近岸水域极值混合浪要素推算方法技术

本申请提供一种近岸水域极值混合浪要素推算方法

【技术实现步骤摘要】
近岸水域极值混合浪要素推算方法、系统、介质及装置


[0001]本专利技术属于海洋和近岸波浪工程
，涉及一种推算方法，特别是涉及一种近岸水域极值混合浪要素推算方法
、
系统
、
介质及装置
。

技术介绍

[0002]近岸设计波浪要素是沿海的堤防
、
港口
、
风电等工程设计的关键参数
。
准确可靠的设计波浪要素对工程的规划
、
设计
、
建设和安全运营都至关重要
。
[0003]目前，外海波要素通常通过长时间序列
(30
年以上
)
实测波浪资料进行统计分析，但是很多拟建工程水域附近没有波浪实测站位，或者观测时间较短，代表性不足
。
在有些研究中，通过搭建南海
、
东海或渤海等海域尺度的长期波浪数学模型来计算外海波浪，但是无法反演大洋季风或台风产生的风浪以及长周期涌浪，计算结果有进一步改进的空间
。
[0004]波浪数学模型按照模型基本原理，可以分为3大类，即：能量平衡模型
、
缓坡方程模型
、Boussinesq
方程模型
。
基于能量平衡方程的波浪模型，主要反映波浪的宏观特性，描述波能和波频等要素的变化，既可以考虑风能输入作用，又可以考虑白帽耗散
、
波浪折射绕射
、
浅水变形等物理过程，对于波浪绕射计算采用了简化算法，主要用于大范围深海的风浪计算
。
基于缓坡方程的波浪模型，假定波浪沿一个主方向进行传播，主要用于近岸水域的波浪传播数值模拟
。
基于
Boussinesq
方程的波浪模型，描述波浪波动时水质点的运动情况，在考虑波浪折射绕射
、
结构物反射作用方面比较理想，但是不能计算风浪，且计算耗时长，主要用于水工结构物比较复杂水域的近岸小范围波浪传播变形计算
。
[0005]因此，目前的近岸波浪推算大多是采用基于能量平衡方程的波浪模型或者是基于
Boussinesq
方程的波浪模型，前者可以考虑风浪，但是对波浪传播变形模拟不够精细，浅水区或水工结构物内侧结果不够准确，后者可以精细地模拟波浪传播变形，但是不能考虑小风区风浪作用，结果偏小
。
[0006]现有的近岸水域极值混合浪要素推算方法种类繁多，没有统一的模式，各有优劣，数据量大结果提取比较不便，缺乏一套系统且精准的推算和数据处理方法
。
[0007]因此，在现有的近岸水域极值混合浪要素推算技术中，由于没有统一的模式而导致的数据提取不便
、
缺乏系统性和精度，进而会直接影响海洋近岸波浪监测工作的准确度和安全性低稳定性差的问题
。

