楊懷瑋，原野，高義，邢闖，高志一

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京 100081；2.廈門大學(xué)，福建 廈門 361102；3.自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)研究重點實驗室，北京 100081）

1 引言

裂流是傳播至岸邊的波浪在地形影響下發(fā)生變形和破碎，并在波浪輻射應(yīng)力和近岸壅水的共同作用下，形成的一股向海的快速的條帶狀海流[1]。完整的裂流系統(tǒng)一般由裂流頭、裂流頸、補充流和向岸流組成，是破波帶波生環(huán)流的重要組成部分。裂流速度通常在0.3～1 m/s，最快可達1～2 m/s，離岸距離可達數(shù)百米[2-3]，具有流速快、流輻窄以及方向與海岸近乎垂直等特點[4]。裂流的存在對近岸物質(zhì)交換、懸浮物及泥沙輸運[5]等方面均有顯著意義，裂流可以在很短的時間內(nèi)將游泳者帶至離岸很遠的區(qū)域，導(dǎo)致游泳者在驚慌失措中溺水[6-7]。

在美國，裂流引起的事故在近海事故中占60%，每年有超過100 人因裂流溺亡[8]；在澳大利亞，近90%的海灘救援和溺水事故都與裂流有關(guān)[9-10]，每年都有40～50 起裂流相關(guān)的溺水事故[11]；在英國，裂流災(zāi)害事件達到海灘所有事件的2/3；2012年8月，韓國海云臺浴場突發(fā)強烈裂流，142名游客被卷入水中[12]；除此之外，裂流也對印度[13]、巴西[14]和新西蘭[15]等海灘游客的生命財產(chǎn)安全造成極大威脅。在我國，根據(jù)自然資源部海洋減災(zāi)中心初步開展的全國裂流風險調(diào)查和評估成果，福建、廣東和海南等省份的部分海水浴場存在不同程度的裂流風險，有必要推動裂流觀測預(yù)報和減災(zāi)研究工作。

裂流研究一直是國內(nèi)外學(xué)者共同關(guān)注的熱點問題。本文建立一種裂流危險性數(shù)值預(yù)報方法，并對我國三亞大東海浴場的裂流危險性進行討論。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 數(shù)值模擬

當前模擬裂流的數(shù)值手段主要分為兩類：一類是波浪時均模型，另一類是時域波動模型（或波分辨模型）[16]。前者通過波浪譜模型（如海浪數(shù)值模式SWAN（Simulating Waves Nearshore）等）計算得到波高分布場和波浪輻射應(yīng)力，進而對二維淺水方程（或三維水動力模型）添加波浪動量通量（輻射應(yīng)力項）來模擬波致平均流場。通過在模型中考慮次重力波和波群效應(yīng)，也可以對裂流的時空變化特征進行模擬。但此類方法在模擬波浪非線性效應(yīng)和波波相互作用等方面有所欠缺，對小尺度的波生流現(xiàn)象模擬效果不佳。時域波動模型通過構(gòu)建不同的造波器，采用非線性高階頻散方程對該造波器強迫下的二維波浪場的傳播、波波相互作用和破碎等過程進行直接模擬。通過對波浪場和流速場進行1個至數(shù)個波周期的平均，可以得到破波帶壅水和波生流的水平分布特征。最典型的時域波動模型包 括FUNWAVE-TVD（Total Variation Diminishing version of the FUlly Nonlinear Boussinesq wave model）和SWASH（Simulating WAves till SHore）等[17]。

2.2 裂流預(yù)報

Lushine[18]將美國佛羅里達州東南海灘的裂流溺亡和救援數(shù)據(jù)與風向、風速、浪高和潮時進行統(tǒng)計分析，建立了LURCS（LUshine Rip Current Scale）方法。Lascody[19]和Engle 等[20]在此基礎(chǔ)上做了改進，降低甚至去除風的比重，增加對涌浪、波向和潮位的考慮，大大提高了預(yù)報的客觀性。2013 年，Kumar 等[13]針對印度沿岸開發(fā)了一種新的經(jīng)驗預(yù)測方法CAP-LURCS（Coastal Andhra Pradesh LURCS），該方法能夠進行每小時裂流自動預(yù)報，且達到了更高的預(yù)報精度，但無法對裂流的發(fā)生位置進行預(yù)測，可靠性依然有待提高。

