波浪—海灘—沙丘相互作用研究進(jìn)展

田 偉，董玉祥,2

（1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院/廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510275；2.廣州新華學(xué)院 資源與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，廣州 510520）

海岸沙丘廣泛發(fā)育于不同緯度的砂質(zhì)海岸帶，是以波浪作用為主的海灘和以風(fēng)力作用為主的海岸共同構(gòu)成的復(fù)雜動(dòng)力地貌系統(tǒng)，系統(tǒng)各要素之間相互作用與反饋體現(xiàn)著陸-海-氣三相交互作用（Short et al., 1982; Sherman et al., 1993）。海岸沙丘的形成發(fā)育具有高度時(shí)空異質(zhì)性，不同區(qū)域海岸波浪-海灘-沙丘三相相互作用過程、程度與關(guān)系差異顯著，如即使同一海岸在暴露風(fēng)況程度、海灘寬度、沉積物特征、植物種群類型與分布情況基本一致時(shí)，僅波浪能沿岸微弱的變化也可引起海岸沙丘規(guī)模空間上顯著差異，故波浪-海灘-沙丘三相互作用研究一直是海岸風(fēng)沙地貌研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)（Short et al., 1982; Pye, 1983, 1990; Psuty, 1986,1988; Sherman et al., 1993; Nielsen, 2004; Saye et al.,2005; Miot et al., 2010; Cohn et al., 2018; Moulton et al., 2021）。始于20 世紀(jì)80 年代，波浪-海灘-沙丘相互作用研究大致可歸結(jié)為理論提出、研究區(qū)域拓展、深入研究3個(gè)階段，其中早期提出包括波浪能-海灘/碎波帶動(dòng)力地貌狀態(tài)-海岸沙丘動(dòng)力地貌特征之間關(guān)系模式、海灘與沙丘沉積物收支平衡理論、綜合海岸動(dòng)力環(huán)境要素與海岸沙丘形成發(fā)育理論等概念模式（Short et al., 1982; Psuty, 1986; Pye,1990; Sherman et al., 1993）；之后研究區(qū)域不斷拓展，從澳大利亞東南部海岸、英國(guó)Sefton海岸擴(kuò)展到英國(guó)多處海岸、愛爾蘭、法國(guó)、丹麥、西班牙、北美以及巴西和中國(guó)等區(qū)域海岸，通過具體實(shí)例研究驗(yàn)證已有理論模式（Guillén et al., 1999; Aagaard et al., 2004; Saye et al., 2005; Anthony et al., 2006,2009; Vespremeanu-Stroe et al., 2007a; Dan et al.,2009; Houser, 2009; Servera et al., 2009; Qi et al.,2010；董玉祥，2010；Miot et al., 2012）；近期波浪-海灘-沙丘相互作用機(jī)理研究不斷深入，結(jié)合現(xiàn)代測(cè)量、數(shù)據(jù)處理及模擬技術(shù)，量化了事件尺度水動(dòng)力作用過程和風(fēng)沙動(dòng)力作用過程，以及中長(zhǎng)期尺度海灘-沙丘形態(tài)變化的聯(lián)系，探索不同環(huán)境要素在海灘-沙丘地貌狀態(tài)變化中的影響程度差異（Anthony, 2013; Bauer et al., 2015; Zhang et al.,2015; Darke et al., 2016; Moore et al., 2016; Castelle et al., 2017; Walker et al., 2017; Cohn et al., 2018;Díez et al., 2018; Malvárez et al., 2019; Anthony et al., 2020; Costas et al., 2020; Moulton et al., 2021; He et al., 2022）。相比國(guó)際上波浪-海灘-沙丘相互作用理論模式、數(shù)據(jù)獲取技術(shù)與分析方法、區(qū)域研究等方面的顯著進(jìn)展，國(guó)內(nèi)相關(guān)案例研究較少，且理論模式難以全面的揭示不同區(qū)域海岸沙丘系統(tǒng)的三相相互作用機(jī)理。因此，本文從Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)，搜索關(guān)鍵詞“波浪-海灘-沙丘相互作用”，篩分出與主題緊密相關(guān)的文獻(xiàn)近百篇，并對(duì)其進(jìn)行梳理與分析，厘清當(dāng)前研究存在的問題與機(jī)遇，為下一步探索與揭示中國(guó)的不同區(qū)域岸段的波浪-海灘-沙丘相互作用關(guān)系提供科學(xué)依據(jù)。

1 波浪—海灘—沙丘相互作用理論模式

波浪-海灘-沙丘相互作用模式主要分析與海岸沙丘地貌形態(tài)相關(guān)的水動(dòng)力作用過程、風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)過程、植被覆蓋情況、沙源沉積物供給以及人類活動(dòng)干擾之間的相互作用關(guān)系，揭示海岸沙丘地貌形態(tài)的時(shí)空變化規(guī)律（Short et al., 1982; Pye, 1990;Sherman et al., 1993; Walker et al., 2017）。海岸地貌學(xué)家通過借鑒其他領(lǐng)域的定義與概念，引入到海岸沙丘的相關(guān)研究中。Sherman 等（1993）借鑒Valentin（1952）的“尺度”概念，將時(shí)空尺度內(nèi)波浪-海灘-沙丘相互作用關(guān)系劃分為微觀尺度（Microscale）、中觀尺度（Mesoscale）與宏觀尺度（Macroscale）3 類（表1）。Walker 等（2017）借鑒“尺度意識(shí)（scale aware）（Schumm et al., 1965）”以及河流侵蝕循環(huán)理論，將海灘與沙丘地貌動(dòng)力系統(tǒng)研究劃分為空間上“點(diǎn)（Plot）”尺度、“地貌（Landform）”尺度和“景觀（Landscape）”尺度研究。以下將從微觀、中觀與宏觀尺度分別闡述波浪-海灘-沙丘相互作用的理論內(nèi)容。

