海岸沙丘是砂质海岸带广泛发育的一种地貌类型, 反映了陆— 海— 气三者之间的相互作用^{[1, 2]}。以波浪作用为主的海滩和风力作用为主的海岸沙丘共同构成了一个复杂的动力地貌系统, 该系统中存在动力、形态与过程的相互作用^[3~5]。海洋波浪最高值和极大风速都与当地风暴的规模、频率等密切相关, 全球海岸沙丘主要分布地区频繁遭受风暴袭击, 风暴成为海岸沙丘形成演变的一个高能影响因子, 也是研究波浪— 海滩— 沙丘相互作用的重要内容之一^[6]。

中国按照风力大小将热带气旋分为热带低压、热带风暴、强热带风暴、台风、强台风和超强台风^[7]。台风和飓风都是发生在热带海洋上、风速达到32.7 m/s以上的热带气旋, 只因发生的地域不同, 才有了不同名称(在北半球、东太平洋和大西洋海域上生成的风力达到12级的热带气旋称之为飓风, 而西太平洋海域则称之为台风^[8])。本文研究的风暴是指能够引起海岸沙丘侵蚀破坏, 其底层中心附近风速超过24.5 m/s, 最大风力达10级及以上, 即强热带风暴及以上的气旋或称为极端风暴。根据中国气象局热带气旋资源中心提供的1949— 2013年数据, 登陆中国的强热带风暴总数达439个, 平均每年6.7个; 登陆中国的台风共有248个, 平均每年3.8个, 其中在华南沿海登陆的台风就有222个, 占总数的89%。而华南地区海岸风沙面积占中国总量的70%以上^[9], 风暴在中国海岸沙丘形成演变过程中的作用突出。因此, 研究海岸沙丘对风暴响应也是认识海岸沙丘形成发育与分布机理之必需。

随着先进观测技术的运用, 风暴在海岸沙丘形成演化过程中的作用备受关注, 对其进行的研究在国际上得到迅速发展, 并取得了重要进展。本文拟主要从海岸沙丘形态对风暴响应、海岸沙丘沉积物对风暴响应、海岸沙丘对风暴响应机理以及研究方法与技术等方面, 回顾海岸沙丘对风暴响应研究的主要进展, 探讨目前存在的问题和今后应加强的基本研究方向。

海岸沙丘沉积物在风暴中发生侵蚀、搬运和堆积过程, 因此在风暴作用下沉积物运动的研究也是海岸沙丘对风暴响应的重要内容和必要环节^[6]。但由于风暴时环境恶劣, 一般常规的方法和仪器难以使用, 目前主要是通过风暴前后海岸沙丘沉积层理构造与沙丘表层粒度特征等对比分析, 研究海岸沙丘沉积物对风暴的响应特征。

早在1986年Clemmensen就研究了丹麦西部Jylland海岸2个风影沙丘(海岸舌状和脊状)在风暴后的沉积构造变化, 发现在风暴过后原交错层理之上发育了新的水平层理, 认为风暴容易改变沙丘层理构造发育模式^[24]。美国佛罗里达海岸沙丘沉积构造在2004年飓风Ivan和2005年飓风Dennis前后变化表明, 大范围的水平侵蚀面会切断原沙丘低角度的向陆层理^{[19, 25]}。还有学者通过对沙丘沉积构造的研究探讨历史风暴在海岸沙丘成演变过程中的作用^[26~28], 如Fruergaard等^[29]对丹麦Wadden Sea海岸沙丘沉积特征进行了详细分析, 探讨了1634年北海灾难性大风暴对其海岸沙丘的影响, 研究认为灾难性的大风暴能在短时间内造成大量沉积物移动并形成滩险, 其对海岸沙丘演变的影响是大区域、长时间尺度的。意大利Emilia-Romagna海岸沙丘近表层粒度在风暴过后其近表层沉积物沙粒变粗、分选性变差^[30]。而中国福建平潭岛典型海岸沙丘(海岸前丘、爬坡沙丘、横向前丘和海岸沙席)近表层粒度在2014年强台风“ 麦德姆” 登陆前后变化较小, 对台风响应变化不大且基本无等级性的差别, 但海岸沙丘不同类型及不同部位的响应程度并不一致, 主要是由海岸沙丘沙与海滩沙粒度的相近性及台风过程中大风的非选择性风蚀所致, 同时也受到不同类型沙丘的形态和规模等的影响^[31]。

