海浪「大家族」

陸楊 楊氾（水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院）

海浪是大海的「心跳」，它以自己的方式，訴說著大海的喜怒哀樂。

在普通人眼中，海浪「長」得大同小異；但在科學家眼中，海浪「大家族」的每個成員都不相同。

滔天白浪何處來？

海浪是怎麽產生的呢？或許你會說：「有風，然後才有了浪。」沒錯，俗話說「無風不起浪」。但是，有時，「風平」浪卻不「靜」；有時，風很大，但浪並不高。

其實，根據維持海浪的動力來源，可以把海浪分為風浪和湧浪。

風浪： 風吹起來的浪是風浪，風是維持海浪波動的動力來源，風把自己的能量傳遞給了海水。但這需要一定的積累，如果風的吹程不夠長，或者風速不夠大，浪就很難長高。

湧浪： 但是，當浪長到足夠高時，即使風向變了或者風平靜了，浪在慣性的作用下也不會立刻停下，此時的浪就是湧浪。

一個海域既有風浪又有湧浪，則稱為混合浪。

海浪是橫波還是縱波？

海浪產生後，是怎麽傳播的呢？我們把海浪稱作表面重力波，這說明海浪的運動受重力支配。

從物理學的波動理論看，海浪和光一樣，都是橫波，即它的振動方向和傳播方向是相互垂直的。與此相比，生活中常見的彈簧振動是一種縱波，它的振動方向和傳播方向是相同的。

所以，海浪的傳播和光的傳播有許多相似的地方。例如：光在一定條件下會發生反射或折射，同樣，海浪也會發生反射和折射；光在碰到障礙物時會發生繞射，並以某種方式繞過障礙物，同樣，海浪碰到障礙物時也會發生繞射（通常稱為「繞射」），以某種方式繞過障礙物繼續傳播。

障礙物時也會發生「繞射」（通常成為「繞射」），以某種方式透過障礙物繼續傳播

橫波、縱波對比圖（繪圖/張玲）

海浪的「年齡」與「身材」

海浪的「身材」（波長）和「年齡」（周期）之間存在特定的關系，曾經有位叫艾利（Airy）的科學家透過數學推導，給出了它們之間的計算公式。現在我們知道，最初形成的風浪，它的「年齡」與風向、風速有關；湧浪的「身材」既與「年齡」有關，又與水深有關。

特立獨行的波浪：孤立波

波形像數學中的正（余）弦曲線的海浪，被稱為線性波，也叫微幅波；波峰較為尖陡、波谷較為平坦的海浪，被稱為非線性波，有一類特殊的非線性波，叫作孤立波。

孤立波只有波峰沒有波谷，是形如鐘罩的單個波形。它通常存在於淺水環境中，英國科學家羅素最早在運河裏觀察到了孤立波。

孤立波可以傳播很遠而不改變自己的波形，和其他孤立波相遇混在一起再分離後，也能保持原來的波形，所以算是較為特立獨行的波浪了。

海浪的破碎

海浪從遠處奔向岸邊，最終會隨著一聲巨響化作一層層水沫。這種現象在物理學上被稱為海浪的破碎。

海浪的破碎方式有很多種：

崩破波 是海浪在較平緩的海灘上破碎形成的，整個過程較為舒緩，不會聽到巨響，但會看到海面泛起的一層層水沫。

卷破波 是指海浪波峰前端猶如舌頭般翻卷後，落在波谷上形成的破碎波。由於翻卷的水舌壓縮了其中的空氣，所以會發出轟鳴聲。

激碎波 是從海浪水體下方開始破碎而波峰基本不變的一類破碎波，通常是由較長周期的湧浪，在較陡的海灘上破碎形成的。

無論以上哪種破碎方式，其根本原因都是海浪水質點的速度超過了外在波形的傳播速度——當海浪高度超過了水深的0.78倍時，海浪就會破碎。

船頭、船身兩側和船尾所形成的波浪，我們稱之為船形波

在深海大洋中，平靜的海面會突然形成最大接近10層樓高的巨浪，我們稱之為畸形波（概念圖）

水質點可以理解為一小塊微水團。海浪是一種流體運動。正因為其表面下方不同位置的微水團運動速度不一樣，外在才會表現為波狀的形態。我們肉眼能判斷的是波形的傳播速度，這和海浪下方水團的運動速度是兩個概念。

認識海浪的類別和各類海浪的形成、演化規律，是我們認識海洋、經略海洋的重要一環。現代科學技術透過衛星遙感監測、動力學建模、電腦模擬等手段，已經可以對常規海浪做出較為精準的預報。但是，對於深遠海極端海浪的預報和防控，還有待完善。大海的力量如此神秘，值得我們繼續深入探索。