海浪為什麼總是
幾乎平行於岸邊打上來？
站在沙灘上,浪總是從正面、整整齊齊地和岸線平行打過來,不管外海的風往哪個方向吹都一樣。仔細想想很不可思議的這種「波浪的排列」,其實是由一個單純的機制造成的。
夏天的沙灘。你漫不經心地看著一波波打來又退去的浪。白色的浪花線幾乎與岸線平行,一波接一波地湧來。
忽然想起地圖上的樣子。這片沙灘朝南,幾公里外的另一片沙灘朝東,海灣深處還有一片彎彎曲曲的沙灘。然而,不管站在哪片沙灘上,浪都是從那片沙灘的正面打過來。照理說在外海應該是隨風向各自前進的浪,到了岸邊卻像事先約好了一樣,方向全都對齊了。
浪,究竟是怎麼「知道」岸邊的方向的呢?
機制,其實只有兩個階段
越靠近岸邊,海就越淺。而波浪前進的速度,有一個特性：越淺的地方越慢。
斜向朝岸邊前進的波浪,靠岸較近的那一側會先進入淺水區。只有先進入的那一側踩了煞車,於是整個波列就會轉向,變成正面朝向岸邊。
這兩件事一結合,不管外海的浪原本朝哪個方向前進,到岸邊之前都會自動被「矯正」成與岸邊平行。接下來我們用生活中的比喻,一步步來看。
階段1：波浪在淺處會變慢
海浪看起來只是水面上的現象,其實水面下的水也一起在畫圓圈般地運動。在外海很深的地方,這種運動在到達海底之前就已經減弱消失了。可是到了岸邊附近,海底變淺,水的運動就會被海底卡住。
被卡住的部分,會讓波浪變得不容易前進。也就是說,越淺的地方,波浪前進得越慢。在水深100公尺的外海前進的湧浪,時速可能超過100公里。而到了水深只有幾公尺的岸邊附近,時速會降到大約20公里(具體計算會在最後的折疊區塊裡示範)。
階段2：只有一側煞車,就會讓波列轉向
接下來才是重點。想像一下橫排行進的隊伍。如果隊伍右半邊突然陷進泥濘裡,腳步變慢了,會發生什麼事呢?左半邊仍然照原來的速度前進,結果整個隊伍就會向右轉彎。
斜向朝岸邊前進的波列,也會發生完全一樣的事。波列中靠岸較近的那一端,會先進入淺水區而被踩了煞車;外海那一端還在深水區,速度不變。這個速度差,就會讓波列慢慢轉向,變成正面朝向岸邊。
重點是,這種方向的變化是「隨著水變淺」自動發生的。波浪並不知道岸邊在哪個方向,只是單純遵循「淺的一側會變慢」這個物理規律,結果不管海岸線是什麼形狀,浪都會自動排列成正對岸邊的樣子。
在突出海面的海岬周圍,淺水區會向外海方向突出。於是波列就會沿著這個突出的地形,被彎折成集中向海岬聚攏的樣子。相反地,朝海灣深處前進的浪,則會呈扇形一邊擴散一邊前進。同樣是外海來的浪,海岬處會集中波浪的力量,海灣深處則會被稀釋拉薄。海岬尖端容易形成崎嶇的岩岸,海灣深處容易形成平靜的沙灘,據說正是這種「波浪聚集方式的差異」經過長年累月侵蝕地形所造成的結果。
總結
波浪之所以會與岸邊平行地打過來,既不是偶然,也不是託風向的福。①越淺的地方波浪越慢,②只有一側變慢的波列,會朝變慢的那一側轉向――這兩個階段,讓不管原本朝哪個方向前進的浪,都自動排列成正對岸邊。
波浪並不知道岸邊的方向。
只是淺的一側踩了煞車,波列自然就會轉向岸邊。
「淺處波浪會變慢」這個相同的特性,也是海嘯在靠近岸邊時會突然變高的原因。詳細內容請見這篇文章的說明。
那麼,打到岸邊的這些浪,原本又是在哪裡誕生的呢?晴朗無風的日子卻出現大浪的機制,已經在明明沒有風，為什麼會突然出現大浪？中說明過了。
波浪在「水深一致的水面」上如何擴散,把石頭丟進池塘時泛開的同心圓是最容易理解的例子。把石頭丟進池塘，為什麼會擴散出圓形的水波？中有介紹。
- 在浴缸或充氣泳池底部的一側,沉入砧板或較大的保鮮盒,做出一片「淺水區」
- 從斜向淺水區的方向,用手掌輕輕推動水面送出波浪
- 從正上方觀察波浪的白色浪峰線,經過淺水區上方時方向會變得比較緩
從燈光映在水面上的位置去看,比較容易追蹤浪峰線的方向變化。如果不順利,訣竅是把波浪送得小一點、慢一點。你可以用自己的雙手,重現海上發生的現象的縮小版。
想了解更多 ― 術語、公式與教科書的連結從國中理化到大學專業科目，明確標示這是哪個程度的內容
- 國中國中理化課會學到的範圍
- 高中高中「基礎物理」「物理」會學到的範圍
- 高中＋高中「物理」的進階內容,或教科書專欄介紹的內容
- 大學高中不會教,屬於大學專業科目（海岸工程學・流體力學）的內容
- 研究連大學也不當作「定論」教授,是研究人員目前正在調查中的內容
國中術語：這個現象有正式的名稱
- 波浪折射（屈折）：本文說明的「波列改變方向」這個現象的正式名稱。當前進速度因地點而異時,波浪一定會改變方向。
- 波前（波面）：本文所說的「波列」。把波峰連成一條線的東西。
- 淺水變形：波浪進入淺海後,速度、高度、方向發生變化的總稱。在海岸工程學裡很常用的詞。
- 波向線：表示波浪前進方向的線（圖1中的黃色箭頭）。永遠與波前垂直相交。
國中高中用公式驗證：波浪在淺灘會變慢多少
