低能量珊瑚前礁脊和沟槽中的水流

《Geomorphology》：Current flow in low-energy coral forereef spurs and grooves

珊瑚礁前缘SaG系统水动力特性研究。通过大堡礁实地测量发现低能量斜向波浪条件下，SaG区存在2m/s高速离岸流，证实潮汐湾出水与离岸流共同驱动SaG构造性发育模式，为珊瑚礁平台演化提供新证据。

　　珊瑚前礁（forereef）的水动力学，由波浪和洋流驱动，对平台礁上的营养物质、沉积物和珊瑚的分布起着至关重要的作用。这些过程不仅塑造了珊瑚礁系统，还决定了在不断变化的全球气候下珊瑚礁环境的未来。尽管如此，关于大堡礁（Great Barrier Reef, GBR）中前礁波浪与珊瑚前礁脊槽系统（spurs and grooves, SaG）之间相互作用的实地研究仍然十分有限。本研究分析了大堡礁中首个关于珊瑚前礁SaG系统的水流测量数据，并评估了在低潮期间与一个与开放海洋隔离的大礁湖相邻的前礁水流特征。研究发现，在常见的天气条件下，波浪能量较低（Hs=0.25米），且方向与前礁等深线呈斜交。在低波浪影响的SaG区域，水流表现出较高的速度（2米/秒），其中主导的洋流方向为离岸方向，这种现象主要由浪区过程和礁湖出流驱动。这一结果与关于SaG构造发育的假设机制相一致，即离岸流将沉积物输送至前礁外侧，为珊瑚幼虫和活体珊瑚碎片提供附着基质。这些实地观测为大堡礁提供了首次将普遍水动力条件与珊瑚前礁脊槽系统形态演变联系起来的证据。

水动力条件决定了沉积物和营养物质的运输及可利用性，从而控制了珊瑚礁生态系统中所有生命活动的各个方面。这些水动力作用不仅影响珊瑚礁的形态演变，还对珊瑚礁生态系统的长期稳定性至关重要。在未受干扰的平台礁系统中，礁湖的填充与排空主要依赖于礁缘附近潮汐、波浪和洋流的相互作用。这种动态过程又受到前礁和礁坪形态的影响。因此，水动力与形态之间的反馈机制是理解珊瑚礁长期地貌演变的关键。

本研究重点探讨了一种在前礁区域广泛存在但尚未被充分研究的形态特征——脊槽系统（SaG）。脊槽是沿着礁坪延伸的碳酸盐指状结构，而槽则是间隔这些脊的沟槽或洼地。SaG在不同类型的珊瑚礁中均有记录，包括平台礁、边缘礁、屏障礁和环礁，其形态特征会因局部条件的不同而有所变化。这些系统在多个珊瑚丰富的海域均有发现，例如红海、大西洋、印度洋、加勒比海和太平洋。尽管对SaG的存在有详尽的文献记录，但对平台礁SaG系统中水流条件的实地测量却十分稀少。这种数据的缺乏可能源于前礁区域湍急的浪区，这使得测量变得极具挑战性。

目前，遥感数据为SaG形态的研究提供了最深入的见解。在大堡礁南部，已经根据形态参数和波浪能量暴露程度对SaG进行了四类划分。通过对这些遥感数据进行数值模拟，已经表明不同类型的槽具有独特的水动力特征。因此，在涉及这些系统的水动力分析中，必须考虑SaG的形态分类。

早期关于SaG区域波浪的研究表明，波浪方向与前礁槽的取向之间存在一定的关系。例如，Munk和Sargent（1948）在比基尼环礁的观察表明，SaG的形成与波浪的入射方向密切相关。随后，Sneh和Friedman（1980）在红海的研究进一步支持了这一观点，指出SaG垂直于折射波浪。这些发现促使了多种数值模型的开发，这些模型假设波浪垂直于主要槽轴方向。然而，在自然环境中，暴露的平台礁可能接收到来自不同方向的波浪，这取决于离岸波浪参数、波浪传播距离以及礁体周围的折射和衍射效应。因此，在低能量环境中，SaG的形态特征可能与高能量环境下的SaG有所不同，这种差异尚未被充分理解。

