環礁潟湖沉積物重建南沙群島小冰期以來的熱帶氣旋活動

楊紅強, 譚飛, 徐輝龍, 張喜洋, 施祺, 陶士臣

1. 中國科學院邊緣海與大洋地質重點實驗室, 中國科學院南海海洋研究所, 中國科學院南海生態環境工程創新研究院, 廣東廣州 510301;

2. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州), 廣東 廣州 511458;

3. 中國科學院南沙海洋生態環境實驗站, 海南 三沙 573199;

4. 中國科學院大學, 北京 100049

極端熱帶氣旋活動對世界各地沿海生態系統和城市基礎設施構成了重大威脅(Peduzzi et al,2012)。西北太平洋海盆是地球上遭受熱帶氣旋災害最為頻繁和劇烈的區域, 每年熱帶氣旋個數約占全球氣旋活動總量的30%左右(Mei et al, 2015;廖菲 等, 2019; 陶麗 等, 2020), 給中國大陸東南沿海地帶及南海周邊帶來巨大的經濟和漁業損失(Yang et al, 2015; Soria et al, 2016; 張敏 等,2019)?，F代觀測記錄和氣候模型預測結果均表明在全球變暖背景下熱帶氣旋活動可能會向更強和更頻繁的趨勢發展(Knutson et al, 2015; Bacmeister et al, 2018)。相對短暫的器測記錄阻礙了我們對熱帶氣旋長期變化趨勢的認識(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尺度古風暴記錄, 可為全球熱帶氣旋的預測提供重要參照(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)。大洋型珊瑚環礁潟湖中的粗粒沉積物可用于古風暴或海嘯事件的判定(Yu et al, 2009; Toomey et al, 2013;Yue et al, 2019)。環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, 可發育連續的高分辨率風暴記錄。南海珊瑚礁區是研究百年～千年尺度古風暴的理想區域(Yu et al, 2009)。研究表明小冰期南海地區遭受了強烈且頻繁的熱帶氣旋活動(Liu et al, 2001; Chen et al, 2019a; Sun et al,2020)。然而, 南海南部熱帶地區的高分辨率古風暴活動記錄目前還較少, 對南海小冰期熱帶氣旋活動的時空差異性、活動變率和驅動機制的認識不足。

本研究利用南沙群島安樂環礁礁后潟湖沉積物中的粗粒組分, 重建該區小冰期以來的熱帶氣旋活動, 進一步證明小冰期早期南海南部處于強烈的熱帶氣旋活動期, 并與附近的永暑礁 潟湖風暴記錄進行對比, 探討了區域熱帶氣旋活動的時空差異及可能機制。

1 材料及方法

1.1 研究區位置和樣品采集

南海位于亞洲—澳大利亞季風的中心轉換地帶,同時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(Zuki et al, 2008)。研究區位于南沙群島的九章環礁中的安樂礁, 為大洋型珊瑚環礁(圖1)。據美國國家海洋和大氣局 (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) 的IBTrACS Hurricane Dataset 的熱帶氣旋路徑數據庫,在1945—2020 年, 共有75 次熱帶氣旋活動登錄南沙群島附近區域, 其中大于Cat 1 級別強度的風暴事件達17 次(圖1b)。安樂環礁位于九章群礁東北部,很少受到人為活動的干擾。安樂礁形似耳狀, 從西北部延伸到東南部, 是一個幾乎完全封閉的珊瑚環礁, 僅由南部的幾個潮汐通道與外海和九章環礁的深潟湖相連通。環礁內為障壁礁后潟湖, 水深6～30m。在天氣溫和晴朗時, 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)。衛星觀測數據和南沙永暑礁驗潮站儀器觀測資料顯示, 研究區多年平均潮差為0.5～1.4m, 潮汐對礁后潟湖沉積物的影響較小。強熱帶風暴或臺風引起的波浪或風暴潮超過2m, 風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, 安樂礁潟湖內部的粗顆粒沉積物能夠記錄熱帶氣旋活動, 可以用來重建熱帶氣旋活動規律和變化趨勢。

