田海平 伊興睿 王 維

?(太原理工大學力學國家級實驗教學示范中心，太原030024)

?(太原理工大學流體力學科研創(chuàng)新中心，太原030024)

1 離岸流的危害

離岸流，又稱裂流，是在海浪和淺灘地形的共同作用下，形成的一股在沖浪區(qū)中迅速遠離海岸的狹窄海流[1]。離岸流在波浪出現(xiàn)的海岸上無處不在，且離岸流發(fā)生區(qū)域的海面一般較為平靜，具有很強的迷惑性。它能迅速將沒有防備的游泳者帶離淺灘，帶入深水區(qū)，甚至造成溺亡事故。

離岸流多發(fā)于夏季、大浪和落潮時，其持續(xù)時間由幾分鐘到幾十分鐘不等，長度可達30～100 m，甚至更長，并可能沿著海岸線移動，其發(fā)生的位置及其特征因海浪入射角度和沿岸地形的不同而產(chǎn)生變化。離岸流的流速大多在0.5～2 m/s，最快可達到3 m/s。我國著名游泳運動員孫楊在2016 年里約奧運會男子200 m 自由泳決賽中以1 min 44.65 s 的成績奪冠，成為亞洲第一位男子200 m 自由泳奧運冠軍，然而他奪冠時的速度也不超過2 m/s。因而，一般人是很難在復雜的海況下在離岸流中逆流而上并游回海岸的。

綜上所述，離岸流的迷惑性、不確定性和不可抗性，使它成為海灘上的隱形殺手，成為濱海游客的主要危險來源，它的存在已經(jīng)嚴重威脅到濱海游客的生命安全[2]。據(jù)統(tǒng)計，大約有80%～90%的海邊救援與離岸流有關，在全球范圍內離岸流每年致數(shù)百人溺水死亡，令數(shù)萬人陷入危險。圖1 所示是2012 年8 月4 日發(fā)生在韓國釜山海云臺浴場的大型離岸流事故，當時有143 名游客被離岸流卷走。

圖1 大型離岸流事故

在美國，離岸流是首要的濱海災害。在2013—2018 年間，美國每年由離岸流事故造成的死亡人數(shù)約為70人，其中佛羅里達州每年死于離岸流的人數(shù)超過了因雷暴、颶風和龍卷風而死亡的人數(shù)總和。在2019年間，截止7月31日，據(jù)美國國家氣象局的不完全統(tǒng)計，在全美范圍內沖浪區(qū)死亡人數(shù)大致為55人，其中由離岸流造成的死亡人數(shù)為37人，占到了60%以上。

我國海岸線長度為1.8 萬公里，居世界第十位，擁有眾多的濱海旅游資源。值得注意的是，一些熱門濱海旅游海灘也存在著離岸流現(xiàn)象和大量溺水記錄：三亞的大東海海灘每年至少營救溺水人員上百人，有時一天營救4～5 人，溺水事故的主要原因是離岸流；2017 年7 月8 日，廣東省陽江市海陵島發(fā)生了嚴重溺水事故，事故造成4 人死亡和1 人失蹤，國家海洋局海洋減災中心調查后確定為離岸流所致；2018 年8 月5 日，青島黃島區(qū)萬達公館南側的沙灘上，來自北京的一對8 歲雙胞胎女孩溺亡，也被認為與離岸流有關[3]。因而，離岸流也是影響我國濱海旅游經(jīng)濟的不利因素。相較于國外，國內公眾和海灘管理部門對離岸流的概念比較模糊，常將這類事故與“暗流”等模糊海況相聯(lián)系，缺少對離岸流的本質認識，同時公眾對避險知識也不甚了解。

2 典型離岸流的形成

典型離岸流的形成與“風生水起”有一定的關系。風使海面泛起波浪，風浪的波動沿著海面?zhèn)鞑?。當風浪傳播到近岸淺水區(qū)時，波高加大，且由于海底摩擦阻力迅速增大，波浪將會翻卷破碎(圖2(a))，從而形成肉眼可見的破碎帶(圖2(b)中白色的浪花帶)。在這個過程中，波浪會帶著大量海水沖擊海岸，當它們遇到海岸使得動能消耗殆盡時，海水達到最高位置。在自身重力的作用下，只能穿過碎浪帶回流到海中。

