研究发现海浪比想象中陡峭4倍

3D波浪，法国毛姆松湾。 图片来源：Fabien Duboc

极端波浪动力学

研究人员发现了一个惊人的发现：海浪可能会变得比以前想象的更加极端和复杂。

这项新研究发表在9月18日的《自然》（Nature）杂志上，它揭示了在特定条件下，当波浪从不同方向相互交汇时，波浪能达到的陡峭高度是以前想象的四倍。

人们通常认为波浪是二维的，迄今为止对破浪的理解也是基于这种假设。 然而，在海洋中，波浪可以向多个方向传播，很少符合这种简化模型。

波浪复杂性研究取得突破

包括来自曼彻斯特大学的Samuel Draycott博士和来自牛津大学的Mark McAllister博士在内的一组研究人员的最新研究成果。 来自牛津大学的马克-麦卡利斯特（Mark McAllister）博士组成的研究小组发现，三维波浪具有更复杂的多向运动，与传统的二维波浪相比，三维波浪在破浪前的陡度是传统波浪的两倍，更令人惊讶的是，即使在破浪后，三维波浪的陡度仍会继续增加。

这些发现可能会对海上结构的设计、天气预报和气候建模产生影响，同时也会影响我们对一些海洋过程的基本认识。

爱丁堡 FloWave 海洋能源研究设施。 圆形水池直径为 25 米，可用于从多个方向产生波浪。 资料来源：爱丁堡大学

对近海设计和安全的影响

代尔夫特理工大学研究员 Ton van den Bremer 教授说，这种现象是前所未有的："传统的海浪一旦断裂，就会形成一个白帽，再也无法返回。 但是，当具有高定向传播性的波浪断裂时，它可以继续生长"。

三维波是由于波向不同方向传播而产生的。 其极端形式是波系"交叉"，发生在波系相遇或风向突然改变的情况下，如飓风期间。 这些波浪的方向越分散，产生的波浪就越大。

曼彻斯特大学海洋工程高级讲师 Sam Draycott 博士说："我们的研究表明，在这些定向条件下，波浪在断裂前可以远远超过通常假定的上限。 与单向（2D）波不同，多向波在断裂前可以变得两倍大。"

都柏林大学学院和巴黎萨克雷高等师范学院的弗雷德里克-迪亚斯教授补充说："无论我们是否愿意，在现实世界中，水波往往是三维的，而不是二维的。 在三维空间中，海浪有更多的破浪方式。"

创新的传感器阵列使得对海浪进行精确的三维测量成为可能。 资料来源：爱丁堡大学

推进海洋研究与设计

目前海洋结构的设计和安全特性都是基于标准的二维波浪模型，研究结果可能会建议对这些结构进行审查，以考虑到三维波浪更加复杂和极端的行为。

牛津大学和伍德-蒂尔斯泰德合伙人公司的马克-麦卡利斯特博士说："我们的研究结果表明，这可能会导致对极端波浪高度的估计不足，并可能导致设计可靠性降低。"

这些发现还可能影响我们对若干海洋过程的基本认识。

Draycott 博士说："破浪在海气交换中发挥着关键作用，包括吸收C02，同时也影响着海洋中包括浮游植物和微塑料在内的颗粒物质的迁移。"

该项目是继2018年发表的先前研究之后，首次在爱丁堡大学的FloWave海洋能源研究设施完全再现和研究著名的德劳普纳怪浪。 现在，研究小组已经开发出一种新的三维波浪测量技术，可以更近距离地研究破浪。

创新的传感器阵列使得对海浪进行精确的三维测量成为可能。 资料来源：爱丁堡大学

利用新技术进行详细分析

FloWave 波浪池是一个圆形多向波浪和海流模拟池，非常适合从多个方向产生波浪。

爱丁堡大学 FloWave 首席实验官托马斯-戴维博士说："在实验室尺度上创造真实世界的复杂海况是 FloWave 的核心使命。 这项工作通过利用波盆的多方向能力来分离这些重要的破浪行为，将这一任务提升到了一个新的高度。这是我们第一次能够在如此大的范围内以如此高的空间分辨率测量波高，让我们对复杂的破浪行为有了更详细的了解。"

编译自/SciTechDaily