离岸流 :流向海洋狭窄而强劲的水流

更新时间:2023-07-09 14:59

离岸流(Rip Current),亦称为“裂流”,是在海浪和水底地形共同作用下由海岸经波浪区向海中流动的一股狭窄而强劲的水流。离岸流主要由离岸流根、流颈和流头构成,发生的范围自水边线向深水方向的距离一般在30~50米,流速一般在0.3~2米每秒,有时可高达3米每秒,由海岸向大海中心流动。

离岸流形成的核心原理在于沿岸流的补偿作用。由于沿岸流的存在会一定程度上填补离岸区域的水流空缺,从而维持海洋环境的动态平衡。当沿岸流流向离岸区域时,受到地形、波浪等多种因素的影响,部分水流会改变方向,形成向海方向流动的离岸流。离岸流具有隐蔽性、突发性和不可预见性等特征。根据驱动机制不同,可以将离岸流划分为水动力控制的离岸流、受水深影响的离岸流和边界控制的离岸流三种。离岸流分布广泛多在中低纬度区出现,主要分布于美国东南沿海、印度沿海、巴西南部海域、澳大利亚东南部沿海地区及中国海南等地区。

离岸流对地貌、航行和人身安全都能产生严重影响。如改变海岸地貌、影响航行安全、造成人员伤亡等。为应对离岸流的不良影响,人们通常采用一些列措施进行预防与监测,如通过教育和宣传增强防范意识、利用现代科技手段对离岸流进行科学监测等。

定义

离岸流(Rip Current),又称“裂流”,是在海浪和水底地形共同作用下,由海岸经波浪区向海中流动的一股狭窄而强劲的水流。

中国海洋发展研究中心(AOC)将离岸流定义为是在近岸波浪和地形共同作用下形成的一股强劲水流,自海岸向海洋方向流动,通常发生在破浪汹涌的海滩上,流速快且流幅狭窄。

美国国家海洋和大气管理局(NOAA)将离岸流定义为是一股强劲的、从岸边流出的水流,多见于冲浪区域并能穿越破浪线,这种水流是由波浪、潮汐和地形三者相互作用而产生的。

成因

形成原理

离岸流形成的核心原理在于沿岸流的补偿作用。沿岸流作为海洋环境中一种重要的水流现象,其动力来源多样,包括波浪破碎导致的破波带内平均水位上升以及离岸区地形不规则引发的沿岸波高变化等,这些推动力共同促使沿岸流的形成,进而对离岸流产生重要影响。

沿岸流的补偿作用是离岸流形成的关键因素。由于沿岸流的存在,它会在一定程度上填补离岸区域的水流空缺,从而维持海洋环境的动态平衡。当沿岸流流向离岸区域时,受到地形、波浪等多种因素的影响,部分水流会改变方向,形成由海岸向海洋方向流动的离岸流。

理论学说

1969年鲍恩(Bowen)运用辐射应力理论,从力学角度对离岸流的形成机理进行了分析。鲍恩于指出在破波带内外,辐射应力梯度可以产生水面坡降,进而驱动沿岸流的形成。这种辐射应力梯度的作用力从高波区向低波区推进,对离岸流的形成具有重要影响。

鲍恩和英曼(Inman)用边波(Edge wave)理论解释了即使在离岸地形为均匀斜坡且波浪不产生折射的情况下,离岸流仍然可能出现的现象。当海滩两端存在反射边界,且海滩长度等于边波半波长的整数倍时,会形成驻边波。驻边波与入射波的叠加会在岸线附近产生高低波相间的区域,进而形成离岸流。

达林普尔(Dalrymple)认为当来自不同方向的两列波浪在岸边叠加时会在海岸边形成一系列高、低波交替相间的区域,这种波浪叠加效应不仅改变了波浪的特性还直接影响了离岸流的形成位置。具体来说,离岸流往往发生在振幅最小的位置,即波浪叠加后形成的低波区域。同时,从更广泛的角度来看,沿岸波高的变化是产生近岸环流的条件,而波浪正向入射时,沿岸波高的不等分布能够产生沿岸推力,进一步促进了离岸流的形成。因此,波浪叠加效应通过改变波浪形态和分布,对离岸流的产生和特性产生显著影响。

