離岸流(Rip Current),亦稱為“裂流”,是在海浪和水底地形共同作用下由海岸經(jīng)波浪區(qū)向海中流動的一股狹窄而強勁的水流。離岸流主要由離岸流根、流頸和流頭構(gòu)成,裂流根是離岸流的源頭,也就是水源匯聚區(qū),離岸流的寬度一般不超過10米,長度一般在30~50米之間,有的長達700~800米,流速可高達每秒2米以上,每股的持續(xù)時間為兩三分鐘甚至更長,由海岸向大海中心流動。
離岸流形成的核心原理在于沿岸流的補償作用。由于沿岸流的存在會一定程度上填補離岸區(qū)域的水流空缺,從而維持海洋環(huán)境的動態(tài)平衡。當沿岸流流向離岸區(qū)域時,受到地形、波浪等多種因素的影響,部分水流會改變方向,形成向海方向流動的離岸流。離岸流具有隱蔽性、突發(fā)性和不可預見性等特征。根據(jù)驅(qū)動機制不同,可以將離岸流劃分為水動力控制的離岸流、受水深影響的離岸流和邊界控制的離岸流三種。離岸流分布廣泛多在中低緯度區(qū)出現(xiàn),主要分布于美國東南沿海、印度沿海、巴西南部海域、澳大利亞東南部沿海地區(qū)及中國海南等地區(qū)。
離岸流對地貌、航行和人身安全都能產(chǎn)生嚴重影響。如改變海岸地貌、影響航行安全、造成人員傷亡等。為應對離岸流的不良影響,人們通常采用一些列措施進行預防與監(jiān)測,如通過教育和宣傳增強防范意識、利用現(xiàn)代科技手段對離岸流進行科學監(jiān)測等。
定義
離岸流(Rip Current),又稱“裂流”,是在海浪和水底地形共同作用下,由海岸經(jīng)波浪區(qū)向海中流動的一股狹窄而強勁的水流。
中國海洋發(fā)展研究中心(AOC)將離岸流定義為是在近岸波浪和地形共同作用下形成的一股強勁水流,自海岸向海洋方向流動,通常發(fā)生在破浪洶涌的海灘上,流速快且流幅狹窄。
美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)將離岸流定義為是一股強勁的、從岸邊流出的水流,多見于沖浪區(qū)域并能穿越破浪線,這種水流是由波浪、潮汐和地形三者相互作用而產(chǎn)生的。
成因
形成原理
離岸流形成的核心原理在于沿岸流的補償作用。沿岸流作為海洋環(huán)境中一種重要的水流現(xiàn)象,其動力來源多樣,包括波浪破碎導致的破波帶內(nèi)平均水位上升以及離岸區(qū)地形不規(guī)則引發(fā)的沿岸波高變化等,這些推動力共同促使沿岸流的形成,進而對離岸流產(chǎn)生重要影響。
沿岸流的補償作用是離岸流形成的關(guān)鍵因素。由于沿岸流的存在,它會在一定程度上填補離岸區(qū)域的水流空缺,從而維持海洋環(huán)境的動態(tài)平衡。當沿岸流流向離岸區(qū)域時,受到地形、波浪等多種因素的影響,部分水流會改變方向,形成由海岸向海洋方向流動的離岸流。
理論學說
1969年鮑恩(Bowen)運用輻射應力理論,從力學角度對離岸流的形成機理進行了分析。鮑恩于指出在破波帶內(nèi)外,輻射應力梯度可以產(chǎn)生水面坡降,進而驅(qū)動沿岸流的形成。這種輻射應力梯度的作用力從高波區(qū)向低波區(qū)推進,對離岸流的形成具有重要影響。
鮑恩和英曼(Inman)用邊波(Edge wave)理論解釋了即使在離岸地形為均勻斜坡且波浪不產(chǎn)生折射的情況下,離岸流仍然可能出現(xiàn)的現(xiàn)象。當海灘兩端存在反射邊界,且海灘長度等于邊波半波長的整數(shù)倍時,會形成駐邊波。駐邊波與入射波的疊加會在岸線附近產(chǎn)生高低波相間的區(qū)域,進而形成離岸流。