需要注意的是，上述經(jīng)驗預(yù)測指標體系均不具有普適性，在預(yù)報應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合海灘的實際地貌、水深特征、水位氣象特征和裂流救援數(shù)據(jù)進行修訂，因此開展裂流數(shù)值預(yù)報是今后發(fā)展的重要方向。目前，國際上部分國家已把裂流預(yù)報作為日常預(yù)報項目之一，如美國氣象局把全美重要海灘的裂流風險預(yù)報作為沖浪區(qū)預(yù)報的一部分；韓國氣象局也建立了裂流經(jīng)驗和數(shù)值預(yù)報一體的預(yù)報系統(tǒng)。此外，澳大利亞和印度等國家也開展了裂流預(yù)報業(yè)務(wù)化研究和應(yīng)用。自然資源部近年來開展了裂流風險調(diào)查評估工作，但尚未針對重點區(qū)域建立有效的裂流預(yù)報系統(tǒng)。

2.3 裂流風險等級評價

裂流的生成與近岸破波帶的地形變化特征息息相關(guān)，因此通過對海灘地形的變化趨勢進行地貌分類成為近年來學(xué)者的研究重點。Dean 常數(shù)Ω可以作為裂流發(fā)生的一個重要評估指標[21]：

式中，H是破碎波高；W是泥沙沉降速度；T是入射波周期。李志強等[22-24]在基于地形動力學(xué)的裂流安全性評價方面做了很多工作。

基于水動力數(shù)值分析判定裂流風險等級也是一種重要方法?；跒I海旅游地段的實際水深地形，進行裂流及波流相互作用等水動力情況的精細化模擬推衍，入射波浪采用標準JONSWAP波浪譜。在滿足模擬的精度、穩(wěn)定及時長等要求下，結(jié)合裂流最大流速、長度及寬度的模擬結(jié)果進行等級判定。還可針對遙感影像直接進行解譯分析，分辨率需優(yōu)于1 m，重點選取弧形海灘、周期性灘角發(fā)育岸段和海岬等裂流高發(fā)區(qū)域，對裂流及地形特征進行風險指數(shù)判定。此外，也可利用無人機勘測裂流或水底沙槽地形，探測精度小于0.5 m，生成數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）；彭石等[25]和張堯等[26]對環(huán)保染料追蹤裂流進行了研究。

自然資源部在2020年發(fā)布的《濱海旅游區(qū)裂流災(zāi)害風險排查技術(shù)規(guī)程》（HY/T 0298—2020）中提出，在判定目標岸段裂流災(zāi)害風險分析時，至少需要采用海灘地形動力學(xué)評價、水動力數(shù)值分析和遙感影像解析中兩種及以上的方法進行初步判斷。

3 裂流數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)

建立裂流數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)是防范裂流災(zāi)害風險的主要發(fā)展方向。與其他海洋災(zāi)害數(shù)值預(yù)報技術(shù)相比，由于裂流具有空間范圍小、發(fā)生發(fā)展瞬變性、預(yù)測業(yè)務(wù)鏈條較長以及對計算資源需求較大等因素，開展裂流危險性數(shù)值預(yù)報具有較大難度。本文提出的裂流數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)及其在三亞大東海浴場的應(yīng)用技術(shù)路線如圖1所示。在數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)鏈條上，采用歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-range Weather Forecasts，ECMWF）西北太平洋風場數(shù)值預(yù)報作為初始場，耦合中國近海WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度風場，對研究區(qū)域所在海域開展72 h 海面風預(yù)報；采用中尺度風場作為驅(qū)動場，基于具有高性能和高效率的海浪數(shù)值預(yù)報模型，建立南海中北部海浪預(yù)報系統(tǒng)的72 h 海浪預(yù)報；實時提取預(yù)報點外海二維波浪譜，采用FUNWAVE-GPU 建立水平分辨率1 m 的波動及波生流預(yù)報模型；結(jié)合研究區(qū)域破波帶地形特征以及風浪流要素，建立針對性的裂流危險性預(yù)報指數(shù)；最終建立區(qū)域大氣強迫-區(qū)域波浪譜-近岸裂流為業(yè)務(wù)鏈條的嵌套數(shù)值預(yù)報模型。

圖1 裂流預(yù)報系統(tǒng)技術(shù)路線Fig.1 The technical process of the rip current forecasting system