影响因素

离岸流的形成受到多种因素的影响,这些因素共同决定了离岸流的强度和特性。

沿岸流的强度和流向对离岸流的形成具有重要影响。由于离岸流带走了大量水体,为了维持海岸线的水量平衡,沿岸流会作为补偿机制产生,填补离岸流所造成的空缺。另外,当波浪逐渐靠近海岸线时,随着水深的逐渐变浅,波浪底部开始与海底接触并受到摩擦,进而引发波浪破碎。波浪破碎时,其携带的能量会释放到水体中,导致破波带内平均水位上升,从而进一步促进了离岸流的形成。

离岸区的地形特征(如坡度、水深和底质等)对离岸流的形成及其特性也会产生显著影响。在坡度平缓的海岸线附近,离岸流的形成几率显著上升。这是因为平缓的坡度使海水得以更顺畅地流向深海,而非在近岸区域形成强烈的回流现象。在深水区,海水流动的阻力相对较小,因此更容易催生强劲有力的离岸流。其次,深水区的海水流动往往更为复杂多变,可能导致多个方向的离岸流同时涌现。此外,坚硬的底质有助于减少海水流动时的摩擦力,从而增强离岸流的强度;而松软的底质则可能吸收部分海水流动的能量,使得离岸流相对较弱。

结构组成

三部分

学者管华诗认为,离岸流主要由三部分组成,即裂流根、流颈和流头。这种划分方式更为详细和全面,有助于深入揭示离岸流的形成、发展和扩散过程。

裂流根是指当波浪垂直向岸冲击后,与岸平行的沿岸流可以从一侧或两侧形成补给区。

流颈是指补给区的水流流至特定地段,横穿破波带回流至海时形成的通道,该通道为离岸流宽度的最狭窄部分。

流头是指在离岸流穿越破碎带后形成,其形状如扇形,可扩散至周围百米以上区域,并伴随明显的涡动,边缘处可见泡沫带和浑浊的海水。

两部分

学者常瑞芳将离岸流划分为两部分,即颈部和头部。这种划分方式相对简洁,同样能够反映离岸流的主要特征。

由岸向海流速较大、宽度较狭窄的部分称裂“流颈”。

离岸流流至一定距离后,水流向四周扩散,强度减弱,形成蘑茹状的部分被称为“流头”。

特征

基本性质

离岸流是一种自海面至海底一致流向海洋的运动水体,它与底部的返流在性质上有所不同。在沿岸波高有所变化的海岸区域,离岸流成为主要的向海返流形式。其长度通常在几十到几百米之间,具体取决于海底地形、波浪状况以及海岸线的形态。离岸流的宽度一般小于10米,显得相对狭窄,这使得它在海面上表现得更为集中和强烈。在流速方面,离岸流的速度通常在0.3~2米每秒之间,有时甚至高达3米每秒。

离岸流的颜色通常与周围海水相近,不易通过颜色来直接辨别。在外形上,通常表现为一条相对狭窄且连续的海流,由于其流向明确且强度较高,在海上容易形成较为明显的流线或流带。

离岸流之间的间距各不相同,根据实测数据,其范围大致在30至100米之间,平均间距虽有所差异,但通常不会超过500米。离岸的距离可以延伸至50米以上,而其长度则大约为破波点至岸线距离的1.7至1.8倍。此外,离岸流的规模与入射波的强弱及方向密切相关。当入射波较为强大时,离岸流数量相对较少但强度更高;相反,入射波较弱时,离岸流数量增多但强度降低。

隐蔽性

隐蔽性是指离岸流在外观上难以被察觉的特性。离岸流往往隐藏在看似平静的海面之下,表面看起来与周围的海水无异,没有明显的波动或旋涡。这种不易被肉眼直接观察到的特性,使得离岸流具有极高的隐蔽性。

突发性

突发性是指离岸流在出现方式上具有突然、难以预测的特点。离岸流可以在任何天气条件下突然出现,无论是晴空万里还是风浪稍大,都可能成为离岸流形成的条件。这种突发性的特性使得游泳者和水上活动者很难提前做好准备和防范措施。