表1 微觀、中觀、宏觀尺度波浪-海灘-沙丘相互作用模式與研究區(qū)域Table 1 The model of wave-beach-dune interactions in micro-, meso-, macro- domains and related study areas

1.1 微觀尺度理論模式

微觀尺度界定的時(shí)間范圍是數(shù)小時(shí)—數(shù)天，空間范圍是數(shù)毫米—數(shù)米。微觀尺度內(nèi)波浪-海灘-沙丘相互作用研究近岸帶水動(dòng)力、風(fēng)動(dòng)力、波浪侵蝕海灘向海搬運(yùn)沙源沉積物與海灘表面風(fēng)沙流向岸傳輸沙源供給海岸沙丘的過程，亦是海灘與沙丘之間物質(zhì)交換與能量耗散過程（Sherman et al., 1993;Bauer et al., 1999）。海灘上風(fēng)沙流向岸輸沙能力不僅受到近岸帶向海灘供給沙源量的影響，還受到海灘沙含水量、冰雪覆蓋、鹽殼、和圓木殘骸等粗顆粒層的限制。因此Houser（2009）借鑒協(xié)同作用理論提出：當(dāng)近岸沙壩向岸移動(dòng)與碎波帶合并為海灘提供沙源與海灘沙源沉積物被風(fēng)攜帶向岸傳輸同步發(fā)生時(shí)，海岸沙丘建立且規(guī)模擴(kuò)大；反之海岸沙丘遭受侵蝕破壞、規(guī)模減小。根據(jù)Walker 等（2017）的“點(diǎn)（Plot）”尺度概念，單個(gè)輸沙事件是海灘地形、海灘面含水量、風(fēng)向、波浪爬高、風(fēng)速等各環(huán)境要素相互作用的結(jié)果，反映氣流運(yùn)動(dòng)與風(fēng)程、海灘表層沙含水量、海灘和沙丘地貌形態(tài)之間的作用與反饋。輸沙活動(dòng)的起始與中斷以及輸沙量變化反映各環(huán)境要素相互作用的時(shí)空變化，以及其對(duì)海灘-沙丘地貌蝕/積格局變化的控制作用。

1.2 中觀尺度理論模式

中觀尺度界定時(shí)間范圍在數(shù)月—數(shù)年內(nèi)，空間范圍為數(shù)米—數(shù)千米。中觀尺度研究月/年際周期內(nèi)的水動(dòng)力作用與風(fēng)動(dòng)力作用過程對(duì)海灘-沙丘地形地貌變化的作用與貢獻(xiàn)，既需考慮平靜天氣條件下海灘與沙丘地形變化，也需研究極端天氣狀況下風(fēng)暴與臺(tái)風(fēng)（群）對(duì)整個(gè)系統(tǒng)作用程度以及系統(tǒng)的響應(yīng)與反饋（Sherman et al., 1993）。從“Landform（地貌）”尺度看，海灘-沙丘地形地貌狀態(tài)與系統(tǒng)的沉積物收支狀況、海岸沙丘植被生長(zhǎng)與覆蓋程度、輸沙事件和風(fēng)暴作用效應(yīng)與貢獻(xiàn)密不可分（Walker et al., 2017）。因此對(duì)其不同區(qū)域的海岸沙丘系統(tǒng)研究證實(shí)，它既是多年內(nèi)潮波狀況與海灘動(dòng)力地貌狀態(tài)和沙丘動(dòng)力地貌狀態(tài)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，也是海灘與沙丘沉積物收支狀態(tài)與海岸沙丘的體積規(guī)模變化關(guān)系，還反映水動(dòng)力作用與風(fēng)沙活動(dòng)在整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)所做出的相對(duì)貢獻(xiàn)。

1）波浪-碎波帶/海灘-沙丘相互作用模式

Short等（1982）基于澳大利亞南部海岸觀測(cè)、調(diào)查和分析，總結(jié)波浪能高低與碎波帶/海灘地貌動(dòng)力狀態(tài)與沙丘地貌動(dòng)力特征之間的關(guān)系。波浪從深海傳入到近海發(fā)生破波時(shí)，近岸帶地形變化與海岸岬角地形引起波浪折射、衍射導(dǎo)致波浪能沿岸再分配；波浪與近岸帶地形的相互作用與反饋決定碎波帶/海灘的地貌動(dòng)力狀態(tài)，風(fēng)動(dòng)力與海灘地形相互作用與反饋決定了海岸沙丘體積規(guī)模與地貌形態(tài)（表2）（Short, 1978; Short et al., 1982）。波浪與碎波帶/海灘-沙丘相互作用亦體現(xiàn)在碎波帶與海灘和沙丘之間的沉積物交換，以及海岸前丘形態(tài)變化與植被蓋度、植物種群豐富度之間的關(guān)系，而植物生長(zhǎng)狀況和種群數(shù)也受到波浪能高低與鹽霧濃度的影響（Short et al., 1982; Hesp, 1988）。

