沒有風,為什麼會突然來一道高浪?
― 遠方暴風產生的「湧浪」已經傳到這裡
那道浪,並不是眼前正在吹的風造成的。而是幾百公里外的海面上,好幾天前吹過的暴風所造成的浪,一路改變形態、旅行到這裡的結果。這正是晴朗的海面最容易被忽略的原因。
一個晴朗的日子,你在海岸邊。天空湛藍,幾乎沒有風。就算把腳泡在海浪打上來的地方,也只會濕到膝蓋以下。
但過了一會兒,情況變了。原本以同樣間隔湧來的浪,突然變大,一口氣衝到腰部的高度。
風,還是和剛才一樣弱。但浪卻變大了。這種「風與浪不一致」的狀態,正是在海邊最容易被忽略的警訊。
只要記住這2件事就好
浪是風持續摩擦海面所產生的。但要讓浪成長,需要強風在廣闊的海面上持續吹拂很長時間。這樣的場所,通常是幾百公里之外的暴風海域。
暴風海域裡,混雜著各種長度的浪。其中波長越長的浪,前進速度越快,也越不容易減弱。因此傳到遙遠岸邊的,只剩下經過篩選、整齊劃一的長浪。
把這兩點合在一起,就能解開「明明沒有風卻有大浪」的謎題。讓我們依序來看。
原因1:浪是在暴風海域裡被「養大」的
對著平靜的水面吹氣,會產生細小的漣漪。海上發生的事,一開始也是一樣。風摩擦水面,會產生極小的凹凸。
一旦出現凹凸,風就能推動這個斜面。被推動的浪會變得更高,變高的浪又會承受更多的風。透過這樣的循環,浪會自己把自己養大。
能長多大,據說取決於三個因素:風的強度、風持續朝同一方向吹的時間,以及風吹拂的海域範圍。同時具備這三個條件的地方並不多,那就是颱風或發展成熟的低氣壓周圍的海域。
在這裡剛誕生的浪,稱為「風浪」。它形狀尖銳,高度與間隔都不規則,容易白色破碎,是一種混亂的浪。你在海岸邊看到的那種平緩的大浪,外觀完全不同。
原因2:波長越長的浪前進越快,能傳到越遠
接下來才是重點。離開暴風海域的浪,不會維持原本的樣子繼續旅行。因為在深海中,波長越長的浪,前進速度越快。
就算出發時間相同,前進速度不同,旅途中隊伍就會拉開。長浪會跑到前頭,短浪則逐漸被拋在後面。短浪在這段時間裡,會崩潰,或是被逆向的風削弱,大多因此消失。
結果,傳到幾百公里外的岸邊時,只剩下又長又平滑的浪。這就是「湧浪」。請看圖1。左邊是暴風海域,右邊是岸邊,箭頭表示浪前進的方向。可以看到左邊參差不齊的浪,在右邊變成了整齊劃一的大浪。
湧浪在外海時高度較低、較平緩。在船上幾乎不會察覺,只感覺緩緩上下。但接近岸邊、水深變淺後,前進速度會變慢,後方的浪追上前浪,高度就會急速增加。外海不起眉的浪,到了岸邊突然立起,原因就在這裡。
日本氣象廳的波浪預報,不只計算日本周邊的風,也把遠方外海的低氣壓或颱風所產生的浪列入計算。就算眼前天氣晴朗,若發布了波浪注意報,可以把它視為遠方海域正在起風浪的訊號。
那麼,該怎麼做?
