小苏: 面向水深超过2000m的南海海盆，台湾海峡南部入口处有个平均深度仅20m的“门槛”——台湾浅滩。很早以前，比如1728年荷兰出版的海图集，人们已经标记了台湾浅滩的存在。1970年代，在美国人利用航线水深回声测量记录报道台湾浅滩水下沙波的同时，由中国科学院海洋研究所和福建省水产研究所组织的闽南渔场海洋鱼类资源调查队，也对台湾浅滩进行海底地形和底质的断面调查，揭示浅滩地势、水下沙波分布和沉积特征。基于这些早期认识，业内有人建议将台湾浅滩水下沙波群称为“海底沙漠”，乐观地提出开展台湾浅滩海砂资源库勘探和管理，发展海砂开采业。2010年代以来，台湾浅滩非法采砂事件频发，果然成为海峡两岸海洋治理的难点之一。严峻的事实催逼着海洋学界，能否运用当代科学观测成果，充分了解这些沉积砂体的存在价值及其对周边环境的作用，判断要不要将海砂开采业纳入台湾浅滩开发利用负面清单内？
老海：台湾浅滩地理位置较特殊，大规模组织航次调查的条件有限。通过遥感方法获取高分辨率数据反演，加上小型航次调查数据的真实性检验，是当前一条可行的科学观测路线。1990年代，海峡两岸遥感学者开始利用合成孔径雷达卫星获取海面粗糙度图像中的水下地形信息，分析台湾浅滩潮流沙脊和水下沙波群的平面分布和水深特征。由于当时合成孔径雷达卫星遥感图像的平面定位误差较大，厦门大学邵浩遂转向平面定位精度较优的多光谱光学卫星太阳耀光遥感图像，利用太阳耀光显示能够高精度定位的波脊线监测台湾浅滩水下沙波群动态，发现它们具有跨年代的时空稳定特征，就像台湾浅滩固有的“指纹”一样。据此原理，海洋二所张华国等汇集了千余时相的太阳耀光遥感图像，于2014年叠绘出整个台湾浅滩水下沙波波脊线的并集, 识别出4604条具有太阳耀光显示的波脊线，分布面积达16400 km2：它的东南子区与潮流沙脊伴生，南北向沙波占优，平均波长610m；它的西北子区以东北-西南向沙波占优，平均波长950m（图1a）。
图1 Jieqiong Zhou等《Giant sand waves on the Taiwan Banks, southern Taiwan Strait: Distribution, morphometric relationships, and hydrologic influence factors in a tide-dominated environment》论文截图。子图a背景为台湾浅滩水下沙波波脊线分布图，按其方向分为两大类，并据7个多波束水深控制条带将巨型沙波分为双脊沙波、对称沙波、对称-不对称沙波、不对称沙波等四个类型，其典型地形图和剖面图见b1至b4子图，注意这些剖面都是摆线状（载于：《Marine Geology》2020年第427卷第106238篇，第6页。）
小苏: 当时邵浩的论文还论证，基于海面粗糙度的动力学测深方法仅具有相对水深反演能力，需要引入一定数量实测水深数据约束，方可获取完整的三维水深模型。十余年过去了，这种遥感与实测相结合的台湾浅滩水下地貌监测能力是否已经形成？
老海：2014年，依托海洋公益性行业科研专项经费项目“珠江口、台湾浅滩地形变化监测管理保障系统”，海洋二所和海洋三所等单位在台湾浅滩联合组织了10个断面, 完成总长780 km，宽度150 m的多波束水深控制条带观测。虽然全覆盖地形测量面积仅占台湾浅滩的1%，但以其相当高的测量分辨率，以及典型区域的多期重复测量，再加上基于卫星太阳耀光图像的台湾浅滩水下沙波波脊分布序列观测与水深反演内插成果，支持着至今最为深入的台湾浅滩沙波地貌学系列研究。比如，海洋二所朱超等注意到台湾浅滩沙波分布在巨型 （波长>100 m，波高>5 m）、中型 （波长 5～100 m，波高 0.4～5 m）和小型（波长<5 m，波高<0.4 m）三种尺度。你看，只有巨型沙波的沙波波高与水深量级相近，其摆线状波脊的扰动可调制水面波动，导致波脊线的太阳耀光图像显示，而其他两类则仅与边界层水流有关，难与水面的波动相互作用。后来，海洋二所周洁琼等又按巨型沙波的剖面特征，将其分为双脊沙波、对称沙波、对称-不对称沙波、不对称沙波等四个类型（图1）。
