東海內陸架夏季臺風與冬季寒潮沉積動力過程的差異
——基于現場觀測的認識

盧健，姜靜波，李安春，馬小川

1. 中國科學院海洋研究所海洋地質與環境重點實驗室，青島 266071

2. 中國科學院海洋研究所海洋環流與波動重點實驗室，青島 266071

臺風（熱帶氣旋發生在西北太平洋稱為臺風，大西洋和北太平洋東部稱為颶風，在本文中統一稱為臺風）是地球上最具破壞性的自然災害之一，其嚴重威脅著沿海地區居民的人身和財產安全[1]。除了對社會經濟造成危害外，臺風還會對沿海地區的地形地貌、水文和生態環境等產生影響[2-7]。作為臺風活動最為頻繁的區域之一，每年有近1/3 的熱帶氣旋發生在西北太平洋[8]。據統計，平均每年有4 個臺風經過并影響我國東海[9]。近些年來，登陸我國東部沿海省份的強臺風和超強臺風造成了巨大的經濟損失[10]。在過去的幾十年中，影響東亞的臺風強度增加了12%～15%，并且由于全球氣候變化，影響這一區域的臺風強度將進一步增加[11]。隨著我國沿海地區人口的聚集和經濟的發展，未來臺風可能會在沿海省份造成更大的災害，這對我們制定臺風災害應對措施提出了新的挑戰。

在全球氣候變暖的背景下，關于未來臺風的發展變化，尤其是未來臺風的發生頻率會降低[12-14]還是會增加[15-16]，不同研究之間的認識并不一致。引起這一爭議的主要原因是我們對臺風長期的發展與演化機制的認識還不充分。臺風器測記錄只有近百年的時間，這限制了我們對于臺風長周期變化的認識。因此，我們需要其他的方法來獲取更長時間的臺風活動記錄，并從記錄中辨識出臺風的活動規律。從沉積記錄中提取臺風信息是重建器測記錄之前臺風活動的有效手段之一。通過沉積記錄中臺風信息的提取，可以了解數千年以來臺風的發生頻率和強度變化以及臺風的活動規律[17-20]，結合其他氣候指標可以進一步判別影響臺風活動的因素，從而為預測未來臺風的發展趨勢提供幫助。相關研究可以為我國沿海地區的開發建設，臺風災害應急預案的制定，以及防災減災工作提供科學參考。

東海內陸架泥質區沉積環境相對穩定，沉積記錄連續且具有較高的沉積速率[21-22]，是研究過去幾千年來東海臺風活動的理想區域。但是，其他極端事件，尤其是冬季寒潮大風的干擾，會影響臺風事件沉積記錄識別的準確性。臺風與冬季寒潮沉積特征的辨識是東海內陸架泥質沉積用于臺風活動準確重建的基礎和難點之一。目前，為了解決這一問題，除了利用臺風和冬季寒潮事件中沉積物礦物和地球化學等指標組成的不同，還可以根據這兩種不同極端事件中沉積動力過程的現場觀測數據的分析，來探討二者的差異，幫助我們更加準確地識別臺風事件的沉積記錄并進行臺風活動的歷史重建。

1 研究區概況

東海內陸架泥質區主要是自中全新世以來由長江的大量入海懸浮物質沉積形成，冬季入海的懸浮物和其他季節入海的再懸浮物質被沿岸流攜帶著向南輸運并沉積下來[23-26]。在全新世中期海平面達到高水位以后，大約30%的長江入海沉積物形成了從長江口至臺灣海峽西南延展的長約1 000 km的楔形泥質體[21,27]。由于相對穩定的沉積環境和較高的沉積速率，東海內陸架泥質區是研究氣候變化以及陸海相互作用的理想區域。東海懸浮體的輸運受波浪、潮流、陸架環流和極端事件（如夏季臺風和冬季寒潮）等影響[28]。東海內陸架泥質區南部的環流系統主要由東海沿岸流和臺灣暖流所組成（圖1）。受季風的影響，東海沿岸流在冬季向南流動，而在夏季向北流動。臺灣暖流以溫度和鹽度較高而濁度較低為特征，全年向北流動[9]。東海易受到臺風活動的影響，在2002—2011 年期間，大約有35 個臺風經過東海，對海洋環境造成了影響[29]。雖然臺風沉積會受到后期的改造作用，但是在沉積物供應充足和沉積速率較高的情況下，強臺風等事件的沉積記錄仍然可以保留下來[30]。已有利用東海內陸架泥質區沉積物巖芯記錄重建過去150～2 000年以來臺風活動的相關報道[19,31]。