2）海灘/沙丘沉積物收支平衡理論

海灘與沙丘之間的沉積物交換過程引起海灘-沙丘蝕積格局變化與相應(yīng)的沙丘體積規(guī)模變化，在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，海灘與沙丘沉積物收支動(dòng)態(tài)平衡，因此海灘-沙丘沉積物收支狀況反映地貌尺度內(nèi)海灘與沙丘相互作用關(guān)系。Psuty （1986；1988）總結(jié)得出：海灘沉積物收支為正，海灘存儲(chǔ)沙源空間增大且向海一側(cè)擴(kuò)張，則沙丘建立；海灘沉積物收支為負(fù)，海灘向內(nèi)陸后退，沙丘被侵蝕形成陡坎；沙丘沉積物收支為負(fù)時(shí)，沙丘體積規(guī)模減小，反之沙丘體積增長(zhǎng)、規(guī)模擴(kuò)大。在河口三角洲、障壁島和沙咀海岸，因河流輸沙量年際變化或沿岸流傳輸沉積物作用引起的海灘與沙丘沉積物收支從近端（河口）向遠(yuǎn)端變化，相應(yīng)的海岸沙丘規(guī)模隨之變化（Psuty, 1992）。后來，該理論被Sherman等（1993）擴(kuò)展為9種海灘/沙丘蝕積狀態(tài)與海岸沙丘地貌形態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中的不確定海岸沙丘形態(tài)表明其可能有幾種海岸沙丘（表3）。此外，Pye（1990）基于澳大利亞北昆士蘭海岸和英國(guó)Sefton 海岸沙丘的研究，總結(jié)得出6 種沙丘形態(tài)與海灘/沙丘沉積物收支狀態(tài)、風(fēng)能、植被有效集沙能力之間的相互作用關(guān)系（表4）。

表3 Sherman 和Bauer的中觀尺度海灘-沙丘相互作用關(guān)系（Sherman et al., 1993）Table 3 Dynamics of beach and dune interactions in meso-scale(Sherman et al., 1993)

表4 海灘/沙丘沉積物收支狀態(tài)、風(fēng)況條件、植被集沙能力與海岸沙丘形態(tài)關(guān)系（Pye, 1990）Table 4 Models of beach/dune sediment budget, wind climate, vegetation trap sand and coastal dune morphology (Pye, 1990)

3）海岸前丘與海洋動(dòng)力、風(fēng)沙動(dòng)力作用程度關(guān)系模式

為了定量判別穩(wěn)定狀態(tài)的海岸前丘地貌形態(tài)與海洋動(dòng)力、風(fēng)沙動(dòng)力作用程度的關(guān)系，Pellón 等基于西班牙北部的六處海岸前丘坡腳位置、體積規(guī)模、輸沙勢(shì)和年平均總水位高度（等于天文潮汐水位+風(fēng)暴涌浪水位+波浪爬高水位）相關(guān)性分析，提出海岸前丘位置與規(guī)模取決于海洋動(dòng)力與風(fēng)沙動(dòng)力作用的相對(duì)權(quán)重概念模式（Pellón et al., 2019; de Almeida et al., 2019）。當(dāng)海洋動(dòng)力作用較弱時(shí)，波浪作用難以到達(dá)沙丘坡腳，海岸前丘可持續(xù)地向海一側(cè)前進(jìn)，其規(guī)模受控于輸沙勢(shì)；隨著沙丘不斷向海擴(kuò)張，海灘所能提供的沙源量逐漸減少，沙丘增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩直至因風(fēng)程有限規(guī)模不再增長(zhǎng)，海岸前丘最終所處的位置由“自我調(diào)整的風(fēng)程”決定。在海洋動(dòng)力作用強(qiáng)的海岸，波浪侵蝕作用強(qiáng)，海岸前丘位置由年平均總水位線決定；當(dāng)海灘寬度大于臨界風(fēng)程時(shí)，前丘體積規(guī)模增長(zhǎng)至穩(wěn)定狀態(tài)，其規(guī)模與輸沙勢(shì)成正比；當(dāng)海灘寬度小于風(fēng)沙流達(dá)到飽和所需的臨界風(fēng)程時(shí)，海岸前丘規(guī)模取決于受風(fēng)程限制的輸沙量（Pellón et al., 2019）。

1.3 宏觀尺度理論模式

宏觀尺度界定時(shí)間范圍：數(shù)十年至百年甚至千年；空間范圍：百公里至千公里。百年至千年時(shí)間尺度海平面上升不可逆轉(zhuǎn)。海平面上升引起海岸線與沙丘向內(nèi)陸后退，破壞沿岸沉積物收支平衡，最終控制海灘-沙丘系統(tǒng)長(zhǎng)期演化（Sherman et al.,1993）。另外，河流攜帶入海泥沙沉積物減少、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地面沉降引起相對(duì)海平面抬升，導(dǎo)致海岸線后退和海灘-沙丘侵蝕程度增加（Walker et al.,2017）。經(jīng)典Bruun模型認(rèn)為，海平面上升導(dǎo)致海灘侵蝕，海灘沉積物被向海的回流帶到離岸帶沉積，并未考慮海灘與沙丘之間的沉積物交換作用（Bruun, 1954; 1962）。RD-A模型認(rèn)為，海平面抬升導(dǎo)致海岸前丘被侵蝕下切形成陡坎，侵蝕的沉積物被搬運(yùn)并堆積在潮下帶與近岸帶，之后在風(fēng)沙流向岸搬運(yùn)作用下被帶回陡坎前緣，陡坎恢復(fù)沙丘高度增加且沙丘向陸一側(cè)移動(dòng)（Davidson-Arnott, 2005）。最近，基于海平面上升引起越浪侵蝕、沉積物向岸傳輸、海灘與沙丘沉積物交換的證據(jù)，Rosati 等（2013）對(duì)Bruun模型進(jìn)行修正，能夠較全面地預(yù)測(cè)海平面抬升引起的沉積物向岸傳輸與向海傳輸2種情況下，海灘橫剖面的變化趨勢(shì)。

