海南岛东北部海滩侵蚀与恢复对连续台风的复杂响应

龚昊，陈沈良*，钟小菁，陈晴，胡进，程武风

(1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室, 上海 200062)

海南岛东北部海滩侵蚀与恢复对连续台风的复杂响应

龚昊1，陈沈良1*，钟小菁1，陈晴1，胡进1，程武风1

(1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室, 上海 200062)

在连续台风作用下海滩的侵蚀与恢复是一个复杂的过程。基于海南岛东北部木兰-抱虎湾海滩的现场调查，对比分析台风“威马逊”和“海鸥”登陆前后海滩剖面和后滨沉积物的动态响应。结果表明，超强台风“威马逊”引起海滩的严重侵蚀和强烈的泥沙输移，在木兰湾海滩主要表现出由北向南沿岸海滩的差异性变化，在抱虎湾各海滩变化较为相近；后继登陆台风“海鸥”引起海滩显著堆积，对海滩主要起恢复作用，木兰湾海滩恢复效果明显，海滩后滨沉积物趋于恢复至台风前的状态，由于抱虎湾水下珊瑚礁及近岸岩礁地貌减缓了台风对该处海滩的侵蚀和堆积作用，抱虎湾海滩表现出与台风前较大差异性。两处海湾海滩的不同走向及台风的风向变化也是造成海滩不同响应的重要原因。研究将有助于更好地理解海滩对连续台风作用的复杂响应。

台风；海滩剖面；海滩侵蚀；海滩恢复；海南岛

1 引言

海滩是一个极为动态的地貌单元，特别是在台风等极端事件影响下，短期内将产生剧烈变化[1—2]。台风引发的增水和大的波高，将造成海滩地貌大尺度变形以及沉积物结构和分布的显著改变[3]。在波流常态下，海滩处于平衡状态，但遇到强风暴作用后，常形成新的剖面形态[4]。典型的风暴剖面具有上冲下淤的特征，后滨与滩肩侵蚀，水下沙坝堆积，海滩宽度变窄，沉积物特征相应发生转变[5—6]。台风对海滩的影响取决于多种因素。不同的海滩地貌、台风强度和路径，以及海滩相对于台风的位置都会对海滩变化产生影响[7—9]。

台风强烈作用后的海滩，需长时间恢复，短的需要数月[6]，长则数年[10]，甚至更长[11]。若遇到极强风暴和增水作用，后滨改变巨大，由于正常潮位无法到达，导致海滩常无法恢复至风暴前的形态[12]。但若有后续台风影响，海滩可在短期内得到一定恢复[13]。Thuan等[14]观测发现，短期内连续的台风作用使岸线位置在1个多月的时间就几乎恢复。Houser和Hamilton[13]研究表明，同一海滩在风暴侵蚀后，后续风暴会起一定恢复作用。Dissanayake等[15]通过模拟风暴群对海滩影响发现，连续性风暴有利于海滩的恢复。Ding等[16]发现多次台风作用下，后登陆的台风可促进海滩堆积，加速海滩恢复。

由于台风对海滩影响因素多，且情况多变，研究海滩在连续台风作用下的复杂响应具有重要的科学意义。加强极端事件影响下海滩动态特征和规律的认识，可为海滩保护和利用提供重要的参考。海南岛是我国受热带气旋影响和台风登陆最频繁的地区之一。本文基于海南岛东北部海滩剖面实测资料，对2014年7月和9月登陆的两次台风(“威马逊”和“海鸥”)引起的海滩侵蚀与恢复状况进行分析，探讨海滩动态变化对连续台风的复杂响应。

2 研究区域与台风概况

2.1 研究区域

研究区位于海南岛东北部，东临南海，北濒琼州海峡(图1)，地理坐标19°59′13″～20°09′40″N，110°41′07″～110°55′44″E。西北自木栏头，东南至抱虎角，岸线总体呈NW-SE走向，长约37 km。该岸段属于弧形海岸，湾口弦长28 km，纵深8 km。海岸受混合花岗岩岬角控制，除海湾两侧有木栏头与抱虎角岬角外，海湾中段有潮滩鼻岬角突出，在NNE向优势浪和ENE次浪向的入射作用，发育成南、北两个次级弧形海湾(即木兰湾和抱虎湾)。研究区夏半年盛行东南风，冬半年盛行东北风[17]。夏半年月平均波高为0.7～0.9 m，冬半年为0.9～1.2 m，全年波浪月平均周期为3.3～4.6 s，以偏北向浪为主[18]。该区域潮汐能量相对较弱，西北端木栏头平均潮差与最大潮差为0.83 m和2.05 m，东南端抱虎角为0.87 m和2.06 m[18]，属于不正规半日潮，潮流流向自东向西，为逆时针旋转流，具有驻波性质。根据Hayes的海岸分类[19]，该岸段属于浪控海岸。

