为什么说海洋中的离岸流很危险？ 第1页

终于看到一个自己专业里的问题了，无邀请前来强答一发！

简单的回答就是：当然是真的，而且如果处理不当，还会很严重！关乎自己生命的事情没有小事，大家应该重视在海岸游玩时遇到离岸流的可能！否则一旦遇上了，可能有生命危险！

谢谢各位大爷点赞，根据评论里的建议，对本文的结构进行了一点调整，把理论解释部分放在后面了。

本回答将先结合答主本人多年在海中游泳、潜水和浮潜的经验，以亲身经历现身说法并向大家解释面对离岸流的脱困方式，再从海岸动力学的波浪理论出发讲解离岸流的形成原因（没错，虽然听起来不那么理所应当，但多数情况下的离岸流的产生都和波浪有着直接的关系，即便是在高低潮位slack没有潮流的情况下，离岸流也是可以存在的），对于波浪数学理论没有兴趣的同学们，可以跳过第二节。

先送上一张我本人在自由潜水时加入一群野生海豚戏水玩耍拍摄到的照片，在正确估计风险和自己的能力的情况下，与大海的亲密接触是极为Rewarding的体验，大家一定不要错过了！想要这种体验，又想尽量规避危险？往下看吧！

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我在夏威夷生活了有三年了，期间参与了AAUS （American Academy of Underwater Sciences，姑且译作美国水下科学院吧）的科学潜水员训练项目，成功成为了科学潜水员和NAUI认证的潜水长和Rescue Diver （救生潜水员），自认为在海里的经验也不算少了，游泳技术也不差，但是也曾经经历过风险。

熟悉夏威夷的同学一定知道，夏威夷有一个浮潜胜地名叫恐龙湾（Hanauma Bay），很多游客都会在这里玩浮潜，这里的浮潜基本上有两个level，对于初学者，珊瑚礁盘以内的水域风平浪静，有很多的鱼可以看，所以通常挤满了人；而对于技术较好的浮潜和自由潜爱好者，游到珊瑚礁盘以外的较深水域里，有很漂亮的珊瑚、一群群各种大鱼，时不时出没的绿海龟和海豹，加上能见度极好的水质和人少带来的自由感，却是致命的诱惑。恐龙湾里有一处臭名昭著的离岸流，见下图，这处离岸流处于一个珊瑚礁盘的缺口处，这个缺口是多年前拉海底电缆时被炸开的，图上的黑线代表珊瑚礁盘上的波浪破碎，将水带入礁盘内，再从红色箭头，也就是礁盘缺口处以离岸流的形式流出。想要到珊瑚礁盘以外的海域，是不能直接从礁盘上走的，因为这样会破坏礁盘的生态，也很容易划伤脚，所以一般只能从红色箭头处的礁盘缺口游出去，再从那里顶流游回来。我几乎每次来恐龙湾都会从这里游出去，玩一玩自由潜水，然后再顶流游回来，虽然离岸流较强，但是因为我有相应的预期，加上脚蹼的助力，游回来基本上没有压力。

直到这天，我和好基友们一起来到恐龙湾浮潜，我希望去礁盘外的深海，问其中一个基友要不要一起去，他犹豫了一下同意了。我看了当时的浪的情况，其实浪是偏大的，我也犹豫了一下出去是否安全，但是因为之前每一次都很安全没压力地回来了，也就没太担心地出去了。扎了几个猛子，看了几条漂亮的鱼儿，但觉得天色渐渐阴沉，温度开始下降，觉得有些冷了便和基友商量着往回游。

这时候问题来了，我这个基友虽然会游泳，也不怕深水，但是因为用不惯脚蹼（长期蛙泳腿，不习惯鞭腿），所以当时没有戴脚蹼，在面对很强的离岸流时，根本游不动，我已经游回礁盘内了才发现他还在礁盘外的离岸流里挣扎，看起来快要体力不支了，我才想起来大事不妙（对于我来说这是非常不应该的，Rescue Diver训练要求我们时刻关注自己的队友，而我至少有三分钟时间只顾着自己游，忘了关注一下他的状态），赶紧游出去，拉着他一起往里游。

