一項最新研究強調，在特定條件下，海浪的陡度可以達到以前認為的四倍，這對標準的二維波浪物理模型提出了挑戰。研究人員發現，多方向環境中的三維波浪即​​使在破碎後也會變得更加陡峭，這對近海結構設計、天氣預報和了解海洋過程具有重要意義。

3D波浪，法國毛姆松灣。 圖片來源：Fabien Duboc

極端波浪動力學

研究人員發現了一個驚人的發現：海浪可能會變得比以前想像的更加極端和複雜。

這項新研究發表在9月18日的《自然》（Nature）雜誌上，它揭示了在特定條件下，當波浪從不同方向相互交匯時，波浪能達到的陡峭高度是以前想像的四倍。

人們通常認為波浪是二維的，迄今為止對破浪的理解也是基於這種假設。 然而，在海洋中，波浪可以向多個方向傳播，很少符合這種簡化模型。

波浪複雜性研究取得突破

包括來自曼徹斯特大學的Samuel Draycott博士和來自牛津大學的Mark McAllister博士在內的一組研究人員的最新研究成果。 來自牛津大學的馬克-麥卡利斯特（Mark McAllister）博士組成的研究小組發現，三維波浪具有更複雜的多向運動，與傳統的二維波浪相比，三維波浪在破浪前的陡度是傳統波浪的兩倍，更令人驚訝的是，即使在破浪後，三維波​​浪的陡度仍會繼續增加。

這些發現可能會對海上結構的設計、天氣預報和氣候建模產生影響，同時也會影響我們對一些海洋過程的基本認知。

愛丁堡FloWave 海洋能源研究設施。 圓形水池直徑為25 米，可用於從多個方向產生波浪。 資料來源：愛丁堡大學

對近海設計和安全的影響

代爾夫特理工大學研究員Ton van den Bremer 教授說，這種現像是前所未有的：”傳統的海浪一旦斷裂，就會形成一個白帽，再也無法返回。 但是，當具有高定向傳播性的波浪斷裂時，它可以繼續生長”。

三維波是由於波向不同方向傳播而產生的。 其極端形式是波系”交叉”，發生在波系相遇或風向突然改變的情況下，如颶風期間。 這些波浪的方向越分散，產生的波浪就越大。

曼徹斯特大學海洋工程高級講師Sam Draycott 博士說：”我們的研究表明，在這些定向條件下，波浪在斷裂前可以遠遠超過通常假定的上限。與單向（2D）波不同，多向波在斷裂前可以變得兩倍大。

都柏林大學學院和巴黎薩克雷高等師範學院的弗雷德里克-迪亞斯教授補充說：”無論我們是否願意，在現實世界中，水波往往是三維的，而不是二維的。在三維空間中，海浪有更多的破浪方式。

創新的感測器陣列使得對海浪進行精確的三維測量成為可能。 資料來源：愛丁堡大學

推進海洋研究與設計

目前海洋結構的設計和安全特性都是基於標準的二維波浪模型，研究結果可能會建議對這些結構進行審查，以考慮到三維波浪更加複雜和極端的行為。

牛津大學和伍德-蒂爾斯泰德合夥人公司的馬克-麥卡利斯特博士說：”我們的研究結果表明，這可能會導致對極端波浪高度的估計不足，並可能導致設計可靠性降低。

這些發現也可能影響我們對若干海洋過程的基本認知。

Draycott 博士說：”破浪在海氣交換中發揮關鍵作用，包括吸收C02，同時也影響著海洋中包括浮游植物和微塑膠在內的顆粒物質的遷移。”

該計畫是繼2018年發表的先前研究後，首次在愛丁堡大學的FloWave海洋能源研究設施完全再現並研究著名的德勞普納怪浪。 現在，研究小組已經開發出一種新的三維波浪測量技術，可以更近距離地研究破浪。

創新的感測器陣列使得對海浪進行精確的三維測量成為可能。 資料來源：愛丁堡大學

利用新技術進行詳細分析

FloWave 波浪池是一個圓形多向波浪和海流模擬池，非常適合從多個方向產生波浪。

愛丁堡大學FloWave 首席實驗官托馬斯-戴維博士說：”在實驗室尺度上創造真實世界的複雜海況是FloWave 的核心使命。這項工作透過利用波盆的多方向能力來分離這些重要的破浪行為，將這項任務提升到了一個新的高度。

編譯自/ SciTechDaily