算，石勇、徐圣、盛輝等人幫助進行了粒度分析；論文寫作期間，與自然資源部第二海洋研究所陳一寧老師進行了有益的討論；在此一并致謝！