百年尺度东海内陆架风暴事件重建：器测记录与沉积记录耦合

上（大于等于51 m/s）是超强台风。为了叙述方便，本文将近中心风力大于等于8级的热带气旋泛称为台风。

台风过境会引起大量降水和超警戒高潮位，海水漫溢堤坝、淹没沿海陆地，对沿海地区的生命财产造成很大的威胁。今后，需要在调整区域发展规划的同时，提高应对未来极端事件的能力。其中一项重要措施是提高海岸防护标准，而建设经济有效的海岸防护标准需要根据台风等极端事件的频率-强度关系来确定。灾害的强度和频率问题，是一个统计学问题。人类只有一两百年的气象观测记录，中国的观测记录更少，在1950年之后才有全国性的系统观测。通过六七十年的器测记录，最多只能给出百年或两百年一遇的灾害强度。全球的海平面将持续上升，极端事件的强度和频率可能增加[3]，这就为台风灾害的防护标准研究提出了挑战。回应这个挑战的一个解决思路，是从沉积物中寻找台风记录。沉积记录的时间跨度大，可能留下更强的台风记录，这样的记录有助于科学确定海岸防护标准。因此，我们设计了如下研究方案：首先，以器测气象记录为镜，根据台风沉积研究和放射性同位素定年方法，寻找与气象观测同期的沉积物中留下的台风事件沉积，定量分析二者之间的关系（怎样的台风留下了沉积记录）；其次，根据定量关系，回溯到200年的尺度，分析沉积记录反演的台风序列与替代性的台风历史文献记录（比如《中国气象大典·浙江卷》[1]中记载的成灾台风）是否一致。通过这样的研究，试图走出从沉积记录中反演和扩展台风时间序列的第一步。

风暴沉积研究始于20世纪60年代，在泥质海岸和陆架，风暴沉积主要具有以下几种特征：（1）粗（风暴层序）与细（正常层序）沉积互层；（2）具有清晰的侵蚀面；（3）风暴浪造成的波状起伏的交错层理[4]。中国东部陆架是世界上最宽的陆架之一，受大河影响显著，沉积物供应丰富，自全新世海平面上升以来，形成了许多的沉积体系[5]。东海内陆架泥质区沉积环境相对稳定，沉积物的连续性好，沉积速率较高，这些为建立高分辨率的台风沉积记录提供了充足的条件[6]。

2 研究区概况

浙江海域的大陆海岸线绵长，全长2 200 km。东海大陆架坡度较缓，年均水温在20～24℃之间，营养盐含量较为丰富，近海的沉积速率约为0.91～1.19 cm/a，沉积速率高，呈现自北向南逐步减小的趋势[7]。浙江海域常年遭受台风侵袭。1950-2009年期间，台风登陆浙江次数最多的地区为温岭市，共6次[8]。

所选研究地点靠近浙江省温岭市（图1），处于浙闽泥质沉积带，受浙闽沿岸流和台湾暖流影响显著[9]，夏季沿岸流因东南季风盛行向北，物源主要是长江入海沉积物[10]。

图 1 研究区域和采样位置Fig. 1 The study area and sampling location

3 材料与方法

3.1 沉积样的采集处理

3.1.1 样品的采集与前处理

2018年5月，租用渔船“苏如渔运08327”号在浙江岸外使用重力采样器采集1根2 m短柱样J1（28°14′50″N，121°51′52″E），取样地水深约 20 m。该柱样岩芯呈黄褐色，主要由粉砂构成，夹少量黑灰色粗粉砂质或细砂质条带。

将样品冷冻保存，带回实验室后使用岩芯切割机纵向剖开，拍照，描述岩心沉积特征。对其中半根柱样进行XRF地球化学元素扫描分析，后将其按照1 cm间隔进行分样，放入相应编号的塑料样品袋中，室温保存。

