傳說中數(shù)十米高“瘋狗浪”的科學(xué)根據(jù)

尼克·弗萊明

幾乎垂直而起，高達(dá)10層樓的泡沫水墻，砸在舷窗上，淹沒了上層甲板的船艙。30米高的巨浪驟然涌起，將船只像軟木瓶塞一樣拋來(lái)拋去，片刻之后，一切平復(fù)，巨浪退回大洋深處。

幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，水手們傳說著海中一些憑空涌現(xiàn)的巨大“異常涌浪”。由于鮮有確鑿的證據(jù)，巨浪的高度在口耳相傳中越傳越神，科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)把它們視為不足以信的玄虛故事。

約半個(gè)世紀(jì)前，對(duì)異常巨浪的懷疑主義者開始使用科學(xué)證據(jù)來(lái)論證。據(jù)當(dāng)時(shí)科學(xué)家對(duì)異常海浪產(chǎn)生的最合理解釋：每三萬(wàn)年才可能會(huì)出一次30米的大浪，因此關(guān)于“異常涌浪”的傳說可與美人魚和海怪一起歸為神話。

然而，我們現(xiàn)在知道涌浪絕非海事神話。

波是一種使兩點(diǎn)之間能量產(chǎn)生移動(dòng)的擾動(dòng)。最常見的波發(fā)生在水中，但還有很多其他種類的波，例如：不可見的無(wú)線電波通過空氣傳播。雖然橫跨大西洋的波浪與電波不同，但它們都遵照相同的原理，并且可用相同的數(shù)學(xué)公式來(lái)描述。

傳說中的異常涌浪高度至少是"有效波高"的兩倍，“有效波高”是指在給定時(shí)間段內(nèi)前1/3高波浪的平均值。根據(jù)衛(wèi)星測(cè)量，異常涌浪不僅存在，而且還頻繁發(fā)生。這次懷疑論者是大錯(cuò)特錯(cuò)，而久傳的民間神話則證實(shí)是確鑿的自然現(xiàn)象。

新的認(rèn)識(shí)使得科學(xué)家們又面臨新的難題。鑒于存在的事實(shí)，是什么原因?qū)е庐惓Ｓ坷耍繉?duì)于航海之人來(lái)說，更重要的是它們能被預(yù)測(cè)嗎？

直到20世紀(jì)90年代，科學(xué)界關(guān)于海浪如何形成的理論深受英國(guó)數(shù)學(xué)家和海洋學(xué)家朗特-希金斯的影響。在20世紀(jì)50年代開始出版的著作中，他指出，當(dāng)兩個(gè)或更多波浪相撞時(shí)，通過一個(gè)稱為“建設(shè)性干涉”的過程，會(huì)形成更大的波浪。根據(jù)“線性迭加”的原理，新波的高度應(yīng)該只是原波高度的總和。根據(jù)這種觀點(diǎn)，只有足夠的波浪聚集在一點(diǎn)，異常涌浪才能形成。

然而在20世紀(jì)60年代，證據(jù)表明事實(shí)可能并不那么簡(jiǎn)單。重要的研究者是在劍橋大學(xué)做過淺水長(zhǎng)池中的波浪動(dòng)力學(xué)研究的數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家本杰明。

本杰明和他的學(xué)生費(fèi)爾一起注意到，雖然波可能始于恒定的頻率和波長(zhǎng)，但生成后不久就會(huì)意外地發(fā)生變化。波長(zhǎng)較長(zhǎng)的會(huì)抓住波長(zhǎng)較短的。這意味著許多能量最終集中在一個(gè)大浪時(shí)會(huì)瞬間即逝。

起初，本杰明和費(fèi)爾認(rèn)為設(shè)備存在問題。然而，當(dāng)他們?cè)趥惗馗浇挠?guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的更大的儲(chǔ)罐中重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，結(jié)果是一樣的。而且其他科學(xué)家也獲得了同樣的結(jié)果。

多年來(lái)，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，這種“本杰明-費(fèi)爾不穩(wěn)定性”只發(fā)生在人工實(shí)驗(yàn)室生成的同一方向的波浪中。然而面對(duì)實(shí)踐中的證據(jù)，這種假設(shè)越來(lái)越站不住腳。

