邵超，戚洪帥，蔡鋒，2*，陳沈良

（1.國(guó)家海洋局第三海洋研究所，福建廈門361005；2.國(guó)家海洋局海島研究中心，福建平潭350400；3.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200062）

海灘-珊瑚礁系統(tǒng)風(fēng)暴響應(yīng)特征研究——以1409號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”對(duì)清瀾港海岸影響為例

邵超1，戚洪帥1，蔡鋒1，2*，陳沈良3

（1.國(guó)家海洋局第三海洋研究所，福建廈門361005；2.國(guó)家海洋局海島研究中心，福建平潭350400；3.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200062）

珊瑚礁海岸在我國(guó)熱帶地區(qū)廣泛發(fā)育，海灘-珊瑚礁海岸的動(dòng)力地貌過(guò)程是認(rèn)識(shí)該類海岸的關(guān)鍵。本文基于對(duì)海南銅鼓嶺-高隆灣岸段的臺(tái)風(fēng)“威馬遜”前后跟蹤觀測(cè)，討論了海灘風(fēng)暴響應(yīng)特征及其與珊瑚礁發(fā)育之間的聯(lián)系。結(jié)果表明該岸段海灘在“威馬遜”風(fēng)暴作用下響應(yīng)最為劇烈的區(qū)帶位于平均海平面（MSL）以上，表現(xiàn)為后濱沖越，以及岸線蝕退、灘肩變窄、灘面侵蝕等響應(yīng)特征。海灘風(fēng)暴響應(yīng)特征與近岸珊瑚礁發(fā)育密切相關(guān)，在無(wú)珊瑚或珊瑚受損的岸段海灘響應(yīng)劇烈，剖面平均變化率（MPC）為其他岸段的3～6倍，珊瑚礁通過(guò)消耗波能對(duì)相鄰海灘提供良好保護(hù)。海灘-珊瑚礁系統(tǒng)對(duì)風(fēng)暴的響應(yīng)特征受控于珊瑚礁對(duì)海岸波浪的消耗能力和海灘固有的緩沖能力?；诒疚难芯拷Y(jié)果，歸納出風(fēng)暴極端動(dòng)力條件下海灘-珊瑚礁海岸的4種風(fēng)暴響應(yīng)模式。

海灘-珊瑚礁系統(tǒng)；風(fēng)暴響應(yīng)；“威馬遜”臺(tái)風(fēng)

1　引言

珊瑚礁海岸是一種常見(jiàn)的生物海岸類型，在熱帶和亞熱帶地區(qū)普遍發(fā)育。珊瑚獨(dú)特的生物學(xué)特性對(duì)海岸生態(tài)環(huán)境和海岸過(guò)程有重要作用［1］。近60余年全球珊瑚礁已損失19%，另外有35%的珊瑚礁將在未來(lái)10～40年內(nèi)消失［2］。對(duì)環(huán)境極其敏感的珊瑚礁海岸亦正在遭遇觸目驚心的退化和破壞過(guò)程，海岸侵蝕現(xiàn)象日趨嚴(yán)重［3］。海灘-珊瑚礁系統(tǒng)作為常見(jiàn)的海岸組合類型，兩者之間的相互作用和聯(lián)系一直受到國(guó)內(nèi)外研究者的重視。珊瑚礁構(gòu)成的粗糙底部產(chǎn)生的摩擦效應(yīng)，使得波高在礁坪淺水帶驟減，入射波能量未達(dá)到海岸已被消散［4］。相鄰海灘與珊瑚礁唇齒相依，珊瑚礁在自然海岸防護(hù)中起到了重要的保護(hù)作用，如同離岸堤、潛堤［5—7］。珊瑚礁海岸獨(dú)特的波浪傳播和能量耗散特征，對(duì)相鄰海灘穩(wěn)定性有著控制性作用［8—10］。