2017 年9 月至10 月期間, 研究團隊在安樂礁礁后潟湖中(9°55'56.75"N, 114°31'19.55"E)利用內徑9cm 的沖擊不銹鋼管采集了長度約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, 為砂質的潟湖底環境, 該環境不利于原生大型造礁石珊瑚叢體生長,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暴浪異地搬運形成。

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

1.2 實驗室粒度分析

在野外提取 潟湖沉積物巖心后, 巖心隨后被運往中國科學院大洋與邊緣海地質重點實驗室進一步處理分析。在室內首先對巖心進行縱向剖分、分離、拍照和沉積物定性描述。根據目視初步觀察, 安樂礁 潟湖巖心的背景沉積物為粒徑小于0.25mm 的細粉砂—細砂質細粒沉積, 基本無陸源沉積物輸入;頂部和底部含多層可能由風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 等間距對巖心進行了連續取樣,總共采集了496 個樣品用于粒度分析。然后使用250、500、1000 和2000μm 孔徑的樣品篩對分散的干樣進行篩分并稱量不同粒級的干重, 再使用63μm 和125μm 孔徑的樣品篩對250μm 以內的樣品進行濕篩, 并對各部分篩后樣品烘干稱重, 以獲取每個粒級的重量百分比。

本研究將潟湖中的粗粒沉積物作為異常強水流引起的沉積物搬運的識別標志。沉積物顆粒大小與沉降速度呈正相關, 地表水流的強度決定了能移動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粉砂, 而風暴驅動的快速水流可以搬運和沉積厚的粗砂層。一般情況下沉積顆粒沉降速度隨粒徑的增大而單調增加, 顆粒粒徑可作為異常水流搬運的替代指標(Bramante et al, 2020)。對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的關系(Dietrich, 1982)。 但在環礁 潟湖中產生的許多粗粒碳酸鹽生物碎屑沉積物, 特別是對于大于2mm的生物碎屑, 通常形狀不規則, 且可能含有大量的孔隙, 導致搬運閾值和沉降速度低于實際粒徑的預測值。如果這類顆粒構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、沉降和水流強度關系的推斷可能無效, 導致生物碎屑沉積物粒度和沉降速度之間的關系存在偏差(Maiklem, 1968;Braithwaite, 1973; Kench et al, 1996)。參考Bramante等(2020)在太平洋賈魯特環礁藍洞沉積物風暴事件重建中使用的方法, 本文根據 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 的細組分。最后根據粗組分顆粒(0.25～2mm)的百分比來識別風暴事件, 大于 2mm的極其粗顆粒并未納入粗組分百分比計算。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生了大部分未校正的一個粗粒峰, 另一個粗峰為自身沉積物構成, 但常被>2mm 的粗峰給掩蓋掉。在實際處理中,我們僅將這種>2mm 的粗粒峰作為風暴層識別的參考和補充。

1.3 年代地層框架建立

風暴事件精確年齡的確定對古風暴活動重建至關重要。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 個無成巖改造的鹿角珊瑚斷枝進行U/Th 定年, 對潛在的風暴粗粒層進行加密采樣測試。

U/Th 測年處理流程和分析方法遵循Clark 等(2014)提出的方法。首先將每個珊瑚斷枝樣品的表面拋光, 去除表面的藻類和生物有機質膜。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先清洗干凈的含有15% H2O2的玻璃燒杯中48h 以去除有機殘留物。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樣品的純凈程度, 最終選擇約150mg 的純凈珊瑚骨骼進行年代測定。在年代測定之前, 對前處理后的樣品進行XRD 射線衍射分析, 以檢測文石質珊瑚骨骼是否發生成巖蝕變。在澳大利亞昆士蘭大學地球與環境科學學院的放射性同位素實驗室的 Nu Plasma MC-ICP-MS 上進行珊瑚斷枝的 U/Th 年齡測定。U/Th 比值是利用Isoplot/EX 3.0 軟件程序, 基于Cheng 等(2000)提出的衰變常數計算出的活度比值。所有年齡數值扣除實驗室平均空白, 測試誤差均表示為2σ 標準偏差。巖心頂部12cm 沉積物由于在取樣過程中受到攪動,未進行粒度分析。使用BACON 建模軟件建立了高精度的年齡框架, 并利用貝葉斯統計方法計算了巖心每1cm 間隔區間的加權平均年齡和年齡不確定性(Blaauw et al, 2011)。

