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家的關注。這些是巨大的孤立波浪突然出現在公海中。

這些令人費解的巨人很短暫，通常持續不到一分鐘就消失了。它們的高度可以達到 65 英尺（20 米）或更高，通常是周圍海浪高度的兩倍多。曾經的航海神話，現在已經觀察到了流氓波浪世界各地。因為它們又高又強大，所以它們可能對船舶和海上結構構成危險。

重新思考什么是流氓波浪以及是什么導致了它們，我聚集了一個國際研究團隊。我們的研究發表在自然科學報告,闡明這些海洋巨人使用同類數據集中最全面的數據集。

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通過分析北海中部埃科菲斯克石油平臺 18 年來的高頻激光測量結果，我們得出了一個令人驚訝的結論，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，海面上吹過的風會產生波浪。這就像當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致波浪突然失控并遠遠高于相鄰的波浪。一種提出的理論基于調制不穩定性，這是一種由復雜數學模型描述的現象。我有過去修改了這些模型，因為我的工作表明，該理論并不能完全解釋導致公海中流氓波浪的原因。

當波被困在狹窄的通道內時，調制不穩定性理論很好地描述了它們的漣漪運動。然而它開始分崩離析當你看到真正的海洋時。在北海等開闊環境中，波浪可以自由地從多個方向傳播。

要理解其中的區別，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，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寬闊的場地，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，研究人員可以在實驗室的密閉通道中產生流氓波，在那里他們服從調制不穩定性。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。

我們的團隊知道我們必須直接研究公海才能弄清楚到底發生了什么。我的團隊從北海檢查的真實世界數據與調制不穩定性不符——它講述了一個不同的故事。

這只是海上糟糕的一天

我們使用統計技術分析了海況記錄，以揭示這些罕見事件背后的模式。我們的研究結果表明，觀察到的極端波不是調制不穩定性，而是通過稱為相長干擾的過程形成的。

相長干擾當兩個或多個波浪排成一排并合并成一個浪時就會發生。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上升和下降，遵循所謂的空間和時間準確定性模式。這種類型的模式是可識別和可重復的，但帶有隨機性。

在理想化的海洋中，這種隨機性幾乎會消失，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，因為這么多人必須完美地排成一排。就像等待機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字上。

在真實的海洋中，大自然限制了流氓波浪的生長大小，這要歸功于破浪.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。

流氓波背后的準確定性模式

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

例如用于流經密閉通道的湍流水，流氓波浪以強烈、短暫的渦流尖峰的形式表現出來——水中旋轉的漩渦模式，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測，但博科蒂的理論表明，極端波浪并不是完全隨機的。當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、達到頂峰，然后通過建設性干擾消失。跟蹤這些波群可以讓研究人員了解流氓事件發生的大局。

例如，2023 年 11 月 24 日，一場強大的風暴襲擊了北海。Ekofisk 平臺的一臺攝像機捕捉到了 55 英尺（17 米）的巨大流氓波浪。我應用了準決定論和AI模型調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——準決定論和建設性干涉——并且來自多個反復堆疊在一起的較小波浪。

認識到流氓波浪的形成方式可以幫助工程師和設計師建造更安全的船舶和海上平臺，并更好地預測風險。

弗朗切斯科·費德爾，土木與環境工程副教授，佐治亞理工學院

本文轉載自對話根據知識共享許可。閱讀原文.

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