这是葛饰北斋的代表作木版画《神奈川冲浪里》，画面上的巨浪常被误认为是海啸。事实上，这种大规模离岸海浪更像是异常巨浪。绘制：KATSUSHIKA HOKUSAI, THE METROPOLITAN MUSEUM OF ART
撰文：ALLY HIRSCHLAG
1826年，法国科学家、海军军官Jules Dumont d’Urville船长驾驶着星盘号（Astrolabe）横渡印度洋时，遇到了一场的风暴。他看见船上方升起一道约30米高的水墙。他在狂风暴雨中记录下多个超过24米高的海浪，这是其中之一。一名船员消失在大海中。然而，当Dumont d’Urville回到陆地上后，他的故事因为过于离奇，没有被当回事，虽然有三名目击证人，却被认为是幻想。
当时的科学家认为，海浪最高只能达到9米，因此19世纪少数关于开阔海域的巨浪的报道大多被视为海上神话。直至后来，科学家才意识到这些记录很珍贵，因为很多经历了所谓异常巨浪（rogue waves）的水手，没能活下来讲述这些故事。
1840年，Louis Le Breton为Jules Dumont D'Urville的两艘船星盘号和热心号绘制了平版画。这一场景描绘的是1837年到1840年他在南极周边考察的情形。在大约10年前的一次探险中，Dumont D'Urville在印度洋遇到了他描述的30米高的海浪。供图：SMITH ARCHIVE, ALAMY STOCK PHOTO
法国破冰船星盘号（以Dumont d'Urville那艘具有历史意义的船命名）在霍巴特、塔斯马尼亚、澳大利亚和南极迪蒙·迪维尔科考站之间定期巡航，在南大洋拍下了这道异常巨浪。它的形状与葛饰北斋《神奈川冲浪里》画作中的情形非常相似。摄影：VERONIQUE SARANO
今天，异常巨浪被定义为高度超过周围海浪两倍以上的浪潮。这些巨浪突然出现，不知道来自何方。它们陡然升起，下方极深，就像海面上突然出现的一道水墙。它们可能发生在波涛汹涌的风暴中，但有报道称，在平静的水面也出现过，这是它们难以预测的原因之一。
自20世纪90年代中期以来，科学家意识到异常巨浪是一种真实存在的现象，但如何保证海上旅行者的安全，仍是一个很大的挑战。虽然它们相对罕见，但如果船只在开阔海域遇到异常巨浪，会导致重大损失和人员伤亡。在浩瀚的海洋中，多种力量相互作用，因此预测工作很难进行。最近，数学家通过把监测浮标收集的真实数据与统计模型相结合，分析这些巨浪形成的原因。他们的工作带来了一线希望，我们也许能在异常巨浪袭来之前，做出预测。
在苏格兰爱丁堡大学FloWave海洋能源研究机构的实验室里，科学家重现了异常巨浪的形态。摄影：DR DONALD NOBLE, UNIVERSITY OF EDINBURG, AND DR MARK MCALLISTER, UNIVERSITY OF OXFORD
海浪成长
20世纪造船技术在不断进步，目睹异常巨浪的幸存者也越来越多。1966年4月，意大利的一艘游轮米开朗基罗号（Michelangelo）遭遇24米高的巨浪，它甚至高过了周围风暴引发的海浪。这艘游轮被严重破坏，3人被淹死，但船上大多数人安全回到了岸边。
德国慕尼黑女士号（MS München）集装箱船就没有这么幸运了。1978年12月，这艘船载满了钢材和28名船员，离开德国不来梅港，前往佐治亚州亚特兰大。12月13日凌晨，在报告了恶劣天气、发出求救信号后，这艘船和船上所有人都消失了。船距离水面上方20米的一艘救生艇被打捞了上来，但它似乎是被至少那么高的海浪直接扯下来的。
1995年，巨浪袭击了挪威北海附近的德拉普纳石油钻井平台，那之后科学界对这些神秘巨浪的怀疑才完全消除。平台脚手架上的激光探测仪发现，巨浪的峰值比海面高出26米。
在波涛汹涌的海面，加拿大海洋实验室研究公司（MarineLabs）的监测浮标正在工作，这里距离不列颠哥伦比亚省海岸大约4.8公里；2020年，公司的另一个浮标传感器测量到了异常巨浪。摄影：MARY & ED GOSKI
自那之后，科学家发现，异常巨浪不同于海啸，其形成原因是海洋中的海浪运动偶然结合在了一起。而海啸则是因为地震或滑坡等事件造成海水突然移动，产生了巨大的波浪。