3.1 試點預(yù)報區(qū)域

本文選取位于三亞南側(cè)的大東海浴場作為試點預(yù)報區(qū)域。大東海海灘長約2 km，位于兔尾嶺與鹿回頭半島間，面向正南，為公共開放海灘。據(jù)統(tǒng)計，該海灘每年至少需要營救溺水人員上百人[23]。在Google Earth 上截取了2018 年8 月7 日的衛(wèi)星圖（見圖2），海灘沿岸的沙壩-溝槽地型清晰可見。由于海底沙壩的存在，入射波浪在破波帶沿岸方向存在顯著的破碎不均一現(xiàn)象，這點可通過沙壩上方波浪破碎產(chǎn)生白色泡沫觀察得到。海底沙壩之間的深色區(qū)域為裂流槽（Rip Channel），有間歇性裂流發(fā)生。海灣兩側(cè)和岬角水深較淺，波浪作用顯著，底質(zhì)主要為沙礫和礁石。西側(cè)水面下有珊瑚礁分布[27]，東側(cè)主要為基巖地形。通過查閱現(xiàn)場踏勘資料和歷史衛(wèi)片，大潮期海灣兩側(cè)會在退潮時出露海面。

本文基于截取自Google Earth 的衛(wèi)星圖片，根據(jù)水陸光譜差異提取各成像時刻的水邊線，基于潮灘地形反演模型[28]得到高分辨率潮間帶地形。依據(jù)海底沙壩-溝槽地形在遙感影像中的反射率（表現(xiàn)為水色不同），將其平均劃分為5 個等級，根據(jù)劃分等級提取相應(yīng)等值線，從陸向海分別以0.2 m 為間隔賦高程值，水下區(qū)域地形通過在0 m等深線和5 m及10 m 等深線間等間距加密，然后通過空間插值得到水深地形數(shù)據(jù)。本文研究的大東海海域具體地形如圖2b。

圖2 大東海地形及水深Fig.2 Topography and bathymetry of Dadonghai

根據(jù)自然資源部三亞海洋觀測站2018年水位、水溫和波浪連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合國家海洋環(huán)境預(yù)報中心30 a海浪再分析數(shù)據(jù)集（見圖3和圖4），可以看出：大東海海域四季水溫適宜，是游客冬季旅游的最佳去處之一；該區(qū)域為不正規(guī)半日潮和全日潮的混合潮型，以不規(guī)則半日潮為主，潮差一般小于2 m，為弱潮能區(qū)；受盛行季風和灣口朝向影響，有效波高和波周期呈現(xiàn)較為顯著的季節(jié)變化，夏季盛行西南季風，入射的優(yōu)勢浪向為南向和東南向，有效波高和波周期較大；在正常的天氣條件下，受南海開闊海域入射涌浪影響，日平均有效波高偶爾會達到1.0 m 以上；夏季受過境西行或西北行臺風影響，有效波高呈現(xiàn)峰值，日均有效波高可達1.5 m 以上，且涌浪可持續(xù)一周以上。

圖3 大東海浴場相關(guān)水文再分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計Fig.3 Statistics of relevant hydrological reanalysis data in Dadonghai beach

圖4 大東海浴場外海波玫瑰圖Fig.4 Rose map of the wave of Dadonghai beach

3.2 裂流數(shù)值模擬

本文主要探討裂流的數(shù)值預(yù)報，關(guān)于中國近海海面風數(shù)值預(yù)報模型和南海中北部大區(qū)域海浪數(shù)值預(yù)報模型不在此贅述，詳情可參考中國海洋預(yù)報網(wǎng)（網(wǎng)址：http://www.oceanguide.org.cn）。南海中北部大區(qū)域波浪譜數(shù)值模型可對未來3 d 大東海浴場外海的有效波高、波向和波周期進行預(yù)測，并提供二維波浪譜參數(shù)，為嵌套大東海浴場裂流數(shù)值模型提供波浪邊界條件。

裂流數(shù)值模擬主要基于時域（波分辨）波動模型FUNWAVE 開展。首先，通過歷史高分辨率衛(wèi)星圖片基于水色進行預(yù)報區(qū)域破波帶地形反演，反演地形包括沙壩-溝槽型、橫向沙壩型和緩坡型等，并與現(xiàn)場觀測水深進行校驗；其次，采用經(jīng)GPU 加速的FUNWAVE-GPU 模型建立水平分辨率1 m 的波動及波生流數(shù)值模型。通過施加不同潮位、不同入射方向和有效波高的不規(guī)則波，重點考察不同水動力條件下裂流的產(chǎn)生和時空分布特征。

FUNWAVE 模型最初基于Kirby 等[29]建立的完全非線性Boussinesq 方程，Shi 等[30]采用基于總變差減少（Total Variation Diminishing，TVD）的高精度數(shù)值格式對FUNWAVE 進行重構(gòu)，提出了FUNWAVE-TVD 模型，該模型在數(shù)值模擬穩(wěn)定性方面有很大的改善。其控制方程如下：

