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德國新研究未來或可提供海洋奇異波預報預警

發佈時間: 2016-10-24
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10月12日,德國馬克斯玻恩研究所(Max-Born-Institut)的科學家在《科學報告》上發表研究稱,利用相空間維數分析方法,未來或可提供海洋奇異波預報預警。

奇異波(rogue waves),又稱異常巨浪,是指超出有效波高兩倍以上的極高海浪,可對行船構成極大威脅。奇異波十分罕見,十萬波浪中能超出奇異波標準的不到一個。儘管二十世紀九十年代奇異波是否存在一直備受爭議,但在過去20年中在石油鑽塔處觀測記錄到的奇異波數以千計。然而,關於奇異波是如何産生的這一問題仍然存在爭議,這些眾多爭執不下的理論可以歸為兩類,一類是線性理論,其認為基本波之間的隨機偶然干擾是奇異波的起源,因此無法預測奇異波的發生。這就意味著當你的船隻遭受奇異波襲擊時,只能歸咎於運氣不佳。另一種是近來越來越受到歡迎的非線性理論,其認為奇異波産生之前可能出現具有某種特徵的波型(wave pattern)。儘管這看起來很吸引人,但這兩種理論均無法充分解釋測量海洋奇異波的可能性。

該研究採用了一種新的測量標準——相空間維數(phase space dimension)來分析複雜的奇異波波動。相空間維數可以測量海表某一位置互相干擾的各個波浪的有效數量。更為重要的是,研究者提出了一種測量相空間維數的方法,並且易於在船隻上實施測量,未來或可提供奇異波預警預報。

事實上,海洋形成奇異波的能量似乎是多變的。該研究利用一定數量的基本波(elementary wave)簡單線性干擾模式重新分析了奇異波形成的可能性。這些基本波振幅固定,相位隨機波動。在這些模式假設下,當低於10個的基本波互相干擾時,並不會産生奇異波。超過10個時,奇異波産生的概率就不斷增加,出現的頻率可能較長期觀測結果高出一個數量級。

研究表明,海表運動在絕大多數時間呈相當簡單的層次結構。即使暴風雨中的劇烈天氣條件也可能無法産生奇異波。但是,當交錯浪(cross sea)産生時,波型的複雜度猛然增加,從而為奇異波的産生創造了有利條件。利用維度分析方法嚴格來説可以觀測到這些奇異波易於産生的條件,但單個的奇異波事件仍無法預測。該研究表明,海洋動態主要呈線性變化,並且動態過程十分複雜。

該研究為更好地理解海洋奇異波打開了一個新的視角。許多研究支援海洋非線性理論,但其對於奇異波的形成作用可能很小。截至目前,科學家在研究奇異波時很少關注風的作用。一般來説風是最終導致海浪形成的驅動力,因此我們也許完全可以採用氣象分析法來判別那些易於産生奇異波的條件,在早期就判別出那些導致交錯浪産生的條件。儘管單個奇異波的發生也許仍然是未解之謎,但至少我們也許很快就可以提前幾小時或幾天預測出易於産生奇異波的海洋天氣條件。

文章來源: 中國海洋網
責任編輯: 奚婷
 
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