不可预见性

不可预见性是指离岸流的强度和状态受到多种因素的影响,使得其难以被准确预测。这些因素包括波浪的大小、潮汐的变化、天文因素以及风力风向等。这些因素的变化是复杂且难以捉摸的,即使他们试图通过观察海浪、潮汐或风力等因素来预测离岸流的情况,也很难得到准确的结果,因此离岸流的强度和流向也呈现出极大的不可预见性。

分类

根据离岸流的驱动机制不同,可以将离岸流划分为三种类型,分别为水动力控制的离岸流、受水深影响的离岸流和边界控制的离岸流。

水动力控制的离岸流

水动力控制的离岸流是指那些在沿岸均匀或相对平坦的海滩区域,主要受到海洋水动力因素(如波浪、潮汐和海流等)的直接作用而形成的海流现象。这种现象源于波浪破碎、潮汐涨落以及沿岸流等多种水动力过程的相互作用,导致水流在近岸区域产生向海方向的流动。水动力控制的离岸流具有短暂性、空间局限性和难以预测性等特点并可根据其形成机制的不同进一步分为闪流和剪切不稳定离岸流两种。

闪流是一种在沿岸均匀的开阔海滩上发生的特殊海流现象,它主要源于波浪的自然扩散和破碎过程中产生的涡旋演化。这些涡旋在向岸运动的过程中,部分因摩擦消散,部分则逐渐演化为更大尺度(可达百米)的涡旋,并通过破碎带冲回外海。这种大尺度涡旋所伴随的突发性射流运动,便是闪流。由于其突发性和短暂性(通常持续时间在2到5分钟之间),使得闪流在沿岸均匀的开阔海滩上尤为常见。这种海滩地形不仅有利于波浪的扩散和破碎,还为闪流的形成提供了必要的条件。

剪切不稳定离岸流主要发生在沿岸均匀开阔的海滩上,当斜入射波驱动沿岸冲浪区的洋流形成沿岸流时,跨岸方向的剪切作用可能导致流体不稳定从而致使沿岸形成不稳定的前进涡旋,这些涡旋随后在近海岸边脱落分离,形成剪切不稳定离岸流。剪切不稳定离岸流的核心特征是沿岸形成的不稳定前进涡旋,这些涡旋的时间尺度通常为百秒量级,长度尺度可达百米。形成后,这些涡旋会在近海岸边脱落分离,对在此区域活动的人或物体构成潜在威胁。不过,剪力不稳定离岸流并不常见,它通常仅在高度倾斜入射的海浪与沿岸均匀的海滩相遇时才可能发生。

受水深影响的离岸流

受水深影响的离岸流是指在特定海域中由水深变化、波浪与潮汐作用共同形成的海流现象。多出现在波浪和潮汐条件相对稳定的海域,其强度受海底地形和水深的影响。水深的变化会导致波浪和潮汐的能量分布及水动力机制的变化,进而催生离岸流。其流向通常明确,垂直于海岸线,直指深海区域。沿岸地形的差异会导致不同的水动力机制,从而产生沟道离岸流和聚焦离岸流两种形式。

沟道离岸流主要发生在沿海岸存在沙脊或沙洲的区域。在波浪和潮汐的作用下,凹陷带中的海水会越聚越多,最终从沙脊或沙洲上的某几处较低的缺口冲出,这种以沙脊-海沟地貌为特征的离岸流,被称为沟道离岸流。作为全球范围内广泛存在的一种离岸流类型,沟道离岸流切断了海边的浅滩,占据了冲浪区沙洲之间的深水通道,这使得沟道离岸流在视觉上异常明显。在时间上,沟道离岸流能够在固定位置持续存在数天至数月。此外,沟道离岸流的发生位置通常与沙脊、沙洲和海沟等特定的地形特征密切相关。这些地形特征不仅是离岸流形成的必要条件,还使得沟道离岸流在特定区域内相对容易被识别和防范。

