一种海浪破碎参数快速预报方法及系统技术方案

本发明专利技术属于海洋信息识别技术领域，公开了一种海浪破碎参数快速预报方法及系统。所述方法包括：建立破碎统计物理模型；基于现场实测白冠覆盖率数据集，针对充分成长海浪，通过观测数据的对上包络，拟合得到建立的破碎统计物理模型中的待确定系数；对全球海域卫星反演数据与破碎统计物理模型的结果进行绝对误差、相对误差和均方跟误差的计算；通过运行模块化快速预报算法，获取海浪要素数据以及获取海浪破碎参数，进行破碎参数的快速预报，破碎参数包括白冠覆盖率、气泡卷入深度、破碎总能量、泡沫厚度与水滴密集度。本发明专利技术更加准确地分析海

【技术实现步骤摘要】
一种海浪破碎参数快速预报方法及系统


[0001]本专利技术属于海洋信息识别
，尤其涉及一种海浪破碎参数快速预报方法及系统。

技术介绍

[0002]破碎是高海况实际海浪最显著的现象特征之一，海浪破碎会将部分空气卷入水下形成气泡，影响海水中溶解气体的浓度，飞溅而起的飞沫在空气中运动、蒸发，进一步促进海
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气间的物质和热量交换。海
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气相互作用在全球气候变化中的核心地位和海
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气交换主要是通过高海况下的近海面海洋
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大气层过程实现的事实，使海浪破碎及其衍生物的研究成为现代物理海洋学的重要课题之一。大风浪中船舶航行安全问题一直是海事管理部门和航运公司及军事作战方面极为关心的。在随浪和尾斜浪中航行时由于没有很好地分析稳性和遭遇到的随浪波的特点，出现了稳性丧失、参数横摇和横甩等现象，极易使船舶发生倾覆而酿成海难。因此，高海况下海浪破碎参数的快速预报，对海
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气相互作用的精确刻画及船舶的安全航行有着重要意义。
[0003]目前海浪破碎参数的计算仅基于已有的海浪破碎参数化方案，计算效率低，不成规模，无法使船载数值模型对实时海况进行计算和预报，阻碍了大风浪中船舶航行及军事作战方面航行安全的预报预警，影响后续海气界面水汽通量智能预报模型的训练和大气水汽长距离异地输送对对低云、海雾形成的影响分析。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术对海浪破碎参数预报速度慢。对海
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气相互作用信息识别精度差，不能及时进行预警。

