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• 白帽是指海浪破碎後，在波峰周邊形成白色浪花，是由大洋中波浪破碎時將把空氣捲入水體所造成。
• 風速增大時，海面白帽覆蓋比例也會增加，造成海洋與大氣的熱量傳遞速度遽增，而突然陡增的熱量通量對於颱風的發展至關重要。
• 中央大學研究團隊開發微型浮標，可觀測波浪的頻譜與海表面的傾度，以推算白帽覆蓋率。理解白帽的覆蓋特性，將對颱風強度的預測有所幫助。

1968年9月，地處德國與丹麥國境交界處西側的席爾特島（Sylt）秋意襲人，陰霾天空中積雲在低空快速翻騰，風速強勁的北海海面上波瀾壯闊、白浪片片，海上有一座巨大的鑽油平臺，只見一位金髮的科學家穿著亮橘色工作服站在高架觀測平臺頂端，表情嚴肅地確認他所安裝的儀器一切工作正常，他向西眺望，想像著從200 公里外被暴風吹起的波浪是如何一路成長、傳遞與演變。這是上世紀70年代規模最宏大的波浪觀測研究⸺北海波浪聯合量測計畫（Joint North Sea Wave Project, JONSWAP）的試驗現場。這位30多歲的年輕科學家剛從美國加州大學聖地牙哥分校（University of California, San Diego）回到德國馬克斯普朗克氣象研究所（Max Planck Institute for Meteorology,MPI-M）擔任這個跨國科學計畫的主持人，他就是後來的2021年諾貝爾物理學獎得主⸺哈瑟曼（Klaus Hasselmann）。

波浪研究的開端

氣候學家、氣候建模師哈瑟曼利用氣候模型，證明人為活動造成的二氧化碳增加、加劇全球暖化，因此在去（2021）年榮獲諾貝爾物理學獎，進而開啟人類和複雜地球系統關係的討論。當年，哈瑟曼在博士畢業後的第一份工作是一名造船工程師，雄心萬丈的他一頭栽進流體紊流現象的解析，但徒勞無功。後來哈瑟曼利用他物理與數學的長才，轉而研究海浪中波動與波動間的非線性交互作用與能量轉移，成功克服了自二戰以來、基於波浪預報需求的著名難題⸺大洋中海浪的演變過程，而後一舉成名。哈瑟曼年輕時期的波浪研究為他後來得獎的複雜非線性系統探討提供了養分與基礎，因為波浪就是自然界中最隨處可見的複雜非線性系統之一。

揭開波浪與白帽的祕密

波浪是海氣界面在時間與空間的擬週期性波動，波浪的形成到消失以及過程中的演變，在數學描述上是由三個主要的源函數項控制，分別描述大氣運動（風）造成的能量輸入、碎波白帽（whitecap）造成的能量耗散，以及介於輸入與耗散之間的能量非線性交互作用與轉移過程。現今我們早已能透過精密的觀測實驗了解風的能量輸入特性，而非線性交互作用的能量轉移也可以藉由哈瑟曼的理論進行計算。但我們還是沒有辦法清楚地確認碎波白帽造成的效應究竟有多少，以及目前的估計是否精確，因爲這樣的觀測實在太困難了。

但究竟白帽是什麼？又為什麼重要？白帽是海浪破碎掉之後在波峰周邊形成的一片片白色浪花，它是海面上的小水珠與水下氣泡的綜合光學現象，由大洋中波浪破碎時將空氣捲入水體所造成（圖一）。白浪的發生分成三個階段：一開始在波浪正要破碎時，波峰捲曲將大量空氣捲入水體，顏色是最白亮的；第二階段白帽會開始以水下氣泡的方式上浮，氣泡在海水表面破裂，激發出更小的水滴射入大氣，海氣交界面一片混沌；最後小水滴被風帶往下風處形成一條條帶狀或煙狀的白色泡沫，為第三階段。由於白帽中包含無數小水滴，以至於單位質量的水具有極大的表面積，加速了水的蒸發，再透過水的相變，可將大量海洋的熱量輸送進入大氣。