3.1.2 地球化学元素扫描

使用Avaatech公司生产的XRF（X射线荧光光谱仪）进行地球化学元素的扫描，仪器设置参数如下：电压依次设定为 10 kV、30 kV、50 kV，电流为 500 μA，时间为10 s，扫描步长为5 mm。最终获得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种元素的扫描数据。本项工作在厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室完成。

3.1.3 粒度分析

岩心以1 cm间隔进行分样，共200个子样，全部进行粒度分析。先取适量样品，加入浓度为0.5 mol/L的六偏磷酸钠溶液并静置12 h，使样品充分分散。放入英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪，超声振荡7 s使其分散后测试其粒度数据。该仪器的粒径测量范围是0.02～2 000 μm，进行重复测试，控制相对误差在2%以内。本项工作在南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室完成。

对粒度分析结果以（1/4）Φ间隔分组，采用矩法公式[11]计算粒度参数，包括平均粒径、分选系数、偏度和峰度。

3.1.4210Pb测年

针对现代沉积速率问题，以210Pb法为代表的放射性同位素定年得到广泛的应用；该方法最初使用在冰芯和湖泊沉积等稳定、连续、扰动少的环境，后来逐渐拓展到海湾、河口、陆架环境。虽然东海的台风频发，但是210Pb定年法主要是得到百年尺度的平均沉积速率，可以认为它滤去了年际的沉积速率波动，能够确定大致的年代框架。这一方法在东海泥质沉积区有较多成功的研究案例[10,12-14]。

在岩心上部110 cm共取16个子样，放入烘箱在40℃条件下低温烘干。将烘干的样品研磨、过100目筛，称取一定体积的样品放入样品管密闭静置20 d左右，使样品中的222Rn与226Ra达到平衡状态，最后放入井型超低本底高纯锗Gamma能谱仪（型号GSW275L，生产厂家为美国Canberra公司）进行放射性活度检测。本项工作在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室完成。

采用恒定比活度模式—CIC（Constant Initial Concentration）模式[15]计算岩心沉积速率。根据下列公式计算沉积物某层的沉积年代(t)和沉积速率(SR，单位：cm/a)：

式中，t为某一深度x（单位：cm）的年龄；λ为210Pb的衰变常数（取0.031 14 a-1）；r是沉积物的堆积速率（单位：g/(cm2·a)）；C是沉积物中210Pbex的过剩比活度（单位：Bq/kg）；F是210Pbex从水体到沉积物的输运速率（通量）（单位：Bq/（cm2·a））。

3.2 气象观测记录的收集与处理

3.2.1 资料来源

判定台风影响的标准是台风在该区域期间总雨量是否大于50 mm或者台风的最大风力等级是否大于等于8级[16]。在日本国家信息中心数字台风网（http://agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/search_geo.html.en）和浙江省水利厅台风路径网（http://typhoon.zjwater.gov.cn/default.aspx###）上获得1950-2018年间影响J1台风的器测数据，包括台风中心气压、台风移动路径、各站点台风最大风速以及台风形成、消亡时间。将所得数据筛选分析，若相邻台风出现的时间接近则合并为一次，若台风的最大风速小于8级则剔除。

3.2.2 台风影响的参数

由于影响J1的台风风速无法直接获得，本文通过相关参数进行拟合计算得出，如台风中心气压、台风中心移动速度、最大风速半径等。用来计算最大风速半径的方法主要有两种：MEF经验公式[17]和MGCG公式（根据台风7级、10级风圈半径进行计算）。我国气象站台仅记录了2002年至今台风的7级和10级风圈半径，缺少1950-2001年期间台风的7级和10级风圈数据，为了计算的统一，本文选用MEF经验公式，即利用下式来计算最大风速半径（R），