我國(guó)海灘-珊瑚礁系統(tǒng)發(fā)育的地區(qū)也是熱帶風(fēng)暴頻發(fā)的地區(qū)，熱帶風(fēng)暴會(huì)誘發(fā)極端的水動(dòng)力事件，對(duì)海岸帶造成災(zāi)難性的破壞［11］。海灘動(dòng)力地貌過(guò)程和海岸風(fēng)暴響應(yīng)差異一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［12—13］。對(duì)于海灘-珊瑚礁系統(tǒng)的極端動(dòng)力事件響應(yīng)研究是認(rèn)識(shí)其海岸過(guò)程和演化的關(guān)鍵，但目前更多的是針對(duì)海嘯事件的研究。Vitousek等根據(jù)馬爾代夫13個(gè)無(wú)人環(huán)礁島在1960年智利海嘯前后的地形和灘面調(diào)查的觀測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)海嘯對(duì)分布有凹陷的珊瑚環(huán)礁的島嶼影響更小［14］；Kench等指出發(fā)育良好的珊瑚礁、礁內(nèi)潟湖和離岸陡坡使得法國(guó)的Maldives環(huán)礁島基本不受2001年蘇門答臘海嘯的影響［15］。海灘-珊瑚礁系統(tǒng)的風(fēng)暴效應(yīng)需要將海灘特征和珊瑚礁耗能作用兩者相結(jié)合進(jìn)一步探討，目前研究仍然不足［16—17］，尤其在我國(guó)，定量研究基本缺失。本文基于對(duì)海南銅鼓嶺—清瀾灣岸段對(duì)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”的跟蹤觀測(cè)，探討了海灘剖面地形地貌的變化特征，分析并歸納出風(fēng)暴極端動(dòng)力條件下海灘-珊瑚礁海岸風(fēng)暴響應(yīng)模式。

2　研究區(qū)與熱帶風(fēng)暴概況

研究區(qū)位于清瀾灣外灣及其東北部，北起銅鼓嶺，南至高隆灣（圖1），該區(qū)域海岸屬沙堤-沙丘海岸，后側(cè)為海積平原，沉積物主要由中細(xì)砂構(gòu)成。銅鼓嶺至東郊椰林岸段潮下帶多布有礁盤，珊瑚礁發(fā)育良好，但局部岸段珊瑚礁遭人為破壞嚴(yán)重［18—19］；南部高隆灣為弧形岬灣，灣口兩側(cè)發(fā)育礁坪［20—21］。研究區(qū)沿岸皆發(fā)育海灘，屬于典型的海灘-珊瑚礁系統(tǒng)，海灘寬度寬窄不一，差異明顯。北部銅鼓嶺至東郊椰林岸段灘面較窄，潮間帶寬度20～40 m，后濱發(fā)育灘肩和低矮沙丘；南部高隆灣海灘寬緩，潮間帶寬度60～100 m。

圖1　研究區(qū)概況和臺(tái)風(fēng)路徑示意圖Fig.1 Study area and track of the Typhoon Rammasun

研究區(qū)的潮汐屬于非正規(guī)半日潮，累年平均潮差為0.89 m；外側(cè)海域開(kāi)闊，水動(dòng)力較強(qiáng)，波浪以風(fēng)浪為主，其常浪向?yàn)镾E-SSE，平均波高0.95 m，平均周期4.26 s。研究區(qū)是西北太平洋熱帶風(fēng)暴活動(dòng)的主要地區(qū)，年平均風(fēng)暴次數(shù)達(dá)4.2次［22］。2014年7月1409號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”（Rammasun）先后在海南文昌、廣東徐聞、防城港登陸（圖1）。18日15時(shí)30分在海南文昌市翁田鎮(zhèn)登陸，登陸時(shí)最大風(fēng)力17級(jí)，風(fēng)速為60 m／s，中心氣壓888 hPa，為四級(jí)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)［23］。16至19日“威馬遜”過(guò)境期間，南海中部海域出現(xiàn)8～13 m的狂浪到狂濤，南海北部有5～8 m的巨浪到狂浪?；浳鳌⒑Ｄ蠉u、廣西沿岸出現(xiàn)不同程度的風(fēng)暴增水，其中?？跍y(cè)得215 cm增水，清瀾站100 cm增水，出現(xiàn)了超過(guò)當(dāng)?shù)鼐涑蔽?.09～0.51 m的高潮位［24］。