波浪正要破碎時，波峰捲曲將大量空氣捲入水體。
接著白帽會開始以水下氣泡方式上浮，直到氣泡在海水表面破裂，
激發出更小的水滴進入大氣，最後這些小水滴被風帶往下風處形成帶或煙狀的白色泡沫。（作者提供）

颱風與白帽

白帽的發生與風速息息相關，風速增大時，海面白帽覆蓋比例會率呈指數快速增加，也造成海洋與大氣的熱量傳遞速度激增，而這樣突然陡增的熱量通量對於颱風的發展至關重要。

颱風若要生成，有四個很重要的條件：一、在南北緯五度以外、柯氏力足夠大的海域範圍；二、垂直風切小；三、海洋有足夠的熱能供給；四、大氣不穩定，有強烈的熱對流。颱風就像一個熱機，由海洋提供熱機能量，所提供熱能通量的快慢影響颱風強度變化，進而影響到颱風下海面的白帽特性。

颱風眼牆周邊的風速快，這個區域就像一個巨大的造浪機器，一波又一波的浪從颱風中心向四面八方傳遞。由於北半球颱風的風向大致呈逆時針旋轉並向內旋入，因此在颱風的左側風向會和浪的方向相同，右側則為反向，而當風和浪的方向相反時，便會增加波浪破碎的機會，因此在颱風右側海面上白帽的覆蓋率會較高，可能對颱風強度產生影響。究竟在颱風的極端風速下，海面白帽覆蓋率有多少？是不是像按摩浴缸內白花花一片？這些一直是科學家關注的議題。

科學家如何觀測白帽？

白帽的覆蓋率和風、浪特性有關，因此如果要更加了解這些白帽，我們可以利用飛機飛到颱風中心進行航空拍攝的光學影像來判讀，在過去與現行的颱風研究中，科學家也曾利用飛機飛到暴風圈中以獲得暴風圈內濕度、風向風速資料。但是由於颱風時期的雲遮因素，使用飛機低飛航進行航拍的安全風險很高，且衛星遙測光學影像也無法解析。而在1996 年好萊塢電影《龍捲風》（Twister）中，氣象學家為了獲得龍捲風內的第一手資料，製作數以千計的微型探測小球，在距離龍捲風比較近的地方釋放，於是這些小球被強風捲入散布於龍捲風內跟風場運動，此時便可以利用高解析精度的定位資料與感測器，解析龍捲風的結構。

受到影片內容的啟發，中央大學研究團隊開發了用來觀測白帽的微型浮標，可觀測波浪的頻譜與海表面的傾度，把資料與數據利用衛星回傳到研究中心，而波浪的頻譜就像身分證一樣，可以清楚知道波浪的年齡（生成階段）和能量分布狀態，用以推算白帽覆蓋率。預計在今（2022）年颱風季，利用研究船在西北太平洋颱風生成熱區布放大量的微型浮標，守株待兔等待颱風到來，希望有機會可以從颱風中得到暴風圈內的資料。

一顆顆亮橘色的微型資料浮標在海上非常醒目，造型的設計有點像陀螺，形狀是以二維的高斯曲線擬合為基礎，露出水面的部分較平滑是為了減少海面風速對浮標的拖曳力，並使浮標更貼合著海浪上下運動。而白帽的觀測數據其實對於颱風系統強弱的理解十分重要，如果我們可以更準確地知道海洋上白帽的覆蓋特性，對颱風強度的預測將會有所幫助。去年的諾貝爾物理學獎的獲獎原因顯示了環境與氣候變遷議題比過去更加被重視，希望未來能有更多有興趣的學子加入，利用智慧及經驗為世界上看似混亂的現象揭示其規律並賦予意義，為世界解開波浪滔滔的祕密。

亮橘色微型資料浮標