最重要的是,拋開「風弱等於浪也平穩」這種先入為主的想法。去海邊前先確認波浪預報,如果得知有湧浪,那天就不要下水。光是這樣做,據說就能避免許多意外。
- 就算沒有風,浪也可能變大因為遠方暴風送來的浪,現在正好傳到這裡
- 不要靠近浪打上來的地方,以及伸入海裡的岩石或消波塊有時會突然來一道比平常大好幾倍的浪。一旦被捲倒,轉眼間就會被拖向外海
- 即使有人被浪捲走,也不要追過去跳下水去救人的人反而會更危險。要立刻呼叫大人,並撥打119通報
請立刻在原地撥打119或118通報。日本海上保安廳的通報電話是118。同時,自己絕對不要下水,而是從岸上丟出能漂浮的物品(保冷箱、寶特瓶、救生圈、浮板等)給對方。並大聲告訴被沖走的人「浮著等待救援」。不要慌張跳下水,也不要靠近濕滑的岩岸,這樣才能防止二次受害。至於救援與避難,請依照消防、海上保安廳、地方政府的指示行動。
總結
浪未必是由當地的風造成的。強風在廣闊的海面上持續吹拂很長時間的地方,浪會在那裡成長,其中只有波長較長的浪能快速旅行到遠方,傳到無風的岸邊。這就是湧浪。即使是晴朗無風的日子,海面的表情仍與遠方的天空相連。
浪所訴說的,不是今天的天氣。
而是幾百公里外、幾天前的一場暴風的故事。
關於浪靠近岸邊時方向會改變的原理,請參閱海浪為什麼總是幾乎平行於岸邊打上來?;至於颱風來襲時海面本身會隆起的現象,則說明於颱風來襲時,為什麼海面會隆起?。關於從岸邊流向外海的水流,也請一併閱讀在海裡「一不注意就被沖到外海」,是為什麼發生的?。
- 在洗臉盆或浴缸裝水,從旁邊對著水面吹氣。會產生細小的漣漪,吹得越久漣漪就越大。這是風養大浪過程的縮小版。
- 用手掌在浴缸邊緣按壓一次造出波浪,數一數傳到對面要花幾秒。接著,慢慢大幅度移動手掌,造出波長較長的浪,同樣數一數時間。你會發現長浪傳得更快。
- 去海邊的那天,用計時器測量浪打上來的間隔,連測10次後除以10,算出每次的平均秒數。據說如果小於6秒,可能是附近的風造成的浪;若超過10秒,則很可能是從遠方傳來的湧浪。
觀察時,請務必在遠離浪打上來處的安全地方進行。切勿站在堤防或岩岸的尖端。
想知道更多 ― 用語、公式,以及與教科書的連結從中學理科到大學專業科目,皆明確標示屬於哪個程度
- 中學中學理科所學的範圍
- 高中高中「物理基礎‧物理」所學的範圍
- 高中＋高中的進階內容,或教科書專欄性質的內容
- 大學高中不會學到、屬於大學專業科目(流體力學‧海岸工程學)的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」教授、目前研究人員仍在探究中的內容
中學用語:這個現象有名字
- 風浪:由目前正在吹的風,在當地造成的浪。形狀尖銳,高度與間隔都不一致。
- 湧浪:離開起風的地方,傳播過來的浪。平滑,間隔長且整齊。
- 週期:一個浪峰通過後,到下一個浪峰到來所需的時間。單位是秒,湧浪的週期會更長。
- 波長:從一個浪峰到下一個浪峰的距離。在深海中,波長越長的浪前進越快。
中學高中用公式驗證:湧浪要花幾小時才能傳到
對於在深海中前進的湧浪,據說浪的能量傳遞速度,等於週期(秒)乘以約0.78所得的值(公尺/秒)。我們用這個數值,來估算浪從遠方暴風傳到這裡需要多少時間。所用的符號與單位如下表所示。
| 用符號表示 | cg ＝ g × T ÷ (4π) |
| 用文字表示 | 湧浪能量前進的速度 ＝ 重力加速度 × 週期 ÷ (4 × 圓周率) |
| 公式的來源 | 在深海的水面波中,由於隆起的水受重力拉回的力,與水的慣性達到平衡,浪形前進的速度(相速度)為 g × T ÷ (2π)。能量團前進的速度(群速度)是其一半,因此分母變為 4π。0.78這個係數,就是 g ÷ (4π)。 |
| 符號:g(重力加速度) 單位:公尺/秒² | 9.8 |
| 符號:4π(4 × 圓周率) | 約12.57 |
| 符號:週期 單位:秒 | 14 |
| 符號:速度係數 單位:公尺/秒除以秒所得的值 | 據說為0.78 |
| 符號:暴風海域到岸邊的距離 單位:公里 | 1500 |
| 驗證速度係數 g ÷ 4π | 9.8 ÷ 12.57 ≒ 0.78 |
