小型热带气旋冲击下珊瑚砾石岛的短期形态响应

《Geomorphology》：Short-term morphological response of rubble coral islands to the impact of a small tropical cyclone

　　

热带气旋（TCs）属于极端风暴事件，具备对珊瑚礁及岛礁生态系统造成显著破坏的潜在能力。该类生态系统内珊瑚砾石（shingle）岛的演化依赖于生物成因沉积物自礁体的供给与后续水动力搬运作用之间复杂的生态形态动力学（ecomorphodynamic）反馈关系。风暴事件具有改变此反馈关系的潜能，对砾石岛的结构与稳定性构成潜在威胁，且鉴于气候变化背景下西南太平洋风暴强度预计增强的趋势，此类威胁将更为严峻。传统风暴影响监测方法多聚焦于长期效应，常采用野外实地调查手段。本研究采用无人机（UAVs）与遥感数据作为经济高效的方法，获取高分辨率空间数据以理解热带气旋及其所生成风暴浪的短期效应。研究人员观测了2023年2月热带气旋Gabrielle对南大堡礁One Tree Reef的影响，并通过对比风暴前（2022年11月）与风暴后（2023年3月）的数据，量化了发育成熟的砾石岛One Tree Island（OTI，面积约5.9公顷）与发育中的砾石岛Two Tree Island（TTI，面积约0.1公顷）的变化。两岛的岸线长度均有所减少（TTI减少7.3%，OTI减少0.5%），砾石总体积亦降低（TTI减少1.8%，OTI减少0.3%）。附着于OTI的砾石带（亦称沙嘴或舌状体）因热带气旋作用向岛体方向推进，并沿岸线重新分配沉积物。该研究为偏远砾石岛提供了高分辨率数据，并纳入详细体积分析，补充了传统平面测量方法在偏远岛礁监测中的不足。

珊瑚砾石岛是低洼沉积地貌体，通常高出平均海平面（MSL）不足5米，形成于珊瑚礁坪或填充潟湖之上，构成小岛屿发展中国家（SIDS）唯一的宜居土地资源。印太地区SIDS人口密度高且对环境变化敏感，因此监测事件尺度热带气旋作用下的岛礁地貌变化对管理决策至关重要。传统监测长期效应的野外方法难以满足需求，而无人机（UAV）与遥感技术可提供高分辨率平面与体积数据。

本研究聚焦南大堡礁One Tree Reef内两座珊瑚砾石岛——成熟植被覆盖的One Tree Island（OTI，~5.9 Ha）与发育中的Two Tree Island（TTI，~0.1 Ha），探究其对小型热带气旋Gabrielle（2023年2月）的响应，包括量化风暴浪触发的地貌变化及砾石带在促进沉积物向岛运移中的作用。该研究发表于地貌学领域期刊《Geomorphology》。

关键技术方法方面，研究人员于2022年11月（风暴前）与2023年3月（风暴后）采用装配20兆像素红绿蓝相机的DJI Phantom 4 RTK无人机进行航空摄影测量，通过布设实时动态全球导航卫星系统（RTK-GNSS）控制点进行地理配准，结合2018年机载激光雷达（LiDAR）数字地形模型（DTM）辅助校正。利用Agisoft Metashape软件基于运动恢复结构（SfM）算法生成正射影像与数字高程模型（DEM），经7个独立检查点验证DEM垂直中误差（RMSE）为0.11–0.12 m。平面分析以稳定性线（stability line，即海滩趾部）为岸线代理指标，通过10次重复数字化估算水平不确定性（±0.60–0.99 m），提取岛礁面积、周长、圆度及质心坐标；体积分析采用DEM差值法，基于岸线轮廓确定岛体基准高程（TTI为0.6 m AHD，OTI为0.9 m AHD），计算侵蚀与淤积体积。水文数据来自 reef crest 外侧400 m处Spotter波浪浮标及RADWave卫星高度计反演数据，结合Gladstone潮位站潮汐资料。

研究结果表明，水文动力条件方面，热带气旋Gabrielle期间近岸有效波高（Hs）均值增至1.8 m（增幅50%），最大3.6 m；平均周期（Tz）增至6.1 s（增幅20%），最大10.7 s；平均波能功率（P）增至29.0 kW/m（增幅140%），最大142.5 kW/m，且波向由常态的东南偏东转为东—东北向。风暴峰值恰遇高潮位（3.54 m），利于波浪向岛礁传播。