目前, 海岸沙丘对风暴响应机理进行了较多研究, 但由于风暴的偶然性与不可重复性、海岸沙丘形成环境的差异性、海岸沙丘对风暴响应过程的复杂性以及研究方法的局限。虽然认识到海岸沙丘对风暴响应机理是多要素相互作用的结果, 其影响因素主要有风暴参数(强度、持续时间、频率)、风暴潮波浪特征(高度、方向)、沙丘原形态及其组合特征、植被、沙源供给、海岸线走向、海平面高度等。但在海岸沙丘对风暴响应机制过程中, 不同要素的作用与效果缺乏明确量化区分, 其关键控制因素尚不明确, 不同学者提出了不同观点。Morton等^[32]认为风暴强度、持续时间和风暴潮高度与海岸沙丘的高度差异是控制海岸沙丘形态对风暴响应的主要因素。Stockdon等^[33]改进了Sallenger^[34]提出的海滩— 沙丘对风暴响应的4种模式:①冲刷模式(swash), 风暴潮最大浪高没有达到海岸前丘坡脚, 仅造成海滩侵蚀; ②冲蚀模式(collision), 风暴潮最大浪高在海岸前丘坡脚与丘顶高度之间, 造成海岸前丘侵蚀; ③越浪模式(overwash), 风暴潮最大浪高超过海岸前丘顶部, 导致风沙沉积物向陆搬移, 形成越浪冲积扇; ④漫滩模式(inundation), 风暴潮水位高于海岸沙丘, 淹没整个沙丘, 引起严重的沿岸洪泛, 并运用该模式评价了飓风Bonnie和Floyd对加利福尼亚海岸沙丘的影响, 得到了较好的效果。Gervais等^[35]以法国北部的狮子湾为例, 量化了海岸沙丘形态对风暴响应所需波浪高度的具体阈值(波浪高度大于2.7 m)。但是, Long等^[36]通过海岸沙丘形态对4个风暴响应研究表明, 风暴潮水位高度和沙丘形态的变化程度不成正比。董玉祥等^[13]认为海岸沙丘形态对台风的响应, 是在台风强劲风力侵蚀作用下台风、下伏地貌、沙丘形态和植被分布等海、陆、气三相因子交互作用的结果, 并非仅取决于台风强度。总之, 风暴对海岸沙丘的形态改变, 不仅取决于风暴强度和持续时间, 还受风暴前沙丘形态特点制约, 海岸沙丘对风暴响应差异是风暴强度、持续性、频率和沙丘形态及植被等综合作用的结果^[37]。

Pye等^[38]通过对近50年的英国Sefton海岸沙丘的侵蚀和堆积数据进行分析, 发现风暴频率和强度及其引起的风暴潮水位变化是影响海岸沙丘侵蚀和堆积的主要控制因素。Furma n'czyk等^{[39, 40]}利用聚类分析法研究了波兰西部Dziwnow沙嘴沙丘侵蚀量与风暴的关系, 通过对1978— 2009年的32次风暴数据的分析, 发现海平面高度对海岸沙丘侵蚀量影响最大, 对最大波浪高度、波浪方向、风暴强度和持续时间也有显著影响。风暴对海岸沙丘侵蚀和堆积的影响因素, 除了风暴参数和沙源因素还需要考虑海岸线的变化情况^[41]。Houser等^[42]认为沉积物的供给是海岸沙丘在风暴后的形态恢复的主要因素。Tatui等^[43]通过运用2个风暴影响指数(风暴灾害指数和沙丘稳定指数)来分析海滩— 沙丘的风暴脆弱性, 发现短时间尺度上, 风暴波浪、风暴潮及风暴增水是控制海岸沙丘侵蚀和形态变化的主要因素, 但在长时间尺度上, 沉积物动力学才是关键因素。

在20世纪90年代以前, 由于海岸防护工程的需要, 荷兰学者^[44~46]通过物理模型试验或水槽模拟实验来研究风暴条件下海岸沙丘的侵蚀机制, 从而开启了海岸沙丘对风暴响应研究。

野外观测是风沙地貌形态和动力学研究的最基本方法, 也是数值模拟研究的基础^[47], 海岸沙丘形态对风暴响应研究最精确的方法就是野外实地测量。随着现代技术的发展, 高分辨率、可实时观测的仪器设备在海岸沙丘形态对风暴响应的野外观测中逐渐得到应用, 研究手段也由传统的插竿、借助光学经纬仪、航片及遥感影像分析, 发展到全站仪及之后的激光雷达(LIDAR)、DGPS、RTK GPS、三维激光扫描仪(TLS)和立体摄像等新技术^{[48, 49]}。这些技术的运用为大量高精度、高分辨率数据的获取提供了便利, 特别是为了更好地详细记录海岸沙丘形态的动态变化, 还通过结合GIS技术来构建海岸沙丘表面DEM模型^{[50, 51]}。海岸沙丘沉积构造对风暴响应的研究早期主要通过天然剖面、挖槽剖面和钻土, 后来探地雷达(GPR)技术成为无损、连续探测沙丘沉积构造的有效手段^[52]。

为了更好地评估风暴效应, 加强海岸工程维护和风险管理及预警效果, 保护生命财产安全, 以XBeach为代表的海岸动力学数值模型在海岸沙丘对风暴响应的研究中兴起^[53~58], 特别是Baart等^[59]根据海洋水文气象数据运用XBeach海岸动力学数值模型, 研究发现可提前3天甚至7天预测到海岸沙丘形态对风暴响应特征, 并在荷兰Egmond海岸沙丘得到成功运用。总之, 综合运用室内模拟实验、野外观测和数值模型等方法进行海岸沙丘对风暴响应的研究, 才能更好地探究海岸沙丘对风暴的响应机理, 并建立一套完善的风暴效应评估和管理技术。