與此同時，全校教師在相互影響之下，不斷轉變教學理念，逐步改變傳統的課堂教學方式，創建“成功導學”的課堂教學模式，關注每一位學生的成長，讓學生在課堂中學有所成，學有所樂。課堂中學生“抬頭率”的提高和“趴桌率”的降低，證明了教師的教與學生的學在發生變化。這些理念的推行碰到了很多挫折與困難，但是全體師生緊密團結，在實踐中不斷探索，促進了學校、教師和學生的共同發展。

圖1 四腳架站位分布圖及結構示意圖a： 四腳架站位分布圖，綠色和藍色陰影代表2015 年臺風“蘇迪羅”和“天鵝”中心距離四腳架最近時七級風圈的影響范圍，臺風路徑數據引自網站http://typhoon.weather.com.cn/，紅色等值線為東海楔形泥質體等厚圖，修改自文獻[21]；b： 2015 年夏季和2019 年冬季四腳架布放站位表層沉積物的粒度分布，修改自文獻[33]；c： 四腳架結構示意圖，修改自文獻[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 數據來源與研究方法

本文研究所用數據是通過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）布放在東海內陸架泥質區的四腳架觀測系統所取得。四腳架結構示意圖如圖1 所示，長寬高尺寸分別為2.2m × 2m × 2m，為保證架體的穩定性，在四腳架底部配置了鉛塊。四腳架上搭載了姿態儀、水質儀、光學后反射儀（OBS）、仰視聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）和俯視多普勒海流剖面儀（PC-ADP）等儀器設備。姿態儀以30 min 間隔進行采樣，記錄四腳架的翻滾角和俯仰角等姿態變化。水質儀固定在四腳架的頂部，用來采集海水的溫度和鹽度等數據。OBS 傳感器固定在距四腳架底部1.4 m 的位置。水質儀和OBS 設置采樣間隔為30 min，每次測量1 min。ADCP 固定在四腳架頂部，工作頻率為614.4 kHz，采樣頻率為2 Hz，采樣間隔30 min，每次測量2 min，測量剖面分層單元為1 m。PC-ADP 固定在距四腳架底部1.7 m 的位置，工作頻率為1.5 MHz，采樣頻率為2 Hz，采樣間隔30 min，每次測量2 min，測量剖面分層單元為0.1 m。

四腳架記錄了2015 年臺風“天鵝”和2019 年冬季寒潮期間東海內陸架泥質區的近底層流速、懸浮體濃度、海水溫度和鹽度等數據（圖5 和表2）?？梢钥闯?，2015 年8 月近底層海流流向以西北向和東南向交替變化，臺風“天鵝”期間流速平均值為29.1 cm/s，最大流速55.2 cm/s；與6 號浮標記錄的有效波高極大值相對應，在8 月9 日和8 月24 日附近懸浮體濃度突然增大，是由于臺風“蘇迪羅”及“天鵝”經過東海時所引起，懸浮體濃度平均值為

圖2 四腳架觀測期間俯仰角和翻滾角變化a： 2015 年臺風“天鵝”期間， b： 2019 年冬季寒潮期間。橙色長方形區域為本文用于分析的數據。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 結果

3.1 近海浮標觀測結果

中國近海觀測網絡東海站的6 號和20 號浮標分別記錄了2015 年臺風“天鵝”經過時以及2019 年冬季寒潮期間的風速、風向、波浪和海流等數據，其變化如圖3 所示。6 號浮標記錄的數據顯示，風向以南風和北風為主，交替不規則變化，在8 月24 日風速達最大值，10 分鐘平均風速最大達18.9 m/s，此段時間內風向主要為北風；在2015 年8 月9 日和8 月24 日有效波高出現顯著的高值，其中8 月24 日有效波高最大達到4.5 m，有效波高的兩個極高值分別由2015 年第13 號臺風“蘇迪羅（Soudelor）”和第15 號臺風“天鵝”經過東海所引起。近底層流速主要受潮流的影響，在8 月24 日近底層流速突然增大，最大流速達78.3 cm/s。20 號浮標記錄的數據顯示，風向以北風為主，10 分鐘平均風速最大可達18.0 m/s；海水溫度總體呈下降趨勢；在2019 年12 月6 日，有效波高出現最大值，為3.9 m，有效波高變化趨勢與風速大小變化相一致；近底層流速反映出東海半日潮的影響，最大流速為68.6 cm/s；濁度儀記錄了水面以下1.4 m 處的濁度數據，總體呈現高值與低值間隔變化，且濁度高值對應著近底層流速的低值。以6 級風，即風速大于10.8 m/s 作為冬季寒潮大風的劃定標準[32]，統計了冬季寒潮期間20 號浮標的觀測數據，并與臺風“天鵝”距離浮標最近時6 號浮標的觀測數據進行了比較（表1）?？梢钥闯?，臺風經過時與冬季寒潮發生時，各觀測指標的變化相似：有效波高出現顯著高值，風向以北風為主，近底層流速增大。但是，臺風的強度要大于冬季寒潮，如臺風期間有效波高（平均值3.0 m）大于冬季寒潮時的數值（平均值2.2 m），臺風期間近底層流速平均值（42.0 cm/s）是冬季寒潮時（19.2 cm/s）的2 倍多，臺風期間近底層海流平均流向為西南方向，而冬季寒潮期間近底層海流平均流向為東南方向。東海泥質區表層沉積物的起動流速臨界值約為41.6 cm/s[7]，在臺風經過時及臺風經過后一段時間內，近底層的流速明顯高于該臨界值，可以引起沉積物的再懸浮，而冬季寒潮期間，近底層流速大于該臨界值的時刻較少（圖3）。