1978年12月12日凌晨3點(diǎn)，大西洋中部一艘名為慕尼黑的德國(guó)貨船發(fā)出了求救信號(hào)。盡管進(jìn)行了廣泛的搜救，但該船從此消失，27人喪生。一艘救生艇被找回。這艘救生艇原本放在船身吃水線以上66英尺（20米）處，完全沒有曾放落使用過的跡象，但艇身似乎受到了極強(qiáng)的沖擊。

然而，真正導(dǎo)致對(duì)異常涌浪的認(rèn)識(shí)徹底改變是1995年元旦下午3時(shí)20分，沖擊了挪威海岸卓普尼石油平臺(tái)的一個(gè)巨浪。當(dāng)時(shí)颶風(fēng)正勁，12米的海浪正沖擊著鉆機(jī)。工人們已經(jīng)被安置在室內(nèi)。沒有人看到波浪，但是由激光測(cè)距儀記錄下來(lái)的巨浪，從波谷到波峰高達(dá)26米，有效波高10.8米。根據(jù)當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)，這種大浪每一萬(wàn)年才有可能發(fā)生一次。

卓普尼巨浪揭開了巨浪科學(xué)的新篇章。來(lái)自歐盟高浪項(xiàng)目的科學(xué)家分析了2003年三周內(nèi)的三萬(wàn)張衛(wèi)星圖像時(shí)，發(fā)現(xiàn)全球最高的10個(gè)大浪達(dá)到或超過了25米。

芬蘭阿爾托大學(xué)的夏布布說：“衛(wèi)星觀測(cè)表明海洋中存在的異常涌浪比線性理論預(yù)測(cè)的要多得多，這必有其他原因。”

在過去的20年左右，夏布布等研究人員試圖解釋為什么異常涌浪超乎預(yù)知的如此普遍。正如朗特-希金斯所指，異常涌浪不是線性的，而是非線性系統(tǒng)的一個(gè)典型。

非線性方程是輸出變量與輸入變量不成正比的方程。如果波以非線性方式相互作用，則無(wú)法通過疊加原高來(lái)計(jì)算新的波高。相反，一組波中的某一個(gè)可能會(huì)以吸收其他波的能量而快速高漲。

當(dāng)物理學(xué)家想要研究像原子這樣的微觀系統(tǒng)如何隨時(shí)間變化時(shí)，他們經(jīng)常使用一種稱為薛定諤方程的數(shù)學(xué)工具。事實(shí)證明，某些薛定諤方程的非線性版本可以用來(lái)解釋為何異常涌浪能夠形成。其基本理論是，當(dāng)波浪變得不穩(wěn)定時(shí)，可以通過“竊取”其他波的能量而快速生長(zhǎng)。

研究人員已經(jīng)證明，非線性薛定諤方程可以解釋海浪統(tǒng)計(jì)模型如何通過能量聚焦突然增長(zhǎng)到極端高度。2016年的一項(xiàng)研究中，夏布布將相同的模型應(yīng)用于更現(xiàn)實(shí)，不規(guī)則的海況數(shù)據(jù)，并發(fā)現(xiàn)異常涌浪仍可能發(fā)生。

夏布布說：“我們現(xiàn)在能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中產(chǎn)生仿真的異常涌浪，條件與海洋類似。如果一個(gè)非線性系統(tǒng)能夠產(chǎn)生災(zāi)難性的異常涌浪，就不應(yīng)讓海上平臺(tái)和船舶的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以線性理論作依據(jù)。”

不過并不是每個(gè)人都相信夏布布找到了終極答案。

柏林馬克斯·玻恩研究所的光學(xué)物理學(xué)家斯坦梅耶認(rèn)為：“夏布布檢驗(yàn)了孤立的波浪，沒有考慮其他波浪的干涉，“但”很難想象實(shí)際在海洋中沒有其他干涉存在。”

相反，斯坦梅耶和他的同事伯克霍爾茲研究了不同類型的異常涌浪的數(shù)據(jù)。他們察看了1995年卓普尼石油平臺(tái)被沖擊前的波浪高度、激光束射入光纜的異常明亮的閃光，以及在離開氣體容器時(shí)突然激化的激光束，目的是要弄清異常涌浪究竟是否可以預(yù)測(cè)。

他們將數(shù)據(jù)分成了很短的時(shí)間段，并尋找臨近部分之間的相關(guān)性。換句話說，他們?cè)噲D通過觀察前一段時(shí)間發(fā)生的事情來(lái)預(yù)測(cè)后一段時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生的事情。然后，他們將這些相關(guān)性與他們隨機(jī)洗牌時(shí)獲得的相關(guān)性進(jìn)行比較。