圖2

若沙岸環(huán)境較為平緩，海水緩慢回落，此時便不會出現(xiàn)強勁的離岸流。但當海水受外界條件影響聚集起來，回落的時候就可能形成較強的離岸流。如果沿著海岸有沙脊或沙洲，沙脊或沙洲與海岸間又構成了狹長的凹陷帶或海溝(圖2(b)中橢圓圈所示)，就必定會產(chǎn)生離岸流。在這種地帶，波浪因攜帶大量動能可以使海水輕松越過沙脊或沙洲沖上海灘，但也因此消耗了太多的能量導致海水在回落過程中難以再越過沙脊或沙洲返回大海。凹陷帶中的海水會越聚越多，最終大量的海水便從沙脊或沙洲上的某幾處較低的缺口沖出，形成強勁的離岸流[4]?？梢钥闯?，離岸流的產(chǎn)生本質上是重力作用下水的自發(fā)流動。青島第一海水浴場、廈門椰風寨海濱浴場以及悉尼和墨爾本等地的多處海濱浴場都有這種沙脊－海溝地貌，也就多有離岸流導致的溺水事件發(fā)生。

這種以沙脊－海溝地貌為特征的典型離岸流類型，又被稱為溝道離岸流，它主要由流根、流頸和流頭三部分組成(圖3)[5]。

(1)流根：離岸流的源頭，流根里的水來自于兩側的沿岸流，可以稱其為補給流，補給流中的水則來自于涌向海岸的波浪。向岸波浪、補給流和離岸流共同構成了一個近岸水循環(huán)。

(2)流頸：流頸是離岸流寬度的最窄處，是離岸流的通道，寬從十多米至三十米不等，流動方向基本與岸邊垂直，流速最大，是最危險的區(qū)域。流頸中的水來自流根，這些水經(jīng)由流頸延伸到深海區(qū)和更遠的地方，在那里，它最終減速并消散為一個膨脹的離岸流流頭。流頸部分的水面通常看起來比較安靜，沒有白浪，顏色為深藍色。但當沙脊缺口的海底狀況較為粗糙或落差較大時，也可使得流頸處的海面泛起白沫(圖3(b))，并有泥沙集中漂向深海。

(3)流頭：由通過流頸的水匯聚而來，是離岸流向深海擴散的區(qū)域，達到流頭的水可以通過波浪再一次被運輸至岸邊，完成近岸的水循環(huán)。流頭呈扇形，可達100 多米，并有顯著的渦動。且由于渦動的影響，離岸流頭的邊緣常伴隨出現(xiàn)泡沫帶和海水渾濁現(xiàn)象。

3 離岸流的分類及各自的特征

典型離岸流的形成和結構特點，是最容易被公眾理解的，但離岸流的類型和形成機制是復雜多樣的。根據(jù)驅動離岸流流動的不同機制，可以將離岸流定義為三種常見的類型：(1) 在沒有任何地形影響的情況下，完全受水動力的影響造成的純水動力離岸流；(2)沿岸地理形態(tài)的變化強烈影響著海浪區(qū)和內陸架附近的水動力過程，從而產(chǎn)生的水深離岸流(第二部分所述的典型離岸流屬于其中一種)；(3)主要受剛性邊界的影響，如天然岬角或人造結構，而形成的邊界離岸流，也稱結構離岸流。

在以上基礎上，由于波浪入射角、地形等多種因素的影響，按照Castelle 等[6]的理論和觀點，每種離岸流又可以細分為兩種有所區(qū)別的離岸流，因此一共可劃分為六種離岸流類型：純水動力影響的閃流和剪切不穩(wěn)定離岸流，它們在時間和空間上都是可變的，發(fā)生在沿岸均勻的海灘上；受水深差異影響的溝道離岸流(即第二部分所述的典型離岸流)和聚焦離岸流，發(fā)生在相對固定的位置上，是由沿海岸地形的變化帶動的水動力過程驅動的；受剛性邊界影響產(chǎn)生的偏轉離岸流和暗流，發(fā)生在自然岬角或人造結構附近。下面我們遵循Castelle 等[6]的理論和觀點將分別簡要介紹這六種離岸流類型。