2 波浪—海灘—沙丘相互作用的研究方法

2.1 微觀尺度三相相互作用關(guān)系的研究方法

波浪—海灘—沙丘相互作用研究方法包括野外觀測(cè)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、遙感影像解譯與分析和數(shù)值模擬。波浪特征參數(shù)（表5）可通過野外波浪浮標(biāo)記錄與電磁洋流計(jì)（Inter Ocean S4）監(jiān)測(cè)獲取，還可通過目視觀測(cè)波浪高度、破波個(gè)數(shù)用于判別波浪能高低；水下沉積物采集可通過水下取樣器（Van Veen grab sampler）、水下旌式集沙儀和網(wǎng)式集沙儀捕獲 （U.S.Army, 1984; U.S.Army Corps Of Engineers, 2003; Moulton et al., 2021）。潮汐特征主要來自野外驗(yàn)潮站和水文站（Nielsen, 2004; Saye et al.,2005; van Puijenbroek et al., 2017; Grilliot et al.,2019）。類似的，海灘上氣象狀況可通過建立微氣象站布設(shè)風(fēng)速儀、水分計(jì)、氣壓計(jì)、溫度計(jì)、濕度計(jì)、水位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)況、海灘面含水量、大氣壓強(qiáng)、溫度、濕度與海灘地下水位，還可布置集沙儀（圓柱狀、立式與輕便式） 捕獲風(fēng)沙流輸沙量（Arens, 1996; Vespremeanu-Stroe, 2007a; Anthony et al., 2009; Sherman et al., 2014; Walker et al., 2017;He et al., 2022）。水下近岸帶與碎波帶地形可采用測(cè)繪棒、回聲定位技術(shù)與水準(zhǔn)儀協(xié)同測(cè)繪，潮上帶海灘與沙丘地形可采用水準(zhǔn)儀、全站儀、RTKGPS、LIDAR、無人機(jī)、激光掃描儀針對(duì)布設(shè)的橫向剖面樣線進(jìn)行測(cè)繪（Saye et al., 2005; ?abuz,2016; Walker et al., 2017）。此外，在海灘與沙丘高處安裝延時(shí)攝像機(jī)，拍攝潮汐周期內(nèi)的波浪所到達(dá)的具體位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海灘面浸濕與干燥過程，為分析判斷海灘有效風(fēng)程提供依據(jù)（Walker et al.,2017）。

沙源沉積物物理特征主要通過室內(nèi)粒度實(shí)驗(yàn)與含水量實(shí)驗(yàn)獲得，并采用Folk等（1957）的粒度參數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分析。根據(jù)實(shí)測(cè)深水波浪、潮汐與風(fēng)況數(shù)據(jù)和近岸帶水下地形，借助于Delft3D 與SWAN模型模擬波浪在碎波帶—海灘的傳輸與耗散過程，預(yù)測(cè)沿岸流、波生流傳輸沉積物和水下地形演變（Saye et al., 2005; Bayram et al., 2007; Miot et al.,2012; Moulton et al., 2021）。針對(duì)風(fēng)暴時(shí)難以獲取深水波特征參數(shù)的情況，可利用總水位作為代用指標(biāo)并劃分風(fēng)暴等級(jí)，在XBEACH 模型中模擬水動(dòng)力作用過程，并計(jì)算水下傳輸沙源量（Roelvink et al., 2019）。風(fēng)沙流輸沙過程模擬基于風(fēng)速、風(fēng)向與沉積物粒徑，采用Fryberger等（1979）方法計(jì)算輸沙勢(shì)DP（Drift Potential）、總輸沙勢(shì)RDP（Resultant Drift Potential）、輸沙勢(shì)合力方向RDD（Resultant Drift Direction）。值得注意的是，數(shù)值模擬計(jì)算的風(fēng)動(dòng)力傳輸沙源量往往比實(shí)際觀測(cè)值大，是近年來研究人員嘗試通過野外監(jiān)測(cè)結(jié)果修正模型的重要關(guān)注點(diǎn)（Delgado-Fernandez et al., 2009; Delgado-Fernandez, 2011; Walker et al., 2017）。

2.2 中觀尺度三相相互作用關(guān)系的研究方法

中觀尺度研究所需要的參數(shù)（見表5）源于數(shù)月—數(shù)年內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析值，多次極端風(fēng)暴事件對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)地貌形態(tài)變化的影響具有累加效應(yīng)，因此還需要詳細(xì)記錄臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴（群）事件的強(qiáng)度、頻率、持時(shí)以及它們對(duì)系統(tǒng)的影響程度。Guillén 等（1999） 提出采用波浪-涌浪參數(shù)A=和風(fēng)暴-涌浪參數(shù)，其中：Hmo代表有效波浪高度；SL代表風(fēng)暴事件時(shí)平均海平面高度；t是風(fēng)暴持時(shí)，用于分析風(fēng)暴累計(jì)效應(yīng)對(duì)海岸蝕/積狀態(tài)的影響。2 次調(diào)查期間累積的風(fēng)暴-涌浪參數(shù)時(shí)空分布與海岸前丘坡腳位置具有很好的相關(guān)性，表明每年的海岸蝕積變化量與風(fēng)暴累積效應(yīng)直接相關(guān)。當(dāng)波浪高度無法獲取時(shí)，往往采用水位數(shù)據(jù)作為代用指標(biāo)，根據(jù)高水位超過平均水位發(fā)生的概率劃分風(fēng)暴強(qiáng)度等級(jí)做進(jìn)一步分析（Sallenger, 2000; van Puijenbroek et al., 2017; Grilliot et al., 2019）。