图1 研究区域与台风路径Fig.1 Study area and the tracks of Typhoons Rammasun and Typhoon Kalmaegi

2.2 台风概况

海南岛东部沿海素有“台风走廊”之称，每年都有热带气旋影响或登陆，通常5-11月为台风季节，且集中于8-10月，年均台风登陆2.5次[17]，对海滩过程产生显著影响。2014年研究区登陆台风分别为201409号超强台风“威马逊”与201415号台风“海鸥”。

2014年第9号台风“威马逊”(Rammasun)于7月12日14:00在西北太平洋上生成，16日上午进入南海海面，17日17:00以西北偏西路径进入南海北部，增强至强台风级，并于7月18日5:00加强为超强台风级。7月18日15:30“威马逊”在海南省文昌市翁田镇沿海登陆，登陆时中心附近最大风力17级(60 m/s)，中心最低气压910 hPa；19:30“威马逊”再次以超强台风级别在广东省徐闻县龙塘镇沿海登陆。

2014年第15号台风“海鸥”(Kalmaegi)于9月12日在西北太平洋上生成，并于15日凌晨进入南海海面。9月16日9:40“海鸥”以台风级别登陆文昌翁田镇，登陆时中心附近最大风力13级(40 m/s)，中心气压为960 hPa；12:45以台风级别登陆广东徐闻县南部沿海区域。

超强台风“威马逊”与台风“海鸥”均在同一地点登陆，且穿过琼州海峡。其中，超强台风“威马逊”是1973年以来登陆华南的最强台风，与台风“海鸥”相比登陆时中心气压更低，中心附近最大风力更强。两次台风登陆后移动路径略有不同，“海鸥”路径较“威马逊”略偏南[20—21]。

3 资料与方法

3.1 海滩剖面高程与沉积物

在海南岛东北部木兰湾-抱虎湾海滩设置6个固定监测剖面(N011～N016)，分别于2014年6月(“威马逊”台风前1个月)、2014年8月(“威马逊”台风后半个月)和2014年12月(“海鸥”台风后2.5个月)进行剖面高程测量与沉积物取样。

海滩高程测量采用RTK-GPS进行，基面为85国家高程，测量误差指标为水平±10 mm+10-6RMS，垂直±20 mm+10-6RMS。各剖面间隔约5 km，每个剖面以后滨岸边处设为起点，测点间距大约2～3 m，趁低潮测至涉水深处，主要涵盖海滩后滨与前滨区域。

在海滩剖面测量的同时，采集海滩表层沉积物样品，其中后滨共获取6×3组样品。采样时去除海滩表面杂质覆盖，取厚度3～5 cm的表层沉积物保存。在实验室，先对样品进行纯水浸泡清洗去除盐分，后于烘箱中干燥24 h，置于烧杯中冷却至室温。粒度分析采用德国Retsch Technology(莱驰科技)公司生产的，基于动态数字图像分析技术的多功能粒度粒形分析仪(Camsizer XT)测试，其测量范围1 μm～3 mm。从而获得海滩沉积物粒径分布数据，并计算相应的粒度参数。

3.2 研究方法

海滩动态研究主要采用海滩剖面对比方法，绘制台风前后剖面特征变化图；并引入海滩剖面平均变化

量(MPC)作为衡量海滩台风响应强度的参考指数[22]，其公式如式(1)所示：

(1)

同时，计算剖面单宽蚀积量(UED)来表征海滩侵蚀堆积状况，其公式如式(2)所示：

(2)

上述公式的相关参数含义见图2。

强烈台风作用后，后滨相对海滩其他部位不易恢复[12]。因此，本文选取研究剖面后滨表层沉积物，计算相关粒度参数，结合粒度频率分布曲线，进行台风前后后滨沉积物的变化分析。

图2 风暴作用下海滩剖面示意图Fig.2 Sketch of beach profile under the influence of storm

4 研究结果

4.1 海滩剖面对台风的响应

海滩剖面的动态变化可直观反映台风作用的强弱。通过分析研究区两个连续登陆台风“威马逊”和“海鸥”前后的海滩剖面后滨和前滨区域的变化(图3，表1)，可以揭示不同岸段海滩的响应特征和规律。