式中，?是水平梯度算子；M是水平體積分量，表示為：

式中，總水深H=h+η，h代表靜止水深，η代表波高；uα是位于參考高度zα處的流速；代表水平速度場的平均深度貢獻，是一個二階修正量。該模型可以在包含波的非線性和色散性的條件下應(yīng)用，在模擬波傳播過程中各因素的相互作用方面非常出色。此類模型在開展破波帶海浪和裂流模擬中應(yīng)用廣泛，但也存在計算量大的弱點。Yuan 等[31]開發(fā)了FUNWAVE-GPU，可以通過GPU 并行加速對二維波浪場進行快速模擬，一定程度上克服了Boussinesq方程計算效率低的問題。

大東海浴場裂流數(shù)值模型的水平網(wǎng)格為1 678×659，地形逆時針旋轉(zhuǎn)90°，邊界條件采用JONSWAP二維波浪譜構(gòu)建不規(guī)則入射波場，底摩擦系數(shù)設(shè)置為0.002 5，模型模擬時長為3 000 s。FUNWAVETVD 對波生流的數(shù)值預(yù)報所需時間較長，為保證裂流在規(guī)定時間內(nèi)的可預(yù)報性，采用FUNWAVE-GPU進行建模。與36 核的計算節(jié)點相比，單GPU 卡的并行加速比可達到1:5，模擬用時小于30 min。

3.3 不同水動力條件產(chǎn)生裂流的數(shù)值試驗

選取不同潮位、不同入射波浪有效波高及周期條件的裂流，對其產(chǎn)生和發(fā)育情況進行模擬，并選取點A（見圖2b）的流速時間序列進行統(tǒng)計分析。不同數(shù)值試驗的條件設(shè)置見表1。表中潮位以平均海平面為基準，入射角度以垂直向岸方向逆時針為正。

表1 數(shù)值模擬的不同水動力條件設(shè)置Tab.1 Setting of different hydrodynamic conditions for numerical simulations

3.4 裂流危險性指數(shù)

在3.3 數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取模型穩(wěn)定后（600 s）的模擬結(jié)果進行處理。以5 m為水平間隔進行網(wǎng)格劃分，并對各網(wǎng)格中離岸流（定義為流向在45°～135°之間）的最大速度及此速度的持續(xù)時間進行統(tǒng)計和賦分，其中，持續(xù)時間定義為離岸流出現(xiàn)的時間（t）與總模擬時長（tm）的比值。對照表2，將兩指數(shù)相乘的結(jié)果劃分為4個危險性等級進行判定。結(jié)果在[1-4）為四級，用藍色表示；結(jié)果在[4-8）為三級，用黃色表示；結(jié)果在[8-12）為二級，用橙色表示；結(jié)果在[12-16]為一級，用紅色表示。應(yīng)當注意，對研究區(qū)域的危險性指數(shù)判定應(yīng)根據(jù)研究區(qū)域的不同情況進行調(diào)整，本文提出的判定方法僅針對3.3中的大東海浴場的數(shù)值模擬結(jié)果。

表2 裂流危險性等級判定Tab.2 Rip hazard level

4 結(jié)果與分析

4.1 不同水動力條件下的裂流強度變化特征

序號1—8（見表1）的數(shù)值試驗結(jié)果如圖5。由圖可見由于波浪破碎效應(yīng)，海岸兩側(cè)會產(chǎn)生較強的沿岸流。對于半封閉或者口袋型海灣，入射波浪在灣口兩側(cè)率先破碎，形成波生沿岸流，泥沙向灣頂凈輸運，這也導(dǎo)致海灣兩側(cè)主要為基巖底質(zhì)分布。從圖5a—d 可以看到y(tǒng)=950 m、800 m 和750 m 處均產(chǎn)生了明顯的裂流。隨著入射波高從0.7 m 增大至1.8 m，裂流的空間尺度和流速顯著增加。如圖5b所示，位于y=950 m 和800 m 處的離岸流發(fā)生匯聚。紅框中選取典型裂流槽并放大置于圖5e—l，可見裂流呈現(xiàn)復(fù)雜的空間分布特征，離岸流兩側(cè)有小尺度渦旋對分布，伴隨著渦旋對的發(fā)展離岸流的流向左右擺動。通過對比圖5f、5i和5j圖中的裂流特征，我們發(fā)現(xiàn)不同入射波周期導(dǎo)致同一裂流槽中的裂流傳播方向產(chǎn)生明顯差異，入射波周期增大使得裂流強度增強。如圖5k—l 所示，對于斜向入射波浪，波生流的沿岸流動分量顯著增大。