達林普爾(Dalrymple)認為當來自不同方向的兩列波浪在岸邊疊加時會在海岸邊形成一系列高、低波交替相間的區(qū)域,這種波浪疊加效應不僅改變了波浪的特性還直接影響了離岸流的形成位置。具體來說,離岸流往往發(fā)生在振幅最小的位置,即波浪疊加后形成的低波區(qū)域。同時,從更廣泛的角度來看,沿岸波高的變化是產(chǎn)生近岸環(huán)流的條件,而波浪正向入射時,沿岸波高的不等分布能夠產(chǎn)生沿岸推力,進一步促進了離岸流的形成。因此,波浪疊加效應通過改變波浪形態(tài)和分布,對離岸流的產(chǎn)生和特性產(chǎn)生顯著影響。
影響因素
離岸流的形成受到多種因素的影響,這些因素共同決定了離岸流的強度和特性。
沿岸流的強度和流向?qū)﹄x岸流的形成具有重要影響。由于離岸流帶走了大量水體,為了維持海岸線的水量平衡,沿岸流會作為補償機制產(chǎn)生,填補離岸流所造成的空缺。另外,當波浪逐漸靠近海岸線時,隨著水深的逐漸變淺,波浪底部開始與海底接觸并受到摩擦,進而引發(fā)波浪破碎。波浪破碎時,其攜帶的能量會釋放到水體中,導致破波帶內(nèi)平均水位上升,從而進一步促進了離岸流的形成。
離岸區(qū)的地形特征(如坡度、水深和底質(zhì)等)對離岸流的形成及其特性也會產(chǎn)生顯著影響。在坡度平緩的海岸線附近,離岸流的形成幾率顯著上升。這是因為平緩的坡度使海水得以更順暢地流向深海,而非在近岸區(qū)域形成強烈的回流現(xiàn)象。在深水區(qū),海水流動的阻力相對較小,因此更容易催生強勁有力的離岸流。其次,深水區(qū)的海水流動往往更為復雜多變,可能導致多個方向的離岸流同時涌現(xiàn)。此外,堅硬的底質(zhì)有助于減少海水流動時的摩擦力,從而增強離岸流的強度;而松軟的底質(zhì)則可能吸收部分海水流動的能量,使得離岸流相對較弱。
結(jié)構(gòu)組成
三部分
學者管華詩認為,離岸流主要由三部分組成,即裂流根、流頸和流頭。這種劃分方式更為詳細和全面,有助于深入揭示離岸流的形成、發(fā)展和擴散過程。
裂流根是指當波浪垂直向岸沖擊后,與岸平行的沿岸流可以從一側(cè)或兩側(cè)形成補給區(qū)。
流頸是指補給區(qū)的水流流至特定地段,橫穿破波帶回流至海時形成的通道,該通道為離岸流寬度的最狹窄部分,寬約十多米至30米不等,且流速最大。
流頭也就是離岸流向深海擴散的區(qū)域,呈扇形,可達100多米,并有顯著的渦動,由于渦動影響,流頭邊緣必然出現(xiàn)泡沫帶和海水渾濁現(xiàn)象,非常容易觀察。
兩部分
學者常瑞芳將離岸流劃分為兩部分,即頸部和頭部。這種劃分方式相對簡潔,同樣能夠反映離岸流的主要特征。
由岸向海流速較大、寬度較狹窄的部分稱裂“流頸”。
離岸流流至一定距離后,水流向四周擴散,強度減弱,形成蘑茹狀的部分被稱為“流頭”。
特征
基本性質(zhì)
離岸流是一種自海面至海底一致流向海洋的運動水體,它與底部的返流在性質(zhì)上有所不同。在沿岸波高有所變化的海岸區(qū)域,離岸流成為主要的向海返流形式。其縱向長度可達61至762米,具體取決于海底地形、波浪狀況以及海岸線的形態(tài)。離岸流的寬度一般不會超過9米,顯得相對狹窄,這使得它在海面上表現(xiàn)得更為集中和強烈。在流速方面,離岸流的速度通常在0.3~2米每秒之間,有時甚至高達3米每秒。