波長相較於水深足夠長的波浪（湧浪或海嘯）,其速度可以用下面的公式估算。單位方面,速度是m/s（公尺每秒）,水深是m,重力加速度是9.8 m/s²。
速度 ＝ √(重力加速度 × 水深)
| 速度 | 波峰前進的速度［m/s］ |
| 重力加速度 | 9.8［m/s²］（地球上物體下落的加速度） |
| 水深 | 該地點海的深度［m］ |
| √ | 平方根（平方後會等於該數的值） |
公式裡出現的只有水深。也就是說,波浪的速度是由該地點的水深自動決定的。
| 外海（水深100 m）的內容 | 9.8 × 100 ＝ 980 |
| 外海的速度 | √980 ≒ 31 m/s（換算成時速約110 km/h） |
| 岸邊附近（水深4 m）的內容 | 9.8 × 4 ＝ 39.2 |
| 岸邊附近的速度 | √39.2 ≒ 6.3 m/s（換算成時速約23 km/h） |
| 速度比 | 31 ÷ 6.3 ≒ 4.9 倍 |
可以看出外海和岸邊附近的速度差了大約5倍。如果行進隊伍有一側速度突然變成五分之一,隊伍會大幅轉彎也是理所當然的。這個巨大的速度差,正是讓所有方向的波浪都排列成正對岸邊的力量的真面目。
高中與光的折射,遵循相同的法則
「斜向進入速度不同的區域時方向會改變」――這和高中物理學到的光的折射完全遵循相同的法則。光從空氣斜向進入玻璃時會彎折,是因為光在玻璃中會變慢;波浪從深海進入淺海時會彎折,是因為波浪在淺海中會變慢。水面的波浪和光看起來是完全不同的東西,但在「波」這個共通的性質層次上,卻遵循著相同的規則。
高中＋大學正確地說：司乃耳定律與波浪方程式
高中＋折射的程度,可以用和光一樣的司乃耳定律（Snell's law）來表示。設波前與邊界所成的角度為θ,則sinθ₁ ÷ sinθ₂ ＝ 速度₁ ÷ 速度₂。速度比決定了角度的變化。就像②的計算一樣,如果速度比約為5倍,不管外海的波浪原本有多斜,到岸邊之前,角度的指標（sinθ）也會變成約五分之一,也就是幾乎正對岸邊。
大學本文所說的「越淺越慢」,是水波色散關係（速度的平方,由波浪的細緻程度與水深所決定的關係式）在淺水極限下的結果。當水深相較於波長足夠小時,這個關係式會歸結為 速度 ＝ √(重力加速度 × 水深)。相反地,在深海中,速度與水深無關,只由波長決定。海岸工程學會把這個關係式,結合折射、淺水變形、碎波的公式,從外海的觀測資料來預測抵達海岸的波浪。
研究目前還不完全清楚的部分
「波浪在淺灘會彎折」這件事本身是已經確立的物理現象,但實際海岸上發生的狀況,仍有一部分還在持續研究中。
- 碎波之後波浪的行為,無法用簡潔的公式描述。 折射理論只適用於波浪碎裂之前,而白色碎浪之後的水流運動（紊流）,至今仍是靠數值計算與實驗持續研究的難題。沙灘附近複雜水流的預測精度,據說仍在發展階段。
- 波浪與沙灘會不斷互相改變彼此。 波浪聚集的方式會搬動泥沙、改變海底地形,而改變後的海底又會反過來改變波浪的折射方式――這種循環（回饋）的長期預測十分困難,對於海岸線未來會如何變化,據說預測仍存在很大的不確定性。
- 氣候變遷可能正在改變外海而來的波浪本身的性質,已有人指出這一點。長期的波浪觀測資料目前只累積了數十年份,未來的海岸會迎來什麼樣的波浪,正是活躍研究中的課題。
也就是說,這篇文章的內容,也是「目前已知範圍內的說明」。波浪彎折的機制雖然單純,但延伸下去的海岸物理現象,還存在著一層又一層尚未解開的謎題。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・光與聲音（波動性質的入門） | 波列改變方向這個現象本身,圖1・圖2 |
| 高中 | 物理・波的傳播方式／波的折射 | 速度差異改變方向的機制,與光折射的對應關係 |
| 高中＋ | 物理・司乃耳定律的應用（含進階內容） | sinθ比與速度比的關係,②計算的意義 |
| 大學 | 海岸工程學・流體力學（水波的色散關係） | 淺水波公式的由來、淺水變形、波浪預測 |
| 研究 | 海岸工程學・海洋物理（尚未解決） | 碎波後的紊流、與地形的回饋、波浪的長期變化 |
| ― | 與地理・地學的連結 | 海岬與海灣浪勢不同的原因,海岸地形的形成 |
- 海岸工程學標準教科書中,關於波浪折射、淺水變形、波向線的解說（合田良実『海岸工学』（海岸工程學）等）。
- 日本氣象廳（気象庁）的波浪解說頁面（湧浪的傳播方式、淺海中波浪的變化）。
- Komar, P. D., Beach Processes and Sedimentation, 2nd ed., Prentice Hall, 1998（波浪折射與海岸地形的關係）。
- 日本國土交通省・港湾空港技術研究所（港灣機場技術研究所）公開的波浪推算與海岸保全相關資料。
※本文為大眾科普解說。文中所列數值,僅為幫助理解機制的參考估算值。在海邊或河邊進行觀察時,請充分注意天候與波浪狀況,並遵守當地告示或工作人員的指示。