新研究发现海浪的增长速度远远超出了已知的极限

今天发表在《自然》杂志上的新研究表明，在特定条件下，当波浪从不同方向相遇时，波浪的高度可以达到曾经认为可能的四倍。

人们通常认为波浪是二维的，迄今为止对波浪破碎的理解也基于这些假设。然而，在海洋中，波浪可以向多个方向传播，很少符合这种简化的模型。

曼彻斯特大学的 Samuel Draycott 博士和牛津大学的 Mark McAllister 博士等研究团队的最新见解表明，三维波具有更复杂、多向的运动，与传统的二维波相比，其在破碎前的陡峭程度可以提高一倍，更令人惊讶的是，即使在破碎之后，其陡峭程度仍会继续增加。

该研究结果可能对海上结构的设计、天气预报和气候建模产生影响，同时也影响我们对几种海洋过程的基本理解。

代尔夫特理工大学的研究员 Ton van den Bremer 教授表示，这种现象是前所未有的，“一旦常规波浪破裂，就会形成一个白色的波浪帽，并且无法返回。但是，当具有高方向性扩散的波浪破裂时，它可以继续增长。”

三维波是由沿不同方向传播的波产生的。三维波的极端形式是波系“交叉”，这种情况发生在波系相遇或风向突然改变的情况下，例如飓风期间。这些波的方向越分散，产生的波就会越大。

曼彻斯特大学海洋工程高级讲师 Sam Draycott 博士表示：“我们发现，在这些定向条件下，波浪在破碎之前可以远远超过通常假设的上限。与单向(2D)波不同，多向波在破碎之前可以变得大两倍。”

都柏林大学和巴黎萨克雷高等师范学院的弗雷德里克·迪亚斯 (Frederic Dias) 教授补充道：“无论我们是否愿意，在现实世界中，水波通常是三维的，而不是二维的。在 3D 世界中，波浪破碎的方式更多。”

当前海洋结构的设计和安全特性基于标准的二维波浪模型，研究结果建议对这些结构进行审查，以解释三维波浪更复杂和极端的行为。

牛津大学和 Wood Thilsted Partners 的 Mark McAllister 博士表示：“在海上风力涡轮机和其他海洋结构的设计中，波浪的三维性经常被忽视，我们的研究结果表明，这可能导致对极端波高的低估和潜在的设计不太可靠。”

这些发现还可能影响我们对几种海洋过程的根本理解。

德雷科特博士说：“波浪破碎在海气交换中起着关键作用，包括吸收二氧化碳，同时也影响海洋中颗粒物的输送，包括浮游植物和微塑料。”

该项目延续了2018 年发表的一项研究成果，首次在爱丁堡大学的 FloWave 海洋能研究设施全面重现和研究著名的德劳普纳巨浪。现在，该团队开发了一种新的 3D 波浪测量技术，可以更仔细地研究波浪破碎。

FloWave 造浪池是一个圆形的多向波浪和水流模拟池，特别适合从多个方向产生波浪。

爱丁堡大学 FloWave 首席实验官 Thomas Davey 博士表示：“在实验室规模上创造真实世界海况的复杂性是 FloWave 的核心使命。这项工作利用波浪盆的多向功能来隔离这些重要的波浪破碎行为，将这一使命提升到了一个新水平。”

爱丁堡大学的罗斯·卡尔弗特博士补充道：“这是我们第一次能够在如此大的区域内以如此高的空间分辨率测量波高，让我们对复杂的波浪破碎行为有了更详细的了解。”