1.4 古風暴事件層閾值和頻率

本文通過沉積學觀察和粒度分析確定風暴事件層, 并將兩種方法識別的風暴層進行交叉驗證。安樂礁 潟湖巖心的風暴層與上下的正常沉積層突變接觸, 顏色較深, 發育更粗粒的顆?；蛏汉鲾嘀拓悮さ? 厚度1～20cm 不等。因為事件層幾乎是瞬間形成的, 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)提出的方法確定風暴事件層的粒度閾值,以區分事件層和正常的背景沉積。首先, 對整體粗組分序列進行11 點滑動平均濾波處理, 粗組分超過平均粗組分含量 1σ 的樣品定義為異常值(Outliers)(>10%), 較厚的事件層對應于連續的異常值, 在2σ 時間誤差范圍對其進行深度校正, 代表一次強烈的風暴事件層。然后, 將排除異常值后的粗組分數據再次進行11 點滑動平均濾波處理。最后,我們將超過滑動平均濾波后粗組分百分比1.5σ(2.35%)的粗峰定義為風暴事件層。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 點滑動窗口可以消除背景沉積中粗組分信號的年代際變化的影響(Donnelly et al,2015; Bramante et al, 2020)。

為評估該方法對研究區熱帶氣旋的響應能力,巖心頂部的事件沉積與現代熱帶氣旋觀測數據進行了 校 準。 從 IBTrACS version 4 收 集 了 AD 1945—2020 期間所有過境研究區附近的熱帶氣旋活動信息, 將超過風暴閾值的粗粒層與可能影響安樂礁潟湖的現代熱帶氣旋記錄進行比較, 評估事件層閾值的可信度。在最終確定了風暴事件層閾值和巖心中全部的事件層數量后, 參考Lane 等(2011)的方法, 使用100 年窗口滑動重新計算了研究區每百年風暴事件的發生頻率, 以評估百年尺度的熱帶氣旋變化特征。50 年滑動窗口的分析用于揭示年代際周期內高頻或低頻的熱帶氣旋活動。

使用1945—2020 年IBTrACS 的熱帶氣旋最佳路徑數據集經過安樂礁 潟湖115km 范圍內的Cat 1級別或大于Cat 1 熱帶氣旋級別的頻率來計算研究區附近局地熱帶氣旋估計頻率(熱帶風暴和 Cat 1～Cat 5 不同熱帶氣旋級別強度的詳細定義見https://www.nhc.noaa.gov/aboutsshws.php)。研究區局地熱帶氣旋范圍(115km)劃定是參考 Rodysill 等(2020)根據巴哈馬現代颶風事件和碳酸鹽沉積記錄及水動力模擬得出的結果。以安樂 潟湖為中心, 統計研究區300km 半徑范圍內的Cat 1 級別及更強熱帶氣旋的頻率(基本涵蓋了整個南沙群島), 獲得南海南部區域熱帶氣旋估計頻率。比如, 根據IBTrACS 觀測記錄, 安樂礁附近的熱帶氣旋記錄始于AD 1945, 在AD 1945—2020 期間, 在半徑115km 的范圍內登陸或者直接影響安樂礁強度大于或等于Cat 1 級別熱帶氣旋的數目為5 個, 據此每百年的當地熱帶氣旋頻率λ=5÷75×100=6.7(小數點后保留1 位有效數字)。本文使用局地熱帶氣旋估計頻率來界定安樂礁 潟湖的風暴相對活躍期和平靜期,當某個時期100 年滑動窗口風暴事件超過該區的局地熱帶氣旋頻率λ界限即定義為風暴活躍期。

2 研究結果

2.1 年代框架

基于21 個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 湖沉積序列的連續性。79cm 和187cm 處的鈾系年齡出現倒轉, 被剔除(圖2c)。根據年代模型, AL-1 記錄在小冰期以來的記錄中, 其沉積速率為0.86cm·a–1, 即1cm 沉積物的分辨率為～1.37a, 是目前南海區域分辨率較高的古風暴記錄之一。根據沉積速率的變化, 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較高, 中間層段粗組分含量相對較低(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—細砂質碳酸鹽沉積區別。