式中，p是台风中心气压(单位：mPa)；l是台风中心所在的纬度。

得到最大风速半径之后，可以采用Jelesinanski[18]提出的风场模型，计算J1点的风速（），即

式中，k是台风中心距离观测点的距离（单位：km）；V是台风中心移动速度（单位：m/s）。

4 结果

4.1 事件沉积代用指标结果

4.1.1 粒度特征

J1的粒度组分与粒度参数如图2所示。根据Folk等[19]提出的沉积物分类方法，除了180 cm处为砂质粉砂，其他层序均为粉砂。平均粒径在7.5～16 μm之间，平均值为11.5 μm。分选系数在1.3～1.8之间，平均值为1.6，分选较差。偏态在0.3～0.6之间，平均值为0.5，属于正偏。峰态在0.8～1.4之间，平均值为1.2，属于中等。有 16个层位（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）的平均粒径出现极大值，分选系数也均变大，峰态与偏态均出现极小的峰值，黏土含量减小，砂和粉砂含量均增加。

4.1.2 地球化学元素

通过XRF扫描得共29种地球化学元素，选取了Fe、Al、K、Sr、Ca、Zr、Rb、Si共 8种与沉积物粒度变化密切相关的元素进行分析[20]，其元素含量随深度的变化曲线如图3所示。

图 2 J1沉积物粒度组分与粒度参数垂向分布Fig. 2 Vertical distribution of grain size composition and grain size parameters of Core J1

图 3 J1中与粒度相关的8种单元素含量垂直分布Fig. 3 Vertical distributions of the content of 8 single elements from Core J1

Fe、Al、K、Ca、Rb、Si元素含量的总体波动趋势较为相近，均在14个层位（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）出现极小值，而Sr、Zr两种元素含量的变化趋势则与之相反，在上述14个层位出现极大值。上述层位的样品颜色也较深，明显区别于其他层序，这表明沉积环境可能发生了变化。40 cm层位的子样出现扫描数据缺失的现象，可能是由于沉积条件的改变所致。

4.1.3210Pb测年结果

柱状样J1的总210Pb比活度、226Ra比活度以及210Pbex比活度垂直分布曲线如图4所示。总210Pb比活度随着深度增加振荡下降，到100 cm处时基本达到稳定。226Ra的比活度在垂直方向上较为稳定，在90 cm处开始增加，与总210Pb比活度在95 cm处形成交叉，因此判断总210Pb比活度在100 cm处达到本底值。

图 4 J1柱样总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

对210Pbex比活度和深度进行线性拟合，拟合曲线的相关系数为0.83，拟合结果良好，计算出J1的沉积速率为1.1 cm/a。刘升发等[12]测得东海内陆架泥质区的平均沉积速率为1.9 cm/a，李军等[13]计算浙闽沿岸泥质区的沉积速率为0.8～2.0 cm/a，Jia等[21]计算该区域沉积速率为1.0～1.5 cm/a，可知本研究所测J1的沉积速率结果与该区域已有测试和研究结果非常一致。

柱样表层的采样时间为2018年5月，根据沉积速率进行推算，柱样J1的沉积时间为1836-2018年。沉积物的210Pbex比活度在21～33 cm、52～61 cm以及70～80 cm处均有较大的波动，可能是由于沉积环境发生了较大的变化。

4.2 台风的气象观测记录

本文统计台风是否影响J1的依据是台风在J1附近的最大风力等级不小于8级[7]，统计结果表明，在1950-2018年间共有43次器测台风影响J1（图5）。所有影响J1台风的平均风力等级为10级，最大风力等级为15级，拟合的J1处平均最大风速为28 m/s。整体来看，自20世纪60年代起，影响J1的台风数量显著增加，进入21世纪之后，影响J1的台风数量减少但台风强度却显著增加。2000年之前影响J1的台风频率有着周期约10年的波动规律。

图 5 1950-2019年影响J1的台风最大风速（a）与频率（b）Fig. 5 Maximum wind speeds (a) and frequencies (b) of typhoons affecting Core J1 from 1950 to 2019