目前，关于前礁SaG区域水流的实地测量仅在五个全球范围内的礁体中有所报道，包括夏威夷的莫洛凯岛、法属波利尼西亚的莫罗阿岛、太平洋中部的帕尔默礁、墨西哥加勒比海的Xahauyxol礁以及西太平洋的帕劳Ngederrak礁。值得注意的是，截至目前，尚未有关于大堡礁中SaG区域水流的任何实地测量数据。在这些研究中，莫洛凯岛和Xahauyxol岛属于边缘礁，而莫罗阿岛则是一个屏障礁，它们的水动力条件与平台礁存在显著差异。帕尔默环礁则由于其前礁上的人工导航通道而改变了礁湖的水循环模式，这可能掩盖了自然的礁湖与海洋水交换过程。因此，还需要更多的研究来揭示平台礁SaG系统中水流特征。

在缺乏实地数据的情况下，数值模型已经成为研究前礁SaG水流的重要工具。Rogers等人（2013）提出，SaG能够通过在沿岸方向上形成深度和摩擦的变化，诱导出反向旋转的拉格朗日环流细胞。这一概念随后被da Silva等人（2020）扩展，他们利用理想化的SaG地形模型，识别出在不同波浪条件下和不同水位下存在的垂直拉格朗日环流细胞。在所有模拟中，槽内的水流方向均朝向陆地。然而，在低波浪能量的SaG系统中，波浪引起的水流作用相对减弱，而潮汐变化和礁湖出流的作用更为显著。当礁湖与周围海洋隔离时，礁湖水体会经历更大的温度波动和盐度变化，因为蒸发作用会增加其盐度，而周围海洋的淡水则相对较少。这种礁湖与海洋水体的混合对于珊瑚的健康至关重要。数值模型表明，礁湖水可以通过前礁的底部水流（undertow）进入开放海洋。由于槽代表了局部地形的最低点，它们可能成为礁湖出流的通道，进而影响SaG的长期形态演变。然而，目前尚未有研究探讨SaG形态在调节礁湖与海洋水交换过程中的作用，这一方面的研究仍存在显著空白。

在低能量环境下，前礁脊槽系统的水流对于理解其形成机制至关重要。一项对大堡礁南部珊瑚前礁垂直和横向扩展速率的全面短柱分析显示，SaG的形成存在三种模式。第一种模式发生在波浪主导的环境中，此时前礁的侵蚀可能超过沉积作用。在这一模式下，礁坪和SaG均向礁湖方向扩展。第二种模式出现在中等或间歇性波浪能量的环境中，此时SaG可能在先前地形上的原型脊上形成。第三种模式则出现在低波浪能量条件下，为前礁和礁坪向海洋方向的沉积提供了一种机制。在第三种模式中，来自礁湖的离岸水流将沉积物输送至前礁外侧，低波浪能量增加了沉积物在前礁区域的停留时间，从而为前礁和礁坪的向海扩展创造了有利条件。这一发现与关于波浪能量对礁坪横向沉积方向影响的研究结果一致，包括在低水动力条件下向海洋方向的沉积现象。这三种模式为理解不同水动力和沉积条件如何驱动SaG的形成以及其对礁平台演变的贡献提供了一个框架。然而，这一模型的提出依赖于对SaG系统中水动力条件的解释，而非基于大堡礁中SaG区域的实地水流测量。

本研究旨在填补三个关于低能量礁体中脊槽系统水动力学研究的空白：（1）在普遍的斜交波浪条件下，脊槽系统是否能够持续存在？（2）在这些条件下，脊槽系统的水流特征是怎样的？（3）所观察到的水动力学是否支持脊槽系统的构造模型以及礁平台的演变？通过实地测量，我们希望能够更准确地理解这些系统在低能量环境下的行为，从而为珊瑚礁生态系统的保护和管理提供科学依据。