圖2 安樂礁潟湖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 歷史風暴事件頻率

研究區熱帶氣旋活動頻率在年代際到百年尺度上變化很大。AL-1 巖心中共識別出了28 層事件沉積層, 其中底部含有17 個事件層, 中部3 個, 頂部8個(圖3)。本文使用經過安樂礁附近115km 范圍內的大于或等于Cat 1 級別的每百年區域熱帶氣旋頻率(λ=6.7)來定義風暴活動期。風暴事件頻率的100年滑動窗口分析結果顯示, AL-1 巖心記錄了兩個主要風暴活躍時期。持續時間最長的風暴活躍期(A1)發生于小冰期(Little Ice Age, LIA)早期(AD 1421—1610), 平均每百年風暴事件數為9.2 個 (圖3), 尤以AD 1510—1550 期間熱帶氣旋活動最為頻繁, 每百年平均為12 個, 幾乎為現代區域熱帶氣旋頻率的2 倍。隨后從AD 1610—1890, 安樂礁潟湖熱帶氣旋活動趨于平靜, 熱帶氣旋頻率呈下降趨勢, 最平靜時期為AD 1810—1890 期間, 每百年熱帶氣旋頻率為0, 沒有任何沉積記錄超過風暴事件閾值。另一個相對風暴活躍期(A2)位于AD 1930—1960, 平均每百年熱帶氣旋數為7.5 個。50 年滑動窗口風暴事件頻率揭示了年代際的古風暴極高活躍期, AD 1496—1529 和 AD 1534—1557 期間熱帶氣旋事件頻率分別達到每50 年6.1 個和7.0 個。整體上, 50年滑動窗口分析顯示了和100 年滑動窗口分析類似的熱帶氣旋活動變化規律, 即在小冰期早期的大約2 個世紀期間(AD 1400—1600), 研究區熱帶氣旋活動頻繁且強烈, 此后研究區熱帶氣旋活動頻率和強度顯著減弱。在不同的滑動窗口中, 小冰期晚期是熱帶氣旋活動最不活躍的時期。AD 1931—1966 在50 年滑動窗口中則表現為現代熱帶氣旋最活躍期,基本和百年滑動窗口同步。

圖3 AL-1 巖心粗組分異常和風暴事件層數百年滑動窗口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 風暴事件識別和現代記錄校準

評估地質代用指標適用性和確定風暴事件閾值有助于準確重建長期的古風暴變化歷史(Donnelly et al, 2015; Winkler et al, 2020)。礁后潟湖是主要堆積區, 其沉積物主要來源于礁坪和礁脊, 潟湖中的原生點礁亦可作為物質來源。潟湖水動力從礁脊到潟湖盆地逐漸減弱, 粒度逐漸變細, 沉積物以粉砂—細砂質沉積為主。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入潟湖。風暴期間的大浪和風暴潮會沖刷 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等粗粒骨骼碎屑搬運到富含砂質沉積的礁后潟湖(Toomey et al, 2013;Klostermann et al, 2014)。對安樂環礁的實地調查發現活體Acroporaspp. 是礁坪的優勢物種之一, 其骨骼相對脆弱, 易受到風暴潮的影響, 破碎后被迅速搬運和堆積在潟湖。巖心AL-1 距離礁坪約600m(水深約12m), 沒有活珊瑚生存。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和沉積的。因此,低能潟湖環境中較粗沉積物可作為識別熱帶古風暴活動的標志(Yu et al, 2009; Yue et al, 2019)。不同粗組分的百分含量可以代表古風暴強度。

