一种基于CMIP5预估海浪有效波高的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于CMIP5预估海浪有效波高的方法，包括如下步骤：从ERA‑Interim和CMIP5系列试验中获取原始数据，进行数据预处理；选取合适的海平面气压场；采用ERA‑Interim中1981‑2000年的数据校正预测模型；用CMIP5中相应时段的数据来评估优选预测模型；采用所述预测模型预估未来海浪有效波高。本发明专利技术采用CMIP5的数据，以及欧洲中尺度天气预测中心的长期稳定的ERA‑Interim再分析数据，从中提取出预估海浪有效波高的资料，采用多元回归模型的方法，可对多时次的海浪有效波高进行预估。本发明专利技术方法在传统的大气—海洋耦合模式的基础上，首次引入了地球系统模式，利用CMIP5中的试验数据，解决了观测资料的时段和可靠性问题；本发明专利技术可有效指导沿海区域的海浪防护工作，具有很强的可操作性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CMIP5预估海浪有效波高的方法
本专利技术涉及海浪参数计算领域，尤其是一种基于CMIP5(全球耦合模式比较计划第五阶段(Phase5ofCoupledModelIntercomparisonProject，简记为CMIP5)预估海浪有效波高的方法。
技术介绍
海浪是一种与人类关系最直接、最密切的海洋现象，对人们的生产生活有着不可忽视的影响，比如海上航行、渔业生产、海上石油平台、波浪能利用等都与海浪有密切关联。有效波高就是反映海浪特征的一个重要参数，因此波高的预测研究具有重要的现实意义。想要预测海浪的波高，先要获取长期稳定的海浪观测数据。但是，传统的观测手段如浮标等，虽然能够精确的获得海浪波高的变化信息，但是它们只能获得海浪在固定点的变化，而且覆盖面也比较有限。全球气候模式作为预估未来气候变化的重要工具，已被广泛应用在气候变化相关领域的研究工作中，如水文、海洋等多个学科都需要基于气候模式对未来气候变化的预估结果来研究相关的气候变化影响和适应问题。近些年为了更好地实现数据共享、模式比较和检验，世界气候研究计划(WCRP)从1989年相继组织实施了大气模式比较计划、海洋模式比较计划、陆面过程模式比较计划和耦合模式比较计划，但是相比耦合模式比较计划第三阶段(CMIP3)的模式参数化方案、通量处理方案、分辨率以及耦合器技术都有待提高和改进。
技术实现思路
专利技术目的：提供一种基于CMIP5预估海浪有效波高的方法，以解决现有技术资料匮乏的缺陷，提高海浪波高预测的准确性。技术方案：一种基于CMIP5预估海浪有效波高的方法，包括以下步骤：S1：从ERA-Interim和CMIP5系列试验中获取原始数据，进行数据预处理；S2：选取合适的海平面气压场；S3：采用ERA-Interim中预选选定的数据校正预测模型；S4：用CMIP5系列试验中相应时段的数据来评估优选所述预测模型；S5：采用所述预测模型预估未来的海浪有效波高。所述步骤S1进一步包括：S11、收集基于格点模式的欧洲中尺度天气预测中心的ERA-Interim再分析数据集的长时段的各时次气象预报数据，以及全球耦合模式比较计划第五阶段(Phase5ofCoupledModelIntercomparisonProject，简记为CMIP5)中的试验数据，包括6小时一次的海平面气压SLP，有效波高Hs；S12、获取所收集的ERA-Interim和CMIP5各时次气象预报数据所标格点的坐标，以该坐标为依据，提取与所述各时次气象预报数据所标格点的坐标相对应的海平面气压，其中提取的ERA-Interim的海平面气压矩阵为E，有效波高矩阵H，提取的CMIP5的海平面气压矩阵为C，其中包含m个空间点，每个空间点含有n次观测数据：其中，Emn是ERA-Interim第m个空间点的第n时次的海平面气压值，Hmn是第m个空间点的第n时次的有效波高，Cmn是CMIP5第m个空间点的第n时次的海平面气压值，m是空间点的个数，n是观测时次。