为什么逆风会产生更大的波浪?

Question

众所周知，如果风吹向强大的洋流，就会引起非常大的波浪，例如在美国海岸的墨西哥湾流，或者在旧金山湾，一个非常强大的(5节以上)潮流。

值得注意的是，30节的风速和3节的水流会比33节的风速和完全没有水流产生更大的波浪，尽管相对速度显然是相同的。

对这种现象的解释是什么?

Answer 1

这里有两个物理过程:

• 相对于海洋表面的风速
• 逆流中波的聚焦和阻塞

相对于海洋表面的风速

正如你在问题中所描述的，相对于海洋表面的风速取决于当前的方向和强度。波的增长速率正比于在波的方向上风速$U$相对于波的相速度$c_p$，平方:

$$ S_{in} \sim \left(U - c_p \right)^2 $$

但是，波相速度由电流调制:

$$ c_p = c_{p0} + u$ $，其中$c_{p0}$是内在相速度(没有电流时的相速度)，$u$是波的方向。u$为负值，则为反向电流。波生长为:

$$ S_{in} \sim \left(U - c_{p0} - U \right)^2 $$

代入一些数字。假设\ U = 10 m / s,美元美元c_ {p0} = 3 \ m / s $和$ U = 1下午\ \ m / s $:

• 在跟随电流的情况下，$u = 1\ m/s$， $S_{In} \sim 36\ m^2/s^2$;
• 当电流相反时，$u = -1\ m/s$， $S_{In} \sim 64\ m^2/s^2$;

因此，在特殊的风和波浪条件下，通过改变中等电流的方向，我们将波浪的增长速度提高了1.78倍!相对风速$U - c_{p0}$越小，这种效应就越强。

波在相反的水流中聚焦和阻塞

波浪能量由波浪自身的群速度$c_{g0}$和洋流平流(传输)。如果为了简化起见，我们在波能平衡方程中去掉所有其他项，我们得到:

$$ \dfrac{\partial E}{\partial t} = -\dfrac{\partial left[\left(c_{g0} + u \right)E\right]}{\partial x} $$

这里的关键是调制群速度$c_{g0} + u$。如果波浪传播到一个逆流越来越强的区域，波浪能量就会在该空间内聚集，表现为高浪和陡浪的增加。在$c_{g0} = -u$处，也就是说，电流正好与波的群速度相反，它们就不能再向那个方向传播了!波浪能量在局部积聚，剧烈的波浪破碎随之发生。

总结

波浪阻塞与前面描述的依赖于相对风速的波浪增长是不同的过程，但是，它们通常是相互关联的，因为年轻的风海(由风局部产生的短波)几乎总是与风向一致，所以你所需要的只是与风相反的气流，使这两种影响同时发挥作用。

两者都可能发生在强烈而稳定的西部边界流中，如墨西哥湾流、黑潮、阿古拉斯流和巴西流，也可能发生在任何有强烈潮流的地区。

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