5 讨论

5.1 台风沉积事件的识别和重建

正常情况下，东海内陆架区域沉积物粒度等特征主要受控于沿岸流的强度[9]，但在J1的部分层位，粒度等特征的显著突变超出了沿岸流所能带来的变化的阈值，能产生此类急剧变化的环境因素可能是极端水文事件[14,22]。浙闽沿岸地区极端水文事件主要为台风、洪水事件。但长江洪水和钱塘江仅能影响其河口附近海域，浙闽沿岸较少记录有洪水事件[14]。同时长江洪水很难在距离河口较远的浙闽沿岸南部泥质区形成粗颗粒沉积[5]，而J1采样位置与瓯江和椒江河口也有相当的距离。因此，不失一般性，可以认为J1记录的异常粗颗粒沉积主要与台风事件有关。为进一步确定是否为台风沉积，本文选取以下指标对台风沉积事件进行进一步的识别。

（1）D90。D90是样品的累计粒度分布数达到90%时所对应的粒径，其物理意义是粒径小于它的颗粒占90%。它可以直观反映粗颗粒的变化，较大的D90（大于平均值作为阈值）可有效指示岩芯中异常粗颗粒沉积事件。（2）Zr/Fe。二氧化硅、铝硅酸盐、锆石等抗风化力较强的成分通常富集于较粗的砂层沉积物中，而Fe一般富集在较细的颗粒中[23]，Zr/Fe也可有效指示沉积序列中粒度粗化层位。（3）Sr/Al。Sr常常作为海源性元素，富集于含有贝壳碎屑和钙质微生物等海洋粗颗粒碎屑沉积物中，Al一般富集在较细的颗粒中[23]，较大的Sr/Al可帮助识别风暴事件[24-25]。（4）Ca。因Sr和Ca元素具有亲缘性，Sr的峰值有可能指示原地生长的生物壳类碎屑，为此本文同时引入Ca元素峰值变化并结合粒度和Zr/Fe比值分析，以进一步阐明Sr峰值沉积物是否为风暴事件沉积。

根据以上指标建立台风沉积事件识别程序（图6）。

图7的浅灰色区域展示了异常层序，多因素指标均指向风暴的发生，共判别出25个异常的层序，即沉积记录中可识别出25次台风事件（标号为S序列）。需要注意的是S15、S16、S23层序，尽管Zr/Fe和Sr/Al并未出现明显峰值，但是粒度变大且相同层位Si出现较大峰值（图3），由此可判断是由石英等粗颗粒沉积物组成的风暴沉积。另有两层深灰色区域（标号为N系列）判别为非风暴沉积，这是因为N1、N2层位中粒度指标和Ca同时出现较大值，而Zr/Fe无明显峰值变化，推断这两层沉积物是由贝壳、生物碎屑等较粗颗粒组成的沉积，碎屑来源为原地生物壳类碎屑沉积，而非风暴来源。

图 6 台风沉积事件识别标准判断图Fig. 6 A flow chart for identifying typhoon events in sedimentary records

图 7 J1的多指标台风层序识别Fig. 7 Multi-indexes typhoon sequence identification of Core J1

由于2000-2018年未有台风的沉积记录保存下来，对1950-2000年的数据进行分析，将影响J1器测台风的数量看作因变量，将识别出台风沉积事件的数量、距离2000年的年份两个参数看作自变量，对表1的数据进行拟合计算，得到公式（6），相关系数为0.99，建立因变量与自变量之间的关系。