Birkholz. 2015年發(fā)布的結(jié)果令斯坦梅耶和伯克霍爾茲都感到意外。事實(shí)證明，與他們的預(yù)期相反，這三個(gè)系統(tǒng)并不是都可預(yù)測(cè)的。他們發(fā)現(xiàn)大洋異常涌浪在一定程度上是可以預(yù)測(cè)的：真實(shí)時(shí)間序列中的相關(guān)性比打亂時(shí)間序列后的相關(guān)性更強(qiáng)。在氣體激光束中觀察到的異常情況也存在可預(yù)測(cè)性，但不同程度上，光纖電纜中則沒有。

然而，異常巨浪的可預(yù)測(cè)性沒有為駕船者帶來(lái)安全感，他們發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)力的加強(qiáng)自己還得緊張地守望著地平線。

“原則上異常涌浪可以預(yù)測(cè)，但估算的可靠預(yù)測(cè)時(shí)間需要幾十秒，最多可能一分鐘?！彼固姑芬f：“北海風(fēng)暴中的兩波可能僅相隔10秒。對(duì)于想要開發(fā)實(shí)用預(yù)測(cè)設(shè)備，僅從船舶或石油平臺(tái)一處收集數(shù)據(jù)的人來(lái)說，這種設(shè)備其實(shí)早已有之：那就是洞開的舷窗?！?/p>

但是，有人相信人們不久就可以預(yù)警異常涌浪。

海浪的復(fù)雜性是風(fēng)的作用。雖然海浪起因雜亂，但波浪經(jīng)常是成組或成堆聚集出現(xiàn)。

2015年，麻省理工學(xué)院的薩普斯和克辛斯使用數(shù)學(xué)模型來(lái)展示同一組內(nèi)的波浪之間如何傳遞能量，這可能解釋形成異常涌浪的原因。

次年，他們使用海洋浮標(biāo)和數(shù)學(xué)建模的數(shù)據(jù)創(chuàng)建了一種計(jì)算方法，能夠用來(lái)識(shí)別可形成異常涌浪的波群。

其他多數(shù)預(yù)測(cè)異常涌浪的方法都模擬水體中所有波浪及其相互作用。這是一個(gè)非常復(fù)雜和緩慢的過程，需要巨大的運(yùn)算能力。

相反，薩普斯和克辛斯發(fā)現(xiàn)，僅用一組波浪中第一波到最后一波的距離和波包中最高波的高度，就可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)可能導(dǎo)致異常涌浪的能量聚集。薩普斯說：“可以用一組波來(lái)確定哪些波會(huì)不穩(wěn)定，而不是僅關(guān)注個(gè)別波浪并計(jì)算其動(dòng)態(tài)?！?/p>

他認(rèn)為他的方法可以更好預(yù)警。薩普斯稱，如果算法與LIDAR掃描數(shù)據(jù)相結(jié)合，這個(gè)方法可以在異常涌浪形成之前給船舶和石油平臺(tái)提供2～3分鐘的預(yù)警。

其他研究者則認(rèn)為強(qiáng)調(diào)波浪能夠捕捉其他波浪并竊取其能量——技術(shù)上稱為“調(diào)制不穩(wěn)定性”，是另一線索。

佐治亞理工學(xué)院亞特蘭大分校的費(fèi)德勒說：“調(diào)制不穩(wěn)定機(jī)制只在實(shí)驗(yàn)室水槽中進(jìn)行過測(cè)試，在這種水槽中，能量集中在一個(gè)方向上。沒有單向暴風(fēng)的海洋，實(shí)際上海洋的能量可以在廣泛地橫向傳播。”

2016年的一項(xiàng)研究中，費(fèi)德勒和他的同事們認(rèn)為，更直接的線性解釋最終可以解釋異常涌浪。他們利用歷史天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)仿真分別于1995年、2007年和2014年產(chǎn)生的三大異常涌浪卓普尼，安卓亞和克拉德發(fā)生時(shí)的能量集散和海面高度。