小苏: 关于左右台湾浅滩东南与西北两个子区动力地貌学特征差异的成因，我想起了台湾中山大学詹森等2002年的论文。他的实验和理论分析揭示，南向半日潮到浅滩南侧陆坡时，会受到阻碍并被反射，并形成近乎驻波的潮汐形态。浅滩上潮流振幅突增，潮波能量在阶梯状地形转折带中集中耗散（图2）。显然，如何利用松散的沙质沉积，建造起经得起常态甚至极端态下强非线性能量耗散冲击的“阻尼器”，是个挑战性选题。
老海：是的，面对北向半日潮波的东南子区，发育着一系列长度约为其四分之一波长的潮流槽-脊复合体系，运用与半日潮波共振的阻抗匹配效应，就像手机依靠“同频共振”接收基站发射的无线电波信号一样，吸收潮波输入的能量，为台湾海峡及其沿岸筑起水下长城的第一道防线。海洋二所周洁琼等曾在2016年和2018年的多波束水深数据中，选择一段脊宽5 km, 脊高20 m的潮流沙脊，剖析两侧沙波迁移规律，潮流沙脊西侧沙波以大约每年50 m的向北迁移，而潮流沙脊东侧沙波脊线仅以每年几米的速度向南迁移，两侧松散的砂质沉积持续向潮流沙脊西北-东南走向的主脊线斜向汇聚，自适应地维护着潮流槽-脊复合体系的地貌结构。
图2 Sen Jan等《Transition of tidal waves from the east to South China Seas over the Taiwan Strait：influence of the abrupt step in the topography》论文的两张截图。左图为台湾海峡及其周边海域M2半日潮等潮时线和等潮差线分布图；右图为台湾浅滩阶梯地形的理想模型实验结果，左为M2半日潮等潮时线和等潮差线分布图，右为M2半日潮潮流椭圆分布图（载于：《Journal of Oceanography》2002年第58卷，第837-850页。）
小苏: 哦，第一道防线靠的是与潮波同频共振的阻抗匹配效应。那么，第二道防线呢？
老海：第二道防线是巨型沙波群。东南子区的潮流沙脊叠加着巨型沙波群，西北子区更以巨型沙波群为主。海洋三所鲍晶晶等根据2012年台风“Talim”过境前后的多波束水深重复测量数据，发现台风过境后，就是在巨型沙波的波脊顶部多被削去，叠覆的中型与小型沙波多被平滑，整个沙体平均侵蚀1.2 m的情况下，台湾浅滩巨型沙波波脊线的平面位置仍然保持稳定；风暴发生后一年内，沙波地貌业已恢复原状（图3）。可见由近百道巨型沙波重复结构组成的台湾浅滩拥有坚韧的抗台能力，那几千条巨型沙波共同建造的“指纹”，已经深深地刻入台湾浅滩的动力地貌学状态“记忆”之中。
图3 Jingjing Bao等《Morphodynamic response of sand waves in the Taiwan Shoal to a passing tropical storm》论文截图，2012年台风“Talim”过境前（左）、过境后（中）和1年后（右）的多波束水深重复测量数据（载于：《Marine Geology》2020年第426卷，第106196篇第8页。）
小苏: 恢复的沙源来自哪里？
老海：根据2011-2013年间的多波束水深重复测量数据，海洋二所周洁琼等确认台湾浅滩巨型沙波处于稳定状态，仅见沿沙波脊线走向的调整。而巨型沙波上叠加的中小型沙波迁移速度为1-5 m/a，迁移方向由两侧波谷聚向巨型沙波的波脊，同样自适应地维护着巨型沙波群地貌结构。显然，除了来自巨型沙波波谷的邻近沙源外，沿巨型沙波脊线走向侧向输入的远源泥沙，是水下沙波群地貌结构恢复的重要沙源。
小苏: 水下沙波群究竟如何实现水波能量耗散功能？
老海：在台湾浅滩水下沙波群，每一道巨型沙波摆线状波脊都是强非线性的谐波发生器。重复分布的巨型沙波摆线状地形共同组成的水波共振腔，在一定强度初始扰动下可激发海面共振，其基波波长约是沙波波长两倍，周期两三分钟，高阶的谐波波长和周期更短，可与波浪频谱重叠。共振频谱介于潮波和波浪两种主要输入能谱峰值之间的水下沙波群，在不具备与输入波能主频“同频共振”条件的平静天气下，已经营造出台湾浅滩水下沙波群“无风三尺浪”的共振储能与延时耗散景观（图3）。当存在与输入水波能量“同频共振”条件时，台湾浅滩水下沙波群立可吸收、储存与耗散诸如输入潮波强非线性作用激发的高阶“浅水分潮”，以及远程输入的涌浪长浪等对应频段的水波能量，将原来集中在两百余公里长潮波会合带耗散的能量，分散到万余平方公里的水下沙波群空间中缓冲实施，以空间、以时间，用“分布式”策略换取松散砂质沉积体可以稳定承受的能量耗散密度。
