SWOT测量海洋中的巨型涌浪

之前说过要写一写SWOT数据处理的科普，比如SWOT观测海浪、冰山、内波、亚中尺度过程等，今天开启SWOT研究系列的第一篇，探讨SWOT观测海洋中的巨型涌浪。

SWOT卫星主要设计用来研究亚中尺度地转湍流，其提供的250米分辨率原始数据并不适用于常规风浪的测量，因为这些数据的分辨率相对于风浪的尺度而言仍然偏低。而且，在流体动力学中，波动和湍流被视为两个理想化的极端：波动不涉及显著的相互作用或扩散效应，而湍流则涉及到强烈的相互作用和涡流扩散。通常情况下，这两种现象被分开研究。

尽管如此，SWOT卫星对于观测海洋中的巨型涌浪却具有独特优势。这些巨型涌浪的波长能达到1公里，远远超出了近岸涌浪的尺度，后者一般只有百米。因此，通过SWOT的高分辨率数据，我们能够清晰地观察到这些巨大波浪的特征，并进一步分析其对海洋动力学作用以及海上安全的潜在影响。

海浪小知识

海浪的形成主要由风力驱动，特别是当风在一定距离（称为风程）上持续吹动时，海浪会逐渐增长。初生的海浪波长超过1.7厘米后，随着波长的进一步增加到1.5米以上，波周期超过1秒，表面张力的作用逐渐减弱，此时重力成为波浪恢复原状的唯一力量，这种波浪被称为 重力波 。

重力波的显著特征是它们的相位（即波峰的移动速度）通常比波群（即波的整体移动）传播得更快。这一现象实际上抵消了表面张力的影响。重力波的周期通常在1秒到25秒之间，而波长则介于1.5米到900米之间。

风对海面的直接作用产生了具有不同周期、传播方向和相位的多种波浪成分，共同形成了复杂的波动模式。在风暴等极端天气条件下，风海的波浪周期可能会延长至10-12秒，波长达到150-220米。在这些条件下，波浪的高度显著增加，从而加剧了海洋结构物的负载，并通过在相当于波长的深度范围内引入湍流，促进了上层海洋的混合。

在特定条件下，如波浪组分在较窄的方向范围内传播，并且波浪足够陡峭，波群的不稳定性可能导致波幅的迅速显著增长，形成极大波浪，即所谓的怪波或狂波。当这些波浪的高度超过最高三分之一的波浪平均高度的两倍时，我们称其为怪波。尽管这类波浪的发生概率不高，但它们在极端风暴条件下可能对各种海洋工程活动构成严重威胁。

当波浪在水深远大于波长的海域传播时，长波比短波传播得更快，从而相互分散，形成所谓的 涌浪 。

涌浪通常具有较长的波长，一般超过260米（相应周期大于13秒），最长可达约900米（周期24秒）。因为它们的高度通常较低，与风浪相比，涌浪的能量耗散相对较少。例如，一个周期超过13秒且振幅小的长波，在穿越大约20,000公里的距离后，其能量会减少大约一半。因此，从南大洋发起的涌浪能够横越至阿拉斯加，其能量损失极少。然而，像所有重力波一样，在接近海岸的急浅水域，涌浪的振幅会增加，波长减小，最终在靠近岸边时迅速破碎并快速失去能量。

今天我们通过SWOT将看到波长大于900m的巨型涌浪，并且贯穿了大半个南半球的太平洋。

直接上图

话不多说，直接上图：

可以看到，波动大约起源于南大洋，具体在南纬50°附近。在这一地区，强烈的西风带常常激发风浪的形成。南大洋是著名的风浪生成区，这里的气象条件极其适合波动的生成和增长，因为大范围无陆地阻挡使得风能持续作用于海面，形成持续且规模庞大的波浪。

这些波浪向东传播，当它们穿过新西兰和澳大利亚之间的水道时，由于该地区复杂的海底地形和陆地的局部阻挡，部分波浪的传播方向发生变化，开始向东北方向移动。这种方向的改变可能是由地形引起的折射作用，或是海洋流动和局部风场的影响。

当这些波浪继续向东北方向传播时，它们逐渐形成涌浪。涌浪通常指远离风浪生成区的成熟波浪，这些波浪已经从风的直接影响中脱离，波形更为规则和稳定。这些涌浪在穿越约三千公里后，达到了南纬20°。

通过使用快速傅里叶变换对这些波动的波数谱进行计算，发现波长约为1000米，这个数值超过了以往文献中记录的最大值。这种异常长的波长可能指示了非常独特的海洋或气象条件，或是某些稀见的动力学过程的影响。例如，可能涉及异常强的风场作用或海洋流动对波动的持续推动。

在观察规则涌浪的过程中，发现除了传统的水平波动外，海面上还出现了和涌浪传播方向垂直的波动。这些波动的波长看起来不太规则，主要表现为一些奇怪的条纹状结构，在海面上的分布相当广泛，覆盖了大片的海域。这种现象可能初看起来令人困惑，但实际上可能揭示了一些有趣的海洋动力学过程。

可能的解释

Langmuir涡旋 ：

• 这种涡旋常在海洋表面形成条纹状结构，特别是在有持续风向的条件下。Langmuir涡旋是由风驱动的水流与垂直涡旋相互作用产生的旋转流动。这些流动形成的条纹通常与风向大致平行，因此可能与涌浪的传播方向呈一定角度，甚至可能垂直。

表面流和涌浪的交互作用 ：

• 如果涌浪在某一特定方向传播，而表面流（可能由局部风或海洋流动驱动）在垂直或接近垂直方向上作用，它们的相互作用可以在海面上形成垂直于涌浪传播方向的条纹。这种情况下，条纹可能是由于流体动力学上的剪切作用或者流速的局部变化引起的。

波浪折射和反射 ：

• 在接近海岸或水下地形复杂的地区，涌浪在传播过程中可能遭遇不同方向的折射和反射。当波浪由于地形或深度的变化而改变传播方向时，可能在水面形成与原有涌浪方向垂直或斜交的条纹状模式。

对于这类现象的观察和解释，可以采用卫星影像、海面漂浮物跟踪或者直接的海面观测等方法来进一步研究条纹的成因和性质。同时，结合数值模拟和流体动力学的分析，可以更深入地理解这些海面条纹背后的动力机制。

在研究和解释这些现象时，认识到海洋环境的复杂性和多变性是很重要的。每一种解释都需要考虑到具体的环境条件和可能影响这些条件的多种因素。如果有进一步的数据，如风速、海流方向和强度，将有助于更准确地理解这些现象。

我鼓励对这一现象感兴趣的读者在评论区留言讨论，分享你们的观察和理论，共同探索这些海洋表面的神秘条纹背后的科学原理。这种互动不仅能增进大家对海洋动力学的理解，也可能激发出新的研究方向。