表1 台风前后海滩剖面特征变化

注：6-8指6月与8月之间“威马逊”台风前后的变化；8-12指8月与12月之间即“海鸥”台风前后的变化；6-12指6月与12月之间的变化。

注：1406为2014年6月台风前海滩形态；1408为2014年8月“威马逊”台风后海滩形态；1412为2014年12月“海鸥”台风后海滩形态。图3 台风前后海滩高程特征变化Fig.3 Elevation change characteristics of beaches from storm-effect

4.1.1 海滩剖面对超强台风“威马逊”的响应

“威马逊”台风后，木兰湾海滩剖面单宽蚀积量(UED)自北向南分别为-41.10 m3/m、-28.75 m3/m和5.56 m3/m(表1)，沿岸海滩整体表现为上部侵蚀下部堆积状态。海滩平均变化量(MPC)为0.29～0.61 m，表现出海滩形态极大的变动。后滨单宽蚀积量(UED)为-7.86～-36.48 m3/m，受侵蚀严重。海滩滩肩下蚀，平均海平面(MSL)处滨线向海推进。

抱虎湾海滩剖面单宽蚀积量自西向东依次为-21.27 m3/m、-18.88 m3/m和-11.06 m3/m，海滩侵蚀程度呈递减分布。海滩平均变化量(MPC)为0.25～0.31 m，各海滩变化程度相接近。后滨单宽蚀积量(UED)为-6.53～-17.62 m3/m，整体表现出侵蚀态。海滩滩肩下蚀，平均海平面(MSL)处滨线向海推进。

超强台风“威马逊”后，海滩由常浪剖面转变为风暴剖面(图3)，但在整体性上木兰湾与抱虎湾剖面存在明显区别。木兰湾海滩总体侵蚀更为严重，个别剖面出现弱堆积(N013)；抱虎湾各海滩剖面变化较为接近，较木兰湾北侧剖面侵蚀稍弱。

4.1.2 海滩剖面对台风“海鸥”的响应

第二个登陆台风“海鸥”过后，木兰湾内剖面自北向南单宽蚀积量分别为23.40 m3/m、13.39 m3/m和-14.60 m3/m(表1)，沿岸海滩整体表现为上部堆积下部侵蚀状态。海滩平均变化量为0.35～0.52 m，剖面变化显著。后滨剖面单宽蚀积量为6.46～18.80 m3/m，呈堆积状态。滩肩处高程整体抬高，平均海平面处滨线向岸蚀退。

抱虎湾内各剖面单宽蚀积量为-2.51～0.93 m3/m，总体蚀积不明显。海滩平均变化量为0.09～0.21 m，变化相应较弱。剖面后滨单宽蚀积量为-2.41～5.91 m3/m，侵蚀堆积现象皆有，但较台风前变化不大。滩肩处整体下蚀，平均海平面处滨线变化各异。

在台风“海鸥”影响下，木兰湾与抱虎湾海滩剖面表现明显差异。木兰湾原侵蚀严重的剖面出现较强的堆积，而原堆积剖面转为侵蚀；后滨皆为堆积，平均海平面处滨线向岸蚀进，表现较好的恢复性。抱虎湾海滩总的蚀积变化量不大，海滩变化不明显，更趋向维持原有状态。

4.1.3 海滩剖面总体变化情况

研究区海滩在连续两次、间隔两个月的强烈台风作用下，总体表现为侵蚀状态，但不同岸段的海滩表现有所不同：木兰湾海滩在“海鸥”台风作用下有了明显的恢复，海滩侵蚀量要小于抱虎湾；而所有海滩后滨仍为侵蚀状态，显示超强台风“威马逊”对登陆处海滩极强的形态塑造作用；木兰湾海滩滩肩恢复较好，抱虎湾海滩则变化较大；平均海平面处滨线变化各海滩表现各异，总体变化不大。

4.2 海滩沉积物对台风的响应

为分析台风前后后滨沉积物变化情况，应用Folk法计算相关粒度参数：中值粒径(D50)、分选系数(σI)和峰态(KG)[23]，并列出含量最多组分(M)的变化(表2)，绘制频率分布图(图4)，从而阐述台风前后后滨沉积环境变化，判断后滨的恢复情况。

