科技之光：用計(jì)算機(jī)算出巨浪

當(dāng)巨浪突然從海面升起時(shí)，它的高度可能是周圍海浪的幾倍，有時(shí)甚至高達(dá)30米。即使是對于最大型的船只，它們也是極其嚴(yán)峻的威脅。與海底大地震引發(fā)的海嘯不同，這類惡浪并沒有明確的起源，也無從預(yù)測。如果想預(yù)報(bào)惡浪形成的時(shí)間和地點(diǎn)，充分理解惡浪的形成機(jī)制對科學(xué)家而言就變得十分重要。

一支由多個(gè)國家的數(shù)學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)展示了一種預(yù)測惡浪的新方法，這是他們通過大型水箱實(shí)驗(yàn)獲得的成果。團(tuán)隊(duì)成員包括紐約大學(xué)的埃里克·范登-埃登（Eric Vanden-Eijnden），意大利都靈大學(xué)的喬瓦尼·德馬泰（Giovanni Dematteis）和米格爾·奧諾拉托（Miguel Onorato），以及英國沃里克大學(xué)的托拜厄斯·格拉夫克（Tobias Grafke）。

他們的方案基于數(shù)學(xué)中的“大偏差”理論，可以確定某個(gè)罕見事件出現(xiàn)的概率到底有多低。這些科學(xué)家將惡浪的發(fā)生視為一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)主體，稱為瞬子，這也是在粒子物理、信息理論以及風(fēng)險(xiǎn)管理的計(jì)算中會(huì)出現(xiàn)的一種特殊波形。

在挪威，這支團(tuán)隊(duì)利用一個(gè)270米長的水箱模擬惡劣的海洋情況，進(jìn)一步優(yōu)化了模型，相關(guān)研究發(fā)表在《物理評論X》雜志上。這個(gè)水箱是定制的，能制造出各種研究人員希望的波浪特征。通過分析不同波形的互相疊加，研究人員識別出了能導(dǎo)致惡浪的前兆特征，這些特征僅有厘米級尺度。

大偏差理論顯示，對于任何能夠?qū)е戮蘩说牟ㄐ谓M合而言，無論其初始狀況如何，都會(huì)產(chǎn)生一種具有獨(dú)特形狀的大波浪。從數(shù)學(xué)角度來說，這意味著在惡浪形成的過程中，一般都會(huì)經(jīng)歷最容易導(dǎo)致罕見事件的路徑。水箱的測試結(jié)果也佐證了這一點(diǎn)。范登-埃登說：“惡浪都是相似的，普通的波浪則各有各的普通。”

阿爾維澤·貝內(nèi)塔佐（Alvise Benetazzo，并未參與這項(xiàng)研究）是意大利海洋科學(xué)研究院的研究員。他評價(jià)道，該團(tuán)隊(duì)的模型“似乎協(xié)調(diào)了兩種迄今用來解釋惡浪形成的主流理論?！庇幸环N理論認(rèn)為，巨浪單純地源于小型波浪的組合和堆疊；而另一種理論則提出，波浪的形態(tài)差異會(huì)指數(shù)級地放大高度差。但到目前為止，這兩種理論各自并不完全符合已有的觀察記錄或是實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本次研究的成果重新解釋了這兩種效應(yīng)的價(jià)值。也就是說，在不同的水文條件下兩種效應(yīng)的貢獻(xiàn)程度有所浮動(dòng)，這種貢獻(xiàn)程度又可用于估計(jì)在任何給定的海洋狀況下，惡浪誕生的可能性以及能夠達(dá)到的高度。研究團(tuán)隊(duì)對他們提出的模型非常樂觀，如果能夠進(jìn)一步考慮現(xiàn)實(shí)世界中的風(fēng)、洋流和其他運(yùn)動(dòng)形式的特征，這套模型或許可以整合到一艘船舶、一座燈塔以及其他與海洋相關(guān)的平臺上，為它們提供預(yù)測系統(tǒng)。

貝內(nèi)塔佐說：“現(xiàn)在還需要做很多的測試才行，尤其是現(xiàn)場測試。現(xiàn)場才是我們想要解釋惡浪成因的真正場所?！?/p>

撰文：雷切爾·伯科維茨（Rachel Berkowitz）

翻譯：董子晨曦

文章來源：環(huán)球科學(xué)

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