一个人自己游和拖着一个体力衰竭的人游当然是两码事，我消耗了大量的体力，才将将把他拖回到礁盘缺口处，此时我已经开始觉得体力上有点吃不消了，当时的预计是可能可以把他拖回来，但是自己也会精疲力尽。

幸好，这个时候，我突然感觉自己的肩膀被人拍了一下。抬头一看，一个穿着黄色衣服的救生员骑在他的冲浪板上，对我说“You guys need any help?”···

最后我的基友坐着救生员的冲浪板回到了岸边，我也游上岸，两个人都累到不行。基友和我说，当他奋力划水，却看着水底的石头发现自己不进反退时，心里真的是绝望的，很快便呼吸不畅，通气管进水了，接下来很快便是体力衰竭，基本上动不了了。

这次的经历让我从此以后再也不敢轻视离岸流这个东西，我以前虽然对于离岸流有比较多的认识，但不够深刻，不够清醒，没有预计到在多方面因素的共同作用下风险的加倍累积，在这次事件中，较平时更大的浪，和不习惯脚蹼的同行者，本应该成为我们决定不去冒险的原因。所以尊重自然，敬畏自然，不要以为自己技术牛逼就可以瞎胡来！

如何判断离岸流？

离岸流的发生通常有几种情况，除了潮流之外，主要就是沿岸破波带上的某些深度较大的区域，这些区域的波浪破碎较少，水面壅高少，形成了水面的“低洼地带”，因此离岸流高发在这种地方。我上面提到的夏威夷恐龙湾的那处离岸流，便发生在深度较大的礁盘缺口处。

所以同学们如果看到像下图这样的，持续观察到两边都是浪花，偏偏中间这一块浪花较少或者没有浪花的情况，就要当心了，这里可能有离岸流！这种情况下最好不要下海游泳！因为即使你不在离岸流里游泳，也有可能被沿岸流带进离岸流里冲走！

图：箭头中间有离岸流！（来源The Vane）

图：用Tracer标识出的离岸流，可见是在两道浪花之间的平静地带。

另一种方法，适用于海底地形可以再海滩上肉眼看见的情况，如下图所示，两边都是浅滩，有波浪在上面破碎，中间有一条深槽的情况，有很大的概率有很强的离岸流！

图：注意画面最下面，两边是砂质浅滩，中间有一条深沟，离岸流形成！这个离岸流非常强大，以至于肉眼即可看见这个流动，更可怕的离岸流是那些没有强到可以肉眼看见的。（来源：NWS Rip Currents Safety Home Page）\*：评论有朋友指出这是Tidal pool的return current，根据这个意见我特别做了重新考证，其实这张图是摄于2004年飓风Jeanne在佛罗里达州登陆后的大西洋海岸，特殊波况导致海岸形成了离岸沙洲（Offshore Sandbar），由于波浪增水而形成了类似于Tidal lagoon的结构，但这确实不是潮流而是离岸流，水的来源是离岸沙洲上的波浪破碎输水，而非涨潮导致。*\

当然，最简单的方法，看沙滩上的警示牌：

If in doubt, don't go out!

遇到离岸流该如何自救？

原则上说我们应该尽量避开有离岸流的海滩和海域，但是常在河边走，哪能不湿鞋，离岸流可以在毫无征兆的情况下突然出现在你身边，那么如果遇到了离岸流将你带向海洋深处，该如何自救？

首先需要明确的是，当你意识到自己在离岸流中时，一定要保持镇定，慌乱会消耗你的能量使你的体力透支，无论是等待救援还是自救，镇定都是最重要的！调整好自己的呼吸，放松自己的身体，让自己随波逐流，千万不要去挣扎反抗离岸流的力量！

然后，当你调整好之后，如果岸上有救生员，请大声呼救，挥动双手，他们会来救你的，这是最好的办法，因为救生员一般都装备有专业工具，由他们介入，你就安全了。

但是如果离岸边太远，救生员没发现你的呼救，或者这个海滩没有救生员，怎么办？这就只能自己游了，但是即便是自己游，也是有技巧的，顶流向岸的方向游，很大概率是还没游到你就累死了，或者干脆越游离岸越远，这时候，不应该顶流向岸游，而应该垂直于流向，沿岸游！见下图。离岸流是有宽度的，这个宽度视情况可有几米到上百米，只要游出离岸流的范围，即可向岸游回海滩！或者也可以直接随波逐流，等到达离岸流结束的位置，再沿岸游一段，转为向岸游回。

