当好的海浪消失时(2014)

9月1日清晨。1995年11日，伊丽莎白女王2号邮轮在从南安普顿前往纽约的途中，在纽芬兰海岸外的某个地方受到飓风路易斯的尾部袭击。仿佛感觉到它即将消亡，路易斯最后一次兴奋起来，抽搐着复活，将北大西洋掀起了时速130英里的狂风和40英尺高的巨浪。所有这些都没有引起船长罗纳德·沃里克(Ronald Warwick)不必要的担忧，他是一名有30年航海经验的老手，非常熟悉波涛汹涌的大海。路易斯并不出人意料，自从离开英国以来，这艘船一直在稳步跟踪风暴的路径。这位退役准将在英国萨默塞特郡的家中回忆道：“这对我们来说是公平的竞争，我们是一艘横跨大西洋的班轮。”

晚餐时，沃里克告诫船上的乘客，夜间的情况可能会变得有点艰难，并确保船舱内任何散落的财物安全。然后，他做了任何船长在波涛汹涌的海面上都会做的事情。随着船驶向海浪，沃里克把它的速度降到了几节。这就是所谓的“摇摆”，意思是尽可能轻柔地渡过海浪，同时保持恰到好处的速度，以保持对方向的控制。在离驾驶台很远的地方，狂风呼啸，鞭打着装甲窗户，几名乘客在一家酒吧里不经意地守夜。在这艘船的驾驶台下方，风呼啸而过，鞭打着装甲窗户，几名乘客在酒吧里不经意地守夜。

凌晨2点刚过，沃里克和他的警官们突然看到附近有一个汹涌的水怪和抽搐的白色泡沫。“如果你站在QE2的桥上，”他说，“你的眼睛高度在海平面以上90英尺。”从被雨水浸透的黑暗中他们所能看到的，隐约可见的波浪的波峰和桥本身一样高。沃里克说，他以前从未在海洋中遇到过这么大的东西，他说，就像他们正驶向“多佛的白色悬崖”。

大约一分钟后，海浪撞击了QE2的前甲板。“我们没有做得太过分，”沃里克说。“我们实际上经历了这一切。”一连串的抖动击穿了这艘船。水墙倒塌在船的甲板上，钢板弯曲了约18英寸。尽管如此，这一切都在这艘船的操作范围内。“我们没有被撞倒，”他说。“大多数乘客都在床上。”

但这一波的反常现象仍然困扰着沃里克。对于一位北海老手来说，40英尺高的海浪，这种会让我们大多数人感到恐惧的海浪，并不是什么不寻常的事情。但是，突然冒出的一股浪是其他浪的两倍多，这是不寻常的。沃里克遇到了一股无赖的海浪。

通俗地说，“无赖浪”指的是任何异常大的浪。但是，流浪并不一定要在绝对规模上很大，也不一定与一场大风暴联系在一起。德国Geesthacht海岸研究所所长Burkard Baschek将其定义为统计上极端的任何波浪。“(无赖波)至少是所谓的显著波高的两倍，”他说。有效浪高被定义为任何给定时刻最大三分之一的浪的平均值，“如果你在那里观察海况，你会亲眼看到的浪。”

这意味着您可能已经经历了一个流氓波，并且没有注意到。多么?。“如果你在平静的条件下外出，”巴斯切克说，“海浪有一米高，突然你经历了两米高的海浪，那又怎么样？”事实上，巴舍克说，在世界海洋的某个地方，每天有一个海浪是一种无赖海浪。在加州大学洛杉矶分校(UCLA)任职期间，他分析了美国西海岸多个浮标的数据，并将这些数据推算到全球，估计在北大西洋拖网的船只(如QE2)“在25年的使用寿命内将遇到20-30次这样的无赖海浪”，或者说大约一年一次。

