一种用于多冰间航道的内波能演化预报方法及预报系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于多冰间航道的内波能演化预报方法及预报系统，首先建立多冰间航道的冰区流场模型，多冰间航道包括若干相邻的单冰间航道，基于线性势流理论给出满足冰区流场的速度势拉普拉斯控制方程

【技术实现步骤摘要】
一种用于多冰间航道的内波能演化预报方法及预报系统


[0001]本专利技术涉及波浪水动力及运动预报，具体是涉及一种用于多冰间航道的内波能演化预报方法及预报系统。

技术介绍

[0002]近年来，由于全球气候变暖，极地冰层面积与厚度不断缩减，使得极地通航成为可能。极地环境下，当波浪传播到被冰盖覆盖的区域时，波浪会发生反射和透射，因此，较之于开敞水域，波浪在冰水混合环境下中的传播与能量耗散变得更为复杂。
[0003]目前对水波与海冰相互作用的物理特性的研究，研究方向主要分为两类：一是将冰盖视为弹性板，侧重于研究漂浮在自由表面的完整冰盖与波浪间的相互作用。二是针对存在裂缝的冰盖进行研究，侧重于研究在冰裂缝中波的传播规律。此外，以往的冰水混合环境下对波能演化的预报，主要为单冰盖或单裂缝，对于多冰间航道中的波能演化预报方法与系统相对匮乏，无法实现多冰间航道内波能演化的快速预报。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对以上问题，本专利技术提供一种高精度的用于多冰间航道的内波能演化预报方法及预报系统。
[0005]技术方案：为解决上述问题，本专利技术采用一种用于多冰间航道的内波能演化预报方法，包括以下步骤：
[0006](1)建立多冰间航道的冰区流场模型，所述多冰间航道包括若干相邻的单冰间航道，基于线性势流理论给出满足冰区流场的速度势拉普拉斯控制方程、边界条件以及辐射条件；
[0007](2)基于特征函数展开，求解单冰间航道中无穷远处的速度势；
[0008](3)基于单冰间航道的速度势，施加匹配条件确保相邻单冰间航道间速度和压力的连续性，得到冰区流场模型；
[0009](4)根据得到的冰区流场模型，基于宽间距近似法获得无穷远处速度势的渐近形式，解出多冰间航道的冰区流场整体的反射系数和透射系数；
[0010](5)根据多冰间航道整体的反射系数和透射系数进行内波能演化，根据演化结果进行预报。
[0011]进一步的，所述步骤(1)中：冰区流场的总速度势Φ(x,y,z,t)为：
[0012]Φ(x,y,z,t)＝Re{α0[φ
I
(x,z)+φ
D
(x,z)]e
iωt
}
[0013]其中，Re为实部；i为虚数单位；ω为频率；α0是入射波的振幅；φ
I
(x,z)为入射势；φ
D
(x,z)为绕射势；t为时刻；
[0014]速度势在冰区流场中满足拉普拉斯方程：
[0015][0016]进一步的，所述步骤(1)中的边界条件包括：
[0017]自由表面的边界条件为：
[0018][0019]其中，g是重力加速度；
[0020]冰盖上的边界条件为：
[0021][0022]其中，L
j
是第j个冰盖的有效弯曲刚度，m
j
是第j个冰盖的单位面积的质量，ρ是冰盖的密度；
[0023]冰盖两端的弯矩和剪切力的边界条件为：
[0024][0025]冰盖边缘的垂直面上的不可穿透边界条件为：
[0026][0027]海底的不可穿透边界条件表示为：
[0028][0029]进一步的，波向外传播的辐射条件为：
[0030][0031]其中，表示第j个冰盖色散方程的纯正虚根，j＝1,
…
,n；
[0032]当入射波来自于无穷远时，入射势为：
[0033][0034]其中I＝g/iω，x表示水平方向坐标，z表示垂直方向坐标，H表示水深，d
j
表示第j个冰盖底部到水面的距离。
[0035]进一步的，基于特征函数展开，在单冰间航道中，无穷远处的入射势和绕射势表示为：
[0036][0037][0038][0039][0040]其中，表示来自左侧的入射波的反射系数，表示来自右侧的入射波的反射
系数，表示来自左侧的入射波的透射系数，表示来自右侧的入射波的透射系数。
[0041]进一步的，所述步骤(3)中，对于多冰间航道的冰区流场，第j个冰盖和第j+1个冰盖之间的流体域为Ω
j
，流体域Ω
j
中的速度势φ
(j)
(x,z)表示为：
[0042][0043]其中，ε
(j)
表示入射波来源于第j个冰盖左侧时的振幅，γ
(j)
表示入射波来源于第j个冰盖右侧时的振幅，表示第j个冰盖的右边缘水平坐标，表示第j+1个冰盖的左边缘水平坐标。
[0044]第j+1个冰盖和第j+2个冰盖之间的流体域为Ω
j+1
，在流体域Ω
j
和流体域Ω
j+1
交界面上，施加连续性条件保证速度和压力连续性：