Two Tree Island地貌变化显示，热带气旋后圆度由0.48增至0.56，质心向东南偏东移动0.56 m。东南沙嘴侵蚀导致岸线周长缩短13.3 m，东北部岸线向海推进3.8 m，面积微增0.7%。体积净损失39.6 m³（1.8%），侵蚀主要发生于东南沙嘴（垂直侵蚀0.17–0.8 m），沉积物再分配至东北岸线（淤积36.5 m³，垂直加积0.17–0.6 m）及西侧。

One Tree Island地貌变化显示，圆度变化甚微（0.52至0.53），质心向东北移动0.45 m，岸线周长缩减23.9 m，面积减少279.3 m²（0.5%），体积减少572.1 m³（0.3%）。西北沙嘴逆时针旋转，潟湖侧垂直侵蚀（?42 m³），两侧加积；东北沙嘴侵蚀3.4 m，南侧淤积1.6 m；东部砾石带向岛方向迁移约16.6 m（离岸损失3.1 m³，近岸增益2.6 m³），连接处垂直侵蚀（?23.1 m³）而向岸加积（+4.4 m³）；东南岸显著侵蚀（?183.1 m³），南端加积（+11.2 m³）。

讨论部分，研究人员指出砾石带作为沉积物输送关键通道的功能在事件尺度上得到量化验证，完善了Talavera等人提出的长期机制。热带气旋Gabrielle虽属小型，但其异常波向与高潮组合触发了显著地貌响应，发育中岛屿TTI的体积损失率达成熟岛屿OTI的六倍，质心位移更大，印证了早期未固结岛礁的更高的脆弱性。岸线缩短与体积微减表明沉积物在风暴期间向岸上及沿岸 redistribute，存在波浪越顶作用驱动的岸面垂直加积过程，支持了早期关于越顶作用为岛礁长期增长主控机制的假说。研究同时强调，单次事件仅是长期演化中的一环，OTI过去42年核心区域7.2%的扩张源于约百次热带气旋的累积效应。

研究结论部分翻译如下：本研究详细揭示了热带气旋对珊瑚砾石岛的短期影响。遥感与无人机技术结合本地水文测量所提供的宝贵高分辨率数据，增进了对大堡礁南部One Tree Reef两座珊瑚砾石岛应对小型热带气旋形态响应的理解。尽管Gabrielle属于相对较小的热带气旋，研究结果证实该事件足以触发两座岛屿的地貌响应，造成平面与体积变化。高潮位、异常大浪及波向转变的组合是触发岛礁生态形态动力学响应的关键水文因素。两座岛屿均经历了周长（OTI ?23.9 m；TTI ?13.3 m）、面积（OTI ?279.3 m²；TTI +9.5 m²）和体积（OTI ?572.1 m³；TTI ?39.6 m³）的变化。这反映了水文环境作为沉积物搬运驱动力的重要性，其中潮位、风暴浪向和波能功率是影响地貌作用及沉积物分布的关键因素。本研究证实礁坪上的砾石搬运对向岛屿输送沉积物至关重要，在大型发育岛礁坪面上，砾石带作为促进沉积物向岛岸搬运的关键地貌体发挥重要作用。尽管砾石带在岛礁沉积物搬运中似乎至关重要，但目前关于其形成机制与发育作用的研究仍然有限。研究观察到，成熟固结、植被覆盖的OTI在整体位置上的扰动小于未固结、初期的TTI。这引发了关于哪些因素确保岛礁长期稳定性，以及对初期岛礁恢复力存在不确定性的思考。鉴于所有岛屿均始于初期阶段的假设，理解如何促进岛礁增长以及气候变暖加剧威胁下影响岛礁地貌变化的因素至关重要。岛礁短期监测对理解风暴影响非常关键，尤其像TTI这类小型发育中未固结岛屿，其在事件尺度上的响应大于成熟固结的OTI。未来研究应量化未固结岛屿在何种条件下转变为固结状态的临界点。探索监测砾石搬运及后续岛礁变化的创新方法，以实现珊瑚礁生态系统的有效管理与保护，仍然至关重要。