因儀器的可操作性和天氣狀況限制，中長(zhǎng)期尺度測(cè)量近岸帶、碎波帶向海灘與沙丘提供沙源供給量難以實(shí)現(xiàn)，更多的通過數(shù)值模擬獲取破波參數(shù)并計(jì)算傳輸沉積物量（Bayram et al., 2007; Héquette et al., 2008; Miot et al., 2010; Roelvink et al., 2019;Moulton et al., 2021）。碎波帶/海灘地貌動(dòng)力狀態(tài)是基于模擬的破波參數(shù)和半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算SSP（Surf-Scaling Parameter）、SSim（Surf Similarity Parameter），結(jié)合相對(duì)潮汐范圍RTR（Relative Tide Range）劃分碎波帶/海灘地貌動(dòng)力類型（Dean, 1973; Guza et al., 1975; Wright et al., 1984; Gerhard et al., 1993;Emilia et al., 2013; Malvárez et al., 2019）?；谠?季/年際地形測(cè)繪調(diào)查獲取不同時(shí)段的地形橫剖面線，得出海灘供給沙丘沉積物量和海灘與沙丘體積規(guī)模變化量，統(tǒng)計(jì)分析海灘寬度及其變化（標(biāo)準(zhǔn)差）、海岸線變化（變異系數(shù)）和海岸線變化率與海灘穩(wěn)定性（Short et al., 1982; Nielsen, 2004; Vespremeanu-Stroe et al., 2007a; Miot et al., 2010; Walker et al., 2017; Moulton et al., 2021）。此外，采用計(jì)算流體力學(xué)CFD（Computational Flow Dynamics）的方法計(jì)算氣流經(jīng)過不同狀態(tài)（坡度、寬度）海灘，所受到的干擾程度與搬運(yùn)沉積物量，驗(yàn)證了耗散型、中間型、反射形海灘對(duì)氣流干擾程度由小變大，風(fēng)沙流輸沙能力由大到小的理論。因其能準(zhǔn)確地分析氣流與地形之間相互作用，被廣泛地應(yīng)用在海灘、風(fēng)蝕坑氣流動(dòng)力學(xué)研究中（Smyth et al.,2016, 2019; Delgado-Fernandez et al., 2018）。

2.3 宏觀尺度三相相互作用關(guān)系的研究方法

宏觀尺度內(nèi)氣候變化主要表現(xiàn)在北大西洋濤動(dòng)與太平洋海溫異常引起的西風(fēng)帶天氣類型變化和ENSO/La NiNa 事件，反映事件發(fā)生的相位參數(shù)（見表5）可從美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）（Rader et al., 2018）和英國(guó)氣象研究中心網(wǎng)站直接下載（Pye et al., 2008）。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的數(shù)字海岸線分析系統(tǒng)DSAS（The Digital Shoreline Analysis System）可解譯歷史衛(wèi)星影像，將海岸線數(shù)字化并計(jì)算海岸線位置變化-端點(diǎn)速率EPR（End Point Rate）。通過對(duì)海岸線變化、與氣候異常事件發(fā)生導(dǎo)致的波高突變、潮汐范圍、潮汐頻率、海岸前丘侵蝕/加積率變化和相位參數(shù)（太平洋10 年濤動(dòng)PDO 與恩索指數(shù)MEI 或西風(fēng)帶天氣類型變化指數(shù)Lamb、北大西洋濤動(dòng)指數(shù)NAO）時(shí)空相關(guān)性分析，揭示海平面抬升引起海岸前丘侵蝕/加積時(shí)空變化機(jī)理（Vespremeanu-Stroe et al.,2007b; Pye et al., 2008; Rader et al., 2018; Aagaard et al., 2019）。

隨著模擬平臺(tái)的不斷發(fā)展與改進(jìn)，數(shù)值模擬技術(shù)也被應(yīng)用在陸-海相互作用研究中。Zhang 等（2012; 2015）通過1D 水-陸界面過程模型和海灘植被與風(fēng)沙流相互作用過程的元胞自動(dòng)機(jī)模型耦合，模擬50年內(nèi)海-陸相互作用過程，預(yù)測(cè)海岸前丘形成發(fā)育與形態(tài)演變。此外，Durán 等（2013）采用數(shù)值模擬的方法預(yù)測(cè)在植被與沙丘形態(tài)相互作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，海岸前丘演變趨勢(shì)以及所能達(dá)到的最大高度；Davidson-Arnott等（2018）則根據(jù)海岸前丘沉積物收支平衡狀況，預(yù)測(cè)未來數(shù)百年內(nèi)海岸前丘所能達(dá)到的最大規(guī)模。

