冬天的日本海，為什麼那麼洶湧？
― 浪的高度，由風的強度和「吹過的距離」決定
進入 11 月，日本海側的天氣預報開始出現「浪高 5 公尺」這樣的數字。同一天，太平洋側的海灘卻常常很平靜。吹的明明是同樣的冬季風。造成差別的，是風在海面上吹了多久、吹過多遠的距離。
晚秋的新潟或金澤海岸。灰色的天空下，白色的碎浪越過防波堤，高高打上來。
同一天，你若去靜岡或千葉的沙灘，冷風雖然很強，水邊卻出乎意料地平靜。
對著洗澡水吹氣，也只會吹出小小的漣漪。那麼，海上的大浪，是在哪裡、怎麼長大的呢？
原因大致有兩個
冬天的西北風，從大陸的海岸橫越日本海，吹到日本的海岸。浪在被風推著前進的這段時間裡一直在成長，所以風吹過的距離越長，浪就越高。
浪要長到最大也需要時間。冬季季風常常朝同一方向連吹好幾天，給了浪充分的成長時間。
也就是說，浪的高度由「風的強度」「吹過的距離」「吹的時間」這三個條件決定。冬天的日本海，正是這三個條件容易湊齊的地方。
浪會一邊被風推著，一邊「長大」
風拂過水面，先會產生細小的漣漪。有了漣漪，水面就出現高低起伏。風會推擠起伏的迎風面，把浪一點一點推高。浪越高，承受風的面積也越大，於是浪長得更大。
這個成長過程不是一瞬間就結束的。浪往下風處前進時，持續從風那裡獲得能量。所以在風剛開始吹的海岸附近浪很小，離岸越遠的下風處浪越大。請看圖 1。
同樣的風，距離不同，浪就差這麼多
海洋學上有一套公式，可以由風的強度和吹過的距離來估算浪高。以每秒 15 公尺的強風計算，在吹過距離為 10 km 的湖上，浪高約 80 公分。在距離 300 km 的日本海，則超過 4 公尺。距離是 30 倍，浪高卻只有約 5 倍。這是因為浪高與距離的「平方根」成正比。
不過，浪不會無限長大。在某個風速下能長成的浪有上限，每秒 15 公尺的風，上限約為 5 公尺。請用圖 2 的滑桿，改變風吹過的距離看看。
太平洋側的海岸之所以平靜，是因為風吹向「外海」
冬季季風越過日本列島的山脈，也會往太平洋側吹下來。但在太平洋側的海岸，風是從陸地吹向海上，也就是吹向外海。緊鄰海岸的海面，正是風剛開始吹的地方。吹過的距離幾乎為零，所以浪還沒有長大。
同樣是每秒 15 公尺的風，在離岸 5 km 的外海，估計浪高只有約 50 公分。冷風強勁的日子，太平洋側的海灘之所以平靜，就是這個緣故。浪是朝外海方向成長的，要到遙遠的海面上才會變大。
在富山灣，有時天氣晴朗、風也很弱，卻會突然湧來大浪。這是北海道西邊海面上的強勁北風所養成的浪，沿著日本海長距離南下，抵達海灣。這種浪被稱為「寄回浪」，據說 2008 年 2 月曾造成沿岸嚴重災害。它是遠方長成的浪傳來的「湧浪」的一種。
浪高預報是許多浪的「平均大小」。實際上，偶爾會混入約 1.5 倍到 2 倍大的浪。在冬天的日本海側，發布海浪警報或注意報的日子，請不要為了看浪或釣魚而靠近防波堤或岩岸。
總結
海上的浪是邊被風推著邊長大的。所以浪的高度，除了風的強度，還取決於風在海面上吹過的距離，以及吹了多久。冬天的日本海，同時具備來自大陸的長距離，以及連吹數日的季風。相反地，在太平洋側的海岸，同樣的風吹向外海，浪在長大之前仍然很小。
浪，是風在海面上旅行距離的紀錄。
同樣的風，因為從哪裡吹來，海的面貌也不同。
遠方長成的浪如何抵達無風的海岸，請看「明明沒有風，為什麼會突然來高浪？」；浪高的極限，請看「海浪最高能有多高？」。同樣的季風如何帶來降雪，請看「日本海側為什麼下那麼多雪？」。
- 在細長的淺盤或收納箱裡倒入 2～3 公分深的水。
- 從短邊的一端，用扇子貼著水面送風。比較上風端和下風端的漣漪大小。
- 接著從長邊的一端，用同樣方式送風。風吹過的距離變長後，下風端的浪會有什麼變化呢？
越靠近下風處，浪應該越明顯。也很推薦比較天氣預報中日本海側與太平洋側的「浪高」。
想知道更多的人 ― 術語、算式與課本的關聯明確標示從國中自然科到大學專業課程，各是哪個程度的內容
- 國中國中自然科學到的範圍
- 高中高中「基礎物理、基礎地球科學」學到的範圍
- 高中＋高中進階，或課本專欄程度的內容
- 大學高中不會學到，大學專業課程（海洋物理學、海岸工程）的內容
- 研究連大學也不當作「定論」來教，目前研究者正在探討的問題
國中術語：這個現象有名字
- 風浪（wind waves）：由當地正在吹的風所養成的浪。形狀尖，方向也不一致。
- 風域長度（fetch）：風大致朝同一方向在海面上吹過的距離。是海岸與港灣專業書中會出現的詞。
- 示性波高（significant wave height）：從許多浪中，取最高的三分之一求平均的高度。天氣預報的「浪高」就是指它，據說與肉眼看到的印象相近。
國中高中用算式確認：同樣的風，湖和日本海的浪差多少？
我們使用依據實測得出的算式，由風的強度和風域長度估算浪高。風速固定為每秒 15 公尺，只改變風域長度。
| 用符號寫 | H ＝ 0.0016 × U × √( F ÷ g ) |
| 用文字寫 | 浪高 ＝ 0.0016 × 風速 ×（風域長度 ÷ 重力加速度）的平方根 |
