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2019-05-01水能載舟,如何才能不覆舟? 從海浪的行為 談海嘯預警系統 593 期

Author 作者 口述/吳祚任 中央大學水文與海洋科學研究所副教授。 撰稿/郭家銘 本刊編輯。
海港可不只是出入口
颱風在臺灣可說是家常便飯,氣候因素使得風浪變大,因此漁船需進到港內才不會因持續晃動與碰撞造成損壞。
人們往往以「避風港」相稱,卻不知道設置海港其實是要避浪用的(圖一)。

不過當對手從颱風代換成其他天然狀況時,海港就不真的那麼安全了,例如海嘯。海嘯的日文為「津波」,其中的「津」指的就是海港;而津波二字也意味著,當海嘯來臨時,最有浪的地方就是海港!對近海漁船而言,遇到這種情況的最佳解決方案是往外海移動,回港只會是更危險的選擇。

一般來說,消除波浪的方法是找到一個「大個子」阻擋它前進,這也是為什麼海堤常設的帶狀消波塊(圖二),其陳設寬度絕對都比海浪的波長要長的原因。然而,海嘯的波長比一般海浪又更長,這段距離無法輕易地阻擋掉;當波長長度突破提防設計的上限,這個「城牆」就失去它防衛的作用,且臺灣的港口普遍蓋在地形平緩處, 海嘯也更容易上岸......

從波與浪的行為構築海嘯科學
老掉牙但還是要講:關於波

在解決這個問題前,可以先認識一下海嘯的本質。直觀來看,海嘯比一般海浪來得大,但水波「行為」的不同才是造成海嘯具毀滅性衝擊的關鍵。在深海,海嘯的浪 高僅約1 公尺,週期為30 分鐘,這種花15 分鐘上升1 公尺、再花同樣的時間退下來的海波,置身其中的船隻想必處在非常舒適的狀態。

有趣的問題是,假設某人穿戴救生圈在一深海水域戲水, 其波浪可被理想化為一正弦波(sine wave), 當海浪襲 來時,他會如何移動呢?答案是原地上下擺盪。這種「傳能量不傳質量、質點不會移動」的特性,與光波的傳遞很類似。試想,人們可以看到強光照射,但並不會被光所推動;反之,若今天傳過來是石頭之類的物體,那就會變成傳能也傳質的狀況了。 

浪與潮的分野
外海的波浪可比作正弦波,但近岸的浪就不是這麼回事了。原因在於,海浪抵達岸邊的這段時間,由於海的深度變淺,導致水分子向下運動的空間產生變化;當水分子行經淺水處,會產生多餘的力量向上推擠,造成浮出海面的 浪被推得更高並逐漸形成「捲浪(roller wave,圖三)」, 這種海浪崩塌後的行為在海嘯科學裡稱為湧潮(bore)。

湧潮與波浪不同,它具備推行能力(即傳能也傳質), 而海嘯即將上岸時,其高度會越疊越高;當高度到達一程度後便會向下掉落,此稱「臨界破碎點」。 在破碎點前,海嘯的本質是波浪,跨越這個點以後,就是湧潮了,這也是為何海嘯來臨前漁船必須出港迎接海嘯的原因只要在破碎點發生前衝過去,船隻的處境就相對安全(圖四)。
後浪為何推前浪?
除了能量傳遞外,讀者也許會好奇:高的海嘯跟低的海嘯,誰跑得比較快?海嘯的波傳速度(即能量傳遞的速度)可以c=√gh表示,其中c為波傳速度,g為重力加速度,h 為水深。從這裡可以看到,無論多高、多大的海嘯,其傳遞的速度都無關乎高度與波長等因素,只跟水深有關。

在深海,假設g是10公尺∕秒平方,水深為4000公尺, 海嘯波長速度為√40000=每秒200公尺(約每小時720 公里), 類似於噴射機的速度。另外,讀者應該也聽過「長 江後浪推前浪」這說法,c=√gh同時也能印證近岸海浪 「後浪推前浪」的特質。最後前浪到達臨界點崩落,就一起「死在沙灘上」啦!

前方高能注意:談海嘯預警系統
了解海浪從外海到沿岸的行為變化後,就能根據這些特質模擬出海嘯的預測系統。然而除了海浪的行為外,根 據發生機制的不同,海嘯還可被分為兩種:2004年的南 亞大海嘯(Indian Ocean tsunami)與 2011 年的日本 311 海嘯皆為地震引發的海溝型海嘯,其地震運震帶範圍相當寬廣;山崩型海嘯範圍雖較窄(約為10~50公里 內), 但是能量較集中、波高較大,與海溝型的海嘯相反......【更多內容請閱讀科學月刊第593期】