3 波浪—海灘—沙丘相互作用區(qū)域研究

已有在世界各地海岸開展的研究顯示，不同時(shí)空尺度內(nèi)波浪-海灘-沙丘相互作用的方式以及相應(yīng)的控制因素存在顯著的區(qū)域差異。

3.1 不同區(qū)域的微觀尺度相互作用方式和控制因素

研究者在荷蘭Schiermonnikoog、 Groote Keeten、Noordwijkerhout 海岸（Svasek et al., 1974;Arens et al., 1995; Arens, 1996）、英國(guó)Benone Strand海灘（Jackson et al., 1997）、美國(guó)New Jersey 的Wildwood 海灘（Jackson et al., 2015）、丹麥Skalligen 障壁島海岸（Nielsen, 2004）、西班牙Cabopino海 岸（Malvárez et al., 2019）、法 國(guó) 北 部 海 岸（Héquette et al., 2008; Anthony et al., 2009）、中國(guó)福建平潭島海岸做了相關(guān)的波浪—海灘—沙丘相互作用關(guān)系研究（何巖雨 等，2018a；He et al., 2022），結(jié)果證實(shí)不同海岸區(qū)域環(huán)境背景特征差異明顯，近岸波浪能向岸傳輸耗散過程與海灘上風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)模式時(shí)空變化顯著。大潮汐與波浪共同作用的法國(guó)北海海岸，波浪向岸輸沙沉積物量明顯低于潮汐流沿岸輸沙量。與之不同的微潮汐Skalligen障壁島海岸和西班牙Cabopino海岸，低波浪能難以帶來大量的近岸沙源沉積物供給海灘與沙丘，海灘與沙丘的沙源沉積物來源往往靠風(fēng)暴引起高波浪將沉積物傳輸?shù)綖I面，同時(shí)水下沙壩向岸移動(dòng)與碎波帶合并所提供 （Nielsen, 2004; Malvárez et al., 2019）。海岸沙丘加積不僅與沙源供給緊密相關(guān)，也與海灘上的風(fēng)沙流傳輸模式相關(guān)（Svasek et al., 1974; Davidson-Arnott and Law, 1990; Arens et al., 1995; Arens,1996; Jackson et al., 1997）。Jackson等（2015）根據(jù)風(fēng)速和沙源區(qū)環(huán)境條件不同，提出風(fēng)沙流穿過濕沙表面的5 種運(yùn)動(dòng)模式，該理論被何巖雨等（2018b）在福建平潭海灘試驗(yàn)研究所證實(shí)。此外，平潭大潮汐范圍海岸，海灘輸沙能力反映潮汐旋回、海灘上的灘肩沙壩-低地（低槽）微地形引起風(fēng)程變化、風(fēng)速變化、海灘面地下水位波動(dòng)引起的海灘沙干燥與濕化過程之間的相互作用（Anthony et al., 2009; He et al., 2022）。在潮汐漲落周期內(nèi)，存在風(fēng)沙流輸沙窗口期，即輸沙起動(dòng)—停滯周期性變化，灘面斑塊狀與舌狀沙區(qū)隨潮水漲落不斷重復(fù)著“形成—發(fā)展—打破—消失—再形成和再發(fā)展”的循環(huán)過程。

3.2 不同區(qū)域的中觀尺度相互作用方式和控制因素

研究者在澳大利亞Younghusband 海岸（Short et al., 1982; Hesp, 1988; Moulton et al., 2021）、巴西東南部Mocambique 海岸（Miot et al., 2010; 2012）、南非Alexandria 海岸（Illenberger et al., 1988）、多瑙河三角洲流域Sfantu Gheorghe 海灘（Vespremeanu-Stroe et al., 2007a）、Skallingen 障壁島（Nielsen,2004）、西 班 牙Cabopino 海 岸（Malvárez et al.,2019）、英國(guó)五處海岸（Saye et al., 2005）、加拿大的Prince Edward Island 海岸（Walker et al., 2017）、British Columbia 的Vancouver 島Wickaninnish 沙 丘（Ollerhead et al., 2013）、Carlvert 海灘（Grilliot et al., 2019）、美國(guó)的墨西哥灣海岸（Houser, 2009;Houser et al., 2015; Houser et al., 2018）、Long Beach島的Oysterville 海灘（Cohn et al., 2018; Dietz et al.,2022）、 Humboldt Bay National Wildlife Refuge（HBNW）海岸（Rader et al., 2018）和中國(guó)福建沿岸（劉建輝 等，2014），進(jìn)行中觀尺度的波浪-海灘-沙丘相互作用研究，證實(shí)不同區(qū)域海岸的波候、風(fēng)況、潮汐范圍與周期對(duì)海灘與沙丘形態(tài)的塑造作用因其所處的氣候帶與地域不同而差異明顯。澳大利亞Younghusband 海岸、巴西東南部Mocambique海岸同屬于典型的微潮汐波浪起主導(dǎo)作用的海岸，三者相互作用表現(xiàn)為波浪能高低與海灘-沙丘動(dòng)力地貌狀態(tài)關(guān)系，但決定海灘與沙丘形態(tài)空間變化的環(huán)境要素有所不同（Miot et al., 2010; Moulton et al., 2021）。英國(guó)多處海岸為中-大潮汐范圍環(huán)境，其海岸前丘蝕積狀態(tài)僅與天文潮大潮線到平均海岸線之間的海灘地形形態(tài)直接相關(guān)（Saye et al.,2005）。盡管同處于微-中潮汐作用范圍的海岸，因其所處氣候帶差異，其海灘加積與沙丘建立規(guī)模增長(zhǎng)發(fā)生的季節(jié)亦不同步，且因其氣相環(huán)境條件變化而表現(xiàn)出更高的時(shí)空不同步變化（Nielsen, 2004;Vespremeanu-Stroe et al., 2007a; Walker et al., 2017;Cohn et al., 2018; Malvárez et al., 2019）。中國(guó)福建沿岸海灘-沙丘相互作用關(guān)系表明，海灘的沉積狀態(tài)與海灘-沙丘系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用，在某種程度上決定了海灘與沙丘動(dòng)力地貌關(guān)系（劉建輝 等，2014）。此外，即使是同一海岸帶，在多個(gè)環(huán)境要素相同的情況下，單一變量如海岸線方向、波浪能、植被覆蓋程度沿岸微小的變化亦可引起海灘與沙丘地貌形態(tài)空間顯著差異（Short et al., 1982; Miot et al.,2010; 2012; Moulton et al., 2021）。