| 這個式子從哪來 | 風傳給浪的能量，會隨吹過的距離成正比累積。浪的能量與高度的平方成正比，所以浪高隨距離的平方根增加。係數 0.0016 是根據北海的大規模觀測決定的值。 |
| H | 示性波高（公尺） |
| U | 海面上方 10 公尺處的風速（公尺／秒） |
| F | 風域長度（公尺） |
| g | 重力加速度（公尺／秒²） |
| 風速 | 每秒 15 公尺 |
| 重力加速度 | 9.8 公尺／秒² |
| 湖的風域長度 | 10km（10000 公尺） |
| 日本海的風域長度 | 300km（300000 公尺） |
| 係數乘以風速 | 0.0016 × 15 ＝ 0.024 |
| 湖：距離除以重力加速度 | 10000 ÷ 9.8 ≒ 1020 |
| 湖：取其平方根 | 1020 的平方根約為 32 |
| 湖的浪高 | 0.024 × 32 ≒ 0.77 公尺 |
| 日本海：距離除以重力加速度 | 300000 ÷ 9.8 ≒ 30600 |
| 日本海：取其平方根 | 30600 的平方根約為 175 |
| 日本海的浪高 | 0.024 × 175 ＝ 4.2 公尺 |
| 浪高之比 | 4.2 ÷ 0.77 ≒ 5.5 倍 |
| 浪的能量之比（浪高的平方） | 5.5 × 5.5 ≒ 30 倍 |
距離是 30 倍，浪高約 5.5 倍，能量剛好約 30 倍。「能量隨距離成正比累積」這個算式的由來，直接反映在數字上。4.2 公尺大約是人身高的兩倍半。
高中高中＋波的能量與完全成長的海
高中水面的波並不是水本身被運到遠處，而是上下擺動的現象在傳遞。波具有的能量與振幅（高度）的平方成正比。高度為 2 倍的浪，以 4 倍的能量拍擊海岸。
高中＋當風吹得夠久、夠遠時，浪從風獲得的能量與破碎損失的能量達成平衡，就不再繼續長大。這稱為「完全成長的海」。此時的浪高與風速的平方成正比，每秒 15 公尺時約 5 公尺，每秒 20 公尺時接近 9 公尺。此外，風域長度 300 km 的浪要長到最大，估計需要同樣的風吹上半天以上。
大學海浪推算：預報浪的方法
由風估算浪的方法稱為「海浪推算」。為了第二次世界大戰時的登陸作戰，史威卓普（Sverdrup）與蒙克（Munk）奠定了基礎，後來由布列希奈德（Bretschneider）改良。取三人姓氏稱為 SMB 法。上面的算式，是依據 1970 年代北海觀測計畫所得的 JONSWAP 頻譜之風域長度定律。完全成長的海的浪則以皮爾森－莫斯科維茨（Pierson–Moskowitz）頻譜表示。現在日本氣象廳（気象庁）的海浪預報，是用按頻率和方向追蹤浪能量的「頻譜法」數值模式計算的。
📖 算式的推導與更進一步的內容：氣象廳「波浪的知識」 ／ 示性波高（維基百科）
研究目前還不清楚的事
- 風使浪成長的機制細節。 有「水面起伏造成風的壓力差」的說法，也有「緊貼浪上方的氣流層起作用」的說法，在強風下兩者各占多少，目前仍在持續觀測與計算。
- 強風下的白浪，以及空氣與海之間的交換。 破碎的浪帶入海中的熱量和氣體量，與氣候預測有關，但在強風下的準確數量仍不確定。
- 意外巨浪的預測。 超過周圍浪兩倍以上的「畸形巨浪」，在什麼條件下、以多高的頻率發生，研究仍在進行中。
也就是說，這篇文章的內容也只是「就目前所知範圍內的說明」。上面的算式是配合實測得出的估算式，實際海上的浪也會受地形和潮流影響而改變。
與課本的關聯（依程度）
| 程度 | 科目、單元 | 本文對應處 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然科 二年級「日本的氣象（季風）」 | 冬天的西北季風越過日本海 |
| 高中 | 基礎物理「波的性質」、基礎地球科學「大氣與海洋」 | 波是擺動的傳遞，能量與高度的平方成正比 |
| 高中＋ | 物理「波的能量」 | 完全成長的海、長到最大所需的時間 |
| 大學 | 海洋物理學、海岸工程 | 海浪推算（SMB 法、JONSWAP、頻譜法） |
| 研究 | 大氣海洋交互作用 | 從風到浪的能量傳遞、畸形巨浪 |
| ― | 與生活的關聯 | 冬季海浪預報的看法、浪高日在海邊的行為 |
- Japan Meteorological Agency (気象庁)「波浪の知識」（波浪知識）
- Hasselmann, K. 等（1973）北海波浪聯合觀測計畫（JONSWAP）報告，德國水路期刊增刊
- Pierson, W. J. & Moskowitz, L.（1964）關於完全成長風浪頻譜的論文，地球物理研究期刊
- 合田良實（Goda Yoshimi）《耐波工学 ― 港湾・海岸構造物の耐波設計》（耐波工程：港灣與海岸結構物的耐波設計），鹿島出版會
- 維基百科「有義波高」（示性波高）
※本文是寫給一般讀者的科學解說。文中數值是為了理解機制的參考值與概算。實際浪高會因地形、潮流和風的變化而有很大差異。在海邊的行動，請遵照日本氣象廳（気象庁）的海浪警報、注意報及地方政府等的指示。