3.1 水動力控制的離岸流

此類離岸流完全受水動力的影響，只產(chǎn)生于沿岸均勻的海灘或海灘上平坦的部分。它們在空間和時間上的發(fā)生是短暫的，因此不可預測(圖4)。

圖4 水動力控制的離岸流

3.1.1 閃流

在沿岸均勻的開闊海灘上，由于波浪的自然擴散，尺度在十米左右的渦旋會隨著破碎波浪的向岸運動而發(fā)生演化。這些渦旋一部分因摩擦消散，另一部分演化為更大尺度(可達百米)的渦旋，并經(jīng)破碎帶沖回外海。閃流，與這些短暫存在的大尺度渦旋相關聯(lián)，是發(fā)生在近海的突發(fā)性的射流運動(圖4(a)和圖4(b))，其發(fā)生是不可預測的，因而稱作閃流。目前仍缺乏與閃流相關的波浪及其形態(tài)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。閃流具有以下顯著特征：(1) 壽命相對較短(2～5 min)；(2) 傾向于向下遷移；(3) 多發(fā)生在沿岸均勻的階梯海灘。

3.1.2 剪切不穩(wěn)定離岸流

在沿岸均勻開闊的海灘上，斜入射波驅動著沿岸沖浪區(qū)的洋流形成沿岸流。沿岸流可能在跨岸方向發(fā)生剪切作用，因而是不穩(wěn)定的，其剪切不穩(wěn)定性表現(xiàn)為沿岸形成不穩(wěn)定的前進渦旋，其時間尺度為百秒，長度尺度為百米，渦旋經(jīng)常會在近海岸邊脫落分離。這種剪切不穩(wěn)定性與局部近海洋流的向下漂移有關，因此稱為剪切不穩(wěn)定離岸流(圖4(c)和圖4(d)。

在大多數(shù)天然海浪區(qū)中，剪切不穩(wěn)定渦旋的機制與水動力作用相比微不足道。因此剪切不穩(wěn)定離岸流并不常見，只有在高度傾斜入射的海浪和沿岸均勻的海灘附近才可能發(fā)生剪切不穩(wěn)定離岸流。

3.2 受水深影響的離岸流

在波浪和潮汐情況穩(wěn)定的條件下，受水深影響的離岸流在時間和空間上相對穩(wěn)定。沿岸地形的不同會導致不同的水動力機制，由此產(chǎn)生兩種受水深影響的離岸流(圖5)。

圖5

3.2.1 溝道離岸流

溝道離岸流易于測量，在全球存在性廣，容易預測，是記錄最豐富、被人們理解最透徹的離岸流類型。本文第二部分便是以這種最典型的離岸流為例，對離岸流的形成機制進行簡要介紹的。溝道離岸流中斷了海邊的淺灘，占據(jù)著沖浪區(qū)沙洲之間的深水通道，因此異常明顯。

溝道離岸流在時間上相對穩(wěn)定，它們可以在相對固定的位置持續(xù)數(shù)天、數(shù)周甚至數(shù)月，相對容易識別(圖5(a)和圖5(b))。

3.2.2 聚焦離岸流

聚焦離岸流也發(fā)生在固定位置，與溝道離岸流不同，這種變化是由于外部波浪區(qū)或內部沙洲不同位置的水深有差別，因此從外部來看特征并不明顯，可能發(fā)生在沿海岸均勻的沖浪區(qū)海灘上。入射波在具有水深差別的海灘處向岸流動時，有可能會產(chǎn)生方向相反的沿岸水流。此時，若沿岸流動相反的兩股水流匯聚在一起并離岸運動，即形成聚焦離岸流(圖5(c)和圖5(d))。