離岸流的顏色通常與周圍海水相近,不易通過顏色來直接辨別。在外形上,通常表現(xiàn)為一條相對狹窄且連續(xù)的海流,由于其流向明確且強度較高,在海上容易形成較為明顯的流線或流帶。
離岸流之間的間距各不相同,根據(jù)實測數(shù)據(jù),其范圍大致在30至100米之間,平均間距雖有所差異,但通常不會超過500米。離岸的距離可以延伸至50米以上,而其長度則大約為破波點至岸線距離的1.7至1.8倍。此外,離岸流的規(guī)模與入射波的強弱及方向密切相關(guān)。當入射波較為強大時,離岸流數(shù)量相對較少但強度更高;相反,入射波較弱時,離岸流數(shù)量增多但強度降低。
隱蔽性
隱蔽性是指離岸流在外觀上難以被察覺的特性。離岸流往往隱藏在看似平靜的海面之下,表面看起來與周圍的海水無異,沒有明顯的波動或旋渦。這種不易被肉眼直接觀察到的特性,使得離岸流具有極高的隱蔽性。
突發(fā)性
突發(fā)性是指離岸流在出現(xiàn)方式上具有突然、難以預測的特點。離岸流會在人毫無防備的情況下突然出現(xiàn),且可以在任何天氣條件下形成。這種突發(fā)性的特性使得游泳者和水上活動者很難提前做好準備和防范措施。
不可預見性
不可預見性是指離岸流的強度和狀態(tài)受到多種因素的影響,使得其難以被準確預測。這些因素包括波浪的大小、潮汐的變化、天文因素以及風力風向等。這些因素的變化是復雜且難以捉摸的,即使他們試圖通過觀察海浪、潮汐或風力等因素來預測離岸流的情況,也很難得到準確的結(jié)果,因此離岸流的強度和流向也呈現(xiàn)出極大的不可預見性。
分類
根據(jù)離岸流的驅(qū)動機制不同,可以將離岸流劃分為三種類型,分別為水動力控制的離岸流、受水深影響的離岸流和邊界控制的離岸流。
水動力控制的離岸流
水動力控制的離岸流是指那些在沿岸均勻或相對平坦的海灘區(qū)域,主要受到海洋水動力因素(如波浪、潮汐和海流等)的直接作用而形成的海流現(xiàn)象。這種現(xiàn)象源于波浪破碎、潮汐漲落以及沿岸流等多種水動力過程的相互作用,導致水流在近岸區(qū)域產(chǎn)生向海方向的流動。水動力控制的離岸流具有短暫性、空間局限性和難以預測性等特點并可根據(jù)其形成機制的不同進一步分為閃流和剪切不穩(wěn)定離岸流兩種。
閃流是一種在沿岸均勻的開闊海灘上發(fā)生的特殊海流現(xiàn)象,它主要源于波浪的自然擴散和破碎過程中產(chǎn)生的渦旋演化。這些渦旋在向岸運動的過程中,部分因摩擦消散,部分則逐漸演化為更大尺度(可達百米)的渦旋,并通過破碎帶沖回外海。這種大尺度渦旋所伴隨的突發(fā)性射流運動,便是閃流。由于其突發(fā)性和短暫性(通常持續(xù)時間在2到5分鐘之間),使得閃流在沿岸均勻的開闊海灘上尤為常見。這種海灘地形不僅有利于波浪的擴散和破碎,還為閃流的形成提供了必要的條件。
剪切不穩(wěn)定離岸流主要發(fā)生在沿岸均勻開闊的海灘上,當斜入射波驅(qū)動沿岸沖浪區(qū)的洋流形成沿岸流時,跨岸方向的剪切作用可能導致流體不穩(wěn)定從而致使沿岸形成不穩(wěn)定的前進渦旋,這些渦旋隨后在近海岸邊脫落分離,形成剪切不穩(wěn)定離岸流。剪切不穩(wěn)定離岸流的核心特征是沿岸形成的不穩(wěn)定前進渦旋,這些渦旋的時間尺度通常為百秒量級,長度尺度可達百米。形成后,這些渦旋會在近海岸邊脫落分離,對在此區(qū)域活動的人或物體構(gòu)成潛在威脅。不過,剪力不穩(wěn)定離岸流并不常見,它通常僅在高度傾斜入射的海浪與沿岸均勻的海灘相遇時才可能發(fā)生。
