“特邀UCL Research Fellow 杨毅锋博士点评最新Nature正刊文章。点评的精华摘要：研究是首次在实验室实现高分辨率三维波浪破碎研究。确定了三位波浪的三种不同破碎机制。实验也发现三维波浪破碎时并非如长期以来指导波浪理论研究的二维波浪那样，需要遵守严格的波陡限制。研究的结论对于理解海洋中的水气的能量交换、研究极端波的成因和物理机制、预测离岸风机等海洋结构物的极端波浪载荷等具有很深的指导意义。
波浪破碎是海洋中一非常普遍的物理现象，但是破碎过程和其背后的物理机理仍未完全了解。在此之前，绝大多数关于波浪破碎的研究均是以二维假设为基础的，并将波浪的破碎与波陡（波高与波长的比值）联系起来，例如针对单色波，经典的Stokes波浪破碎几何判据指出临界波陡为0.142。该理论指导了一系列基于二维波浪水槽的实验研究，和进一步的理论修正工作。相较而言，海洋中的波浪情况会复杂的多，其频率并非单一，而是呈现出不同频率和方向相互作用的波浪成分组成的频谱。大量的研究表明，给定一组波浪频谱的形状和带宽可能导致发生波浪破碎的陡度发生显着变化，这就导致了二维的波浪破碎理论难以适用于三维水波问题。
McAllister et al. (2024) 通过一系列三维波浪的实验，总结和确定三维波浪的三种不同的破碎机制，这是该论文最为核心的点。其中（1）类似于二维波浪，三维波浪传播过程中出现的“行波破碎模式”，这是由于波浪波峰区域翻转所造成的破碎；（2）“驻波破碎模式”，这是由于两类相对的波浪传播形成驻波，能量积聚在一波峰处，导致垂直的水射流喷射而产生的破碎；（3）介于两者之间的“行波-驻波破碎模式”，即不同方向相互作用的波浪（交叉波）在传播时，其波峰处出现大量快速的水射流，致使其破碎。
图1 行波破碎模式
图2 驻波破碎模式
图3 行波-驻波破碎模式
该论文的实验也发现三维波浪破碎时并非像二维波浪那样，需要遵守严格的波陡限制。其产生的定向扩散波比破碎开始时的陡峭80%，即是等效的二维波破碎开始时陡的四倍。笔者认为虽然类似超越波陡限制的结论并非在该论文中首次提出，但其是实实在在的首次在实验室水池中实现。这些研究的结论对于理解海洋中的水气的能量交换、研究极端波的成因和物理机制、预测离岸风机等海洋结构物的极端波浪载荷等具有很深的指导意义。
此外，不得不提的是，此项实验的研究离不开强大的实验设备做支撑。其波浪是由爱丁堡大学的FloWave生成。FloWave是世界上第一个圆形波浪和水流的组合设施，是目前世界上最为强大的模拟真实海洋波浪环境的设施之一。
图 4 FloWave 圆形波流水池
文献
MCALLISTER, M., DRAYCOTT, S., CALVERT, R., DAVEY, T., DIAS, F. & VAN DEN BREMER, T. 2024. Three-dimensional wave breaking. Nature, 633, 601-607.