3.3 邊界控制的離岸流

離岸流也容易發(fā)生在人造結構(堤壩、防波堤和碼頭等)以及天然的地質特征(岬角和露頭巖石等)的附近，稱其為邊界離岸流。這些人造結構以及地質特征(剛性邊界)可以有效地對其附近的離岸流的產(chǎn)生施加橫向的阻力控制。邊界離岸流是對結構的離岸流，因此有時也稱其為結構離岸流或永久離岸流，它們在位置上保持不變，即使在小波浪的條件下也有可能發(fā)生。在某些情況下，它們的發(fā)生與剛性結構相鄰的深水域有關，此時，這些水便顯示為較暗的水域(圖6)。

3.3.1 暗流

在受斜入射波影響的均勻海灘上，剛性障礙物對波浪的阻礙作用會引起沿岸波浪高度和波浪能量耗散的變化。在障礙物遮蔽側的波浪能量較小，而在遠離障礙物的地方波浪的能量較大，產(chǎn)生的壓力梯度使得沿海岸的水流“向后”流向障礙物，之后在障礙物的旁邊形成離岸流(圖6(a)和圖6(b))，因此暗流常發(fā)生于剛性邊界的下波側(遮蔽側)。同時，斜入射波的暗流活動還受到波高、周期和入射波與海岸的夾角的影響。

3.3.2 偏轉離岸流

在直的海灘上，以某一角度接近并沖擊海岸線的波浪能夠產(chǎn)生強烈的沿岸流。當它們到達障礙物附近沿岸時，由于障礙物的阻礙作用，沿岸流受物理邊界影響而發(fā)生偏轉，從而沿著障礙物向外海流動。因此，偏轉離岸流(圖6(c)和圖6(d))發(fā)生在剛性邊界(障礙物)的上波側(外露側)。實際上，如果在均勻平直的海岸上出現(xiàn)天然岬角(或類似人造結構)，在斜入射波的作用下，岬角兩側都可能會出現(xiàn)離岸流，只是離岸流的類型不同：其上波側出現(xiàn)偏轉離岸流，下波側產(chǎn)生暗流。

圖6

4 如何保證自身安全

離岸流具有高度動態(tài)性和強烈的不穩(wěn)定性，目前來看，準確預測所有類型離岸流的發(fā)生時間和產(chǎn)生位置仍無法實現(xiàn)。同時，普通大眾對離岸流的辨識方法、易發(fā)區(qū)域及逃生策略，也沒有足夠的認識。大多數(shù)游客被卷入離岸流后容易產(chǎn)生慌張無助的情緒，使用錯誤的逃生策略，往往會給自身帶來危險。因此，深入了解如何避開離岸流易發(fā)區(qū)域，準確識別離岸流，清晰認識離岸流的流動規(guī)律，以及身處離岸流中又有哪些應對策略等等，有益于人們增強安全意識，保障自身安全。在海濱旅游度假，遠離離岸流危險，要從以下三個方面著手。

4.1 遵守海灘規(guī)則

離岸流的類型眾多，發(fā)生的時間和地點無法確定，因此對于對離岸流欠缺了解的普通游客，更應該遵守海灘安全規(guī)則。

(1)盡量選擇管理正規(guī)的沙灘旅游區(qū)，提前與救生員了解海況，注意海邊的警示牌。在劃定的游泳區(qū)域游泳，并始終處于救生員的視線范圍內。盡量不要去人煙稀少的野海灘和野海灣區(qū)域游玩，不要獨自下海。

(2)觀察海邊情況，避開有缺口的沙丘以及有狹窄渾濁的條狀水流的水區(qū)。

(3)在旅游之前查閱一下當?shù)氐暮＠祟A報和潮時，因為低潮、大浪時更容易產(chǎn)生離岸流。風浪大的時候一定避免下海游玩。

4.2 準確辨識離岸流避開易發(fā)區(qū)域

在遵守海灘游玩規(guī)則的前提下，還應學會辨識常見的離岸流的方法，避開離岸流易發(fā)區(qū)域。對于離岸流來說，斷裂的海浪是其重要的標志，其位置并不固定，一般發(fā)生于距海岸30～40 m 處，其出現(xiàn)地點的海底比兩邊低。離岸流具有一些肉眼可見的特征，了解這些特征，有助于人們發(fā)現(xiàn)離岸流，遠離危險。