熱帶氣旋強度、路徑、平移速度等參數均可影響風暴沉積(Winkler et al, 2020; Rodysill et al,2020)。在佛羅里達州的Apalachee 海灣, 水動力學模擬表明, 盡管Cat 4 級別和Cat 5 級別的颶風產生了最極端的強風暴潮, 但中等強度Cat 1～ Cat 3 級別的颶風也能夠產生強風暴潮, 這與風場、熱帶氣旋路徑、移動速度或更接近的路徑等因素有關(Lin et al, 2014; Winkler et al, 2020)。風暴沉積可能發生在風暴頻繁的時期, 一個粗粒層可能記錄了多個風暴。我們將安樂礁潟湖附近現代熱帶氣旋移動路徑的觀測數據與巖心中的粗顆粒事件層進行比較, 以評估巖心對不同熱帶氣旋記錄的潛力, 并驗證事件閾值的可靠性。

在1945—2020 年期間, 一共有2 個Cat 1 級別及以上強度的熱帶氣旋經過安樂礁潟湖60km 半徑范圍內, 而熱帶風暴強度級別及以上的熱帶氣旋數為10 個。其中, 在1962 年12 月28 和29 日, Cat 3級別的熱帶氣旋Lucy 在115km 的范圍內, 以平均風速大于46.3m·s–1, 最大風速超過51.7m·s–1的強度持續影響安樂礁超過48h, 最近距離研究區不到30km,最有可能在研究區內留下事件沉積的證據。雖然熱帶風暴相對于Cat1～Cat5 級別的熱帶氣旋強度更低,但受熱帶風暴移動路徑與距研究區的距離、風暴持續時間等因素影響, 也可能形成風暴事件層, 比如熱帶風暴Tess (1988)移動路徑最近距安樂潟湖不到10km, 最大風速超過30.9m·s–1。在半徑115km 的范圍內過境安樂潟湖的熱帶風暴及以上級別的熱帶氣旋共有16 個, Cat 1 級別及以上的熱帶氣旋為5 個,Cat 2 級別及以上有3 個(表1)。

表1 1945—2020 年登陸南沙群島安樂礁和永暑礁不同半徑范圍內的不同強度熱帶氣旋的頻率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 以來的現代風暴沉積序列, 并將其進一步與IBTrACS 觀測值進行校準。從AD 1900—2000, 一共識別出11 個事件層(圖4)?？紤]到沉積特征、粗組分含量和多個事件層的年齡位于2σ年代誤差范圍內, 將事件層E8 附近的4 個粗粒峰合并為一個事件層, 該事件層的年齡定義為粗組分含量最高層對應的年齡。最終識別出以下8 個事件層。

圖4 安樂礁現代器測熱帶氣旋移動路徑和沉積物記錄敏感性校準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 級別的熱帶氣旋Faith造成, Faith 在1998 年12 月12 日在～55km 的范圍內自東北向西南向襲擊了安樂礁。鑒于沉積物記錄無法區分同一校正日歷年誤差范圍內的事件, 熱帶風暴Tess 無法被排除, 其在1988 年11 月5 日登陸安樂礁東北方向, 最短距離安樂 潟湖＜10km。在此時間范圍內的其他熱帶風暴的強度和風暴距離不足以產生風暴事件層。

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暴距離, E2 很可能是熱帶風暴Tess 造成的, 其在1988 年11 月5 日, 以距離安樂 潟湖小于10km 的距離經過安樂礁東北方向。其他熱帶風暴如Mamic(1982 年3月22 日, 距離安樂礁北110km)強度太小和距離太遠不足以形成事件層。

事件層E3: 沉積于AD 1962—1989(中值年齡為AD 1973), 則可能是距離相對較遠的Cat 1 級別的熱帶氣旋Freda(1967 年11 月7—8 日, 距安樂礁～90km)或者近端(＜30km)的熱帶風暴Thelma 導致(1973 年11 月14 日, 距離安樂礁南～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20cm 的連續沉積。E4 的粗組分含量平均為27.80%, 最大為52%,并含有珊瑚礫石, 與粉砂質碳酸鹽背景沉積物混雜沉積。Cat 1 級別的熱帶氣旋Freda 和Cat 3 級別熱帶氣旋Lucy(1962 年11 月28—29 日, 距離安樂礁北～29km)在此期間都曾登陸安樂礁。但是, 根據事件層的強度和厚度, 過境風速超過 51.7m·s–1的熱帶氣旋Lucy 是導致此次厚層風暴事件沉積的最可能原因。距離熱帶氣旋移動路徑短、強度大、登陸過境時間長等因素最終在安樂礁產生了最強烈的風暴事件。