表1 東海站6 號和20 號浮標分別在2015 年臺風“天鵝”和2019 年冬季寒潮期間的觀測數據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

圖3 東海站6 號和20 號近海浮標觀測數據藍色陰影代表臺風“天鵝”中心距離四腳架最近的時期。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 四腳架觀測結果

魔芋是一種半陰性植物，喜歡陰暗潮濕，怕高溫、寒冷及水澇。在亞熱帶濕潤季風氣候區、低緯度和高海拔地區最適合其生長，因為這些地區氣候溫和、日照充足、雨量充沛、土地肥沃且濕度較高。Y市屬于亞熱帶濕潤季風氣候，自然條件得天獨厚，正是魔芋的理想種植地［1］。

利用四腳架布放站位表層沉積物配制的多濃度懸濁液，在實驗室里對OBS 濁度數據進行了標定，獲得了濁度和懸浮體濃度之間的關系式（圖4），進而將所得濁度值換算為懸浮體濃度值。

圖4 OBS 濁度與懸浮體濃度室內標定結果Fig.4 Laboratory calibration curve of OBS turbidity with suspended sediment concentration

在2015 年觀測期間，第15 號臺風“天鵝（Goni）”經過東海，8 月24 日臺風中心距離四腳架最近，最大風速達到52 m/s，臺風七級風圈的影響范圍到達四腳架附近海域（圖1）。四腳架姿態儀記錄的俯仰角和翻滾角的變化顯示，在2015 年8 月31 日后，俯仰角和翻滾角出現較大波動；2019 年11 月28 日之前，俯仰角發生突變（圖2）。為了便于比較，本文僅選取了四腳架姿態穩定時期的數據，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 期間采集的數據。由于2015 年8 月6 日之前PC-ADP 距離海底僅70 cm 左右[7]，8 月6 日后四腳架的翻滾角又出現了近30°的變化，PC-ADP 與海底距離進一步縮短，影響了數據的采集，因此，本文僅采用ADCP 近底層的流速流向進行了分析與討論。作為補充信息，我們參考了中國近海觀測網絡東海站6 號和20 號浮標（圖1）對應于四腳架觀測期間采集的風速、風向、波浪、海流和濁度等數據（數據由中國科學院海洋研究所海洋大數據中心提供，http://msdc.qdio.ac.cn/）。

傳感器檢查是電控系統出現故障后，需要檢修人員進行操作的關鍵環節，由于在實際生產和運行過程中，系統故障發生率較高，因此，施工人員應加強對各個環節的綜合控制，故障發生后，必須立即停止工作，并進行相應的檢修和維護。

表2 四腳架在2015 年臺風“天鵝”和2019 年冬季寒潮期間的觀測數據Table 2 Observation data of quadripod during Typhoon Goni in 2015 and winter cold waves in 2019

圖5 四腳架記錄的2015 年臺風“天鵝”和2019 年冬季寒潮期間的流速、懸浮體濃度、溫度、鹽度以及近底層沿岸方向和垂直岸線方向的流速風速和風向為東海站6 號及20 號觀測浮標的記錄。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.