另外一种自救的方法：只适合有脚蹼，处于自由潜水，或水肺潜水状态(气瓶有气)，而且别无选择的情况下：

任何的粘性流体流动，在靠近海底，尤其是珊瑚、礁石等糙率（粗糙程度）较大的床面附近，流速都会成指数减小状态，形成一个层流或湍流边界层（Laminar or turbulence bottom boundary layer，海里遇到的都是湍流边界层），这个边界层内因为流速很小，因此自然地离岸流的影响也很小。在水深不是太大、底床的地形较为规则的情况下，水性好，有推进辅助的或者气瓶有足够余气的遇险者可以尝试潜水到达水底（duck dive），从底部边界层通过爬行或者游动的方式侧向脱离离岸流区域，或者（如果流强一般的话）直接顶流回到可以双脚安全站立的区域。这个方法的要领是，尽可能贴近海底，贴得越近，越省力！另外，一定估计好自己的能力，一定估计好自己的能力，一定估计好自己的能力！重要的话说三遍！自由潜水的话，一定要防止出现浅水昏迷（Shallow Water Blackout，一种和体内氧和二氧化碳的气分压急剧变化有关的危险的水中昏迷现象，学过自由潜水的应该都知道），因此一定要保守保守再保守，除非别无选择，否则不要冒险！

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要从理论上解释离岸流的形成原因，首先要理解线性和非线性的波浪理论。波浪理论是一类描述海洋中重力波的运动、传播变形和水动力学特性的数学理论。由于波浪是一种流体现象，因此其符合流体力学控制方程纳维·斯托克斯方程（Navier-Stokes Equation，NS方程）。然而NS方程是一个二阶非线性偏微分方程组，仅在非常有限的几种特殊情况下才能得到解析解。为了较为简便地获得描述波浪的控制方程，科学家们采用另一种方法来描述这个问题，那就是势流理论（Potential Flow Theory）, 这个理论的应用具有两个前提条件，那就是：

1. 流体是理想流体，即考虑的流体是无粘性的，不可压缩的，满足理想流体的欧拉方程。

2. 流体流动是无旋的，即对于任意流场 ，有流场的旋度： ，此时的流场可以用速度势（Velocity Potential）描述： ，其中 即为速度势。更明确地，流场的各个速度分量可以被写做：

其中 为坐标原点在静水水面的二维直角坐标系坐标， 为水平坐标（x）， 为垂直坐标（z） 。

基于以上假设，波浪问题可以被极大的简化，可证波浪流动的速度势满足拉普拉斯方程：

，或常写作：

根据速度势描述和拉普拉斯方程，我们便得到了基于势流理论的波浪运动控制方程。这个方程比NS方程简单了许多，但是求解起来依旧不容易，需要设置明确的数学边界条件，才能求得解析解。这里的难点主要在于如何设置波浪表面的边界条件，要知道我们的波浪理论的目的就是要求解波浪，波浪表面是求解的结果之一，在求解过程中需要知道其确切位置以设置边界条件，听起来像是一个先有鸡还是先有蛋的问题，困难便出现在这里。在工程实践中，我们通常采用线性波理论 （Linear Wave Theory）也被称作艾利波理论（Airy Wave Theory），其主要特点是假定波高 （即为一个波浪周期内的波峰到波谷的垂直距离）相对于水深 来说很小，可以忽略不计，这样在设置波浪表面的运动学和动力学边界条件时，就比较方便了，直接设置在距离底床面距离为水深 的无波浪的静水水面（ ）就好了！具体的边界条件在这里不赘述，有兴趣的可以参看参考文献[1]，总而言之，求解的结果是一个速度势函数：

(此处即为, 即为 )

其中 为波浪的圆频率，与波周期 的换算方式为 ， 为波浪振幅，与波高的换算方式为 , 为时间， 为波数： , 为波长。波数 可由如下弥散方程（Dispersion Equation）计算得出：