所述步骤S3进一步包括：S31、计算基于格点模式的ERA-Interim各时次的海平面气压SLP的均值M；用原始值E减去均值M，得到基于格点模式的各时次的SLP的距平值P；计算出SLP距平值P的标准偏差S：其中，n是观测时次，i表示空间点，j表示时次。S32、对SLP距平值P做EOF分析，得到不同成分及各成分对总方差的贡献率，保留前30个EOF和主成分；对P进行协方差计算，得到实对称矩阵Lm×m：T表示矩阵的转置。然后求协方差矩阵Lm×m的特征向量V和特征值Λ，满足LV＝ΛV，矩阵V是正交矩阵，矩阵V的第j列元素就是特征值λj对应的特征向量；根据实对称矩阵Lm×m的特征向量V和特征值Λ，计算每个特征向量的方差贡献率和前几个特征向量的累计方差贡献率，方差贡献越大代表对应的特征向量和时间系数在资料中演变规律越显著，按照特征值从大到小的顺序对L进行排序，排在第一位的为EOF1，以此类推；S33：对根据步骤S1收集的基于格点的各时次的原始海平面气压SLP和有效波高Hs，进行Box-Cox变换，得到变换后的海平面气压trEt和有效波高trHt；S34：对每个格点上对应的变换后的trEt和trHt，用第k个主成分PCk，t和滞后4个小时的第k个主成分PCk，t-4计算其相关系数，并取相关系数最高时的28个PCk,t或PCk,t-4作为有效波高的预测因子；S35：计算有效波高的标准偏差SHt和30个预测因子Xk,t的标准偏差SXk，保存备用；S36：将预测因子带入预测模型，用F统计量比较第i个模型和第i+1个模型的预测结果，从而选出最优的预测因子；其中模型如下：式中，Ht是每个网格点上的经过变换的有效波高，a是常数项，P是跟预报量相关的参变量的滞后系数，Xk,t是第k个基于SLP的预报因子，t是时次，bk是对应于Xk,t的系数，K是预报因子的总数，Ht-p是滞后p的有效波高，cp是对应于Ht-p的系数，ut可以用M阶自回归模型来表示，如果M＝0，ut为白噪声。所述步骤S4进一步包括：S41：计算基于格点模式的CMIP5各时次的海平面气压SLP的均值Mc，再用原始值C减去均值Mc，得到基于格点模式的各时次的SLP的距平值Cp；其中，n是观测时次，i表示空间点，j表示时次。S42：对根据步骤S41得到的各时次的海平面气压的距平值Cp进行Box-Cox变换，得到变换后的海平面气压场trGt；S43：对trGt做EOF分析，得到不同成分及各成分对总方差的贡献率，保留前30个EOF和主成分PCk,t，k、t表示序数和时次；S44：对每个格点上对应的trGt，用主成分PCk，t和PCk，t-4计算其相关系数，并取相关系数最高时的28个PCk,t或PCk,t-4作为有效波高的预测因子；S45：将预测因子带入预测模型，用F统计量比较第i个模型和第i+1个模型的预测结果，从而选出最优的预测因子；其中模型如式(5)所示。所述步骤S5进一步包括：S51：将滞后一步的有效波高也带入模型，作为预测因子之一，综合预测下一时次的各格点的有效波高，优化模型参数，得到最终模型，其中模型如式(5)所示。S52：将所有预测因子带入步骤S51的最终模型，预测目标时期内各时次的有效波高，将预测出的有效波高值还原到Box-Cox变换前的值，保存为格点模式文件；S53：采用RMSE(root-mean-squareerror，即均方根误差，亦称标准误差)等评估指标预测水平，其定义为：在有限测量次数中，RMSE用下式表示：式中，n为测量次数；di为第i组测量值与平均值的偏差。有益效果：本专利技术利用的CMIP5模式采用了更合理的参数化方案、通量处理方案和耦合器技术，并在传统的大气—海洋耦合模式的基础上，首次引入了地球系统模式；此外，CMIP5模式的水平分辨率有所提高，垂直层数有所增加，物理过程的描述更加细致，耦合模式也不再需要通量调整。