但只有當(dāng)仿真不規(guī)則形狀的海浪時(shí)，他們的模型與測(cè)量結(jié)果是相符合的。由于重力的作用，與許多模型中使用的完美光滑的波形不同，真正的波浪具有圓形槽和尖峰。費(fèi)德勒發(fā)現(xiàn)，一旦這個(gè)因素考慮在內(nèi)，干涉波的高度可能會(huì)增加15～20%。

費(fèi)德勒說：“考慮到波峰和波谷之間缺乏對(duì)稱性，并將其添加到建設(shè)性干涉這個(gè)過程中時(shí)，波峰振幅的增強(qiáng)可以預(yù)測(cè)在海洋中觀測(cè)到的事件”。

進(jìn)而言之，之前對(duì)簡(jiǎn)單線性干涉產(chǎn)生異常涌浪的機(jī)會(huì)的估算只是根據(jù)短促時(shí)間和微小空間的數(shù)據(jù)，事實(shí)上船舶和石油鉆井平臺(tái)是長(zhǎng)時(shí)間在水中，并占用大片面積。美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)發(fā)布的一份2016年報(bào)告強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)，該報(bào)告由Fedele監(jiān)督。2015年10月1日，美國(guó)貨船埃爾法羅下沉，造成33人死亡。費(fèi)德勒說，“如果正確地考慮了時(shí)空效應(yīng)，就知道該船遭到異常涌浪的可能性就會(huì)大很多?！?/p>

同在2016年，斯坦梅耶提出線性干涉可以解釋異常涌浪形成的頻率。作為解決的另一種方法，他開發(fā)了計(jì)算給定位置的海洋表面動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性，稱為波浪“有效”數(shù)量法。

“預(yù)測(cè)個(gè)別的異常涌浪事件可能是無(wú)望或不實(shí)際的，因?yàn)樗枰嗟臄?shù)據(jù)和計(jì)算能力，但是如果我們能做氣象意義上的預(yù)測(cè)呢？”斯坦梅耶說?！耙苍S我們可以預(yù)見，有特定的天氣條件時(shí)更容易出現(xiàn)異常涌浪。”

斯坦梅耶的研究小組發(fā)現(xiàn)，低氣壓導(dǎo)致收斂風(fēng)時(shí)、不同方向的波浪相互交叉時(shí)、風(fēng)向變化很大時(shí)、某些沿海形狀和海底地形一起推波時(shí)，有可能發(fā)生異常涌浪。結(jié)論是，只有當(dāng)這些因素和其他因素相結(jié)合產(chǎn)生10個(gè)或更多的有效波時(shí)才會(huì)發(fā)生異常涌浪。

斯坦梅耶不認(rèn)為除了簡(jiǎn)單干涉之外的其他任何因素對(duì)于異常涌浪的形成都是必需的，他同意波形起到一定作用。然而，他不同意費(fèi)德勒的觀點(diǎn)，即峰尖可能會(huì)對(duì)波高產(chǎn)生重大影響。

“非線性有一定的作用，但是次要的，”他說：“主要是海浪不是完美的正弦波，但有更多的尖峰和低谷。然而，我們計(jì)算的卓普尼波浪，非線性對(duì)波浪高度的影響為幾十厘米。”

實(shí)際上，斯坦梅耶認(rèn)為60年前朗特-希金斯說得很對(duì)，當(dāng)時(shí)他強(qiáng)調(diào)基本線性干涉是大浪、異常涌浪或其他大小海浪成形的驅(qū)動(dòng)因素。但這個(gè)結(jié)論不是每個(gè)人都會(huì)同意。

事實(shí)上，關(guān)于異常涌浪的成因還會(huì)長(zhǎng)久爭(zhēng)論下去。部分原因是有不同類形的科學(xué)家：實(shí)驗(yàn)科學(xué)家、理論科學(xué)家、光波和流體動(dòng)力學(xué)方面的專家，他們?cè)谟酶髯缘姆椒ㄕ归_研究，并沒有很好地整合各自采用的方法。因此沒有跡象表明有什么共識(shí)正在形成。

但這是需要解決的重要問題，只有認(rèn)識(shí)這些危及生命的海浪，才能預(yù)測(cè)到它們。對(duì)于坐在孤立的石油鉆井平臺(tái)或船上，在暴風(fēng)雨下觀察波浪涌出海面的人們，幾分鐘的預(yù)警將會(huì)是生死攸關(guān)。

（摘自英國(guó)廣播公司新聞網(wǎng)）（編輯/多洛米）