除了海底沉積物再懸浮和長江入海物質輸入引起物源組成的不同外，在東海內陸架泥質區向海一側的邊緣位置，由于臺風和冬季寒潮期間近底層海流流向的差異，也可以引起兩種事件沉積組成上的差別。從四腳架記錄的近底層流速玫瑰圖分布（圖6）可以看出，2015 年臺風“天鵝”期間，近底層流向以向西北和向東為主，即以向岸和離岸方向為主；而2019 年冬季寒潮期間，近底層流向以向西南為主，即以沿岸向南方向為主。由于臺風路徑、強度以及持續時間的不同，各臺風對相同地點的影響會有所差別。例如在本研究中，臺風“天鵝”的行進路線距離四腳架觀測位置較遠，記錄到的近底層流速最大值為55.2 cm/s；而2015 年臺風“燦鴻”經過東海時，由于行進路線距離四腳架觀測位置較近，記錄到的近底層流速最大值可以達到152.0 cm/s[7]。在東海的外陸架分布著形成于晚更新世的殘留砂[37]，砂-粉砂-黏土的混合區呈條帶狀分布在東海泥質區和殘留區之間[38]?，F場觀測結果顯示，2013 年臺風“丹娜絲”經過東海時，可以影響到水深110 m 處的殘留區，表層沉積物發生再懸浮[39]。2017 年臺風“泰利”前后獲取的表層沉積物的粒度組成變化顯示，臺風可以促進東海內陸架泥質區與殘留區之間的物質交換，殘留區的砂等粗顆粒物質可以被攜帶至泥質區的邊緣沉積下來，粗顆粒的粒徑最大可以達到212 μm[33]。長江口外泥質區邊緣的一根巖芯的沉積記錄顯示，巖芯中砂層的黏土礦物、化學元素比值以及磁化率等組成，尤其是砂層中破碎的貝殼和磨蝕嚴重的有孔蟲殼體，均指示了砂層物質來自殘留區，在排除了洪水和冬季寒潮的影響后，該巖芯中的砂層代表了臺風事件的沉積記錄，且在2003 年前臺風發生頻率與ENSO 之間存在著聯系[40]。本研究中四腳架記錄的近底層流向也證明了長江口外泥質區邊緣巖芯的砂層主要是臺風期間來自殘留區，而冬季寒潮期間殘留區物質無法到達泥質區邊緣。東海陸架懸浮體向深海的運移具有“夏儲冬輸”的輸運格局[41-42]，長江入海沉積物中的粗顆粒由于搬運距離較遠，無法到達東海內陸架泥質區向海一側的邊緣，因此在泥質區邊緣沉積記錄中的砂層代表了大部分的臺風事件沉積。我們可以在東海內陸架泥質區邊緣采集較長的沉積物巖芯，根據沉積記錄中砂層的分布特征，判別臺風活動的發展規律，例如，在全新世暖期和冷期臺風的發生頻率如何變化，從而為預測未來臺風的發展趨勢提供科學參考。

由于2019 年冬季航次調查船的船時安排及天氣原因，四腳架并未布放在與2015 年夏季相同的站位上。根據文獻[33]中的粒度數據，我們比較了2015 年夏季與2019 年冬季四腳架布放站位表層沉積物的粒度組成，可以發現：2015 年夏季，沉積物由粉砂（93.7%）和黏土（6.3%）組成，平均粒徑為17.2 μm；2019 年冬季，沉積物由粉砂（92.5%）和黏土（7.5%）組成，平均粒徑為15.8 μm，兩個航次四腳架布放地點的沉積物粒度組成十分相似（圖1）。因此，底質類型的差異對開展臺風和冬季寒潮沉積動力過程對比研究的影響較小。

4 討論

長江入海懸浮物主要由長江沖淡水攜帶并向東海輸運。通常情況下，長江沖淡水在夏季指向東北方向[9]，大約70%的長江入海物質堆積在河口附近[21]，而對遠離河口區域的懸浮體分布影響極小[36]。所以，在2015 年8 月四腳架記錄的高濃度懸浮體并不是直接由長江入海物質所引起。臺風經過時引起的涌浪會攪動海底沉積物，未固結的沉積物會發生再懸浮并被海流輸運至周圍海域。2015 年臺風“燦鴻”經過東海時，近底層流速與懸浮體濃度之間較高的相關性證明高濃度懸浮體主要來自海底沉積物的再懸浮[7]。在冬季，長江沖淡水溫度較低，且一般沿岸向南輸運[9]。20 號浮標記錄的水下1.4 m處的濁度高值對應于近底層流速的低值，且與海水溫度的低值相對應，證明高濁度主要由長江入海物質所引起（圖3）。2019 年冬季四腳架記錄的近海底懸浮體濃度高值也對應著海水溫度和鹽度的低值（圖5），說明主要是由長江入海物質導致了高濃度懸浮體的發生。事件沉積物質來源的差異，為從沉積記錄中區分臺風與冬季寒潮事件提供了可能性。