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 級別的熱帶氣旋Amy 導致, Amy 于1951 年12 月16—17 日過境安樂礁 潟湖北部, 最近距離安樂礁～48km, 最大風速為43.7m·s–1?？紤]到事件層E6 僅稍微超過風暴閾值, 我們也可以合理地認為它們與近距離的, 但強度相對較弱熱帶風暴有關, 但是熱帶風暴Betty(1949 年12 月7 日, 距安樂礁北52km)的強度和過境持續時間不大可能造成事件沉積。AD 1970之前的熱帶氣旋軌跡和強度記錄存在較大不確定性,加之定年誤差, 使特定風暴和粗異常事件層之間的相關性降低(Winkler et al, 2020)。事件層E7 和E8分別沉積于AD 1941 和AD 1934, 而IBTrACS 數據庫中南沙群島最早的觀測記錄始于AD 1945, 無法確定這兩個事件層和特定熱帶氣旋的對應關系。

綜上, 風暴事件層的年齡大體對應過境研究區115km 范圍內的Cat 1 級別熱帶氣旋和更強級別的強風暴事件。因此, 粗粒沉積層可以表征風暴事件,并且達到相似風暴事件閾值的沉積記錄能可靠地捕獲過去對應的風暴記錄?？紤]到熱帶氣旋最佳路徑數據最大風速估計的不確定性, 早期熱帶氣旋移動路徑和影響可靠半徑的缺失, 本文粗略的估計還需要 潟湖風暴流體動力學模型的驗證。

3.2 南海南部區域古風暴頻率變化及比較

對比南海不同地區的研究有助于深入了解過去整個區域或泛盆地范圍的熱帶古風暴活動。本文將安樂礁潟湖的古風暴記錄與南海南部的其他風暴重建記錄進行比較。南海南部長度超過千年的古風暴重建記錄比較稀缺, 目前僅有的記錄來自研究區西南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 余年的風暴記錄。參照安樂礁潟湖附近的局地熱帶氣旋估計頻率, 本文計算了以永暑礁為中心, 115km 半徑范圍內的熱帶氣旋估計頻率(表1)。在和AL-1 記錄同區間內, NY-4 一共記錄了32 個風暴事件, 和 AL-1 風暴數量大致相當(28次)(圖5)。NY-4 古風暴頻率100 年和50 年滑動窗口顯示出明顯的差異(圖5c、d)。在100 年滑動窗口中, NY-4 記錄了4 個持續10～20 年短周期的風暴活躍期(分別位于 AD 1694—1703、1707—1739、1741—1754 和1823—1832)和一個位于AD1768—1818 期間持續長50 年的風暴活躍期?？紤]到NY-4整個巖心的2σ 分辨率誤差為18a·cm–1, 無法準確地將低于此年代誤差的事件層單獨分離出來, 大體認為NY-4 記錄了在AD 1664—1832 期間持續168 年的百年尺度風暴活躍期。50 年滑動窗口結果則揭示了兩個分別位于 AD 1665—1723 和 AD 1758—1837 的風暴活躍期, 這兩個活躍期和100 年滑動窗口可以很好的對應。但是, 與100 年滑動窗口相反, 在AD 1714—1757 之間表現為一段風暴平靜期。鑒于整個NY-4 巖心年齡的不確定性, 無法獲悉50 年滑動窗口尺度上明顯的風暴短暫減弱是由較短的年代際外部氣候驅動, 或者表征風暴活動的隨機性。