[0045][0046]其中表示第j个冰盖底部中心水平坐标。
[0047]联合单冰间航道的入射势和绕射势得到：
[0048][0049][0050]其中，
[0051]进一步的，基于宽间距近似法对来自于无穷远处的入射波，速度势的渐近形式表示为：
[0052][0053]其中，表示冰区流场整体反射系数，表示冰区流场整体透射系数，表示第一个子域速度势，表示第n个子域速度势。
[0054]进一步的，所述步骤(4)中无穷远处入射波产生的冰区流场整体反射系数和透射系数分别表示为：
[0055][0056]其中，表示冰区流场整体反射系数，表示冰区流场整体透射系数。
[0057]进一步的，所述步骤(5)中根据多冰间航道整体的反射系数和透射系数，基于Fortran语言，编制二维波浪场中多冰间航道内波能演化的直接数值计算程序，并进行数值收敛与有效性验，得到多冰间航道内波能演化结果，根据演化结果进行预报。
[0058]本专利技术还采用一种用于多冰间航道的内波能演化预报系统，包括第一机构单元、第二机构单元和预报机构单元；所述第一机构单元用于建立多冰间航道的冰区流场模型，所述多冰间航道包括若干相邻的单冰间航道，基于线性势流理论给出满足冰区流场的速度
势拉普拉斯控制方程、边界条件以及辐射条件；基于特征函数展开，求解单冰间航道中无穷远处的速度势；基于单冰间航道的速度势，施加匹配条件确保相邻单冰间航道间速度和压力的连续性，得到多冰间航道的冰区流场模型；所述第二机构单元用于根据得到的冰区流场模型，基于宽间距近似法获得无穷远处速度势的渐近形式，解出冰区流场整体的反射系数和透射系数，根据多冰间航道整体的反射系数和透射系数进行内波能演化；所述预报机构单元用于根据得到的内波能演化结果进行预报。
[0059]有益效果：本专利技术相对于现有技术，其显著优点是基于宽间距近似法，考虑了波能在多冰间航道内演化的问题，在整个计算频率范围内，对多冰间航道内波的演化规律预测实现了极高的数值精度。同时，该预报方法的使用也很大程度上提高了计算效率。
附图说明
[0060]图1是本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于多冰间航道的内波能演化预报方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立多冰间航道的冰区流场模型，所述多冰间航道包括若干相邻的单冰间航道，基于线性势流理论给出满足冰区流场的速度势拉普拉斯控制方程、边界条件以及辐射条件；(2)基于特征函数展开，求解单冰间航道中无穷远处的速度势；(3)基于单冰间航道的速度势，施加匹配条件确保相邻单冰间航道间速度和压力的连续性，得到冰区流场模型；(4)根据得到的冰区流场模型，基于宽间距近似法获得无穷远处速度势的渐近形式，解出多冰间航道的冰区流场整体的反射系数和透射系数；(5)根据多冰间航道整体的反射系数和透射系数进行内波能演化，根据演化结果进行预报。2.根据权利要求1所述的内波能演化预报方法，其特征在于，所述步骤(1)中：冰区流场的总速度势Φ(x,y,z,t)为：Φ(x,y,z,t)＝Re{α0[φ
I
(x,z)+φ
D
(x,z)]e
iωt
}其中，Re为实部；i为虚数单位；ω为频率；α0是入射波的振幅；φ
I
(x,z)为入射势；φ
D
(x,z)为绕射势；t为时刻；速度势在冰区流场中满足拉普拉斯方程：3.根据权利要求2所述的内波能演化预报方法，其特征在于，所述步骤(1)中的边界条件包括：自由表面的边界条件为：其中，g是重力加速度；冰盖上的边界条件为：其中，L
j
是第j个冰盖的有效弯曲刚度，m
j
是第j个冰盖的单位面积的质量，ρ是冰盖的密度；冰盖两端的弯矩和剪切力的边界条件为：冰盖边缘的垂直面上的不可穿透边界条件为：海底的不可穿透边界条件表示为：4.根据权利要求3所述的内波能演化预报方法，其特征在于，波向外传播的辐射条件
为：其中，表示第j个冰盖色散方程的纯正虚根，j＝1,
…
,n；当入射波来自于无穷远时，入射势为：其中I＝g/iω，x表示水平坐标，z表示垂直坐标，H表示水深，d
j
表示第j个冰盖底部到水面的距离。5.根据权利要求4所述的内波能演化预报方法，其特征在于，基于特征函数展开，在单冰间航道中，无穷远处的入射势和绕射势表示为：表示为：表示为：表示为：其中，表示来自左侧的入射波的反射系数，表示来自右侧的入射波的反射系数，表示来自左侧的入射波的透射系数，表示来自右侧的入射波的透射系数。6.根据权利要求5所述的内波能演化预报方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：石玉云，徐致远，李志富，
申请(专利权)人：江苏华昱海工装备科技有限公司，
类型：发明
国别省市：