聚焦离岸流是一种常发生在具有均匀冲浪特征海滩上的自然现象。当海浪撞击到这些水深存在差异的海滩区域时,会引发一系列方向相反的沿岸水流。这些沿岸水流汇聚并一同向离岸方向移动,便形成了聚焦离岸流。聚焦离岸流发生的地点通常相对固定,在水深变化明显的海滩区域更为常见。然而,由于其可能隐匿在看似均匀的冲浪区域中,外部特征并不显著,这增加了对其进行识别和防范的难度。此外,聚焦离岸流是由多股方向相反的水流汇聚而成的,这使得其水流方向和强度变化难以测量。

边界控制的离岸流

边界控制的离岸流,也被称“作边界离岸流”“结构离岸流”,特指在人造或天然障碍物(如堤坝、岬角)附近形成的特殊离岸流现象。这些障碍物能够引导和约束海水流动,促使其在特定位置形成强烈的离岸流动。这种离岸流因其与障碍物紧密相邻的特性,相较于其他类型更易识别和预测。此外,这些结构对海水流动有显著控制作用,引导海水流向特定方向,形成离岸流。即使在波浪较小的条件下,边界控制的离岸流也可能持续存在。不同障碍物会产生不同的水动力机制进而形成暗流和偏转离岸流等形式。

暗流是在特定海滩环境下形成的一种强劲水流。这种水流通常垂直于海岸,自岸边流向深海。在斜入射波的影响下,诸如堤坝、岩石等刚性障碍物会阻碍波浪,造成障碍物两侧波浪能量和高度的差异,进而催生暗流。暗流因其垂直于海岸的流向,常迅速将游泳者或小型船只带离岸边。暗流的流速和强度因地理位置、季节及天气条件的不同而有所差异,最快可达每秒数米。此外,暗流的活动还受波高、周期以及入射波与海岸夹角等多种因素的共同影响。例如,波高和周期的增加往往会导致暗流强度和流速的增大,而入射波与海岸夹角的变化则会影响暗流的形成位置和流动方向。

偏转离岸流是指由于波浪在接近并冲击海岸线时遇到障碍物(如岬角、岩石或其他突出物)导致原本沿岸流动的水流在障碍物的阻碍作用下发生偏转,从而沿着障碍物向外海方向流动的现象。偏转离岸流主要发生在平直的海滩上,特别是当波浪以斜角冲击海岸线并遭遇障碍物(如岬角、堤坝、码头等)时。由于障碍物的存在,原本沿岸流动的水流在接近障碍物时会发生偏转,改变其流动方向,进而沿着障碍物的外侧流向外海。

分布

离岸流的分布广泛、多在中低纬度区出现,具有明显的季节性和地域性特点。在飓风季节(6月至11月),离岸流形成可能性会显著增加。世界上离岸流频发的地区包括佛罗里达州墨西哥、英国西南部、印度、巴西南部、澳大利亚东南部沿海地区、釜山广域市、中国海南、厦门市青岛市地区等。

影响

对地貌的影响

离岸流对地貌的影响表现为可以促进了悬移质的离岸运动,塑造了沿岸地貌形态,如滩尖嘴、沿岸沙坝。

滩尖嘴的形态取决于离岸流的强度和方向,在离岸流的冲刷和搬运作用下逐渐形成。

沿岸沙坝是海岸线上一道常见的地貌景观,其形成和发展过程受到了离岸流的显著影响。离岸流通过持续的搬运和堆积作用,促进了沙坝的形成和增长,从而进一步影响了海岸线的整体形态和稳定性。

对航行的影响

离岸流能够改变船舶周围的水流速度和方向,进而对船舶的操控性和稳定性产生影响。当船舶偏离中心航道航行时,船体两侧的湿表面压力及水面变化会变得不对称,同时水深和岸边距离也会对船体所受的水动力及船波产生作用。对于近岸航行的船舶而言,离岸流的存在无疑增加了航行过程中的不确定性和潜在风险。由于岸壁的存在,船舶两侧的流体流动本就呈现出不对称性,而离岸流的作用更是加剧了这种不对称,导致船舶受到指向岸壁的横向水动力作用。这种横向水动力不仅会使船体偏离预定的航道,还增加了船舶与岸壁发生碰撞的危险性。

