海南岛南部海岸风暴巨砾沉积揭示的风暴强度

The scientific question in the present proposal is how to extract millennial-scale storm intensity information on the basis of sedimentary archive analysis. Base on the storm boulders to get the millennial-scale storm intensity information is the current research hotspot of Paleotempestology. The storm intensity models however does not take full consideration of the sediment dynamic processes and mechanisms under storm conditions. And the accuracy of model output was constrained by the precision of input volume parameters. This research attempt to improve the accuracy of calculation results for storms intensity from coastal boulder deposits, using the typical coral boulder records from south of the Hainan Island. Then, the storm intensity modeling are improved by using laser scanning technology and sedimentary dynamic process simulation during the storm passing which adopted to link each of the coral boulder with the intensity of storms. The theoretical significance of the study lies in an improved understanding of the process-product relationship under the extreme events conditions and developing new techniques to analyze the sedimentary record. This research will also be valuable in the forecasting long-term trends of typhoons in the future, in terms of regional planning and coastal defense schemes.

本项目的科学问题是如何从沉积记录中提取千年尺度风暴事件的强度信息。利用海岸风暴巨砾沉积获取千年尺度风暴事件的强度是近年来古风暴学研究的新热点，然而以往计算海岸巨砾风暴强度的数学模型对风暴期间的沉积动力过程机制考虑不足，且模型结果的准确度严重依赖于巨砾输入参数（体积）的获取精度。本项目以海南岛南部海岸珊瑚巨砾为载体，根据风暴过境期间的沉积动力过程模拟，揭示珊瑚巨砾产生—输运—堆积的动力过程及其影响机制，在此基础上修正海岸巨砾风暴强度数学模型，并结合3D激光扫描技术精确获得珊瑚巨砾的体积参数，进一步提高海岸巨砾风暴强度计算结果的准确度。本项目研究对深化极端事件环境下的过程—产物关系认识和推进沉积记录信息解译技术的发展具有理论意义。同时珊瑚巨砾沉积记录的年代可以达到千年尺度，本研究可为预测未来长时间尺度的风暴活动变化趋势、海岸带资源的合理开发和海岸防风减灾工作提供科学依据。

在全球变暖和海面持续上升背景下，提取海岸带地区长时间尺度台风发生的活动信息，成为预测未来台风活动长期变化趋势急需解决的问题。利用海岸巨砾沉积研究千年尺度风暴事件的活动规律（尤其是风暴强度）是近年来古风暴学研究的新热点，然而以往提取海岸巨砾风暴强度的数学模型的模型结果的准确度严重依赖于巨砾输入参数（体积和密度）的获取精确。本项目基于海南岛南部珊瑚巨砾、东北部海岸沙丘中的海岸巨砾等沉积记录为载体，利用3D激光扫描技术精确提取1200多块海岸巨砾的体积参数和位置信息，通过沉积学、地貌学等多种学科方法，结合沉积动力学分析和数值模拟揭示了海岸巨砾形成的动力机制，构建海岸巨砾沉积动力模型、恢复了海岸巨砾被启动所需的最小流速（最小波浪）。结果表明海南岛南部珊瑚巨砾在空间分布呈现单峰模式，现场实测巨砾处于风暴条件下的理论分布范围区间内，数值模拟和历史观测数据显示风暴具有启动这些珊瑚巨砾的能力，表明这些珊瑚巨砾均为风暴成因。基于已有巨砾输运模式（如Nandasena et al., 2011）构建了新的水动力模型，得出海南岛南部大小东海地点风暴巨砾的启动流速介于1.40-14.47 m/s之间，海南岛东北部白石埠地点的2.06-9.21 m/s。结合多种年代学方法（210Pb、14C和OSL）和多种风暴沉积载体（海岸沙丘、珊瑚巨砾和海岸潟湖）建立了海南岛地区千年尺度台风序列，对比全球和区域气候代用指标，分析发现南海北部地区台风活动主要受到ENSO、西北太平洋暖池和洋面温度控制，同时南海地区与西北太平洋东北部的台风活动在百年-千年尺度上呈现跷跷板模式。另外，本项目将海南岛海岸极端沉积事件的识别方法成功重建了千年尺度长江三角洲极端水文事件序列。本项目对于深化认识千年尺度台风活动与气候变化关系具有重要理论意义，也可为海岸带资源的合理开发和海岸防护工程建设提供重要的科学依据。