表2 台风前后海滩后滨表层沉积物变化特征

图4 后滨沉积物粒度频率分布Fig.4 Density distribution curves of backshore sediments

4.2.1 海滩沉积物对台风“威马逊”的响应

从表2可知，台风后后滨沉积物粒度整体变细，由台风前的1.48φ～2.09φ，变为1.77φ～2.18φ。分选性除了N015剖面变好外，其余剖面变化不大。峰态值以N011剖面由1.02变为1.43变化较大，其余剖面变动较小。台风过后，多个剖面沉积物类型由中砂变为细砂，含量最多组分(M)主要表现为细化。结合台风前对后滨浅层垂向粒度分布观察，该区域海滩砂层表现为表层砂粗，下部细的特点；台风侵蚀作用将表层松散粗颗粒沉积物带走，使下层致密细颗粒沉积物裸露，是导致台风后粒度整体细化的原因。

4.2.2 海滩沉积物对台风“海鸥”的响应

台风“海鸥”作用后的后滨沉积物响应更为多变。沉积物中值粒径范围由1.77φ～2.18 φ扩大为1.20φ～2.23 φ。木兰湾剖面变化特征较为一致：粒度变粗，分选性变好，沉积物类型为中砂，峰态值变小，粒度所含最多组分(M)也趋向恢复至“威马逊”台风前的状态。抱虎湾后滨沉积物则变化各异：N014剖面各参数变化不大；N015剖面粒度进一步细化，分选变好，峰态变化不大；N016剖面粒度变粗，分选变差，峰态值变小；所含最多组分(M)除N016剖面变粗外，N014与N015剖面无变化。

4.2.3 海滩沉积物总体变化

在两次台风过后，后滨沉积物发生了明显的变化(图4，表2)。木兰湾海滩在“海鸥”台风后，后滨沉积物趋于恢复至2014年6月台风前的状态，而抱虎湾海滩则与台风前相比有巨大差异。反映出“海鸥”台风对木兰湾海滩后滨表现出较好的恢复性，对抱虎湾海滩后滨沉积环境进一步加剧变化。

5 讨论

台风作用下，海滩动态表现出显著的空间差异和复杂响应。从宏观角度看，地质地貌、台风风向与海滩走向是影响海滩动态响应的重要因素。

5.1 地质地貌的影响

岬湾海滩对台风的响应在很大程度上受制于近岸地质地貌特征[24—25]。岬角遮蔽段海滩有利于堆积地形发育，而开敞段易受侵蚀[26]。水下珊瑚礁地貌具有增强底摩擦效应，波高在礁坪浅水带骤减，能量耗散[27]。大面积的珊瑚礁可起到离岸堤的作用[28]。因此，近岸发育珊瑚礁的海滩受台风风暴影响小，较为稳定[29—30]。

木兰湾和抱虎湾岬角处均有岩礁分布(图1)，湾内中部潮滩鼻岬角的凸出，将木兰湾与抱虎湾分割为两个相对独立的海滩系统。木兰湾岸线近S-N走向，台风期间主要表现为沿岸海滩变化的差异性；N013剖面位于潮滩鼻岬角附近，沿岸流与风浪在此相遇，利于北侧海滩来沙在此堆积。抱虎湾岸线近E-W走向，台风期间各海滩变化相对接近；抱虎湾近岸珊瑚礁和岩礁地貌可在台风期间削弱波浪强度。在台风“威马逊”期间，抱虎湾海滩横向变化明显，虽然向岸风向与剖面走向夹角更小，但整体侵蚀弱于木兰湾，水下珊瑚礁起到了减缓海滩侵蚀作用，尤其N016处于岬角庇护区外，却由于岸边分布大量岩礁，对台风侵蚀作用削弱更为显著；同样，在台风“海鸥”期间，水下珊瑚礁和岩礁的削能和阻隔，不利于泥沙向岸输移堆积，导致该岸段恢复较弱。

5.2 台风风向与海滩走向的影响

已有研究表明，台风风向与海滩走向是海滩风暴响应的重要因素[31—32]。不同的海滩走向会使同一台风产生不同的影响[16]。台风前后风向的变化也会产生不同的效应，向岸风比离岸风对海滩具有更明显的输运效果[33]。为研究台风风向的影响，选取文昌区域台风期间实测风向资料(“威马逊”台风风向资料源自海南省气象局)[34]，结合海滩剖面走向，绘制台风风向-海滩剖面走向关系图(图5)。