式中，y表示影响J1器测台风的数量； x1表示距离2000年的时间；x2表示沉积记录中识别出台风事件的数量。

1950-2000年影响J1的台风共33次（表1），同期影响浙江的台风（进入 25°～32°N，115°～125°E）数量是173次[8]，可以认为影响浙江的台风数量是影响J1数量的5倍左右。J1柱样共识别出25次台风记录，根据沉积速率估算柱样底部是1836年，通过公式（6）计算出1836-1950年影响J1的台风为70次；假设沉积环境和海气系统在过去的100多年中基本稳定，可以推算出1836-1950年影响浙江的台风约350次。气象资料统计显示，浙江成灾的台风占影响浙江台风总数的43.3%[1]，可以推算出1836-1950年浙江成灾的台风约150次；同期（1836-1950年）历史资料《中国气象灾害大典·浙江卷》记载的浙江成灾的台风记录共90次[1]。这表明了历史文献中1950年之前的台风记录可能存在部分缺失。

表 1 1950-2000年相关参数数据Table 1 Relevant parameter data from 1950 to 2000

图 8 1950年以来有器测记录时期J1（0～100 cm深度）的多指标台风层序识别图Fig. 8 Multi-index typhoon deposits identified during meteorological observation period in Core J1 (0-100 cm)

5.2 器测记录与沉积记录的对比分析

1950年以来中国有系统的台风观测记录，这段时间对应的沉积记录位于J1柱样上部76 cm，因此先讨论这一段岩芯中保存的台风记录情况。从图7可以看出，岩芯20 cm、23 cm、28 cm、32 cm、34 cm、44 cm、47 cm、51 cm、57 cm、59 cm等10个层位的D90出现较大的峰值（超过平均值），表明这些层位的粒度显著增大，样品在这些层序的颜色加深，出现侵蚀面，元素 Fe、Ti、K、Ca、Rb、Si的含量减小，元素 Zr、Sr的含量增大，综合起来可认定为台风层序（图2）。根据沉积速率可将这些层位的年代推算出来，再根据年代与影响J1的器测台风建立联系，可以得到1950-2018年之间共有10次台风的器测记录与沉积记录吻合（图8），10次台风的相关参数见表2。

这10次台风的最大风速平均为28 m/s（图9），频率分布较为均匀。

如果以1950-2018年影响J1的43次器测台风记录为基数，则J1的台风沉积记录的保存潜力为23%（10/43）。不过，虽然2000-2018年器测台风的频率和强度都大大增加[8]，而同期的沉积记录（即J1上段0～20 cm）的平均粒径非常稳定，无风暴记录被保存识别。因此，1950-2000年间J1沉积记录中共识别出10次台风，而这个时间段内有33次台风影响J1；换言之，J1的台风沉积保存潜力应该约为30%（10/33）。考虑到部分风暴层位对应年份发生多次强台风事件（图8），说明该风暴层位可能是多次台风作用的结果，可以认为J1的沉积记录对于台风事件的保存潜力约为30%。

J1上段20 cm没有记录台风事件，分析其原因，可能与海轮和航运等人类活动有关。J1位于浙江沿岸重要航路—东航路附近[26]。进入21世纪以来，我国的港口迎来飞速的发展与增长，外贸出口额和沿海港口建设投资的增长速度大大加快，1999年浙江港口货物的总吞吐量为1.4亿t，2017年总吞吐量已增长至12.6亿t，使得J1所处航道线上通行的船只数量及吞吐量飞速增长。已知20 000 t排水量船只的吃水深度大约在10 m左右[27]，而J1采样点的水深在20 m左右，船只的通航易造成海底表层沉积的搅动。大量巨轮通航增加，伴随夏季频繁发生的更高能的台风，可能快速冲刷了刚形成不久的沉积层序。210Pbex在10～20 cm之间虽然衰减，但在0～10 cm处增大，20～30 cm处出现了异常的增加，这表明0～20 cm层位沉积环境并不稳定，有上下层位扰动现象。结合夏季频繁发生的台风，船舶扰动层位的厚度大约是0～20 cm。也许能解释210Pbex剖面在表层0～20 cm（对应1996-2018年）出现极大的扰动，从而没有留下过去20年的台风沉积记录。

