18年研究揭示了巨浪從何而來的真相

流氓波浪幾十年來一直吸引著海員和科學(xué)家的關(guān)注。這些是巨大的孤立波浪突然出現(xiàn)在公海中。

這些令人費(fèi)解的巨人很短暫，通常持續(xù)不到一分鐘就消失了。它們的高度可以達(dá)到 65 英尺（20 米）或更高，通常是周圍海浪高度的兩倍多。曾經(jīng)的航海神話，現(xiàn)在已經(jīng)觀察到了流氓波浪世界各地。因?yàn)樗鼈冇指哂謴?qiáng)大，所以它們可能對船舶和海上結(jié)構(gòu)構(gòu)成危險(xiǎn)。

重新思考什么是流氓波浪以及是什么導(dǎo)致了它們，我聚集了一個國際研究團(tuán)隊(duì)。我們的研究發(fā)表在自然科學(xué)報(bào)告,闡明這些海洋巨人使用同類數(shù)據(jù)集中最全面的數(shù)據(jù)集。

相關(guān)：太平洋巨浪是有記錄以來最極端的“流氓浪潮”

通過分析北海中部?？品扑箍耸推脚_ 18 年來的高頻激光測量結(jié)果，我們得出了一個令人驚訝的結(jié)論，即流氓波浪不僅僅是怪異事件.它們是在海洋的自然法則下產(chǎn)生的。它們并不神秘，但有些簡單。

27,500 個海州

我們分析了 2003 年至 2020 年間收集的近 27,500 條半小時波浪記錄或海況在北海中部.這些記錄每 30 分鐘采集一次，描述了海面與平均海平面相比的高度。它們包括重大風(fēng)暴，例如安德里亞波2007 年的活動。

在正常情況下，海面上吹過的風(fēng)會產(chǎn)生波浪。這就像當(dāng)你吹翻你的杯子時咖啡并在表面形成小漣漪。在海上，只要有足夠的時間和空間，那些漣漪就會化作大浪。

我們專注于了解是什么導(dǎo)致波浪突然失控并遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相鄰的波浪。一種提出的理論基于調(diào)制不穩(wěn)定性，這是一種由復(fù)雜數(shù)學(xué)模型描述的現(xiàn)象。我有過去修改了這些模型，因?yàn)槲业墓ぷ鞅砻?，該理論并不能完全解釋?dǎo)致公海中流氓波浪的原因。

當(dāng)波被困在狹窄的通道內(nèi)時，調(diào)制不穩(wěn)定性理論很好地描述了它們的漣漪運(yùn)動。然而它開始分崩離析當(dāng)你看到真正的海洋時。在北海等開闊環(huán)境中，波浪可以自由地從多個方向傳播。

要理解其中的區(qū)別，想象一下一群觀眾在一場足球比賽后離開體育場。如果出口是一條又長又窄的走廊，墻壁很高，人們就被迫向一個方向移動。后面的人向前推進(jìn)，有些人甚至可能爬過其他人，堆積在狹窄的墻壁之間。這種災(zāi)難性的堆積就像一場流氓浪潮，由他們被限制起來。

相比之下，如果體育場的出口通向?qū)掗煹膱龅?，觀眾可以自由地向各個方向分散。他們不會互相推搡，也避免堆積。

同樣，研究人員可以在實(shí)驗(yàn)室的密閉通道中產(chǎn)生流氓波，在那里他們服從調(diào)制不穩(wěn)定性。但是，如果沒有通道的限制，流氓波通常不會遵循這些物理原理，也不會在公海中以相同的方式形成。

我們的團(tuán)隊(duì)知道我們必須直接研究公海才能弄清楚到底發(fā)生了什么。我的團(tuán)隊(duì)從北海檢查的真實(shí)世界數(shù)據(jù)與調(diào)制不穩(wěn)定性不符——它講述了一個不同的故事。

這只是海上糟糕的一天

我們使用統(tǒng)計(jì)技術(shù)分析了海況記錄，以揭示這些罕見事件背后的模式。我們的研究結(jié)果表明，觀察到的極端波不是調(diào)制不穩(wěn)定性，而是通過稱為相長干擾的過程形成的。

相長干擾當(dāng)兩個或多個波浪排成一排并合并成一個浪時就會發(fā)生。這種效果被自然放大了海浪的不對稱性– 它們的波峰通常比平坦的波谷更鋒利、更陡峭。

當(dāng)許多較小的波浪排成一排，它們更陡峭的波峰開始堆積時，就會形成一個單一的巨浪，短暫地高出周圍環(huán)境。平靜的乘船之旅變成海上糟糕的一天，只需要許多普通的海浪匯聚和堆疊的時刻。

這些流氓波在不到一分鐘的時間內(nèi)上升和下降，遵循所謂的空間和時間準(zhǔn)確定性模式。這種類型的模式是可識別和可重復(fù)的，但帶有隨機(jī)性。

在理想化的海洋中，這種隨機(jī)性幾乎會消失，讓流氓波浪增長到幾乎無限的高度。但目睹其中一波也需要很長時間，因?yàn)檫@么多人必須完美地排成一排。就像等待機(jī)會女神福爾圖娜擲一萬億個骰子，幾乎所有的骰子都落在同一個數(shù)字上。

在真實(shí)的海洋中，大自然限制了流氓波浪的生長大小，這要?dú)w功于破浪.隨著波的高度和能量上升，它無法保持超過一定水平不歸路.波浪的尖端溢出并破裂成泡沫或白帽，釋放出多余的能量。

流氓波背后的準(zhǔn)確定性模式

洶涌的海浪不僅限于大海。相長干擾可能發(fā)生在許多類型的波上。一種稱為波的準(zhǔn)決定性，由海洋學(xué)家開發(fā)保羅·博科蒂，解釋了在海洋和其他波浪系統(tǒng)中流氓波浪是如何形成的。

例如用于流經(jīng)密閉通道的湍流水，流氓波浪以強(qiáng)烈、短暫的渦流尖峰的形式表現(xiàn)出來——水中旋轉(zhuǎn)的漩渦模式，隨著它們向下游移動，這些漩渦會暫時變大。

雖然海浪似乎不可預(yù)測，但博科蒂的理論表明，極端波浪并不是完全隨機(jī)的。當(dāng)一個非常大的波浪形成時，它周圍海洋中的波浪會遵循通過相長干涉形成的可識別模式。

我們應(yīng)用博科蒂的理論來識別和表征測量的北海波浪記錄中的這些模式。

在這些記錄中觀察到的巨浪帶有一種特征或指紋，其形式為波組，這可以揭示流氓浪潮是如何誕生的。將波浪群想象成一小包一起移動的波浪。它們上升、達(dá)到頂峰，然后通過建設(shè)性干擾消失。跟蹤這些波群可以讓研究人員了解流氓事件發(fā)生的大局。

例如，2023 年 11 月 24 日，一場強(qiáng)大的風(fēng)暴襲擊了北海。Ekofisk 平臺的一臺攝像機(jī)捕捉到了 55 英尺（17 米）的巨大流氓波浪。我應(yīng)用了準(zhǔn)決定論和AI模型調(diào)查這股極端浪潮的起源。

我的分析表明，流氓事件遵循這些理論——準(zhǔn)決定論和建設(shè)性干涉——并且來自多個反復(fù)堆疊在一起的較小波浪。

認(rèn)識到流氓波浪的形成方式可以幫助工程師和設(shè)計(jì)師建造更安全的船舶和海上平臺，并更好地預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)。

弗朗切斯科·費(fèi)德爾，土木與環(huán)境工程副教授，佐治亞理工學(xué)院

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