图5 台风风向-海滩剖面走向关系图Fig.5 Typhoon wind directions vs beach transect orientations

木兰湾海滩剖面大致呈WSW-ENE走向，而抱虎湾海滩剖面为S-N走向。“威马逊”台风登陆前后，研究区风向由偏北转为偏南。木兰湾在台风中心经过前主吹向岸风，风向与海滩剖面走向近乎垂直，有利于海滩由北向南纵向输沙；台风中心过后主吹离岸风，削弱波浪对海滩剖面的影响。抱虎湾海滩台风中心经过前主吹向岸风，风向与海滩剖面走向夹角小，接近平行，增强向岸的波浪作用，加剧海滩横向上的输移变化；台风中心过后主吹离岸风，与剖面走向基本一致，削弱向岸波浪作用。

“海鸥”台风登陆前后，风向同样也由偏北转为偏南，台风中心经过前主吹向岸的风向与“威马逊”台风几乎一致，利于将台风作用形成的水下沙坝地貌沉积物冲刷至岸上，促进海滩恢复；而台风中心过后主吹的离岸风向较“威马逊”西偏，与木兰湾海滩剖面走向更趋一致，更利于削弱向岸波浪，抑制海滩侵蚀，利于海滩前期强侵蚀后的堆积恢复。

6 结论

海南岛东北部海滩在短期内受连续两次台风登陆的影响，不同位置海滩呈现不同的响应特征。前期的超强台风“威马逊”对海滩主要起侵蚀作用，木兰湾海滩由北向南侵蚀越弱，沿岸海滩变化表现出较大差异性；抱虎湾海滩侵蚀强度相对较弱且较一致。

后续的台风“海鸥”对海滩主要起堆积和恢复作用，受前期台风“威马逊”侵蚀严重的木兰湾海滩恢复明显；而抱虎湾海滩恢复效果不明显，总体侵蚀程度保持在“海鸥”台风前的状态。海滩动态表现为，前期台风侵蚀强则后继台风作用恢复快，而前期台风侵蚀弱则后续台风作用恢复缓。

海滩动态对连续台风具有复杂的响应，近岸地质地貌、台风风向以及海滩走向都对海滩的风暴响应产生影响。为更好地理解海滩动态对台风作用的响应特征，应持续加强不同海滩和台风差异影响的研究，从而为海滩保护和利用提供科学依据。

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Complicated responses of beach erosion and restoration to consecutive typhoons along northeastern Hainan Island, China

Gong Hao1, Chen Shenliang1, Zhong Xiaojing1, Chen Qing1, Hu Jin1, Cheng Wufeng1

(1.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China)

Beach landforms show a complicated erosion and recovery process under impacts of consecutive typhoons. In order to study the erosion and accretion response of beaches to two typhoons, representative beach profiles in the Mulan-Baohu Bay, northeastern Hainan Island, were observed and measured before and after two consecutive typhoons, Rammasun and Kalmaegi in 2014. In addition, surficial sediments in each transect backshore were collected to study their depositional environment change. The results show that the former super typhoon Rammasun led to severe beach erosion and sediment transport, which mainly revealed longshore change differences in the Mulan Bay and cross-shore change similarities in the Baohu Bay. And the latter typhoon Kalmaegi caused beach accretion and recovery, which was more obvious in Mulan Bay than in Baohu Bay. After Kalmaegi, the backshore sediments in the Mulan Bay trended to recover to the state before two typhoons and in Baohu Bay showed a greater difference before typhoons. The underwater coral reefs in Baohu Bay restrained beach erosion and accretion from typhoons. Different combinations of typhoon wind directions vs. beach orientations can also cause different beach response to consecutive typhoons. This study will contribute to a better understanding of the complicated responses of different beaches to consecutive typhoons.

typhoons; beach profiles; beach erosion; beach recovery; Hainan Island

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.05.007

2016-07-18；

2016-10-26。

海洋公益性行业科研专项经费项目(201405037)。

龚昊(1991—)，男，福建省周宁县人，主要从事港口海岸及近海工程研究。E-mail: gonghao363@sina.com

*通信作者：陈沈良，男，博士，教授，主要从事河口海岸学研究。E-mail:slchen@sklec.ecnu.edu.cn

P737.2

A

0253-4193(2017)05-0068-10

龚昊, 陈沈良, 钟小菁, 等. 海南岛东北部海滩侵蚀与恢复对连续台风的复杂响应[J]. 海洋学报, 2017, 39(5): 68-77,

Gong Hao, Chen Shenliang, Zhong Xiaojing, et al. Complicated responses of beach erosion and restoration to consecutive typhoons along northeastern Hainan Island, China[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(5): 68-77, doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.05.007