从根本上说，流氓海浪是数学对象，这意味着水手，然后是科学家，对它们的本质理解得很慢。19世纪末，水手的知识和科学之间的界限可能会像雾气笼罩的地平线一样模糊，有信誉的杂志经常报道“海洋怪兽”的目击事件。然而，到了20世纪中叶，这些怪物中的大多数已经被驱散或解释-但不是流氓海浪，直到今天，它们仍然被错误地识别和不完全理解。即使是文明中最著名的海浪之一，北井的神奈川附近的大浪，也经常被误解为海啸-木刻甚至被用作联合国教科文组织海啸警报标志的象征-而正如几位学者所说，它实际上更有可能是流氓海浪。1，2

流浪科学在20世纪60年代初开始形成，不是在海洋中，而是在剑桥大学工程系的一个波浪水槽中-本质上是一个很长很浅的水槽，上面有一个用来产生不同频率的海浪的“桨”。在那里，物理学家和流体力学专家T·布鲁克·本杰明(T.Brooke Benjamin)在研究生吉姆·费尔(Jim Feir)的帮助下，试图证明一些长期以来一直被认为的东西时遇到了困难：所谓的“斯托克斯波”的稳定性，也就是由19世纪剑桥大学(Cambridge University)著名数学家乔治·加布里埃尔·斯托克斯(George Gabriel Stokes)提出的那种流体动力学的Ur波或原型波的理论。斯托克斯受到一名英国工程师略微震惊的报告的启发，该报告称，一艘减速的船推着“孤零零的一堆水”前进了近两英里，在运河中航行时，它的速度和形状保持不变。斯托克斯寻找一个方程式，可以描述波浪在浅水中传播，而不改变形状。3个。

人们曾相当理所当然地认为，被称为斯托克斯“波浪列车”的它们基本上是稳定的。但在波浪水箱中工作的工程师-测试船只的水动力等-发现了不稳定因素。4.当他们开始自己寻找稳定的时候，费尔和本杰明注意到了一些奇怪的事情。他们的同事J.C.R.亨特(J.C.R.Hunt)写道，两人“观察到造波机产生的波浪最初是频率和波长恒定的常规列车，但随后水箱下方约5米处开始形成频率和波长不同的波群。”5考虑到可能是造波硬件有问题，他们首先想出了一个防止频率移动的解决方案。然后，他们搬到了一个更大的水箱，配备了一个可编程造波机。但结果是一样的，当波浪顺着水箱向下移动时，就会受到频率高低的“边带”的冲击。关键的是，当这些边带沿着坦克行进时，它们的振幅或高度呈指数级增长。

这种效应，现在被称为“本杰明-费尔不稳定性”，为无赖波是如何形成的提供了一个线索。正如J.B.Zirker在他的书“海洋波浪的科学”(The Science Of Ocean Waves)中所描述的那样，波群一旦找到了一种调制的甜蜜点，就会从自己那里窃取能量，产生一个单一的高波-比正常的海浪动力学可能预期的要高-然后将其“返回”到主波。他写道：“边带高度呈指数级增长，以牺牲主波为代价，主波最终解体。”“以前从来没有人见过或预料到这样的事情。”

最终使流浪的概念如此引人注目的不仅仅是因为它们可能会增长到意想不到的高度，而且它们发生的频率比预期的要高得多。正如哈佛大学(Harvard University)物理学家埃里克·海勒(Eric Heller)解释的那样，关于大浪产生的许多想法都受到了著名数学家和海洋学家M·S·隆盖-希金斯(M.S.Longuet-Higgins)的影响，正如他在一项研究中所写的那样，他试图“从理论上研究随机移动的高斯表面的统计特性”。换句话说，就是海洋。

“他的理论是基于波浪的随机添加，”海勒说。“他把它们均匀地相加到很大的面积上，然后询问你会得到多少不吉利的相加，从而产生巨大的波浪。”这是一个线性过程。根据海勒的说法，只有一个问题：“(在现实中)发生的反常海浪事件比这一理论所能真正解释的要多得多。人们脑海中的灯泡熄灭了--这一定是非线性进化！“。

因此，流氓海浪撞上了长期存在的随机分布波高的“高斯海”模型。它们并不像人们想象的那样是长尾的，新的概率，如所谓的“泰丰分布”(恰巧听起来像“台风”，但却是以一位土耳其学者的名字命名的)已经流行起来，可以用来预测无赖海浪的可能性。