受水深影響的離岸流
受水深影響的離岸流是指在特定海域中由水深變化、波浪與潮汐作用共同形成的海流現(xiàn)象。多出現(xiàn)在波浪和潮汐條件相對穩(wěn)定的海域,其強度受海底地形和水深的影響。水深的變化會導致波浪和潮汐的能量分布及水動力機制的變化,進而催生離岸流。其流向通常明確,垂直于海岸線,直指深海區(qū)域。沿岸地形的差異會導致不同的水動力機制,從而產(chǎn)生溝道離岸流和聚焦離岸流兩種形式。
溝道離岸流主要發(fā)生在沿海岸存在沙脊或沙洲的區(qū)域。在波浪和潮汐的作用下,凹陷帶中的海水會越聚越多,最終從沙脊或沙洲上的某幾處較低的缺口沖出,這種以沙脊-海溝地貌為特征的離岸流,被稱為溝道離岸流。作為全球范圍內(nèi)廣泛存在的一種離岸流類型,溝道離岸流切斷了海邊的淺灘,占據(jù)了沖浪區(qū)沙洲之間的深水通道,這使得溝道離岸流在視覺上異常明顯。在時間上,溝道離岸流能夠在固定位置持續(xù)存在數(shù)天至數(shù)月。此外,溝道離岸流的發(fā)生位置通常與沙脊、沙洲和海溝等特定的地形特征密切相關(guān)。這些地形特征不僅是離岸流形成的必要條件,還使得溝道離岸流在特定區(qū)域內(nèi)相對容易被識別和防范。
聚焦離岸流是一種常發(fā)生在具有均勻沖浪特征海灘上的自然現(xiàn)象。當海浪撞擊到這些水深存在差異的海灘區(qū)域時,會引發(fā)一系列方向相反的沿岸水流。這些沿岸水流匯聚并一同向離岸方向移動,便形成了聚焦離岸流。聚焦離岸流發(fā)生的地點通常相對固定,在水深變化明顯的海灘區(qū)域更為常見。然而,由于其可能隱匿在看似均勻的沖浪區(qū)域中,外部特征并不顯著,這增加了對其進行識別和防范的難度。此外,聚焦離岸流是由多股方向相反的水流匯聚而成的,這使得其水流方向和強度變化難以測量。
邊界控制的離岸流
邊界控制的離岸流,也被稱“作邊界離岸流”“結(jié)構(gòu)離岸流”,特指在人造或天然障礙物(如堤壩、岬角)附近形成的特殊離岸流現(xiàn)象。這些障礙物能夠引導和約束海水流動,促使其在特定位置形成強烈的離岸流動。這種離岸流因其與障礙物緊密相鄰的特性,相較于其他類型更易識別和預測。此外,這些結(jié)構(gòu)對海水流動有顯著控制作用,引導海水流向特定方向,形成離岸流。即使在波浪較小的條件下,邊界控制的離岸流也可能持續(xù)存在。不同障礙物會產(chǎn)生不同的水動力機制進而形成暗流和偏轉(zhuǎn)離岸流等形式。
暗流是在特定海灘環(huán)境下形成的一種強勁水流。這種水流通常垂直于海岸,自岸邊流向深海。在斜入射波的影響下,諸如堤壩、巖石等剛性障礙物會阻礙波浪,造成障礙物兩側(cè)波浪能量和高度的差異,進而催生暗流。暗流因其垂直于海岸的流向,常迅速將游泳者或小型船只帶離岸邊。暗流的流速和強度因地理位置、季節(jié)及天氣條件的不同而有所差異,最快可達每秒數(shù)米。此外,暗流的活動還受波高、周期以及入射波與海岸夾角等多種因素的共同影響。例如,波高和周期的增加往往會導致暗流強度和流速的增大,而入射波與海岸夾角的變化則會影響暗流的形成位置和流動方向。