通过沉积记录反演历史台风，其分辨率（台风发生的次数）及频率分布并非百分之百的复刻，沉积记录可被高能的台风事件、船只通航造成的扰动抹除，因此往往不能从沉积记录百分之百的反演器测台风事件。同时，登陆浙闽的台风其保存潜力更大。

表 2 1950-2018年在J1沉积记录中识别出的10次台风的相关参数Table 2 Parameters of 10 typhoons identified in Core J1 from 1950 to 2018

图 9 1950-2018年影响J1的台风强度Fig. 9 The typhoon intensity affecting Core J1 from 1950 to 2018

5.3 沉积记录中保存的台风分析

从J1的沉积记录中分析得到，1950-2018年间有10次事件沉积记录；它们的年龄可由210Pb法推算，对应年份都有影响J1的台风气象记录，二者的对比列于表2。

朱业等[8]提出可将1950-2009年影响浙江的热带气旋的路径分为5种（图1）：Ⅰ型是在125°E以东、140°E以西转向的热带气旋；II型是在125°E以西转向的热带气旋；III型是在浙江、上海、江苏登陆又或是在近海处消失的热带气旋； IV型是登陆福建或在台湾海峡消失的热带气旋；V型是前往广东、海南的热带气旋。其中，出现频次由多到少依次是：IV型（31.8%）、II型（22.3%）、V 型（21.7%）、III型（15.3%）、Ⅰ型（8.9%）。

1950-2018年，沉积记录中识别出的10次台风有7次台风都是在浙江登陆的III型台风，依次是7209号Betty、7514号Doris、8707号Alex、8920号Vera、9219号Ted、9711号Winnie、0004号Kai-tak。此外还出现2次在福建登陆的IV型台风6616号Alice，仅有1次II型台风6405号Betty转向日本（表2）。

影响浙江的台风登陆地点主要集中于浙江省温州市和台州市，登陆时间集中于7-10月（表2）。另外，台风在东海内陆架登陆最频繁的3个地区分别为：浙江省台州市、温州市和福建省宁德市。这些地区的近海因频受台风影响，可能保存的台风沉积记录也更多。

6 结论

本文通过对浙江海域采集的柱样J1的粒度与地球化学元素分析，根据D90、Sr/Al、Zr/Rb、Ca等指标建立了浙闽泥区的台风判定程序，整根柱样（2 m）共有25次台风事件沉积可识别出来。

通过210Pb测年法，计算得J1的沉积速率为1.1 cm/a，推算J1的沉积年份为1836-2018年。根据年代将沉积记录与影响J1的器测台风建立联系，其中与台风器测时期（1950-2018年）记录相吻合的台风沉积记录共10次。同期影响J1的台风总数为33次，表明台风在J1的沉积记录中保存潜力约为30%。这10次台风的平均风速约等于器测时期影响J1台风的平均风速，几乎都是登陆浙江和福建的台风，说明登陆浙闽的台风其保存潜力更大。

若建立时间跨度、台风气象观测记录数量、台风沉积记录数量与《中国气象灾害大典·浙江卷》记载的成灾台风数量等变量的模糊数学关系，可以认为，历史文献中1950年之前的台风记录可能存在部分缺失。

J1点处于航道线上，自2005年以来，随着洋山深水港的开港及温州港、台州港的升级，大大增加的吞吐量及高能频繁的台风造成了J1表层20 cm沉积层序的扰动。因此，在以后的台风沉积研究采样时，选点应避开航道线，选取较强登陆台风多次经过的采样点可望获得保存更完整的台风沉积记录。

致谢：厦门大学田莉老师为岩芯扫描实验提供了很大的帮助，赵培培、刘桢峤、梅亚萍等人协助进行岩芯扫描，毕倩倩、邓彬彬、钟强强等人帮助完成了210Pb放射性同位素测试及沉积速率计算，石勇、徐圣、盛辉等人帮助进行了粒度分析；论文写作期间，与自然资源部第二海洋研究所陈一宁老师进行了有益的讨论；在此一并致谢！