3　研究材料與方法

本文研究以野外觀測(cè)為基礎(chǔ)，先后在臺(tái)風(fēng)前后的2014年6月和8月對(duì)研究區(qū)海岸海灘的7條剖面進(jìn)行了灘面測(cè)量（表1）。為了便于分析海灘剖面變化特征，本文對(duì)剖面要素進(jìn)行了如下定義：（1）剖面與平均大潮高潮線（MHWS）的交點(diǎn)為岸線，風(fēng)暴前后岸線位置的橫向水平距離差為岸線變化量；（2）岸線至平均低潮面之間坡度的正切值為海灘坡度；（3）后濱沙丘頂部至岸線位置的縱向垂直距離為后濱高度。

采用海灘剖面平均變化量（MPC）作為衡量海灘風(fēng)暴響應(yīng)強(qiáng)度的指數(shù)［25］，并根據(jù)海灘剖面特征，將剖面分成不同區(qū)帶。MPC表達(dá)式如式（1），海灘剖面要素如圖2所示。

圖2　海灘剖面要素示意圖Fig.2 Definition sketch of parameter of beach profile

4　研究結(jié)果

4.1臺(tái)風(fēng)前后海灘地形變化特征

野外調(diào)查表明不同岸段的海灘剖面在臺(tái)風(fēng)前后沖淤狀態(tài)與響應(yīng)特征有所差異，通過(guò)分析臺(tái)風(fēng)前后的剖面形態(tài)、灘面體積和高程等數(shù)據(jù)，并結(jié)合海灘剖面圖（圖3），得出該區(qū)域海灘風(fēng)暴作用下的地形變化如下（表1）：（1）N028剖面坡度和后濱高度變化大，受風(fēng)暴影響最大，在風(fēng)暴影響下發(fā)生沖淤，泥沙整體上表現(xiàn)為向岸運(yùn)移；（2）N030剖面平均海平面和平均低潮面位置的變化較大，風(fēng)暴響應(yīng)程度亦較強(qiáng)，但較N028而言，剖面變化為位置和形式不同，表現(xiàn)為MSL向岸蝕退，MLW向海淤近；（3）其他剖面的地形在臺(tái)風(fēng)前后也發(fā)生了輕微的變化，受風(fēng)暴影響較小，后濱高度和岸線位置等均發(fā)生相應(yīng)變化，但基本處于較穩(wěn)定狀態(tài)，變化幅度不大。

臺(tái)風(fēng)后灘面體積和高程變化來(lái)看（表2），剖面N028處因遭受破壞珊瑚礁坪狹窄，海灘沉積物體量小，表現(xiàn)為剖面上各個(gè)區(qū)帶對(duì)風(fēng)暴均有劇烈響應(yīng)，其中灘面體積的總變化量為17.5 m3／m，最大高程變化達(dá)1.2 m，海灘剖面變化最為劇烈；N030剖面位于清瀾灣灣口，剖面上各區(qū)帶的灘面體積變化量大，但剖面總變化量不大，表現(xiàn)出風(fēng)暴高能條件下海灘較強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)能力。研究區(qū)所有7個(gè)剖面4個(gè)區(qū)帶的灘面體積變化表現(xiàn)為Ⅰ、Ⅱ區(qū)變化較大，海灘變化整體位于MSL以上，風(fēng)暴對(duì)研究區(qū)海灘后濱和前濱靠岸側(cè)的影響較大。

從表1、表2和圖3看出，研究區(qū)不同位置的海灘剖面變化差異明顯，剖面N028的變化程度最大，剖面N030響應(yīng)較為劇烈，剖面N025、N026、N027和N029變化較小，而剖面N031的地形在臺(tái)風(fēng)前后基本無(wú)變化，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

表1　剖面基本情況及臺(tái)風(fēng)前后形態(tài)變化Tab.1 Basic information of profiles and beach morphological change before and after the Typhoon Rammasun

表2　臺(tái)風(fēng)后灘面體積和高程變化測(cè)量結(jié)果Tab.2 Results of the volume and elevation changes on beach profiles after the Typhoon Rammasun

