18年研究揭示了巨浪从何而来的真相

流氓波浪几十年来一直吸引着海员和科学家的关注。这些是巨大的孤立波浪突然出现在公海中。

这些令人费解的巨人很短暂，通常持续不到一分钟就消失了。它们的高度可以达到 65 英尺（20 米）或更高，通常是周围海浪高度的两倍多。曾经的航海神话，现在已经观察到了流氓波浪世界各地。因为它们又高又强大，所以它们可能对船舶和海上结构构成危险。

重新思考什么是流氓波浪以及是什么导致了它们，我聚集了一个国际研究团队。我们的研究发表在自然科学报告,阐明这些海洋巨人使用同类数据集中最全面的数据集。

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通过分析北海中部埃科菲斯克石油平台 18 年来的高频激光测量结果，我们得出了一个令人惊讶的结论，即流氓波浪不仅仅是怪异事件.它们是在海洋的自然法则下产生的。它们并不神秘，但有些简单。

27,500 个海州

我们分析了 2003 年至 2020 年间收集的近 27,500 条半小时波浪记录或海况在北海中部.这些记录每 30 分钟采集一次，描述了海面与平均海平面相比的高度。它们包括重大风暴，例如安德里亚波2007 年的活动。

在正常情况下，海面上吹过的风会产生波浪。这就像当你吹翻你的杯子时咖啡并在表面形成小涟漪。在海上，只要有足够的时间和空间，那些涟漪就会化作大浪。

我们专注于了解是什么导致波浪突然失控并远远高于相邻的波浪。一种提出的理论基于调制不稳定性，这是一种由复杂数学模型描述的现象。我有过去修改了这些模型，因为我的工作表明，该理论并不能完全解释导致公海中流氓波浪的原因。

当波被困在狭窄的通道内时，调制不稳定性理论很好地描述了它们的涟漪运动。然而它开始分崩离析当你看到真正的海洋时。在北海等开阔环境中，波浪可以自由地从多个方向传播。

要理解其中的区别，想象一下一群观众在一场足球比赛后离开体育场。如果出口是一条又长又窄的走廊，墙壁很高，人们就被迫向一个方向移动。后面的人向前推进，有些人甚至可能爬过其他人，堆积在狭窄的墙壁之间。这种灾难性的堆积就像一场流氓浪潮，由他们被限制起来。

相比之下，如果体育场的出口通向宽阔的场地，观众可以自由地向各个方向分散。他们不会互相推搡，也避免堆积。

同样，研究人员可以在实验室的密闭通道中产生流氓波，在那里他们服从调制不稳定性。但是，如果没有通道的限制，流氓波通常不会遵循这些物理原理，也不会在公海中以相同的方式形成。

我们的团队知道我们必须直接研究公海才能弄清楚到底发生了什么。我的团队从北海检查的真实世界数据与调制不稳定性不符——它讲述了一个不同的故事。

这只是海上糟糕的一天

我们使用统计技术分析了海况记录，以揭示这些罕见事件背后的模式。我们的研究结果表明，观察到的极端波不是调制不稳定性，而是通过称为相长干扰的过程形成的。

相长干扰当两个或多个波浪排成一排并合并成一个浪时就会发生。这种效果被自然放大了海浪的不对称性– 它们的波峰通常比平坦的波谷更锋利、更陡峭。

当许多较小的波浪排成一排，它们更陡峭的波峰开始堆积时，就会形成一个单一的巨浪，短暂地高出周围环境。平静的乘船之旅变成海上糟糕的一天，只需要许多普通的海浪汇聚和堆叠的时刻。

这些流氓波在不到一分钟的时间内上升和下降，遵循所谓的空间和时间准确定性模式。这种类型的模式是可识别和可重复的，但带有随机性。

在理想化的海洋中，这种随机性几乎会消失，让流氓波浪增长到几乎无限的高度。但目睹其中一波也需要很长时间，因为这么多人必须完美地排成一排。就像等待机会女神福尔图娜掷一万亿个骰子，几乎所有的骰子都落在同一个数字上。

在真实的海洋中，大自然限制了流氓波浪的生长大小，这要归功于破浪.随着波的高度和能量上升，它无法保持超过一定水平不归路.波浪的尖端溢出并破裂成泡沫或白帽，释放出多余的能量。

流氓波背后的准确定性模式

汹涌的海浪不仅限于大海。相长干扰可能发生在许多类型的波上。一种称为波的准决定性，由海洋学家开发保罗·博科蒂，解释了在海洋和其他波浪系统中流氓波浪是如何形成的。

例如用于流经密闭通道的湍流水，流氓波浪以强烈、短暂的涡流尖峰的形式表现出来——水中旋转的漩涡模式，随着它们向下游移动，这些漩涡会暂时变大。

虽然海浪似乎不可预测，但博科蒂的理论表明，极端波浪并不是完全随机的。当一个非常大的波浪形成时，它周围海洋中的波浪会遵循通过相长干涉形成的可识别模式。

我们应用博科蒂的理论来识别和表征测量的北海波浪记录中的这些模式。

在这些记录中观察到的巨浪带有一种特征或指纹，其形式为波组，这可以揭示流氓浪潮是如何诞生的。将波浪群想象成一小包一起移动的波浪。它们上升、达到顶峰，然后通过建设性干扰消失。跟踪这些波群可以让研究人员了解流氓事件发生的大局。

例如，2023 年 11 月 24 日，一场强大的风暴袭击了北海。Ekofisk 平台的一台摄像机捕捉到了 55 英尺（17 米）的巨大流氓波浪。我应用了准决定论和AI模型调查这股极端浪潮的起源。

我的分析表明，流氓事件遵循这些理论——准决定论和建设性干涉——并且来自多个反复堆叠在一起的较小波浪。

认识到流氓波浪的形成方式可以帮助工程师和设计师建造更安全的船舶和海上平台，并更好地预测风险。

弗朗切斯科·费德尔，土木与环境工程副教授，佐治亚理工学院

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