| 湧浪傳播速度(公尺/秒) | 0.78 × 14 ＝ 10.92 |
| 換算成時速(公里/小時) | 10.92 × 3.6 ≒ 39.3 |
| 行經1500公里所需時間(小時) | 1500 ÷ 39.3 ≒ 38 |
大約需要38小時,也就是一天半多一點。等暴風過去、天空放晴之後,那場暴風所造成的浪才終於抵達。「明明放晴卻有高浪」,就是從這段時間差產生的。
高中高中＋為什麼長浪比較快
高中高中所學的波動公式是:速度＝波長÷週期。聲音或光的速度是固定的,波長與週期會連動變化。但水面波不同,速度本身會隨波長改變。這種波稱為「有分散性的波」。
高中＋當水深遠大於波長時,據說浪的速度會與波長的平方根成正比。波長變成4倍,速度就會變成2倍。因此即使同時從暴風海域出發,長浪也會先抵達,短浪則會延遲到達。在岸邊測量週期時,一開始會比較長,隨著時間逐漸變短。這種變化,正是浪從遠方暴風傳來的證據。
大學群速度,以及波浪推算的原理
在大學的流體力學中,水面波的分散關係式可以推導成「角頻率的平方,等於重力加速度與波數的乘積」這樣的形式。從這裡可以得知,浪形前進的速度(相速度)與能量團前進的速度(群速度)是不同的東西。在深海中,群速度恰好是相速度的一半。前面估算湧浪抵達時間時,之所以不用相速度,而是使用乘以約0.78所得的值,正是因為實際被搬運的是能量。
在實務的波浪推算中,會針對每個網格,計算海面上各種週期與方向的浪的分布(波浪能譜)。再加入風造成的成長、白浪造成的衰減,以及浪與浪之間的能量交換,隨時間逐步求解。
📖 公式推導與更深入的內容:群速度(日文維基百科) ／ 湧浪(日文維基百科)
研究目前尚未完全清楚的事
- 單發巨浪的預測。 有時會突然出現高度數倍於周圍浪的巨浪,是船舶受損的原因之一。其發生機制有多種說法,目前還無法事先預測何時何地會發生。
- 白浪帶走的能量有多少。 浪破碎變白時,究竟損失多少能量,至今實測值與計算值之間仍存在落差。據說這是決定波浪預報精確度的重要因素。
- 海面回饋給大氣的影響。 浪不僅從風獲得能量,也會反過來影響風本身。如何把這種雙向的交互作用納入氣象模型,是仍在持續研究的課題。
也就是說,本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。海浪雖然看起來很日常,卻仍是研究最前線的現象。
與教科書的連結(依程度分類)
| 程度 | 科目‧單元 | 本文對應的部分 |
|---|---|---|
| 中學 | 理科(聲音與波的性質、氣象及其變化) | 風浪與湧浪的差異、週期的測量方法 |
| 高中 | 物理基礎‧物理(波的性質、速度與波長與週期) | 長浪前進較快的說明 |
| 高中＋ | 物理(進階)‧地科(海洋) | 速度與波長平方根成正比 |
| 大學 | 流體力學‧海岸工程學‧海洋物理學 | 分散關係與群速度、波浪推算 |
| 研究 | 海洋波動論‧氣象與海洋耦合模型 | 單發巨浪、白浪造成的衰減 |
| ― | 與生活的連結 | 波浪注意報的判讀方式、海邊安全確認 |
- 日本氣象廳(気象庁)公開資料,關於波浪(風浪‧湧浪)的說明,以及波浪預報‧波浪注意報。
- 日本海上保安廳(海上保安庁)公開資料,關於海上事故與118通報、海上休閒活動安全事項。
- 海岸工程學‧海洋物理學標準教科書中,關於水面波分散關係、群速度、波浪推算的一般性敘述(合田良実《海岸工学》等)。
- Holthuijsen, L. H., Waves in Oceanic and Coastal Waters, Cambridge University Press, 2007(關於波浪能譜與湧浪傳播的敘述)。
※ 週期‧距離‧到達時間等數值,是為了幫助理解原理而設的概算‧假設值。實際湧浪的高度與到達時間,會因暴風的規模‧路徑‧海底地形而有很大差異。
※本文為一般大眾取向的科學解說。文中數值為幫助理解原理的參考值‧概算。海況會因地點與時間而有很大差異。實際行動時,請確認日本氣象廳的波浪資訊,並遵循消防機關‧海上保安廳‧地方政府等單位的指示。