偏轉(zhuǎn)離岸流是指由于波浪在接近并沖擊海岸線時遇到障礙物(如岬角、巖石或其他突出物)導致原本沿岸流動的水流在障礙物的阻礙作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn),從而沿著障礙物向外海方向流動的現(xiàn)象。偏轉(zhuǎn)離岸流主要發(fā)生在平直的海灘上,特別是當波浪以斜角沖擊海岸線并遭遇障礙物(如岬角、堤壩、碼頭等)時。由于障礙物的存在,原本沿岸流動的水流在接近障礙物時會發(fā)生偏轉(zhuǎn),改變其流動方向,進而沿著障礙物的外側(cè)流向外海。
分布
離岸流的分布廣泛、多在中低緯度區(qū)出現(xiàn),具有明顯的季節(jié)性和地域性特點。在颶風季節(jié)(6月至11月),離岸流形成可能性會顯著增加。世界上離岸流頻發(fā)的地區(qū)包括佛羅里達州、墨西哥、英國西南部、印度、巴西南部、澳大利亞東南部沿海地區(qū)、釜山廣域市、中國海南、廈門市及青島市地區(qū)等。
影響
對地貌的影響
離岸流對地貌的影響表現(xiàn)為可以促進了懸移質(zhì)的離岸運動,塑造了沿岸地貌形態(tài),如灘尖嘴、沿岸沙壩。
灘尖嘴的形態(tài)取決于離岸流的強度和方向,在離岸流的沖刷和搬運作用下逐漸形成。
沿岸沙壩是海岸線上一道常見的地貌景觀,其形成和發(fā)展過程受到了離岸流的顯著影響。離岸流通過持續(xù)的搬運和堆積作用,促進了沙壩的形成和增長,從而進一步影響了海岸線的整體形態(tài)和穩(wěn)定性。
對航行的影響
離岸流能夠改變船舶周圍的水流速度和方向,進而對船舶的操控性和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。當船舶偏離中心航道航行時,船體兩側(cè)的濕表面壓力及水面變化會變得不對稱,同時水深和岸邊距離也會對船體所受的水動力及船波產(chǎn)生作用。對于近岸航行的船舶而言,離岸流的存在無疑增加了航行過程中的不確定性和潛在風險。由于岸壁的存在,船舶兩側(cè)的流體流動本就呈現(xiàn)出不對稱性,而離岸流的作用更是加劇了這種不對稱,導致船舶受到指向岸壁的橫向水動力作用。這種橫向水動力不僅會使船體偏離預定的航道,還增加了船舶與岸壁發(fā)生碰撞的危險性。
此外,離岸流還會對船舶產(chǎn)生首搖力矩,使船首偏離岸壁,進一步影響船舶的航行軌跡和穩(wěn)定性。在淺水區(qū)域,離岸流還可能導致船舶阻力增加,從而降低航行速度并增加燃油消耗,這不僅影響了船舶的運輸效率,還可能導致運營成本上升。為了應對這些不利因素,船員可能需要調(diào)整航速和航線規(guī)劃,這在一定程度上也會對航行計劃造成影響。
對人身安全的影響
離岸流有巨大的能量,有時連海面上的救生艇也會被吞噬掉,對人身安全構(gòu)成了嚴重的威脅。在美國,每年有150起死亡事件是由離岸流引起的,大約有80%的海灘援救事件與離岸流有關(guān)。對于不熟悉海灘環(huán)境和離岸流特性的游泳者來說,一旦遭遇離岸流,很容易被強大的水流帶離岸邊,甚至卷入深海區(qū)域。
此外,離岸流還可能引發(fā)其他危險情況。例如,在離岸流的作用下,游泳者可能會因為體力耗盡而失去自救能力,或者在試圖逆流而上時遭遇海浪的沖擊而受傷。同時,離岸流還可能引發(fā)海水的波動和涌浪,對在海灘上休息或玩耍的人員造成沖擊和傷害。
預測與預防
預測
離岸流的預測方法主要包括經(jīng)驗預測法和數(shù)值模擬法兩種。