圖5 不同水動力條件下的模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results under different hydrodynamic conditions

由圖6 波生流時間序列可知，裂流具有不穩(wěn)定特征，且呈現(xiàn)顯著的周期性波動。這與破波帶地形、入射不規(guī)則波波群效應(yīng)以及波生渦旋的產(chǎn)生具有密切聯(lián)系。一般情況下，普通游泳者的速度在0.1～0.3 m/s，當裂流流速超過0.3 m/s時就會有將游泳者帶入海中或使其陷入流渦的危險。裂流流速瞬變性特征明顯，可以在短時間內(nèi)達到或超過0.3 m/s，這一特點很容易使溺水的游泳者產(chǎn)生心理恐慌。

圖6 點A處波生流變化時間序列Fig.6 Time series graphs of wave-induced current changes at point A

根據(jù)圖7可以看出同一入射波浪周期下裂流傳播方向大致相同，與沙壩之間的裂流槽開口朝向一致。入射波浪的持續(xù)增大使得裂流強度不斷增強，方向更集中。結(jié)合圖7b、7g 和7h 觀察，潮位升高會使裂流強度變?nèi)酰x岸方向分散。由于水深變深，波浪即便在沙壩上方也不易破碎，產(chǎn)生的裂流較弱。這也證實了低潮位會使裂流的發(fā)生概率大大增加。

圖7 點A處波生流玫瑰圖Fig.7 Wave-induced current rose diagrams at point A

4.2 裂流危險性等級預(yù)報

基于本文提出的裂流危險性等級劃分標準，對2018 年8 月7 日的裂流危險性進行后報，繪制出我國首幅裂流危險性等級后報圖，如圖8 所示。總體上看，大東海浴場的沙壩-溝槽地形有利于產(chǎn)生較強的裂流，對比左側(cè)的地形圖可知，在較為發(fā)育的裂流槽向海一側(cè)的40～200 m 距離內(nèi)，裂流危險性達到三級以上。由于海灣西側(cè)（圖中下方）較強的沿岸流在流速剪切效應(yīng)下向外海一側(cè)偏轉(zhuǎn)，與裂流槽產(chǎn)生的裂流匯聚，產(chǎn)生較大范圍的離岸流，更易產(chǎn)生裂流危害。圖中B 點所處位置均勻分布著3 個裂流槽，相比A 點處分布單個溝槽的地形來說，裂流危險區(qū)向海一側(cè)延伸更遠，需引起注意。C 點處裂流危險等級為二級，向海一側(cè)延伸的距離約為50 m。上述特征說明在裂流災(zāi)害防御中需要更加重視沿岸分布密集的裂流槽。

圖8 裂流危險性示意圖Fig.8 Hazard level of rip current

5 結(jié)論

我國的裂流研究工作已經(jīng)引起部分學(xué)者的關(guān)注，但相關(guān)工作還局限于實驗室物理模型研究、海灘裂流安全性指數(shù)評價以及理想條件下裂流的數(shù)值模擬等階段。本文首次提出了裂流危險性數(shù)值預(yù)報的技術(shù)路線并在三亞大東海浴場進行了后報試驗。由于裂流數(shù)值預(yù)報的業(yè)務(wù)鏈條較長，本文采用基于GPU 并行加速的FUNWAVE-GPU 模型進行高分辨率裂流數(shù)值模擬，大大削減了數(shù)值預(yù)報耗時。模擬結(jié)果表明裂流對于不同水動力條件及地形等因素均具有較強的敏感性，入射波高及入射波周期的增大會使裂流空間尺度和流速明顯增加；不同入射波周期會使裂流傳播方向明顯不同；入射角度的增加會使受地形影響產(chǎn)生的沿岸流特征明顯；低潮位時更易產(chǎn)生裂流。

未來將對南海中北部大區(qū)域海浪譜預(yù)報模型進行GPU 加速，可進一步縮短裂流數(shù)值預(yù)報耗時。同時，需要注意破波帶裂流與地形存在相互作用，沙壩和溝槽的演變對裂流數(shù)值預(yù)報的準確性有直接影響，因此須采用高精度衛(wèi)星圖片定期對破波帶地形進行實時監(jiān)測和反演。下一步將在更多的裂流高風險區(qū)開展裂流綜合性現(xiàn)場觀測，并建立相應(yīng)的裂流危險性數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，系統(tǒng)地開展裂流危險性指數(shù)預(yù)報工作。