本章教材始建於1998/9/17,  revised: 2017/3/4

 

三、碎波

 

波浪為何會碎？(1)當波峰附近的水粒子向前運動的速度比波形移動(相速) 還要快時，波浪便碎了。(2)當波面上水分子在垂直方向上的加速度大於重力加速度時，水分子便會脫離波面，波浪也會碎了。發生碎波未必限定在海灘上，深海一樣有碎波(白浪滔滔就是描述碎波的海面)。

 

海海研一號在外海作業時所觀察到的海上碎波情形。

 

海上碎波影片，引自Youtube Waves-White Horses

 

 

近岸碎波影片，引自Youtube Incredible Stunning Massive Pacific Ocean Waves at Cape Disappointment

 

尖銳度是顯示波浪是否穩定的一個重要參考指標，水無法支持波浪的尖銳度高於1/7，當水波之H/L接近此值時，波便破碎了。這是因為水粒子運動速度大小(除以相速後)正比於此值，尖銳度大表示水粒子速度快，所以容易不穩定。

 

波浪進入很淺的水域後，波速將與水深(波形的高度與靜水位之和)的平方根成正比，因此波峰移動得比波谷更快，最後形成「水牆」狀撲向海岸，波浪學上稱這種「水牆」狀波形為「段波」(Shock wave)或「水躍」(Hydraulic jump)，眾所週知的錢塘湧潮(Tidal bore)便是一例。海灘上所見的碎波也是一例。

 

 

錢塘江的涌潮。宋代錢塘涌潮可上溯至杭州，在六和塔即可觀賞湧潮。近代由於河床淤積以及在河口附近圍海造田致河口變窄，錢塘涌潮已無復昔日雄觀，僅能在海寧、鹽官附近觀潮。上圖河左側之石牆垣即為當地有名的海塘工程，是我國古代先民們的傑作。下右圖為宋人所繪之錢塘潮，與上右照片中湧潮來時之波形相比頗為神似。

 

以下為摘錄國立故宮博物院「月夜看潮」圖部份講解：

李嵩這幅「月夜看潮」圖，繪制南宋時臨安(今浙江杭州)中秋夜觀海潮的情形。明月高懸，浪潮捲湧成一直線奔馳而來；江畔華美的平臺閣樓上，隱約可見有人穿梭、呼指著。整個畫面沒有擁塞的車水馬龍、也沒有激情喧鬧的人海，取而代之的是遠山江帆、月影銀濤，一幕祥和而又沒有紛擾的景致。

李嵩任職於南宋畫院，以善畫花鳥、山水樓閣、農村生活等見重於當時。這幅「月夜看潮」圖中，李嵩以極為細膩的情感與筆觸，描繪了精妙的樓閣與粼粼江濤，也寫出了蘇軾「寄語重門休上鑰，夜潮留向月中看」的詩情，是一幅情景精致的傑作。......

關於「月夜看潮」圖更多詳細講解，請至下列連結觀看：國立故宮博物院

碎波(Breaking waves)：當波浪破碎會將空氣捲入水中形成白浪，英文稱為白帽(white capping) 或是白馬 (white horses)。一般所見的碎波主要呈現三種型態，即溢出型(Spilling breakers)、 崩捲型(Plunging breakers)以及崩塌型(Surging breakers)。在深海裡碎波多為溢出型；近岸海域碎波型態則與海灘坡度有非常密切的關係。如果是在非常平緩的淺灘，入射波浪有可能可以發展成孤立波或是孤子波波列，並保持不碎而能傳播很遠的距離；若海灘坡度再大一些，波浪淺化非線性效應作用便會大於頻率離散效應，此時碎波就一定會發生了；如下圖，海灘坡度較緩時，會出現溢出型碎波；海灘坡度再稍大些，則會出現崩捲型碎波；若是坡度過大，海岸對入射波會有較強的反射作用，此時碎波往往呈現為崩塌型。在緩灘面上，波浪破碎後還可能會再演變生成許多組新的波列繼續撲向海岸。

 

溢出型碎波。 摘自Thurman, H. V. (1993) "Essentials of Oceanography", 4th ed. 以及Keith Stowe (1987) "Essentials of Ocean Science"。

崩捲型碎波。。摘自Thurman, H. V. (1993) "Essentials of Oceanography", 4th ed. 以及Keith Stowe (1987) "Essentials of Ocean Science"。

 

 

崩捲型碎波影片， 引自 RAW FOOTAGE!!! Teahupoo 2013 HD!

 

點選觀看另一部 Youtube 崩捲型碎波影片， Indian Ocean Mega Swell Hits Australia

崩塌型碎波。。摘自Keith Stowe (1987) "Essentials of Ocean Science"。


三種碎波之影片，引自Youtube Types of breaking waves