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)發育多個風暴事件層, 而在AL-1 記錄中, 風暴最活躍時期位于小冰期早期。記錄的不一致性可能反映了影響兩個地點風暴數的不同以及特定地點對風暴活動記錄的敏感性差異。例如, 從1945—2020 年, 一共6 次Cat 1 級別或以上的熱帶氣旋過境永暑礁115km 的半徑范圍,然而NY-4 記錄中僅記錄到了AD 1975 的一次風暴事件層沉積(表1)。與之對比, AL-1 記錄了至少5 次風暴事件層。在1962 年, Cat 3 級別的熱帶氣旋Lucy(風 速>51.7m·s–1) 潟過境安樂礁 湖和永暑礁115km 范圍, 在安樂礁沉積了厚粗粒事件層, 永暑礁卻沒有留下明顯的風暴沉積證據。類似的現象也見于Cat 3 級別的熱帶氣旋Faith(1998 年)和熱帶風暴Tess(1988 年)。

熱帶氣旋活動的隨機性也是影響其移動路徑和登陸強度的重要因素之一(Wallace et al, 2021a, b)。由于研究點的沉積記錄只捕捉到近距離經過的風暴,因此這些風暴可能僅影響過境島礁, 卻對其他區域的影響有限。來自巴哈馬Long 島(Wallace et al,2021b)和佛羅里達西北部Apalachee 灣(Lin et al,2014)的熱帶氣旋研究證實了上述論斷。研究指出,熱帶氣旋強度、熱帶氣旋性質(包括活動方向和最大風速半徑)在決定是否會產生足夠的風暴潮作用, 進而留下粗粒沉積物方面也發揮了重要作用。在相似的古風暴氣候背景值下, 隨機過程可以部分解釋古風暴活動的時空差異性。特定區域的某一時期的古風暴活動頻率可能是只是隨機過程而非氣候因素控制(Wallace et al, 2021a)。

不同地點的沉積過程也存在顯著差異, NY-4 和AL-1 的沉積物來源、水體深度 潟、 湖的封閉程度等局部水動力環境都可能造成事件記錄的差異。此外,相對較低的分辨率也增加了NY-4 年代模型的不確定性。風暴識別和統計方法的差異也可能是造成兩個記錄差異的原因。NY-4 基于經驗原則, 以>1mm粗顆粒峰作為事件層識別標準, 這可能包含了>2mm 生物碎屑或者珊瑚斷枝導致的異常峰, 造成風暴層的識別偏差。NY-4 記錄中>1mm 粗顆粒峰也并未完全捕捉到現代器測記錄中的風暴事件, 表明這一識別方法中粗粒峰的風暴指示意義可能存在偏差, 風暴事件識別的閾值條件或劃分標準需進一步校準。遺憾的是, 受遠海采樣條件的制約, AL-1 和NY-4 均只提供了單一鉆孔的記錄, 缺乏對照孔, 增加了利用該記錄推斷南海南部歷史風暴活動的不確定性。因此, 更多來自同一研究區域的高分辨率風暴重建記錄將有助于更好地約束風暴活動的隨機變化特征, 更完整地還原區域風暴活動歷史, 從而更好探討南海南部安樂礁和永暑礁記錄之間的時空差異及原因。

4 結論

通過對南沙群島安樂環礁礁后 潟湖粗粒沉積物的研究, 本文獲得了小冰期以來的準年分辨率熱帶氣旋活動記錄。采樣分辨率和測年精度的提高,增進了我們對小冰期南海南部熱帶氣旋活動的理解。研究表 明潟 湖沉積可靠地記錄了經過安樂礁115km 范圍內的Cat 1 級別和更強級別的熱帶氣旋活動。在AD 1945—2020, AL-1 巖心頂部沉積物記錄了6 個可追溯的風暴事件。小冰期以來, 南海南部安樂礁熱帶氣旋活動在年代際到百年尺度上頻繁變化, 發育兩個主要的風暴活躍期。在小冰期早期(AD 1471—1620)經歷了最為強烈的風暴活躍期,另一個風暴活躍期位于現代暖期的 AD 1930—1960, 熱帶氣旋活動雖有所加強, 但明顯低于小冰期早期。南海南部區域重建記錄的對比表明熱帶氣旋活動具有較大的時空差異性, 這可能與局部沉積環境、熱帶氣旋活動的隨機性變化、識別方法差異等有關。來自同一研究區域的多條高分辨率古風暴重建記錄將有助于更好地約束熱帶氣旋活動的隨機變化特征, 增加熱帶氣旋活動重建的準確度。