这样我们便可以求得线性波假设下的任意波高、周期的波浪的流场了，考虑拉格朗日分析视角，求得的波浪流场里的水质点运动轨迹（Trajectory）如下图所示：

可见每一个水质点都做完美的圆周运动，水深越大，这个圆周的半径就越小，直到到水底，这个圆周半径为零，水质点静止。这个运动轨迹说明，在线性波理论中，不管浪多么大，被裹挟在浪里的水质点或者其它什么奇奇怪怪的东西，都只是在原地打转，并不能指望这个浪把你带到哪里去，也就是说，线性波具有“零输移”的特征。此外，这张图上不准确的一点是，线性波的波面是完全的正弦波，波峰和波谷是严格对称的，这张图上画的则不对称。

然而问题来了，在海岸浅水处，线性波理论的理论前提“波高相对于水深而言太小，可以忽略”的这个假设已经不再成立，因为水深浅，而波能集中导致浪高也大，这时候线性波理论就不再适用了。非线性的波浪理论也是存在的，例如椭圆余弦波理论（Cnoidal Wave）、斯托克斯波理论（Stokes Wave Theory），这些理论的求解依赖于对波浪表面的两个边界条件的泰勒级数展开和摄动法求解，过程过于繁冗复杂，不在这里详述了，大家只需要知道控制方程是同样的，只是现在界面上的运动和动力边界条件现在更加逼近波浪的实际界面就好了。下面以斯托克斯波理论为例，说明离岸流的成因。

阶斯托克斯波的速度势函数为：

波面则可表达为傅里叶级数展开形式：

其中 等都是需要求得的系数，阶数越高，计算这些系数的复杂度也越高，一般来说手算的话到五阶就已经是不容易了。不过现在随着符号代数的发展，采用计算机手段算到几百阶应该都不是问题了。

下图为高阶浅水斯托克斯波的水质点轨迹：

可以看出，一个波周期之后，水质点绕了一个圈圈却并没有回到它最初出发的点，而是向着波浪传播的方向上偏移了一些，随着波浪的运动，水质点在不断地被向波浪传播的方向推移，这种现象，叫做斯托克斯漂移（Stokes Drift），海浪会把游泳者，或者其它乱七八糟的垃圾冲刷上岸，就是由于这个现象所致（当然到了Swash zone还有波浪破碎的作用）。这个波浪理论描述的波浪，就很接近我们平时在海边看到的没有破碎之前的波浪了。

那么问题来了，海岸的波浪会通过斯托克斯漂移把水向岸边推，形成了一个净的向岸边的流量，那么理论上说岸边的水会越来越多，海滩会渐渐被这些被海浪推向岸边的水淹没，然而这并没有发生，这就说明了，进来了多少水，就会出去多少水。这些水如何出去呢？两个途径，第一个是通过靠近水底的底回流（Undertow），第二个就是离岸流（Rip Current）了。下图是一个典型的离岸流情形：

被波浪带到岸边的水无处可去，将海滩上的水面壅高之后在重力的左右下形成沿海岸流动的沿岸流（long shore current），在相对流动的沿岸流交汇处形成离岸流，水从这里被带向较深的海域，从而实现海岸带的水量输运平衡。

现在，可以总结一下离岸流的成因了，离岸流是在海岸波浪的非线性的向岸的水量输运作用下，在重力影响下产生的平衡海岸带平均流的向海流动的一种小尺度海流现象。

但是线性波理论真的就无法解释离岸流吗？其实也并不是，基于线性波理论的辐射应力（Radiation Stress）结合对波浪破碎带的线性化描述的平均海面上升、下降一样可以解释离岸流现象，总的来说，波浪的破碎导致海滩附近的平均海面上升，导致水流向平均海面位置较低的波浪破碎较少的海滩区域，从而形成离岸流，这部分的理论就不详细描述了，有兴趣的同学可以参看参考文献[2].

---码了这么多字，半天都没了，给个赞吧~~~最后吐个槽，知乎的LaTex公式编辑器用起来真心不太方便，不可以直接$$中间带公式吗？

参考资料：

[1]: Airy wave theory

[2]: Bowen, A. J. (1969). Rip currents: 1. Theoretical investigations. Journal of Geophysical Research, 74(23), 5467. https://doi.org/10.1029/JC074i023p05467

[3]: Mei, C. C. (1984). The applied dynamics of ocean surface waves. Book, 11(3), 321. https://doi.org/10.1016/0029-8018(84)90033-7