Beach and Coastal Structure Impacts of Infragravity Waves During the Late December 2023 Swells in Southern California

即便海面看起来风平浪静，海洋也极少处于静止状态。虽然大多数人认为波浪是那种在海滩上拍打的、由风驱动的有节奏的滚浪，但海洋内部还包含着一种隐藏的、更缓慢的运动，在水面之下移动。科学家称这些长而滚动的涌浪为“次重力波”（infragravity waves）。与那些每隔几秒钟就破碎一次的常见风浪不同，这些较慢的波浪可能需要几分钟到半小时才能经过一个点。它们通常肉眼难以察觉，因为它们看起来并不像破碎的水流；相反，它们就像一个缓慢上升和下降的地板，抬升着整个海洋表面。当一场大规模的风暴将强力的涌浪推向海岸时，这些慢速波浪可能会被困在海湾和港口中，就像在摇晃浴缸里的水一样积聚能量。这种能量会突然将水位推得比预期高得多，使得更快速、更具冲击力的风浪能够骑乘在这个抬高的“地板”之上，深入内陆，从而导致标准预报可能无法捕捉到的洪水和侵蚀。

202层在2023年12月下旬，一场发生在北太平洋的强风暴将巨大的涌浪送往南加州，这为理解这些隐藏波浪的行为提供了一个完美的测试案例。一支由包括美国陆军工程兵团和南加州大学科学家在内的研究团队出发，旨在调查为什么这场特定的风暴会对圣巴巴拉海峡（Santa Barbara Channel）沿岸造成如此剧烈且出人意料的破坏。他们想要了解，是否正是这些缓慢、长周期的波浪导致了一场大型风暴演变成局部性的灾难。通过结合来自离岸浮标、潮汐计、视频资料和详细计算机模拟的数据，团队拼凑出了一个关于能量如何从深海进入港口、如何被海岸线形状放大，并最终导致突发性异常涌浪（rogue wave）淹没街道并重塑海滩的故事。

这场风暴发生于2023年12月28日至31日，是与厄尔尼诺现象相关的更大天气模式的一部分。虽然波浪很大，但并非加州海岸外开放海域记录到的最大波浪。然而，一旦涌浪到达圣巴巴拉海峡复杂的地理环境时，情况发生了变化。该海峡是一个由岛屿和陆地岬角遮蔽的长形弯曲盆地，这会导致波浪在特定区域发生弯曲、反射和聚焦。研究人员发现，虽然开放海域的波浪很显著，但真正的危险在于随后的变化。随着风暴波浪进入海峡，它们产生了一股强烈的次重力能量脉冲。这种能量并非以单个波浪的形式到达，而是以一种持续的、有节奏的水位振荡形式存在，持续了数小时。

这一现象最引人注籍的证据出现在2023年12月28日上午的文图拉市（Ventura）。大约在上午10:50，正值高潮位时，一个巨大的“疯狗浪”（sneaker wave）突然冲过海滩和一道低矮的混凝土海堤。这并非典型的破碎波；而是一股突然且强力的水流，淹没了附近的停车场和街道，水深达到路面以上约一米。目击者视频和风暴后的调查显示，水流溅起的高度达到了正常水位以上的5.5米。研究人员指出，这一事件具有高度的局部性；虽然整个海岸都受到了冲击，但这个特定地点受到的力量似乎与离岸波高不成比例。这一事件发生的时间恰好与港口内强烈的低频能量期相吻合，表明慢速波浪已经积聚了足够的动量来抬升水位，使得风浪得以骑乘在上面，并以毁灭性的效果越过海堤。

为了理解这是如何发生的，团队查看了圣巴巴拉和文图拉两个港口的潮汐计数据。他们使用了一种将水的运动分解为不同速度的方法，揭示了港口正在以特定的自然节奏进行振动。这类似于特定的音符能让玻璃破碎，但在这种情况下，海洋正与这些缓慢、长周期的波浪产生共振。分析显示，港口正在放大周期在16到21分钟之间的波浪。当风暴的能量与这些自然节奏相匹配时，港口的水位就开始以不断增加的强度进行振荡。在文图拉，这种放大效应创造了一个“热点”，水流在这里不断被推向更高处，为疯狗浪的出现埋下了伏笔。

地面上的物理破坏证实了这些相互作用的力量。风暴过后，研究人员对海岸线进行了调查，发现部分地区的沙滩后退了约25米，并在沙丘处形成了一个约两米高的陡峭沙崖。这种侵蚀不仅仅是由风浪破碎引起的；它是由次重力波引起的持续高水位驱动的，这些波浪让海水长时间抵在沙丘上，冲走了原本会安全的沙子。破坏也延伸到了港口结构。用于保护港口的离岸防波堤（由大石块组成的墙）遭受了严重破坏。大型石块发生了位移，结构的坡度变得危险地陡峭。研究人员观察到，虽然次重力波本身并没有撞碎岩石，但它们抬升了水位，使得较小、较快的风浪能够袭击到平时安全的墙体部分，从而随时间推移磨损它们。

利用先进的计算机模型，团队模拟了风暴以观察波浪如何与港口形状相互作用。他们测试了不同长度的波浪，以观察哪些波浪会引起最大的麻烦。模型证实，圣巴巴拉海峡具有特定的共振模式（或称为自然频率），可以捕捉并放大长波。当他们模拟2023年12月28日的实际情况时，模型显示，周期约为120秒的波浪正将能量聚焦在疯狗浪发生的地点。该模拟表明，疯狗浪是多种条件的“完美风暴”结果：高潮位、强劲的风暴涌浪，以及一种特定的、被放大的长波节奏，将能量聚焦在了那段特定的海岸线上。

研究还强调，并非所有海岸部分的反应都相同。虽然圣巴巴拉海峡经历了破纪录的情况，但附近的圣莫妮卡湾（Santa Monica Bay）由于海岸线形状和波浪方向的遮蔽，基本免受了此次事件最严重的冲击。这一发现对于海岸安全至关重要。它表明极端波浪事件并非均匀分布；一场在某个海湾具有破坏性的风暴，在仅几英里外的另一个海湾可能毫无威胁。研究人员强调，仅仅依靠开放海域的波高来预测海岸灾害是不够的。慢速、长周期的波浪可以通过抬升水位，使波浪比人们预期的更深入内陆，从而将一场可控的风暴转化为局部性的灾难。

最终，这项研究为人们提供了更清晰的图景，展示了沿海社区如何容易受到那些无法时刻察觉的力量的影响。次重力波充当了隐藏的放大器，将巨大的涌浪转化为了局部的洪水和侵蚀事件。通过识别导致港口产生共振的具体节奏，科学家可以更好地预测这些危险情况何时以及何处会发生。这项工作并不声称已经解决了海岸侵蚀问题，但它提供了一个至关重要的拼图碎片：即理解海洋缓慢、深层的律动可以与可见的、破碎的波浪一样具有破坏力。对于文图拉及其他沿海城镇的居民来说，这意味着未来的安全计划必须考虑到这些长周期波浪，确保海堤和海滩的设计不仅能抵御风暴的高度，还能抵御其下方那隐藏的、上升的海底“地板”。