4.2臺(tái)風(fēng)前后海灘地貌變化特征

海灘對(duì)臺(tái)風(fēng)事件的響應(yīng)可以引起海灘地貌形態(tài)的變化［11，26］，結(jié)合臺(tái)風(fēng)前后海灘剖面變化（圖3）和野外觀測(cè)（圖4），分析研究區(qū)風(fēng)暴作用下岸線變化、后濱、灘面的地貌響應(yīng)特征。

風(fēng)暴引起的極端水動(dòng)力條件會(huì)通常會(huì)導(dǎo)致岸線蝕退、灘肩變窄、在后濱侵蝕形成陡坎（圖4b、4c），如N026和N027剖面；后濱高度是海灘剖面重要的特征參數(shù)［27—28］，其變化是風(fēng)暴對(duì)海灘地貌的主要改造表現(xiàn)之一，研究區(qū)7個(gè)剖面中除N025外，普遍表現(xiàn)為后濱因發(fā)生沖越而導(dǎo)致高度增加（圖4a），其中剖面N028最為明顯。研究區(qū)海灘風(fēng)暴響應(yīng)的另外一種地貌響應(yīng)形式為沙壩遷移，是海灘增加耗能水平的常見(jiàn)行為，除剖面N027和N031以外，其他剖面在Ⅱ區(qū)（MHWS-MSL）均發(fā)生了沙壩的下蝕和向海遷移，其中剖面N030最具代表性（圖3）；另外，N031剖面由于其海灘寬緩發(fā)育、外側(cè)礁坪寬闊（圖1），在臺(tái)風(fēng)前后地貌基本無(wú)變化。

5　討論

5.1灘面風(fēng)暴響應(yīng)與珊瑚礁分布

一次風(fēng)暴引起的風(fēng)暴增水及大浪波動(dòng)力所造成的海灘沖淤量通常是正常海岸動(dòng)力條件下數(shù)月的沖淤量［16，29-30］。這一方面取決于風(fēng)暴誘發(fā)的水動(dòng)力強(qiáng)度，另一方面則取決于海岸固有的動(dòng)力地貌特征［11，31］。海灘-珊瑚礁系統(tǒng)中珊瑚礁起著重要的作用。

研究表明，海灘-珊瑚礁系統(tǒng)所獨(dú)有的海岸環(huán)境特征在風(fēng)暴等極端動(dòng)力條件下對(duì)海灘具有更好的消波耗能作用，防止其遭受嚴(yán)重侵蝕。礁坪的寬度、高度決定了波浪能量耗散的多少，而珊瑚礁與海岸的距離則控制著海灘地形地貌變化的程度。寬闊的礁坪具有抗浪消能的作用，礁坪破壞后變窄后，沿岸水深增大，原礁坪帶不再是波浪的消能帶，因此對(duì)海灘產(chǎn)生侵蝕［32］；礁頂高度降低1 m就意味著向岸波能增加10%，導(dǎo)致海灘灘面單寬輸沙率增加0.9 m3／h［33-34］。本文研究區(qū)海岸面向開(kāi)闊海域，風(fēng)暴誘發(fā)的高能動(dòng)力直接作用于海岸會(huì)帶來(lái)海岸的劇烈響應(yīng)，研究區(qū)珊瑚礁的發(fā)育構(gòu)建了天然防波堤，給海灘帶來(lái)了良好的保護(hù)作用，海灘系統(tǒng)未遭受破壞性影響。