同時(shí)，世界上多處海岸受到風(fēng)暴或風(fēng)暴與天文潮大潮疊加的影響，風(fēng)暴登陸可以改變波浪方向與周期并產(chǎn)生波浪增水，相應(yīng)的總水位增高對(duì)海灘與沙丘產(chǎn)生更大程度侵蝕。英國(guó)Sefton海岸，由大西洋低壓風(fēng)暴導(dǎo)致風(fēng)速、波浪能與涌浪高度突變，一次風(fēng)暴就可侵蝕大量海岸沙源沉積物并引起沙源沿岸重分布，但從長(zhǎng)期尺度看，對(duì)其海岸沙丘系統(tǒng)干擾相對(duì)較?。≒ye et al., 2016）。北美墨西哥灣的多處障壁島經(jīng)常遭受風(fēng)暴（群）登陸，海灘與沙丘受到的侵蝕程度被劃分為沖刷、沖蝕、越浪侵蝕與漫灘4個(gè)等級(jí)，風(fēng)暴后海灘—沙丘系統(tǒng)恢復(fù)與風(fēng)暴強(qiáng)度、頻率、最初的風(fēng)暴前海灘動(dòng)力地貌狀態(tài)、海岸沙丘形態(tài)規(guī)模、遠(yuǎn)岸帶的水下地形、近岸帶沙源向岸傳輸?shù)綖I面補(bǔ)充給碎波帶等多個(gè)因素相關(guān)（Sallenger, 2000; Houser et al., 2015, 2018）。夏季臺(tái)風(fēng)（群）登陸中國(guó)福建平潭海岸后，不同類型海岸沙丘遭受侵蝕的部位與侵蝕程度有所差異，但臺(tái)風(fēng)過后的1年內(nèi)，海岸沙丘形態(tài)基本恢復(fù)，而北美的障壁島沙丘被風(fēng)暴侵蝕后恢復(fù)需要數(shù)年（Houser,2009；董玉祥 等，2016；楊林 等，2017，2020）。

3.3 不同區(qū)域的宏觀尺度相互作用方式和控制因素

宏觀尺度內(nèi)，全球海平面上升和區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)背景對(duì)海岸線進(jìn)退與沙丘形成演變具有控制作用（Sherman et al., 1993; Davidson-Arnott, 2005; Rosati et al., 2013; Walker et al., 2017）。區(qū)域地質(zhì)背景方面，西班牙Mallorca島的Alcudia Bay海岸沙地分布整體上呈三角形，處于東南部山脊、東部大海、西部Alcudia 通道構(gòu)造框架下，沙源難以跨過西部屏障被攜帶到內(nèi)陸。西部Alcudia通道呈南—北延伸，有利于盛行風(fēng)北風(fēng)攜帶沙源向岸傳輸，形成主軸NS的拋物線沙丘，南部的Sacanova區(qū)域受到Alcudia Peninsula岬角的遮蔽影響和盛行北風(fēng)作用，沙丘長(zhǎng)軸與東北風(fēng)方向一致（Servera et al., 2009）。

海岸線進(jìn)退方面，北大西洋濤動(dòng)指數(shù)NAO 和10 年太平洋濤動(dòng)PDO 時(shí)域變化對(duì)海岸沙丘形態(tài)演變與蝕積率變化具有一定指示作用，但它們之間相關(guān)程度因海岸沙丘所處環(huán)境背景不同而有所差異。多瑙河三角洲海岸線變化由北大西洋濤動(dòng)指數(shù)（NAO）控制的風(fēng)暴強(qiáng)度與頻率引起海平面變化所決定（Vespremeanu-Stroe et al., 2007b）。然而Sefton 大潮汐海岸，海岸前丘蝕積率空間變化受到月球交點(diǎn)潮汐周期導(dǎo)致的潮汐范圍與頻率變化影響，同時(shí)也與西風(fēng)帶天氣類型指數(shù)Lamb 浮動(dòng)有關(guān)，與NAO指數(shù)僅中等相關(guān)，但受離岸帶地形與近岸帶地形改變的影響更大（Pye et al., 2008）。丹麥的Skalligen海岸沙丘遭受越浪侵蝕后形成沉積扇，其長(zhǎng)期形態(tài)變化與NAO 變化之間相關(guān)性中等（Aagaard et al., 2019）。厄爾尼諾年太平洋東北側(cè)海平面水溫增加，大氣環(huán)流模式減弱，引起加利福尼亞海岸水位增加，海岸線后退和海灘—海岸前丘受到更強(qiáng)烈侵蝕，證實(shí)海岸線變化和海岸前丘蝕積狀態(tài)與異常氣候事件（ENSO/La Nina）發(fā)生的指示因子PDO 和MEI 具有相關(guān)性（Rader et al., 2018）。此外，隨著海岸帶地形地貌復(fù)雜性增加，氣候變化引起海岸線進(jìn)退與海岸沙丘長(zhǎng)期演變趨勢(shì)的復(fù)雜性相應(yīng)的增加（Walker et al., 2017）。

