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德国新研究未来或可提供海洋奇异波预报预警

发布时间: 2016-10-24
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10月12日,德国马克斯·玻恩研究所(Max-Born-Institut)的科学家在《科学报告》上发表研究称,利用相空间维数分析方法,未来或可提供海洋奇异波预报预警。

奇异波(rogue waves),又称异常巨浪,是指超出有效波高两倍以上的极高海浪,可对行船构成极大威胁。奇异波十分罕见,十万波浪中能超出奇异波标准的不到一个。尽管二十世纪九十年代奇异波是否存在一直备受争议,但在过去20年中在石油钻塔处观测记录到的奇异波数以千计。然而,关于奇异波是如何产生的这一问题仍然存在争议,这些众多争执不下的理论可以归为两类,一类是线性理论,其认为基本波之间的随机偶然干扰是奇异波的起源,因此无法预测奇异波的发生。这就意味着当你的船只遭受奇异波袭击时,只能归咎于运气不佳。另一种是近来越来越受到欢迎的非线性理论,其认为奇异波产生之前可能出现具有某种特征的波型(wave pattern)。尽管这看起来很吸引人,但这两种理论均无法充分解释测量海洋奇异波的可能性。

该研究采用了一种新的测量标准——相空间维数(phase space dimension)来分析复杂的奇异波波动。相空间维数可以测量海表某一位置互相干扰的各个波浪的有效数量。更为重要的是,研究者提出了一种测量相空间维数的方法,并且易于在船只上实施测量,未来或可提供奇异波预警预报。

事实上,海洋形成奇异波的能量似乎是多变的。该研究利用一定数量的基本波(elementary wave)简单线性干扰模式重新分析了奇异波形成的可能性。这些基本波振幅固定,相位随机波动。在这些模式假设下,当低于10个的基本波互相干扰时,并不会产生奇异波。超过10个时,奇异波产生的概率就不断增加,出现的频率可能较长期观测结果高出一个数量级。

研究表明,海表运动在绝大多数时间呈相当简单的层次结构。即使暴风雨中的剧烈天气条件也可能无法产生奇异波。但是,当交错浪(cross sea)产生时,波型的复杂度猛然增加,从而为奇异波的产生创造了有利条件。利用维度分析方法严格来说可以观测到这些奇异波易于产生的条件,但单个的奇异波事件仍无法预测。该研究表明,海洋动态主要呈线性变化,并且动态过程十分复杂。

该研究为更好地理解海洋奇异波打开了一个新的视角。许多研究支持海洋非线性理论,但其对于奇异波的形成作用可能很小。截至目前,科学家在研究奇异波时很少关注风的作用。一般来说风是最终导致海浪形成的驱动力,因此我们也许完全可以采用气象分析法来判别那些易于产生奇异波的条件,在早期就判别出那些导致交错浪产生的条件。尽管单个奇异波的发生也许仍然是未解之谜,但至少我们也许很快就可以提前几小时或几天预测出易于产生奇异波的海洋天气条件。

文章来源: 中国海洋网
责任编辑: 奚婷
 
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