综上所述, 近年来有关海岸沙丘对风暴响应研究取得了较大进展, 尤其是在海岸沙丘形态与沉积物对风暴响应及其机理等方面取得了一系列研究成果, 加深了人们在海岸沙丘对风暴响应过程方面的认识, 也为风暴效应评估和管理提供了一定的科学依据, 同时与国外相比国内相关研究还基本处于起步阶段。但是, 由于风暴的偶然性与不可重复性、海岸沙丘形成环境的差异性、海岸沙丘对风暴响应过程的复杂性以及研究方法的局限等原因, 总体而言, 现有海岸沙丘的风暴响应研究还缺乏全面、系统地对比不同类型海岸沙丘形态与沉积物对不同等级(不同登陆距离)风暴响应差异特征; 对不同类型海岸沙丘形态和沉积物对单个风暴和风暴响应差异并不清楚; 对风暴和盛行风作用下不同类型海岸沙丘形态和沉积物变化差异也不清楚; 在海岸沙丘对风暴响应过程中, 风暴参数(强度、持续时间、频率)、风暴潮波浪特征(高度、方向)、沙丘原形态及其组合特征、植被、沙源供给、海岸线走向、海平面高度等因素在不同类型海岸沙丘中的作用与效果有待进一步明确区分量化。此外, 由于海岸带大规模、高强度的开发^[60], 海岸沙丘几乎被破坏殆尽, 保留原始自然状态的海岸沙丘较少, 从探索自然规律的角度选择典型地区开展海岸沙丘对风暴响应研究极具紧迫性。因此, 迫切需要加强海岸沙丘对风暴响应的研究。

建议在风暴发生频率高、海岸沙丘分布广泛的地区选择具有典型性和代表性的观测区域, 综合考虑沙丘植被覆盖度、海滩类型及其海岸线走向等因素选择不同类型代表性海岸沙丘设立多个不同观测样区, 以探究风暴对海岸沙丘的作用规律为目标, 开展海岸沙丘对风暴响应研究, 并重点关注以下几个方面的研究:

(1) 海岸沙丘形态对风暴响应研究方面。采用RTK GPS和三维激光扫描等高精度测量技术并辅之传统打桩或插竿方法, 重复定点观测不同等级、不同登陆距离风暴(风暴群)前后不同类型海滩— 沙丘及其不同部位的形态变化, 并详细记录每个观测定点地表状况。在风暴过后按一定的时间尺度(1个星期、1个月、1个季度、1年、多年)或逐月进行海滩— 沙丘形态恢复的重复定点观测。通过对海岸沙丘在风暴前后的形态特征、风暴特征参数及海洋水文气象等数据的分析, 比较不同类型海岸沙丘形态对不同等级、不同登陆距离风暴响应差异性特征; 比较不同类型海岸沙丘形态对单个风暴和风暴群响应之间的差异性; 比较风暴(风暴群)过后不同类型海岸沙丘形态的恢复差异, 综合定量评判风暴对海岸沙丘形态的主要影响因素及沙丘形态恢复的控制因素, 建立海岸沙丘形态对风暴响应模式。

(2) 海岸沙丘沉积物对风暴响应研究方面。在进行风暴前后不同类型海滩— 海岸沙丘形态观测的同时, 重复定点采集不同类型海滩— 沙丘不同部位近表层沉积物样品进行粒度分析, 并详细记录每个采样点的地表状况; 同时挖槽剖面、钻土、探地雷达技术相互辅助进行海岸沙丘沉积结构系统分析研究。比较不同等级、不同登陆距离风暴(风暴群)前后不同类型海滩— 沙丘近地表层粒度与沉积结构变化差异; 比较风暴和非风暴期间盛行风作用下不同类型海滩— 沙丘的近表层粒度与沉积结构差异, 建立海岸沙丘沉积物对风暴响应模式。

(3) 海岸沙丘对风暴响应机理研究方面。在综合研究海岸沙丘形态与沉积物对风暴响应的基础上, 全面、系统地总结不同类型海岸沙丘对不同风暴(风暴群)响应的差异特征。在明晰海岸沙丘对风暴响应基础上, 定量分析和判别海岸沙丘对风暴响应主要影响因素及其作用关系, 明确量化区分风暴参数(强度、持续时间、频率)、风暴潮波浪特征(高度、方向)、沙丘原形态及其组合特征、植被、沙源供给、海岸线走向、海平面高度等因素在海岸沙丘对风暴响应机制中的作用与效果, 建立海岸沙丘对风暴响应机制。

(4) 在全球尺度上, 完成上述区域海岸沙丘对风暴响应研究工作的基础上, 综合考虑全球不同区域海岸沙丘和风暴潮的异同点, 在全球不同典型区域开展海岸沙丘形态和沉积物对风暴响应的研究, 从而全面、系统地阐述全球不同区域海岸沙丘对风暴响应模式, 揭示全球海岸沙丘对风暴响应共性和差异性, 如比较中国海岸沙丘对台风响应、北美洲海岸沙丘对飓风响应、欧洲西海岸沙丘对冬季极端风暴响应模式的共性和差异性, 构建全球海岸沙丘对风暴地响应模式。