关于产生异常巨浪的波形运动，主流数学理论有两种：线性叠加和非线性聚焦。线性叠加假设波浪以不同的速度在海洋中穿行，当它们重叠时，就会增强成异常巨浪。非线性聚焦假设波浪分组，可以互相传递能量，因此有时会产生异常巨浪。
造成这种不确定性的部分原因在于异常巨浪很罕见。即使是现在，我们仍然缺少高质量追踪数据。
“通常来说，我们通过平台观测或浮标来测量异常巨浪，它们只能记录特定地点某一时间的数据，而无法获得之前和之后的情况，”澳大利亚悉尼大学的波物理学家Amin Chabchoub说。Chabchoub负责的2019年的一项研究评估了多个异常巨浪观测结果和模型，研究团队得出结论，触发异常巨浪出现的机制，会随着特定时间海洋中各种因素的变化，即海洋环境而有所不同。
为了弥补对异常巨浪的观测有限，科学家利用了造波水池。“我们在实验室里几乎一一重现了海洋表面的情况，”Chabchoub说。这些实验甚至可以解释洋流和风，不过控制设备有自身的局限性。
当水被困在狭窄的水道时，比如造波水池，更容易形成更大的波浪且被观察到。然而，佐治亚理工学院的海洋工程师Francesco Fedele说，这些实验代表了“不真实的设想”，因为这些波浪无法像在大海中那样，向四面八方扩散。
美国国家海洋和大气管理局正在开发一种系统，利用WAVEWATCH III程序，每个小时预测海洋中可能的危险区域。2019年发布的最新版本，借助Fedele于2012年开发的概率公式，预测海洋中特定地点、特定时间的极端情况。这是帮助船员避开危险海域的有用工具，但在面对突然出现的异常巨浪时，可能还不足以保护他们。
加拿大维多利亚大学的研究科学家Johannes Gemmrich分析了2020年温哥华岛附近出现的异常巨浪，他表示，异常巨浪通常发生在不同速度穿行的海浪偶尔重叠的时候，这支持了线性叠加模型。但他认为，波浪的不对称性（即海浪有较高的波峰和较低的波谷）也起到了至关重要的作用。
“如果考虑更强的不对称性，那么出现极端异常巨浪的概率会大幅增加，”Gemmrich说。
大海的通用公式
有一派数学家的观点是，导致异常巨浪的原因并不重要，因为可以利用计算罕见事件的统计框架，即大偏差理论，来准确预测异常巨浪的发生。
这种方法背后的原理是针对异常巨浪的形成方式，建立最有效的模型，然后用这个模型绘制异常巨浪的发展路径。这个理论可以根据具体情况，把线性和非线性影响纳入进来，这也是为什么其支持者认为这是一个统合理论，可以用来预测各种海洋环境中的异常巨浪。
“如果只关注形成这些波浪最有效的方式，你会发现它与实际观察到的情况非常贴合，”英国华威大学的数学家Tobias Grafke说。
Grafke和一组研究人员在波道中测试了这一理论，与实时波浪观测结果进行对比，发现这个理论在两种情况下都很好地预测了异常巨浪。
然而，这个框架有一个问题：想要在特定时间点考虑到海洋环境中的所有因素，极具挑战性。对于船长而言，最有用的预测信息来自实时观察，而非统计概率。Grafke说，他的团队得出的公式可以解释特定海洋环境的情况，但随着变量越多，就越难迅速解决问题。
“这些（方程式）越复杂，预测就越准确，所需要的计算工作量和耗时就越多，”Chabchoub说：“因此，为了获得有用的结果，我们需在准确性和耗时之间权衡。”
实时预测
科学家一直在研究实时海浪预测技术，但需要在真实场景中测试新方法；鉴于异常巨浪很罕见，做到这一点并不容易。很多情况下，需要加速计算过程，从而匹配海浪的速度。
在波涛汹涌的大海，异常巨浪的形成只需要“10到15秒”，Fedele说：“在这么短的时间里，想要快速准确做出预测很难。”
为了预测异常巨浪，科学家要用雷达系统持续测量船只附近的海浪，从而通过数学模型来运行数据，绘制海面当时的情况，每五分钟就能计算出新的海面。这样的模型能够针对未来几分钟里海浪的变化，提供相对准确的预测。
不过，这样的系统还没有成为现实。“我们有技术，现在的问题是：如何让它变得更快，”Fedele说。
随着测量的异常巨浪越来越多，数学家最终将找到方法，在这些致命海浪从大海中升起之前，就做出预测——这是Dumont d’Urville船长在1826年绝对想象不到的。
（译者：Sky4）
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