本专利技术利用全球耦合模式比较计划第五阶段(Phase5ofCoupledModelIntercomparisonProject，简记为CMIP5)中的试验数据，解决了观测资料的时段和可靠性问题；本专利技术采用Box-Cox变换对原始数据进行修正，再依据修正后的海平面气压、海浪有效波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CMIP5预估海浪有效波高的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：从ERA‑Interim和CMIP5系列试验中获取原始数据，进行数据预处理；S2：选取合适的海平面气压场；S3：采用ERA‑Interim中预先选定的数据校正预测模型；S4：用CMIP5系列试验中相应时段的数据来评估优选所述预测模型；S5：采用优选后的预测模型预估未来的海浪有效波高。

【技术特征摘要】
1.一种基于CMIP5预估海浪有效波高的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：从ERA-Interim和CMIP5系列试验中获取原始数据，进行数据预处理；S2：选取合适的海平面气压场；S3：采用ERA-Interim中预先选定的数据校正预测模型；S4：用CMIP5系列试验中相应时段的数据来评估优选所述预测模型；S5：采用优选后的预测模型预估未来的海浪有效波高。2.根据权利要求1所述的基于CMIP5预估海浪有效波高的方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：S11、收集基于格点模式的欧洲中尺度天气预测中心的ERA-Interim再分析数据集的长时段的各时次气象预报数据，以及全球耦合模式比较计划第五阶段CMIP5中的试验数据，包括6小时一次的海平面气压SLP，有效波高Hs；S12、获取所收集的ERA-Interim和CMIP5各时次气象预报数据所标格点的坐标，以该坐标为依据，提取与所述各时次气象预报数据所标格点的坐标相对应的海平面气压，其中提取的ERA-Interim的海平面气压矩阵为E，有效波高矩阵H，提取的CMIP5的海平面气压矩阵为C，其中包含m个空间点，每个空间点含有n次观测数据：其中，Emn是ERA-Interim第m个空间点的第n时次的海平面气压值，Hmn是第m个空间点的第n时次的有效波高，Cmn是CMIP5第m个空间点的第n时次的海平面气压值，m是空间点的个数，n是观测时次。3.根据权利要求2所述的基于CMIP5预估海浪有效波高的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：S31、计算基于格点模式的ERA-Interim各时次的海平面气压SLP的均值M；用原始值E减去均值M，得到基于格点模式的各时次的SLP的距平值P；计算出SLP距平值P的标准偏差S：其中，n是观测时次，i表示空间点，j表示时次；S32、对SLP距平值P做EOF分析，得到不同成分及各成分对总方差的贡献率，保留前30个EOF和主成分；对P进行协方差计算，得到实对称矩阵Lm×m：T表示矩阵的转置；然后求协方差矩阵Lm×m的特征向量V和特征值Λ，满足LV＝ΛV，矩阵V是正交矩阵，矩阵V的第j列元素就是特征值λj对应的特征向量；根据实对称矩阵Lm×m的特征向量V和特征值Λ，计算每个特征向量的方差贡献率和前几个特征向量的累计方差贡献率，方差贡献越大代表对应的特征向量和时间系数在资料中演变规律越显著，按照特征值从大到小的顺序对L进行排序，排在第一位的为EOF1，以此类推；S33：对根据步骤S1收集的基于格点的各时次的原始海平面气压SLP和有效波高Hs，进行Box-Cox变换，得到变换后的海平面气压trEt和有效波高trHt；S34：对每个格...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴玲莉，吴腾，秦杰，梁桂兰，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32