4 問題與展望

4.1 存在的問題

由前文所述可知，波浪—海灘—沙丘相互作用研究在不同尺度內(nèi)的理論模式不斷改進(jìn)、研究區(qū)域不斷擴(kuò)展、尺度之間的聯(lián)系逐漸被建立，不同外動(dòng)力條件及環(huán)境要素在三相相互作用影響程度也被深入研究，同時(shí)也存在一些懸而未決的問題。不同時(shí)空尺度內(nèi)的波浪、潮汐、風(fēng)暴、風(fēng)力對(duì)碎波帶—海灘—沙丘的動(dòng)力作用過程與形態(tài)響應(yīng)具有高度時(shí)空異質(zhì)性，難以總結(jié)出一個(gè)具有普適性的理論模式。微觀尺度內(nèi)，海灘面風(fēng)沙流輸沙過程和氣流穿過海岸前丘的過程觀測(cè)研究案例已有很多，但將其與波浪、潮汐和風(fēng)暴動(dòng)力特征相聯(lián)系的實(shí)地觀測(cè)研究還較少；進(jìn)一步的海灘上風(fēng)沙流輸沙過程因?yàn)槭艿缴吃垂┙o、海灘表層粗顆粒層、降雨、風(fēng)程、海灘微地形和海灘面含水層波動(dòng)等諸多因素的影響，但各環(huán)境要素之間的相互作用機(jī)理尚不完全清晰（董玉祥，2010；何巖雨 等，2018a，2018b；張紹云 等，2019；He et al., 2022）。中觀尺度內(nèi)，風(fēng)暴對(duì)海灘—沙丘地形地貌作用與其響應(yīng)研究較多以海灘、沙丘單獨(dú)對(duì)風(fēng)暴的響應(yīng)進(jìn)行調(diào)查，而整個(gè)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)暴的響應(yīng)與反饋機(jī)理還需進(jìn)一步深入探究；建立短期事件尺度與中期海灘—沙丘地貌形態(tài)變化之間的聯(lián)系也需要更多詳細(xì)的實(shí)地觀測(cè)，更需要找到合適的海岸沙丘系統(tǒng)，解析同一段海岸諸多環(huán)境要素相近時(shí)，某一個(gè)環(huán)境變量對(duì)海灘與沙丘地貌形態(tài)空間變化所發(fā)揮的作用。盡管關(guān)于全球氣候變化引起的海平面抬升對(duì)海岸沙丘系統(tǒng)造成侵蝕的認(rèn)識(shí)已達(dá)成共識(shí)，但目前的研究大多通過模型預(yù)測(cè)，缺乏長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)調(diào)查數(shù)據(jù)驗(yàn)證。與國(guó)外研究現(xiàn)狀相比，中國(guó)海岸的波浪—海灘—沙丘相互作用研究程度相對(duì)較低，亟待進(jìn)一步深入研究。

4.2 展望

基于目前波浪—海灘—沙丘相互作用研究現(xiàn)狀，針對(duì)中國(guó)的波浪—海灘—沙丘相互作用研究不足，需要從以下幾個(gè)方面深入探索。

微觀尺度內(nèi)，全面監(jiān)測(cè)與調(diào)查波浪、潮汐環(huán)境要素與氣象要素，結(jié)合高精度的測(cè)深地形數(shù)據(jù)與海灘—沙丘橫向剖面地形，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)海灘—沙丘風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)模式，采用先進(jìn)數(shù)值模型模擬水動(dòng)力與風(fēng)動(dòng)力作用過程，綜合分析各環(huán)境要素與碎波帶、海灘、沙丘地形相互作用方式與作用程度，為中觀尺度研究提供依據(jù)。

中觀尺度內(nèi)，定期重復(fù)（月、季、年）觀測(cè)水下近岸帶、碎波帶、海灘地形與潮上帶海灘—沙丘地形地貌，并且在極端事件發(fā)生前后（如風(fēng)暴、大潮汐、風(fēng)暴與天文潮耦合）進(jìn)行野外觀測(cè)碎波帶、海灘、沙丘地形地貌變化。記錄極端事件發(fā)生的頻率與強(qiáng)度，研究事件對(duì)海灘與沙丘系統(tǒng)造成的影響及其系統(tǒng)反饋程度。結(jié)合事件尺度內(nèi)水、風(fēng)動(dòng)力對(duì)系統(tǒng)作用過程、作用效應(yīng)與非極端事件時(shí)的氣相、海相環(huán)境下碎波帶、海灘、沙丘地形地貌變化情況，探索中觀尺度的波浪—海灘—沙丘相互作用關(guān)系與機(jī)理。

宏觀尺度內(nèi)，基于微觀尺度與中觀尺度的三相相互作用關(guān)系研究，了解海岸區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)背景，對(duì)波候、潮汐與風(fēng)況長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，獲取平均海平面高度、總水位高度和海岸沉積物收支盈虧變化情況。結(jié)合多時(shí)空高分辨率的遙感影像解譯海岸線位置，并計(jì)算年/十年/百年際海岸線的變化率，分析氣候變化引起海平面上升導(dǎo)致的海岸線后退與海岸沙丘向陸移動(dòng)率和形態(tài)變化之間的關(guān)系。

總之，波浪—海灘—沙丘相互作用研究需在微觀、中觀與宏觀尺度框架下進(jìn)行，進(jìn)而建立不同尺度間相互作用的聯(lián)系，為全面深入揭示海岸沙丘形成發(fā)展及其演變規(guī)律提供依據(jù)。

致謝：感謝課題組的張紹云、符淑宜、符晶晶和邱星在撰寫論文初稿時(shí)給予的討論。感謝審稿人與編輯提出的建設(shè)性修改建議與評(píng)論。