經(jīng)驗預測法依賴于長期的海灘日志和救援數(shù)據(jù)來分析和研究離岸流活動。這種方法通過觀察和記錄離岸流活動的歷史數(shù)據(jù),結(jié)合風向、風速、涌浪以及低潮時等環(huán)境因素,建立經(jīng)驗模型來預測離岸流的發(fā)生和強度。例如,盧希恩(Lushine)開發(fā)的Lushine Rip Current Scale(LURCS)就是一個典型的經(jīng)驗預測模型。
數(shù)值模擬法則是一種更為先進和靈活的離岸流預測方法通過建立數(shù)學模型來模擬離岸流的形成和演變過程,可以更加深入地理解離岸流的物理機制和影響因素。數(shù)值模擬法可以分為時均模型和時域模型兩類。時均模型將流體的運動方程在波浪周期上進行平均,計算速度快但可能忽略近岸波生流的一些特征。而時域模型則直接在時域內(nèi)對流場進行計算,能夠更全面地考慮各種因素,但計算量大且耗時。
預警標識
溫和的浪花或水流,游泳欠佳者不建議入水。
風高浪急,所有游泳者不建議入水。
海灘關(guān)閉,禁止游泳。
緊急撤退。
預防措施
通過教育和宣傳活動提高公眾對離岸流危害的認識。可以在海灘區(qū)域設(shè)置警示標志,發(fā)布關(guān)于離岸流形成機理、特征以及預防措施的信息。
利用現(xiàn)代技術(shù)手段,如超高頻岸基雷達,對離岸流進行實時監(jiān)測,以便及時發(fā)現(xiàn)并預警離岸流的發(fā)生。此外,可以采用數(shù)值模擬方法深入探究離岸流的形成機理及水動力學特性,為預防和應對提供科學依據(jù)。
通過恢復河道基本功能、改善生態(tài)環(huán)境等措施,增強河道與周邊生態(tài)環(huán)境和人文環(huán)境的協(xié)調(diào)性,從而間接減少離岸流對海岸線的侵蝕作用。
相關(guān)研究
離岸流的風險評價是對海灘上離岸流現(xiàn)象可能引發(fā)的危險進行系統(tǒng)地評估和預測的過程。這個評價過程綜合考慮了多種因素,包括地形動力學指標、水動力指標等,以確定離岸流發(fā)生的可能性、強度以及可能造成的危害程度。
地形動力學指標是評估離岸流風險的重要參數(shù)。澳大利亞學者懷特(Wight)等人提出的無量綱沉降速率參數(shù)(Ω)模型,將海灘狀態(tài)分為消散型、過渡型和反射型三種。在此基礎(chǔ)上,馬斯林克(Masselink)等人引入了相對潮差的概念,進一步完善了模型,使其不僅考慮海灘狀態(tài)與波浪要素之間的關(guān)系,還考慮了波浪與潮差的相互作用。
中國國家海洋局發(fā)布的《濱海旅游區(qū)離岸流災害風險排查技術(shù)規(guī)程》(征求意見稿)提出,應用浪-流耦合模型等中小尺度的近岸水動力數(shù)值模型,基于濱海旅游地段的實測水深地形,精細化模擬推行區(qū)域內(nèi)離岸流、波流相互作用等復雜水動力環(huán)境的時空變化規(guī)律。在滿足一定指標的前提下,可以初步判定得到離岸流風險等級。
參考資料 >
什么是離岸流.深圳市規(guī)劃和自然資源局.2024-05-15
海灘邊的隱形殺手 離岸流到底多可怕.中國應急信息網(wǎng).2025-06-06
揭開離岸流真面目 遠離海灘“ 殺手”.中國科普網(wǎng).2023-07-09
海灘上的“隱形殺手”——離岸流.中國海洋發(fā)展研究中心.2024-05-02
Rip Currents.National Oceanic andAtmospheric Administration.2024-06-04
Rip Current Photos.NATIONAL WEATHER SERVICE.2024-06-04