剖面平均變化量（MPC）是衡量暴風(fēng)響應(yīng)強(qiáng)度的一種有效方法［25］，在圖5中可觀察到研究區(qū)各剖面MPC值大小。研究結(jié)果表明，珊瑚礁分布特征的不同，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)暴響應(yīng)強(qiáng)度的差異，珊瑚礁發(fā)育越好，響應(yīng)強(qiáng)度越低。同時(shí)，隨著沿岸珊瑚礁礁坪寬度和活珊瑚覆蓋率的減少，珊瑚礁受破壞程度增大，海灘地形地貌變化有相應(yīng)增大的趨勢(shì)［32，35］。研究區(qū)所選海灘剖面均為砂質(zhì)海灘，沉積物性質(zhì)相近，以中、細(xì)砂為主，平均粒徑為1.8～3.0Φ。銅鼓嶺至東郊椰林岸段海灘潮下帶布有長(zhǎng)度約20 km的珊瑚礁坪，南北兩端（剖面N025、N026、N029）活體珊瑚發(fā)育良好，總珊瑚覆蓋率約30%，礁坪較寬達(dá)500～1 000 m，部分寬度超過(guò)1 000 m［18，21，36］，但中部活體珊瑚發(fā)育少，礁坪人為破壞嚴(yán)重，尤其是N028剖面處，無(wú)活體造礁石珊瑚分布［21］。剖面N031處珊瑚岸礁發(fā)育，總珊瑚覆蓋率為31.81%，礁坪寬度常達(dá)1 000～2 000 m，為全島岸礁最寬的岸段［37］，剖面N030位于清瀾灣灣口，近岸無(wú)珊瑚礁發(fā)育。圖5給出的MPC結(jié)果顯示，剖面N028和N030的MPC值最大，分別為0.189 m和0.134 m，其值是其他剖面的3～6倍，即較其他剖面具有更明顯的風(fēng)暴響應(yīng)強(qiáng)度，與珊瑚礁分布具有明顯相關(guān)性。結(jié)合海圖測(cè)圖結(jié)果和前人研究來(lái)看［18，21］，剖面N028處珊瑚礁坪窄，遭破壞嚴(yán)重，近岸坡度較陡，風(fēng)暴期間波浪能量更強(qiáng)，海灘風(fēng)暴響應(yīng)明顯，表現(xiàn)為沉積物向后濱運(yùn)移，發(fā)生明顯沖越；N030剖面和N031剖面基本情況和位置均相似，差別在于N030處無(wú)珊瑚礁發(fā)育，而N031處礁坪寬闊，在無(wú)珊瑚礁耗能的條件下，N030風(fēng)暴響應(yīng)劇烈，在臺(tái)風(fēng)作用過(guò)程中需要通過(guò)改變剖面形態(tài)來(lái)耗能消浪，表現(xiàn)為典型的沙壩向海遷移［38］。

圖3　研究區(qū)海岸海灘風(fēng)暴響應(yīng)特征Fig.3 Characteristics of storm-effect on beaches in study area

圖4　臺(tái)風(fēng)前后地貌景觀Fig.4 Morphologic landscape before and after the Typhoon Rammasun

圖5　各剖面的剖面平均變化量（MPC）Fig.5 MPC values of beach profiles

5.2海灘-珊瑚礁系統(tǒng)風(fēng)暴響應(yīng)模式

目前，關(guān)于珊瑚礁水動(dòng)力環(huán)境的研究較為豐富［7，39—40］，已經(jīng)提出了較為完善的珊瑚礁海岸動(dòng)力模型。然而，海灘-珊瑚礁系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)作用才是海灘風(fēng)暴響應(yīng)的關(guān)鍵。本文研究表明，海灘-珊瑚礁系統(tǒng)中海灘風(fēng)暴響應(yīng)特征受控于海灘固有的緩沖能力和珊瑚礁對(duì)海岸能量的消耗能力。基于這兩方面因素，本文將海灘風(fēng)暴響應(yīng)模式分為4種，見(jiàn)表3。

6　結(jié)論

海灘-珊瑚礁系統(tǒng)是一種常見(jiàn)的海岸類型，在我國(guó)熱帶地區(qū)廣泛發(fā)育，尤其是海南島海岸。本文基于對(duì)海南銅鼓嶺-高隆灣岸段的風(fēng)暴響應(yīng)特征研究，得出如下結(jié)論：

（1）研究區(qū)海灘的剖面形態(tài)響應(yīng)最為劇烈的區(qū)帶位于MSL以上的Ⅰ、Ⅱ區(qū)，在地貌上表現(xiàn)為后濱沖越和沙壩向海遷移，以及岸線蝕退、灘肩變窄、灘面侵蝕等響應(yīng)特征。