技术实现思路

[0005]为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了一种海浪破碎参数快速预报方法及系统。尤其涉及一种实用的模块化快速预报算法，通过模块集成提升计算效率，实现破碎参数（白冠覆盖率、气泡卷入深度、破碎总能量、泡沫厚度与水滴密集度等）的快速预报。
[0006]所述技术方案如下：海浪破碎参数快速预报方法，包括以下步骤：S1，基于破碎统计理论，利用波浪破碎引起的单位时间内所生成的破碎面积比、单位面积上由破碎而被抛出的水体体积以及由破碎而损耗的波动能量，获取白冠覆盖率、破碎卷入深度、破碎能量损耗比率物理模型，建立破碎统计物理模型；S2，分析数据对上包络线对应于无限风时风区情况下的海浪极限破碎状态，获取在海浪极限破碎状态下的海面白冠覆盖率和风速之间存在单值单调的对应关系；基于现场实测白冠覆盖率数据集，针对充分成长海浪，通过观测数据的对上包络，拟合得到建立的破碎统计物理模型中的待确定系数；S3，基于全球卫星反演白冠覆盖率数据，对全球海域卫星反演数据与破碎统计物理模型的结果进行绝对误差、相对误差和均方跟误差的计算；
S4，模块化集成上述已建立的破碎统计物理模型，通过运行模块化快速预报算法，获取海浪要素数据以及获取海浪破碎参数，进行破碎参数的快速预报。
[0007]在步骤S2中，通过观测数据的对上包络，拟合得到建立的破碎统计物理模型中的待确定系数包括：针对充分成长状态下波浪破碎特征，对比实测数据上包络曲线，拟合得出参数，，并对该参数进行稳定性检验，优化确定待优化的系数，，海浪破碎动能与破碎势能的比率。
[0008]在步骤S4中，模块化快速预报算法由处理nc数据的模块、海浪理论模块和处理时间模块组成，经过i=1到i=end的时间循环，获取模块化快速预报算法的输出，输出数据包括海浪要素(wave)、风场要素（wind）以及海浪破碎参数（breaking para），进一步的基于海浪破碎参数，获取由破碎而损耗的波动动能以及总能量这些物理统计量（geometric/momentum/energetic）。
[0009]在步骤S4中，获取海浪要素数据以及获取海浪破碎参数包括：利用海浪数值模式获取海浪要素数据，海浪数值模式输出的波浪参数包括波长、波浪谱峰周期和海面有效波高数据文件。
[0010]进一步，海浪数值模式包括：控制方程在球坐标系下导出；海浪能量传播采用复杂特征线嵌入计算格式；提出大圆传播折射机制；破碎耗散源函数采用最新的参数化形式；提出波流相互作用源函数。
[0011]进一步，海浪数值模式包括WAVE WATCH III模式、SWAN模式，海浪数值模式运行的数据包括海浪要素的再分析数据、卫星高度计的观测数据及海浪要素的浮标数据。
[0012]在步骤S4中，破碎参数包括：白冠覆盖率、气泡卷入深度、破碎总能量、泡沫厚度与水滴密集度。
[0013]在步骤S1中，破碎卷入深度表示为：；式中，为破碎卷入深度，为接近1的非线性频率修正系数，λ为海浪的波长；和分别表示海浪的平均波长和特征波高；为待优化的系数，n为待定普适函数系指数，表征海浪破碎动能与破碎势能的比率，为系数，为海浪谱的第阶矩；白冠覆盖率表示为海浪特征参数的解析形式：；
其中，称为积分密集度系数，以记泡径为气泡的上升速度，为桶状气泡云气泡全部上升到海面所需的时间，为风漂流影响函数，为海浪局地波速，为平行于波动速度的海面风漂流速度分量；为重力加速度；统计平均意义下的海面泡沫厚度为：；式中， 为波长随时间的增长率，为波长随时间的增长率，为破碎的平均持续时间, 为海浪局地波速的模，为波长为的破碎所产生的最大泡沫厚度，对于纯水，泡沫厚度的持续时间，对于盐水，，为海浪的周期；水滴密集度表示为海面10m高风速的经验函数形式：；；和分别为WU在1990和1993得到的水滴密集度的经验公式。
[0014]进一步，实际计算时，水滴密集度为和和两式之和。
[0015]本专利技术的另一目的在于提供一种海浪破碎参数快速预报系统，实施海浪破碎参数快速预报方法，该系统包括：破碎统计物理模型建立模块，基于破碎统计理论，利用波浪破碎引起的单位时间内所生成的破碎面积比、单位面积上由破碎而被抛出的水体体积以及由破碎而损耗的波动能量，获取白冠覆盖率、破碎卷入深度、破碎能量损耗比率物理模型，建立破碎统计物理模型；单值单调的对应关系获取模块，用于分析数据对上包络线对应于无限风时风区情况下的海浪极限破碎状态，获取在海浪极限破碎状态下的海面白冠覆盖率和风速之间存在单值单调的对应关系；待确定系数获取模块，用于基于现场实测白冠覆盖率数据集，针对充分成长海浪，通过观测数据的对上包络，拟合得到建立的破碎统计物理模型中的待确定系数；误差计算模块，基于全球卫星反演白冠覆盖率数据，对全球海域卫星反演数据与破碎统计物理模型的结果进行绝对误差、相对误差和均方跟误差的计算；破碎参数快速预报模块，模块化集成上述已建立的破碎统计物理模型，通过运行模块化快速预报算法，获取海浪要素数据以及获取海浪破碎参数，进行破碎参数的快速预报。
[0016]结合上述的所有技术方案，本专利技术所具备的优点及积极效果为：本专利技术提出一种
实用的模块化快速预报算法，通过模块集成提升计算效率，实现破碎参数（白冠覆盖率、气泡卷入深度、破碎总能量、泡沫厚度与水滴密集度等）的快速预报对科学研究和实际应用有重要的价值。通过模块集成以实现计算破碎参数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海浪破碎参数快速预报方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1，基于破碎统计理论，利用波浪破碎引起的单位时间内所生成的破碎面积比、单位面积上由破碎而被抛出的水体体积以及由破碎而损耗的波动能量，获取白冠覆盖率、破碎卷入深度、破碎能量损耗比率物理模型，建立破碎统计物理模型；S2，分析数据对上包络线对应于无限风时风区情况下的海浪极限破碎状态，获取在海浪极限破碎状态下的海面白冠覆盖率和风速之间存在单值单调的对应关系；基于现场实测白冠覆盖率数据集，针对充分成长海浪，通过观测数据的对上包络，拟合得到建立的破碎统计物理模型中的待确定系数；S3，基于全球卫星反演白冠覆盖率数据，对全球海域卫星反演数据与破碎统计物理模型的结果进行绝对误差、相对误差和均方跟误差的计算；S4，模块化集成已建立的破碎统计物理模型，通过运行模块化快速预报算法，获取海浪要素数据以及获取海浪破碎参数，进行破碎参数的快速预报。2.根据权利要求1所述的海浪破碎参数快速预报方法，其特征在于，在步骤S2中，通过观测数据的对上包络，拟合得到建立的破碎统计物理模型中的待确定系数包括：针对充分成长状态下波浪破碎特征，对比实测数据上包络曲线，拟合得出参数，并对该参数进行稳定性检验，优化确定待优化的系数，海浪破碎动能与破碎势能的比率。3.根据权利要求1所述的海浪破碎参数快速预报方法，其特征在于，在步骤S4中，模块化快速预报算法由处理nc数据的模块、海浪理论模块和处理时间模块组成，经过i=1到i=end的时间循环，获取模块化快速预报算法的输出，输出数据包括海浪要素、风场要素以及海浪破碎参数，进一步的基于海浪破碎参数，获取由破碎而损耗的波动动能以及总能量的物理统计量。4.根据权利要求1所述的海浪破碎参数快速预报方法，其特征在于，在步骤S4中，获取海浪要素数据以及获取海浪破碎参数包括：利用海浪数值模式获取海浪要素数据，海浪数值模式输出的波浪参数包括波长、波浪谱峰周期和海面有效波高数据文件。5.根据权利要求4所述的海浪破碎参数快速预报方法，其特征在于，海浪数值模式包括：控制方程在球坐标系下导出；海浪能量传播采用复杂特征线嵌入计算格式；提出大圆传播折射机制；破碎耗散源函数采用最新的参数化形式；提出波流相互作用源函数。6.根据权利要求4所述的海浪破碎参数快速预报方法，其特征在于，海浪数值模式包括WAVE WATCH III模式、SWAN模式，海浪数值模式运行的数据包括海浪要素的再分析数据、卫星高度计的观测数据及海浪要素的浮标数据。7.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：石永芳，杨永增，亓锦鹏，滕涌，孙盟，
申请(专利权)人：自然资源部第一海洋研究所，
类型：发明
国别省市：