研究人员揭示了海洋异常波的真正形成过程

1995年1月1日，一股高达80英尺（约24米）的巨浪袭击了北海的德劳普纳（Draupner）石油平台。巨浪的力量击弯了钢栏杆，并将重型设备掀翻在甲板上，但其最显著的影响是它提供了证据。科学家们首次能够在公海中精确测量并记录下异常波（也叫流氓波、疯狗浪），这并非异常现象，而是正常海洋动力学的结果。新数据显示，它们是可以预测的。

“这证实了几个世纪以来航海家们的描述，”佐治亚理工学院土木与环境工程学院副教授弗朗西斯科·费德勒（Francesco Fedele）说。“他们总是谈论这些突然出现、体型巨大的海浪——但很长一段时间以来，我们都认为这只是一个神话。”

那次测量到的海浪让异常波不再只是神话，而是进入了科学领域，引发了数十年关于其起源的争论。

弗朗西斯科·费德勒（Francesco Fedele）长期以来一直质疑标准理论，他领导了一个国际研究团队，探索这些巨浪的真正形成机制。他们的研究发表在《自然科学报告》上，凸显了他们结论的重要性。该团队分析了北海18年间的27500条海浪记录，创建了迄今为止该领域最全面的数据集。

“德劳普纳波浪”与三辆校车水平叠放的大小对比。图片来源：佐治亚理工学院

每条记录都记录了30分钟的详细信息，包括海浪高度、频率和方向。研究结果颠覆了长期以来的观点，表明异常波的出现并不需要异常或“奇特”的机制——只需要与已知的海洋过程精确匹配即可。

费德勒解释说：“异常波遵循海洋的自然规律，并非例外。这是迄今为止最确凿的真实证据。”

关于异常波形成的主流理论是一种被称为调制不稳定性（modular instability）的现象，即波与波之间时间和间隔的细微变化导致能量集中到单个波中。波型不再保持均匀分布，而是发生了变化，导致一个波突然变得比其他波大得多。

费德勒指出，调制不稳定性“主要适用于波浪被限制在通道内的情况，例如在实验室实验中，能量只能朝一个方向流动。然而，在公海中，能量可以朝多个方向扩散。”

当费德勒和他的同事检查北海记录时，他们没有发现任何迹象表明调制不稳定性在疯狗浪中发挥了作用。相反，他们得出结论，最大的海浪是由两个众所周知的过程相互作用而产生的：

线性聚焦——当以不同速度和方向移动的波在同一时间和空间点相遇时，就会发生这种情况，它们结合在一起形成比正常情况高得多的波峰。

二阶边界非线性——一种改变波浪形状的自然效应，波峰变尖锐、升高，波谷变平坦。这种畸变可以使大浪的高度增加 15% 到 20%。

费德勒指出，当这两种机制同时发生时，会产生极其强大的海浪。海洋运动固有的非线性特性又增加了一层放大作用，使海浪变得更大。

费德勒强调，这项研究具有现实意义。疯狗浪并非仅存在于理论中，而是真实存在的，威力巨大，对船舶和海上结构构成威胁。费德勒表示，许多预测模型仍然将异常波视为不可预测的意外事件。“它们虽然极端，但可以解释。更新这些模型意义重大，这对于船舶航行、沿海建筑和石油平台的安全至关重要，它们的设计必须能够承受这些极端事件。”

费德勒的研究已经影响了其他人对海洋风险的看法。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）和能源公司雪佛龙正在使用他的模型来预测异常巨浪最有可能袭击的时间和地点。

他目前正在利用机器学习梳理数十年的海浪数据，训练算法来探测极端海浪来临前的细微组合——高度、方向和时间，目标是为预报员提供更精准的工具，预测异常巨浪何时可能袭来。

这项研究的教训很简单：异常波并非规律的例外——而是规律的产物。大自然无需打破自身规律就能给我们带来惊喜。它只需要时间，以及一个所有一切都错位的罕见时刻。

虽然海浪看似随机，但像异常波这样的极端巨浪却遵循着一种自然可识别的模式。每个异常波都带有一种“指纹”——波峰前后的结构化波浪群，揭示了其形成过程。

“异常波可以被看成海上糟糕的一天，”费德勒说。“它们是极端事件，但它们也是海洋语言的一部分，这让我们学会了如何倾听。”

编译自/scitechdaily