表3　珊瑚礁-海灘系統(tǒng)海灘風(fēng)暴響應(yīng)模式Tab.3 Storm-response modes of beach-coral reef system

（2）在風(fēng)暴作用下不同位置海灘的響應(yīng)強(qiáng)度和響應(yīng)特征各不相同，剖面N028的變化程度最大，剖面N030的響應(yīng)較為劇烈，剖面N025、N026、N027和N029變化較小，而剖面N031的地形在臺(tái)風(fēng)前后基本無(wú)變化，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。剖面N028和N030的MPC值大，表明珊瑚礁對(duì)相鄰海灘具有良好保護(hù)作用，是影響海灘-珊瑚礁系統(tǒng)變化過(guò)程的重要因素。

（3）海灘-珊瑚礁系統(tǒng)對(duì)風(fēng)暴的響應(yīng)特征主要受珊瑚礁的發(fā)育程度和海灘沙量的多寡，即海灘-珊瑚礁系統(tǒng)中海灘風(fēng)暴響應(yīng)特征受控于珊瑚礁對(duì)海岸能量的消耗能力和海灘固有的緩沖能力?；趦烧呔C合考慮，本文提出了珊瑚礁-海灘系統(tǒng)海灘風(fēng)暴響應(yīng)模式。

致謝：本項(xiàng)目部分野外數(shù)據(jù)由華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳沈良課題組支持，在此向各位參與野外調(diào)查的人員表示感謝！

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Study on storm-effects on beach-coral reef system—Taking the response of Qinglangang Coast on No.1409 Typhoon Rammasun as an example

Shao Chao1，Qi Hongshuai1，Cai Feng1，2，Chen Shenliang3
（1．Third Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Xiamen 361005，China；2．Island Research Center，State Oceanic Administration，Pingtan 350400，China；3．State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China）

Coral reefs distribute extensively along tropical coasts in China.The interactional behavior of beach-coral reef system is the key to understanding its morphodynamic process.Based on repeated field surveys before and after the Typhoon Rammasun，the paper discussed the storm-effects on beaches and its relationship with coral reefs along Tongguling-Gaolongwan coast in Hainan.The results showed that the most active zone during TyphoonRammasun was above MSL，which was characterized by backshore scarp，shoreline retreat，berm erosion and the reduction of beach face.The storm-effects on beaches are closely related to the condition of nearshore coral reefs.In the case of absence or destruction of coral reefs，the storm-effects on beaches significantly increased by 3-6 times Mean Profile Change（MPC）value.Coral reefs can provide effective protection for adjacent beach by mean of wave dissipation through reef flat.The characteristics of the storm-effects on beach-coral reef system are controlled by the wave dissipation of reefs and the sediment buffering of beaches.Four types of storm-response modes of beachcoral reef system were summarized.

beach-coral reef system；storm-effects；Typhoon Rammasun

邵超，戚洪帥，蔡鋒，等.海灘-珊瑚礁系統(tǒng)風(fēng)暴響應(yīng)特征研究——以1409號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”對(duì)清瀾港海岸影響為例［J］.海洋學(xué)報(bào)，2016，38（2）：121-130，

10.3969／j.issn.0253-4193.2016.02.012

Shao Chao，Qi Hongshuai，Cai Feng，et al.Study on storm-effects on beach-coral reef system—Taking the response of Qinglangang Coast on No.1409 Typhoon Rammasun as an example［J］.Haiyang Xuebao，2016，38（2）：121-130，

10.3969／j.issn.0253-4193.2016.02.012

P737.2

A

0253-4193（2016）02-0121-10

2015-06-07；

2015-08-04。

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201405037）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41106076，41306083）。

邵超（1990—），女，浙江省寧波市人，從事海岸動(dòng)力地貌研究。E-mail：bukeneng711＠126.com

蔡鋒，男，研究員，主要從事海洋地質(zhì)、海岸過(guò)程與海灘保護(hù)與管理研究。E-mail：fcai800＠126.com