(1)在較高處俯瞰海灘相對更容易發(fā)現(xiàn)離岸流(圖7(a))。

(2)溝道離岸流最容易識別，通常表現(xiàn)為處于破碎波浪和急流之間較暗的、狹窄的離岸流動的水流間隙。它們可能會以較暗的路徑出現(xiàn)在海浪中，因此要在破碎的波浪線中尋找間隙(圖7(b))。

(3)離岸流會攜帶大量泥沙向海流動，因此水色較深(圖7(c))甚至偏黃。

同時，離岸流具有突發(fā)性，了解一些離岸流的易發(fā)區(qū)域，有助于人們深入辨識離岸流，遠離離岸流危險。離岸流的易發(fā)區(qū)域主要有以下幾種(圖 8)[7]：

(1) 白浪中斷的水域(波浪線出現(xiàn)不連續(xù)的地方) (圖8(a))，或有白色泡沫、泥沙集中漂向海中的相對平靜水域。

圖7

圖8

(2) 兩新月形沙洲中間的區(qū)域(圖8(b))。

(3) 垂直于海灘，流過沙洲之間的深水通道(圖 8(c))。

(4) 存在剛性障礙物的海灘，如礁石區(qū)域以及人造防波堤(圖8(d))。

(5) 袋狀海灣中，發(fā)生在海灣的中心或一端或兩端(圖8(e))。

4.3 選擇正確逃生策略

若不可避免地被卷入離岸流中：

(1)保持冷靜。離岸流只會將人帶離海岸，一般不會把人向下拖拽。吸足氣，人體會自然漂浮。不要嘗試逆流游回岸邊。

(2)尋求救援。隨離岸流漂流，保存體力，及時呼救。即用最省力的方式踩水或漂浮在水面上，用大聲呼喊或揮手的方式尋求救援。

圖9 身陷離岸流時的逃生路線示意圖

(3)若周圍無人，要明確自我逃生策略(圖9)：首先，可嘗試向與海岸保持平行的方向游動，看能否擺脫強勁的離岸流。如果成功擺脫，就繼續(xù)與海岸保持平行游動一段距離，然后再朝著破碎波浪的方向游回岸邊；如不能，就在離岸流的作用下繼續(xù)向外海漂流，沉著地等待時機。等流速有明顯減緩后，繼續(xù)與海岸保持平行游動(注意此時仍然不要嘗試直接游回岸邊)，然后朝著破碎波浪的方向游動，隨后游回岸邊。

(4)另外，作為普通游客，如果你在岸邊發(fā)現(xiàn)有離岸流溺水者，請立即向救生員求助或撥打救援電話?？蓪ふ移∥锵蚰缢咄稊S。請勿擅自下海救援。

5 結語

離岸流是濱海旅游溺亡事故的隱形殺手。近年來，離岸流也愈發(fā)引起我國相關部門的重視。為應對頻發(fā)的致命性海灘溺水事故，自然資源部海洋減災中心正在全國范圍內開展我國首次濱海旅游區(qū)離岸流災害風險排查，發(fā)現(xiàn)大量濱海休閑海灘存在淺灘沙壩和裂流現(xiàn)象，排查中對一些高風險海灘進行了判定，并樹立了離岸流警示標識(圖10)。盡管如此，公眾對于濱海旅游安全問題仍缺乏應有的關注，離岸流相關知識更是十分匱乏：有沖浪者將離岸流作為進入深海的快速通道，甚至有游客在海邊游玩時偏向選擇到?jīng)]有波浪破碎帶的“平靜海面”戲水！本文綜合國內外的一些相關研究對離岸流的形成機制以及分類進行了簡單介紹，總結了辨識離岸流的方法和離岸流的多發(fā)區(qū)域，并在如何正確應對離岸流方面給出了一些建議。

圖10 海南等地的離岸流警示標識

致謝本文引用了部分來自網(wǎng)絡以及其他文獻的相關圖片，只作為科普文使用，在此表示感謝。