當(dāng)海浪膨脹到一個(gè)臨界高度時(shí)就會(huì)發(fā)生破碎，然后在波峰處墜落成水滴和氣泡的淋浴。這些波浪可以大到像沖浪者的破碎波點(diǎn)，小到像滾到岸邊的溫柔漣漪。幾十年來(lái)，波浪如何以及何時(shí)破碎的動(dòng)態(tài)變化對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)仍舊太過(guò)復(fù)雜而無(wú)法預(yù)測(cè)。

資料圖

現(xiàn)在，來(lái)自麻省理工學(xué)院的工程師們已經(jīng)找到了一種新方法來(lái)模擬海浪如何破碎。研究人員利用機(jī)器學(xué)習(xí)和波浪罐測(cè)試的數(shù)據(jù)調(diào)整了以前用于預(yù)測(cè)波浪行為的方程式。據(jù)悉，工程師們經(jīng)常使用這種方程來(lái)幫助他們?cè)O(shè)計(jì)堅(jiān)固的海上平臺(tái)和結(jié)構(gòu)。但直到現(xiàn)在，這些方程還無(wú)法捕捉到破碎波的復(fù)雜性。

研究人員發(fā)現(xiàn)，修改后的模型能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)波浪如何以及何時(shí)會(huì)破碎。比如跟與傳統(tǒng)的波浪方程相比，該模型能更準(zhǔn)確地評(píng)估波浪在破碎前不久的陡峭度以及破碎后的能量和頻率。

他們的成果最近發(fā)表在《自然通訊》上，其將幫助科學(xué)家了解破碎波如何影響它周圍的水。準(zhǔn)確地了解這些波浪如何相互作用可以幫助做出海上結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。另外，它還可以改善對(duì)海洋跟大氣相互作用方式的預(yù)測(cè)。有了對(duì)波浪如何破碎的更好估計(jì)，科學(xué)家可以預(yù)測(cè)諸如海洋可以吸收多少二氧化碳和其他大氣氣體等問(wèn)題。

這項(xiàng)研究的報(bào)告作者Themis Sapsis說(shuō)道：“這聽(tīng)起來(lái)可能是一個(gè)細(xì)節(jié)，但如果你把它的影響乘以整個(gè)海洋的面積，破碎波開(kāi)始變得對(duì)氣候預(yù)測(cè)具有根本性的重要性。”Sapsis是機(jī)械和海洋工程的副教授，也是MIT數(shù)據(jù)、系統(tǒng)和社會(huì)研究所的一名成員。

學(xué)習(xí)罐

為了預(yù)測(cè)破碎波的動(dòng)態(tài)，科學(xué)家通常采取以下兩種方法的其中一種–他們要么嘗試在單個(gè)水和空氣分子的尺度上精確模擬波浪，要么通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式以試圖用實(shí)際測(cè)量來(lái)描述波浪的特征。第一種方法計(jì)算成本高，即使在小范圍內(nèi)也很難模擬；第二種方法需要大量的時(shí)間來(lái)進(jìn)行足夠的實(shí)驗(yàn)以產(chǎn)生具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的結(jié)果。

MIT的團(tuán)隊(duì)則從這兩種方法中借鑒了一些片段，然后利用機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)出了一個(gè)更有效和準(zhǔn)確的模型。研究人員從一套被認(rèn)為是波浪行為的標(biāo)準(zhǔn)描述的方程開(kāi)始。他們的目標(biāo)是通過(guò)在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的破碎波數(shù)據(jù)上“訓(xùn)練”該模型來(lái)改進(jìn)該模型。

研究人員通過(guò)在一個(gè)40米長(zhǎng)的水箱中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)獲得破碎波數(shù)據(jù)。水箱的一端裝有一個(gè)槳，研究小組用它來(lái)啟動(dòng)每個(gè)波浪。研究小組將槳設(shè)置為在水箱的中間產(chǎn)生一個(gè)破碎波，然沿著水箱的長(zhǎng)度測(cè)量水的高度。

“進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)需要大量的時(shí)間。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)之間，你必須等待水完全平靜下來(lái)然后再啟動(dòng)下一個(gè)實(shí)驗(yàn)，否則它們會(huì)相互影響，”Eeltink說(shuō)道。

安全港灣

據(jù)了解，研究團(tuán)隊(duì)總共進(jìn)行了約250次實(shí)驗(yàn)，他們用其中的數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練一種被稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。具體來(lái)說(shuō)，該算法被訓(xùn)練來(lái)比較實(shí)驗(yàn)中的真實(shí)波和簡(jiǎn)單模型中的預(yù)測(cè)波，根據(jù)兩者之間的任何差異，該算法調(diào)整模型以適應(yīng)現(xiàn)實(shí)。

在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練后，研究團(tuán)隊(duì)將模型引入到全新的數(shù)據(jù)中。在這種情況下，來(lái)自兩個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都在不同尺寸的波浪槽中運(yùn)行。在這些測(cè)試中，研究人員發(fā)現(xiàn)更新的模型比簡(jiǎn)單的、未經(jīng)訓(xùn)練的模型做出了更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

另外，新模型還捕捉到了破碎波的一個(gè)基本屬性，即“下移”，即波的頻率被轉(zhuǎn)移到一個(gè)較低的值。一個(gè)波的速度取決于它的頻率。對(duì)于海浪來(lái)說(shuō)，低頻率的海浪比高頻率的海浪移動(dòng)得更快。因此，在下移之后，波浪將移動(dòng)得更快。新模型在每個(gè)破碎波前和破碎波后預(yù)測(cè)了頻率的變化，這在準(zhǔn)備沿海風(fēng)暴時(shí)可能特別有用。

該研究團(tuán)隊(duì)更新的波浪模型是以開(kāi)源代碼的形式出現(xiàn)，這意味著其他人可能會(huì)使用它。另外，該代碼還可以用于海上平臺(tái)和海岸結(jié)構(gòu)的模擬測(cè)試。

Sapsis介紹道：“這個(gè)模型的首要目的是預(yù)測(cè)波浪會(huì)做什么。如果你沒(méi)有正確地模擬破碎波，那么它將對(duì)結(jié)構(gòu)的行為產(chǎn)生巨大的影響。有了這個(gè)，你可以模擬波浪，從而幫助更好、更有效地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，且沒(méi)有巨大的安全系數(shù)?！?/p>