在東海內陸架泥質區，臺風和冬季寒潮相關的沉積動力過程有一定的相似性，同時也存在著明顯的差異，我們需要進一步了解二者的差異及可能在沉積記錄中的不同，從而為在東海內陸架泥質區及其他海域準確識別臺風事件提供科學依據。

606.6 mg/L，最大值可以達到1 691.9 mg/L；海水溫度在臺風經過時短暫降低，之后溫度升高；沿岸方向的海流分量在臺風“天鵝”經過時以東北方向為主。2019 年11—12 月近底層海流流向以西南方向為主，冬季寒潮期間流速平均值為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 懸浮體濃度出現最大值，為1 780.9 mg/L，但是通過比較近底層ADCP 后向散射回聲強度，發現這兩個時刻對應的回聲強度值并未出現極大值，因此，這兩個懸浮體濃度異常高值可能是由其他因素（如生物擾動）引起，而不能代表真實值，在圖5 中我們將這兩個異常值的峰用虛線表示，去除異常值后懸浮體濃度平均值為149.8 mg/L，懸浮體高值的分布與近底層流速高值的變化并不一致；近底層海水溫度呈逐漸降低的趨勢，海水鹽度呈逐漸升高趨勢，鹽度與溫度的低值和高值一一對應；沿岸方向的海流分量以西南方向為主。通過比較可以發現，在臺風和冬季寒潮期間，近底層流速的平均值相接近，但是近底層流速大于起動流速臨界值的時刻臺風經過時要多于冬季寒潮時期；臺風期間懸浮體濃度的最大值是冬季寒潮時期的2 倍多，臺風期間懸浮體濃度的平均值要明顯高于冬季寒潮時期，臺風引起的懸浮體濃度升高持續時間要明顯長于冬季寒潮時期，這與東海臺風引起懸浮體濃度升高可以持續5～14 天的觀測結果相一致[7, 34-35]。

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1947年日本制定《食品衛生法》，象征日本在食品安全領域進入到立法階段。到21世紀，長期發展為生產過程的監管體系提供了很大保障，促使食品衛生安全存在生產到消費的整個過程。在整個生產工作中，不僅要對其進行有效監管，還需要做好銷售、流通等各個環節的問題?；凇妒称沸l生法》在監管生產中的局限性，為了達到監管理念的滲透，制定新的法案成為主要的發展趨勢。該法律法規是日本食品安全監管制定的核心部分，但是該法律還得不到配套化，還需要促使實施規則的完善化。實施執行期間，還需要給予不同方面的配置。

圖6 2015 年臺風“天鵝”和2019 年冬季寒潮期間四腳架記錄的近底層流速玫瑰圖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 結論與展望

5.1 結論

（1）臺風與冬季寒潮在風向、增大有效波高和近底層流速上具有一定的相似性，但是臺風的強度更大，更容易引起近底層沉積物的再懸浮。

（2）臺風經過時，高濃度懸浮體主要來自海底沉積物的再懸浮，且臺風過后高濃度懸浮體會維持較長的時間，而冬季寒潮期間高濃度懸浮體與長江入海物質的輸入相關。

（3）由于臺風和冬季寒潮近底層海流流向的差異，在東海內陸架泥質區向海一側的邊緣，其沉積記錄中的砂層更可能代表了臺風事件沉積，可以作為全新世臺風活動記錄研究的良好載體。

5.2 研究展望

臺風和冬季寒潮期間高濃度懸浮體的來源不同，臺風期間高濃度懸浮體會受到浙閩沿岸沉積物再懸浮物質的影響，而冬季寒潮期間高濃度懸浮體主要來自長江入海沉積物，這為識別兩種不同極端事件提供了可能。由于長江入海沉積物與浙閩沿岸沉積物黏土礦物組成的差異[25]，臺風后及冬季寒潮期間海水懸浮體顆粒有機碳δ13C 值的差別[6,43]，以及底層海水缺氧區變化[6]引起的沉積物氧化還原敏感元素組成的差別，可以在后續研究中用來嘗試區分臺風與冬季寒潮事件沉積。從東海內陸架泥質區沉積記錄中更準確地提取臺風信息，可以為預測未來臺風的發展趨勢提供科學參考，從而為我國沿海地區的開發建設以及臺風災害應急預案的制定提供幫助。

致謝：感謝中國科學院海洋研究所“科學三號”和“創新二號”全體船員在航次中的幫助。感謝中國科學院海洋研究所海洋大數據中心提供的數據，感謝東海海洋觀測研究站的數據支撐。