研究流浪的最大好处之一不是在实验室，而是海洋本身。1995年晚上，qe2号被巨浪击中，还有另一位目击者，他是从深度沉浸的位置体验到巨浪的：“浮标44139”，这是一个由加拿大哈利法克斯气象局监测的仪表式浮动信标。它在折磨过程中生成的统计图简单，但令人不寒而栗。有一条略微参差不齐的锯齿状波浪高度线，沃里克不得不与之对抗的40英尺高的滚轴。但随后，在没有预料到的情况下，出现了一个戏剧性的单峰，跳到了页面的顶部，几乎，从字面上看，“超出了图表的范围”。就像突然一样，它再次下沉，就像它从来没有在那里一样。

像44139这样的浮标，配备了加速计和其他测量设备，为这个水手的账目和估计占主导地位的竞技场带来了精度。在它们出现之前，测量海浪的高度是一个不精确的过程。一项早期的、复杂的努力

但浮标远非完美。他们要么被海浪淹没，要么侧身被撞。还有一个选择偏见的问题。Baschek说，大多数仪表式浮标都位于靠近海岸的地方，而最大的无赖海浪更频繁地出现在开阔的海洋上。并不是所有的浮标都能测量海浪的方向。而已经捕获的大浪测量-qe2，或者，在同年早些时候的另一个众所周知的例子中，在挪威海岸外的石油平台德鲁普纳(Draupner)上捕获的30米长的海浪-是单点测量。“这是一个浮标或雷达点，”他说，“但你不知道波峰的长度是多少。”如果你测量一个流氓海浪，它是一个局部浪花，还是经过数英里？它能持续多久？这个无赖波是不是正好在你的浮标之前形成，然后在那之后立即解体？这也是你不知道的。“。

一个引人注目的提醒是，尽管科学的测量能力越来越复杂和强大，但仍然在追赶浩瀚的海洋，直到2011年，人们才终于在野外观察到了长期怀疑但从未观察到的“合并海啸”现象--两个波(非线性形成)变成(线性)更强大的一个--这要归功于围绕海啸运行的一系列卫星。正如一位调查人员所说，捕获合并的海啸是“10万分之一的机会”的随机观察。7个。

出于这些原因，即使在这个网络数据和超级计算机模拟的时代，关于流浪的一些最好的数据仍然来自在海上工作的男男女女。

2010年1月，在阿拉斯加州圣保罗镇附近作业的螃蟹船“黎明早”(碰巧出现在最致命的捕获物真人秀节目中)遭遇了据说是重要浪高两倍的海浪。在随后关于一名船员受伤的保险调查过程中，巴舍克被叫来帮助回答一个必要但困难的问题：船长是否应该知道可能会发生这样的海浪，他是否有足够的准备？这涉及到通常的问题，即这种波的概率，但有一个不同寻常的扭曲。那年冬天击打小船的波浪并不是来自当时的波浪方向。

巴斯切克说，这违反了传统的线性理论，即来自同一方向的波叠加并合并成一个更大的波。“这完全是个谜，”他说。“因为我们不知道它背后的物理原理，我们所能做的就是挖掘出我们拥有的美国西海岸的记录，大约100年的全部数据。”他们想要回答的问题是：流氓波发生的角度与主流波方向不同的可能性有多大？他说，他们发现的可能性约为1%。“现在由法官来决定这是否可能，”他说。“这就是科学的终结。”

当你沿着概率分布的尾部行进时，无赖波变得越来越奇怪。它们的大小和方向不仅可能出乎意料，而且可能会出现在一些不太可能的地方。当我联系到堪培拉澳大利亚国立大学(Australian National University)物理与工程学院(Research School Of Physical And Engineering)教授、世界领先的非线性动力学专家纳尔·阿赫梅捷耶夫(Nail Akhmediev)时，他指出，我们通过Skype进行的对话可能会受到异常波的影响。(他有一种特殊的非线性波，也就是他的名字“阿赫梅捷夫呼吸器”)。