此外,离岸流还会对船舶产生首摇力矩,使船首偏离岸壁,进一步影响船舶的航行轨迹和稳定性。在浅水区域,离岸流还可能导致船舶阻力增加,从而降低航行速度并增加燃油消耗,这不仅影响了船舶的运输效率,还可能导致运营成本上升。为了应对这些不利因素,船员可能需要调整航速和航线规划,这在一定程度上也会对航行计划造成影响。

对人身安全的影响

离岸流对人身安全构成了严重的威胁。由于其流速快、流向不定且难以预测,离岸流常常成为海滩游泳者和水上活动参与者的潜在危险。对于不熟悉海滩环境和离岸流特性的游泳者来说,一旦遭遇离岸流,很容易被强大的水流带离岸边,甚至卷入深海区域。

此外,离岸流还可能引发其他危险情况。例如,在离岸流的作用下,游泳者可能会因为体力耗尽而失去自救能力,或者在试图逆流而上时遭遇海浪的冲击而受伤。同时,离岸流还可能引发海水的波动和涌浪,对在海滩上休息或玩耍的人员造成冲击和伤害。

预测与预防

预测

离岸流的预测方法主要包括经验预测法和数值模拟法两种。

经验预测法依赖于长期的海滩日志和救援数据来分析和研究离岸流活动。这种方法通过观察和记录离岸流活动的历史数据,结合风向、风速、涌浪以及低潮时等环境因素,建立经验模型来预测离岸流的发生和强度。例如,卢希恩(Lushine)开发的Lushine Rip Current Scale(LURCS)就是一个典型的经验预测模型。

数值模拟法则是一种更为先进和灵活的离岸流预测方法通过建立数学模型来模拟离岸流的形成和演变过程,可以更加深入地理解离岸流的物理机制和影响因素。数值模拟法可以分为时均模型和时域模型两类。时均模型将流体运动方程在波浪周期上进行平均,计算速度快但可能忽略近岸波生流的一些特征。而时域模型则直接在时域内对流场进行计算,能够更全面地考虑各种因素,但计算量大且耗时。

预警标识

温和的浪花或水流,游泳欠佳者不建议入水。

风高浪急,所有游泳者不建议入水。

海滩关闭,禁止游泳。

紧急撤退。

预防措施

通过教育和宣传活动提高公众对离岸流危害的认识。可以在海滩区域设置警示标志,发布关于离岸流形成机理、特征以及预防措施的信息。

利用现代技术手段,如超高频岸基雷达,对离岸流进行实时监测,以便及时发现并预警离岸流的发生。此外,可以采用数值模拟方法深入探究离岸流的形成机理及水动力学特性,为预防和应对提供科学依据。

通过恢复河道基本功能、改善生态环境等措施,增强河道与周边生态环境和人文环境的协调性,从而间接减少离岸流对海岸线的侵蚀作用

相关研究

离岸流的风险评价是对海滩上离岸流现象可能引发的危险进行系统地评估和预测的过程。这个评价过程综合考虑了多种因素,包括地形动力学指标、水动力指标等,以确定离岸流发生的可能性、强度以及可能造成的危害程度。

地形动力学指标是评估离岸流风险的重要参数。澳大利亚学者怀特(Wight)等人提出的无量纲沉降速率参数(Ω)模型,将海滩状态分为消散型、过渡型和反射型三种。在此基础上,马斯林克(Masselink)等人引入了相对潮差的概念,进一步完善了模型,使其不仅考虑海滩状态与波浪要素之间的关系,还考虑了波浪与潮差的相互作用。

中国国家海洋局发布的《滨海旅游区离岸流灾害风险排查技术规程》(征求意见稿)提出,应用浪-流耦合模型等中小尺度的近岸水动力数值模型,基于滨海旅游地段的实测水深地形,精细化模拟推行区域内离岸流、波流相互作用等复杂水动力环境的时空变化规律。在满足一定指标的前提下,可以初步判定得到离岸流风险等级。

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