杭州湾沿岸平原新石器遗址海侵地层及极端风暴事件的数值模拟

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全球变暖和海平面上升增加了海岸带风暴潮、水涝灾害和海水入侵的风险。杭州湾沿岸是我国遭受风暴潮灾害的典型区域,同时人口和经济高度密集,因此亟需掌握该区极端风暴事件的发生特征。作为我国新石器文化的重要分布区和稻作农业的发祥地之一,该区域文明的发展受到气候、海平面变化等环境因素的限制,例如,举世瞩目的良渚文明在距今约4400 cal yr BP突然发生衰变。在杭州湾滨海平原已发掘的新石器文化遗址中,普遍出现多个海侵地层,可能反映了中晚全新世海平面波动以及台风风暴潮、沿海洪涝等极端灾害事件对古人类文明发展的侵扰。由于海侵地层和水涝灾害记录的形成,既可能是海平面上升的结果,也可能是台风风暴增水、或者是地形变化导致的天文潮高潮位增加所致。因此,本研究拟辨别良渚文化末期长江口-杭州湾滨海平原海侵地层的形成机制,分析良渚文化末期气候变化与海平面波动背景下,中国东部极端风暴事件的发生规律和机制,探讨海水入侵与极端天气事件和古人类文明发展的关系。本研究有助于了解未来气候变化与风暴强度增加之间的可能联系,对于在全球变暖的背景下应对海岸带风险具有重要意义。本研究将地质记录与数值模拟的方法相结合:一方面,通过对长江口-杭州湾沿岸平原沉积物钻孔和新石器遗址地层剖面的资料收集和野外钻孔采集,识别杭州湾沿岸中晚全新世地层记录的海侵和风暴事件,重建中晚全新世典型时间节点长江口-杭州湾的古地形;另一方面,在古地形恢复的基础上,基于FVCOM模式建立了研究区台风风暴潮数值模型,模拟中晚全新世不同阶段长江口-杭州湾区域的天文潮以及风暴潮淹没情景,评估古潮汐、古海平面变化以及风暴潮引起的海岸带低地淹没风险,并对比模拟结果与实际地层记录,以验证模型的准确性。此外,研究还将沉积记录反演计算和模型模拟正演的方法相结合,推测良渚文化末期极端风暴情景的路径和强度。研究主要取得以下认识:(1)在7600–4500 cal yr BP期间,长江口、杭州湾内发生沉积物的充填,良渚文化末期杭州湾已形成类似现代杭州湾的漏斗形状,古宁波湾和姚江河谷大部分被充填。受岸线、水深变化影响,杭州湾湾顶是长江口-杭州湾区域发生潮汐放大现象最显著的地貌单元,平均大潮高潮位从1.2–1.4 m大幅增大至2.0–2.6m,与之相反的是,位于杭州湾南岸的古宁波湾,始终没有出现潮汐放大现象,并且天文潮差逐渐减小。(2)台风情景的数值模拟表明,台风强度和台风中心与杭州湾之间的距离是海岸带淹没范围特别是杭州湾南岸低地淹没范围的主要控制因素,超强台风情景会对良渚文化末期杭州湾沿岸的新石器遗址带来严重的淹没风险;台风降水对杭州湾南岸距海岸线较近的区域影响较小;此外,海平面上升会显著提高杭州湾沿岸风暴潮灾害的频率和强度,在海平面上升1 m的情况下,良渚文化末期的一次超强台风事件将对杭州湾南北沿岸包括良渚古城造成严重影响。(3)在良渚文化末期,良渚文化末期鱼山遗址位于慈南山地东北余脉形成的半开口山麓平原中部,其附近的淡水沼泽向东延伸约3 km,向南延伸约10 km。在这种条件下,在鱼山遗址附近形成D95粒径为1.3 mm的越岸风暴沉积,需要超过20 m的叠加风暴水位。在海平面上升的情况下,超强台风引起的瞬时水位才足以形成鱼山风暴沉积。(4)研究再次证实了4.5–4.4 cal kyr BP期间杭州湾沿岸可能发生了一次约1 m的海平面突然上升事件。良渚文化末期杭州湾沿岸新石器遗址地层中普遍发现的受到海水影响的自然堆积层,应该不是古地形变化引起的潮差放大导致的,而是由区域相对海平面上升造成。同时,极端风暴事件是杭州湾沿岸滨海低地短时间尺度海水入侵的重要机制,频发的台风伴随上升的海平面,对良渚先民赖以为生的稻作农业活动造成了严重威胁,这可能与良渚文化的衰变密切相关。(5)长江口-杭州湾区域地处中国东部,位于西北太平洋盆地西行登陆(中国南部)和北行登陆(日本、朝鲜)两大主要路径台风登陆地带的过渡区,受到中全新世温暖气候背景和ENSO等海气相互作用现象的影响,良渚文化末期极端风暴事件登陆杭州湾沿岸的发生频率可能增加。
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