“现在，当我们交谈时，所有这些声音都是通过光纤传播的，”他说。“这是海浪。无论是海浪还是光纤中的波浪，基本上都是相同的方程式。“。他指出，在光纤中，波可能是混沌和湍流的。连接堪培拉和纽约市的管道由许多频道组成-成千上万的人同时通话。“在光纤中，它都是单向的，”他说。但由于有几个渠道，它们相互交叉。

在合适的条件下，甚至可能会出现流氓波，这一事实首先由加州大学洛杉矶分校(UCLA)物理学家丹尼尔·索利(Daniel Solli)和他的同事在2007年发表在《自然》(The Nature)杂志上的一篇论文中报道，他们在论文中指出，出现了“一种对噪声敏感的非线性过程，在这种过程中，窄带输入产生了极宽的辐射。”正如物理学家尼尔·布罗德里克(Neil Broderick)指出的那样，虽然一次特别喋喋不休的Skype对话不太可能在全球电信网络中引发灾难性的脉冲，但光学流氓波的出现提醒我们，在许多不同类型的系统中，非线性数学看起来几乎是一样的；他指出，也许可以使用“种子脉冲”和人工珊瑚礁一起，为冲浪者创造“完美的波”。8个

当我看着Akhmediev和他的同事在汉堡的波浪水池中进行的一次实验的视频时，我突然想到了这个想法。在视频中，一艘小乐高海盗船坐在坦克镜面水面丝滑起伏的水面上轻轻地上下浮动，看不见的是，波浪发生器拍打着稳定的流体动力学脉冲。然后它就在那里，远处有一条黑暗的带子，吞没并倾覆了这艘倒霉的船。这是一个“超级”的流氓浪，不是显着浪高的两倍，而是五倍。有那么一会儿，我设想了一个室内水上公园，在那里，游泳者们在平静地沐浴时，会愉快地、出人意料地被精致的非线性推挤。

但这项实验鲜明地提醒人们，流氓海浪的产生仍有多少神秘之处。它们是海洋中的黑天鹅。我们知道，在一般统计意义上，流氓波会发生，但我们不知道它们会在哪里、何时或如何发生，也不知道它们会不会发生。也许在世界海洋中甚至还有5倍的流浪尚未被发现。海勒说，并不令人惊讶的是，如此多的波浪科学都是关于概率的；即使我们有了解海洋的所有数据，我们也不会有足够强大的计算机来处理它。“如今，统计学在很大程度上是物理学的一部分，”他说。“在量子力学中，除了统计以外什么都没有”，除了猜测粒子将出现在哪里，甚至是否会出现之外，别无他法。即使是最风平浪静的大海，也是混乱的幌子--一种不在场证明--无论是实际的还是统计的。

1.Cartwright，J.H.&Amp；Nakamura，N.北井的神奈川的第一次大浪是一种什么样的浪潮。“笔记和记录：皇家学会科学史期刊”第63页，119-135页(2009)。

2.Dudley，J.M.，Sarano，V.&Amp；Dias，F.。《论北塞的神奈川附近的大浪：亚南极水域的本地化、线性和流氓海浪》，《笔记和记录：皇家学会科学史期刊》第67页，第159-164页(2013年)。

5.亨特，J.C.R.，“T·布鲁克·本杰明的非线性和波动理论贡献”(1929-1995)，“流体力学年度评论”第38期，1-25页(2006年)。

6.Jahne，B.，Schmidt，M.和Amp；Rocholz，R.短风浪的综合光学斜率/高度测量：原理和校准>“国际测量科学与技术”第16期，1937-1944页(2005)。

7.Buis，A.&Amp；Cole，S.-NASA发现日本海啸波合并，功率翻了一番，见NASA.gov(2011)。

视频嵌入：波涛汹涌的海面上，一艘玩具船在汉堡波浪水箱中划桨产生的波浪上行驶。物理学家内尔·阿赫梅捷耶夫(Nail Akhmediev)说，“由于水波本身的自然不稳定性”，对划桨行为的微小扰动会增加。*这偶尔会产生像翻船这样的无赖波浪。阿赫梅捷耶夫说，他看到的异常海浪高达显著海浪高度的五倍。点评：YouTube/SteveHOCP