图4 平静天气下台湾浅滩水下沙波群引起的海面粗糙度调制，左为Landsat-5卫星近红外波段太阳耀光遥感图像，右为现场照片（载于：邵浩《台湾浅滩沙波的太阳耀光遥感研究》，厦门大学博士学位论文 2011年）
小苏: 这与海滩水下沙坝群防波原理相似，属于超结构水波能量耗散器！但是台湾浅滩巨型沙波的尺度更大，更适合吸收与耗散侵入台湾浅滩的潮波与长波冲击，为台湾海峡及其沿岸筑起水下长城的第二道防线。除了上面提到的“无风三尺浪”共振现象外，这一原理还得到其他现场观测证据的支持吗？
老海：首先，台湾浅滩的潮位过程多属正规半日分潮，浅海分潮影响很小，未有潮波会合带能见的涌潮现象报道。另外，台湾浅滩水下沙波群现场测量的半日潮流椭圆长轴，明显小于根据基于平滑化台湾浅滩地形的潮波数值模型模拟的半日潮流椭圆长轴。再之，根据高频地波雷达观测的台湾浅滩水下沙波群表面流场，可反演推算出高流速条件下底床剪切力“打滑”，底床剪切作用降低的减阻效应，但是现场观测的水柱湍动能量耗散比例仍居高位。这部分变换频道与延时耗散的水波能量可能来自水下沙波群存储的，介于潮波和波浪两种主要输入能谱峰值之间的水下沙波群共振频谱。
小苏: 按此推论，台湾浅滩水下沙波群的采砂活动，不仅非法，还是自毁水下长城！目前是否已经有了直接证据？
老海：就像我们的指纹一样，受损的台湾浅滩水下巨型沙波具有原位恢复趋向，但是恢复过程极为缓慢，并明显受限于周边沙源供给条件。2012-2020年间，海洋三所鲍晶晶等针对台湾浅滩西北子区一个无名采砂带，组织了采砂前后的5期多波束水深重复测量。当巨型沙波砂体被采砂船抽取去除后，两侧波谷的中型沙波可在几年内向原来波脊所在的采砂坑迁移聚集，在此形成比原有巨型沙波规模小得多的数道中型沙波（图4）。这些中型沙波是否能够重新聚集起巨型沙波，仍需若干年代的跟踪观测。对这些自修复作用的极限了解得非常充分之前，海砂开采业理应排除在台湾浅滩的开发利用之外。
图5 Jingjing Bao等《Regeneration and anti-migration of sand waves associated with sand mining in the Taiwan Shoal》论文截图，台湾浅滩巨型沙波采砂带采砂前（2012年、2014年）和采砂后（2016年、2018年、2020年）的多波束水深重复测量数据（载于：《Acta Oceanol. Sin.》2023年第42卷，第9期第73页。）
小苏：有没有研究可指出沙波遭破坏后带来的生态环境或水动力的影响？
老海：那就要看你们年轻的一代，你们的工具箱更为丰富。潮波会合带的涌潮现象，是一个可以利用合成孔径雷达遥感，或太阳耀光遥感监测到的水动力学影响信息，一个监测沙波群遭破坏后潮波能量耗散状态转换的标志性信号。厦门大学近四年来积累的“海丝一号”合成孔径雷达小卫星数据库中，或许已经抓到这个转换信号呢！
参考文献
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Bao, Jingjing, et al., 2020. Morphodynamic response of sand waves in the Taiwan Shoal to a passing tropical storm, Marine Geology 426, 106196.
Bao, Jingjing, et al., 2023. Regeneration and anti-migration of sand waves associated with sand mining in the Taiwan Shoal，Acta Oceanol. Sin., 42(9), 71-78.
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邵浩：《台湾浅滩沙波的太阳耀光遥感研究》，厦门大学博士学位论文 2011年。
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文| 李炎