技术实现思路

[0008]鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种近岸水域极值混合浪要素推算方法
、
系统
、
介质及装置，用于解决现有技术在近岸水域极值混合浪要素推算技术中，由于没有统一的模式而导致的数据提取不便
、
缺乏系统性和精度，进而会直接影响海洋近岸波浪监测工作的准确度和安全性低稳定性差的技术问题
。
[0009]为实现上述目的及其他相关目的，第一方面，本申请提供一种近岸水域极值混合浪要素推算方法，包括以下步骤：获取目标区域再分析风场数据；所述再分析风场数据包
括：风速和风向；基于所述再分析风场数据构建大洋尺度风浪数值模型，得到长时间序列的大洋尺度波浪数据库；基于所述长时间序列的大洋尺度波浪数据库进行外海特征点波浪数据提取，得到目标区域的外海波要素时间序列；基于所述外海波要素时间序列，采用皮尔逊Ⅲ型曲线适线法来推算不同方向不同重现期的外海波要素；基于所述不同方向不同重现期的外海波要素构建小尺度近岸区域波浪传播数值模型，得到近岸区域不同设计水位不同方向不同重现期的涌浪要素；基于工程设计风速和风向数据构建近岸小风区波浪数值模型，得到近岸区域不同设计水位不同方向不同重现期的风浪要素；基于所述涌浪要素和所述风浪要素计算每个网格点的混合浪波浪要素；构建所述混合浪波浪要素的转换函数，用转换函数计算近岸任意位置某一设计水位某一方向某一重现期的极值混合浪要素
。
[0010]在第一方面的一种实现方式中，基于所述再分析风场数据构建大洋尺度风浪数值模型，得到长时间序列的大洋尺度波浪数据库包括以下步骤：对所述再分析风场数据进行数据预处理，得到预处理后的再分析风场数据；所述数据预处理包括：数据格式转换
、
数据清洗
、
异常值处理
、
缺失值填充和平滑处理中的任一种或多种组合；基于所述预处理后的再分析风场数据构建大洋尺度风浪数值模型，用卫星和浮标的实测波浪数据对模型进行率定验证，确定合适的模型关键参数，形成率定验证好的大洋尺度风浪数值模型；基于所述率定验证好的大洋尺度风浪数值模型计算不少于
30
年的大洋波浪要素，得到长时间序列的大洋尺度波浪数据库
。
[0011]在第一方面的一种实现方式中，所述模型关键参数包括：白帽耗散系数；所述白帽耗散系数公式为：
[0012]C
ds
＝
4.5+(V
‑
25)/6
[0013]其中，
C
ds
表示为白帽耗散系数，无量纲；
V
表示为风速大小，单位：
m/s。
[0014]在第一方面的一种实现方式中，基于所述长时间序列的大洋尺度波浪数据库进行外海特征点波浪数据提取，得到目标区域的外海波要素时间序列，并推算不同方向不同重现期的外海波要素包括以下步骤：基于所述长时间序列的大洋尺度波浪数据库，进行外海特征点波浪数据提取，得到外海波要素时间序列；基于所述外海波要素时间序列，采用皮尔逊Ⅲ型曲线适线法来推算不同方向不同重现期的外海波要素
。
[0015]在第一方面的一种实现方式中，基于所述不同方向不同重现期的外海波要素构建小尺度近岸区域波浪传播数值模型，得到近岸区域不同设计水位不同方向不同重现期的涌浪要素包括以下步骤：基于所述不同方向不同重现期的外海波要素构建小尺度近岸区域波浪传播数值模型，确定该模型的边界条件；采用结构网格来制作计算地形，输入所述不同方向不同重现期的外海波要素作为计算边界，并设置不同的设计水位；基于所述小尺度近岸区域波浪传播数值模型计算近岸区域不同设计水位不同方向不同重现期的涌浪要素
。
[0016]在第一方面的一种实现方式中，基于工程设计风速和风向数据构建近岸小风区波浪数值模型，得到近岸区域不同设计水位不同方向不同重现期的风浪要素包括以下步骤：基于能量平衡方程构建近岸小风区波浪数值模型；采用非结构网格来制作计算地形，确定所述近岸小风区波浪数值模型的边界条件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种近岸水域极值混合浪要素推算方法，其特征在于，包括以下步骤：获取目标区域再分析风场数据；所述再分析风场数据包括：风速和风向；基于所述再分析风场数据构建大洋尺度风浪数值模型，得到长时间序列的大洋尺度波浪数据库；基于所述长时间序列的大洋尺度波浪数据库进行外海特征点波浪数据提取，得到目标区域的外海波要素时间序列；基于所述外海波要素时间序列，采用皮尔逊Ⅲ型曲线适线法来推算不同方向不同重现期的外海波要素；基于所述不同方向不同重现期的外海波要素构建小尺度近岸区域波浪传播数值模型，得到近岸区域不同设计水位不同方向不同重现期的涌浪要素；基于工程设计风速和风向数据构建近岸小风区波浪数值模型，得到近岸区域不同设计水位不同方向不同重现期的风浪要素；基于所述涌浪要素和所述风浪要素计算每个网格点的混合浪波浪要素；构建所述混合浪波浪要素的转换函数，用转换函数计算近岸任意位置某一设计水位某一方向某一重现期的极值混合浪要素
。2.
根据权利要求1所述的近岸水域极值混合浪要素推算方法，其特征在于，基于所述再分析风场数据构建大洋尺度风浪数值模型，得到长时间序列的大洋尺度波浪数据库包括以下步骤：对所述再分析风场数据进行数据预处理，得到预处理后的再分析风场数据；所述数据预处理包括：数据格式转换
、
数据清洗
、
异常值处理
、
缺失值填充和平滑处理中的任一种或多种组合；基于所述预处理后的再分析风场数据构建大洋尺度风浪数值模型，用卫星和浮标的实测波浪数据对模型进行率定验证，确定合适的模型关键参数，形成率定验证好的大洋尺度风浪数值模型；基于所述率定验证好的大洋尺度风浪数值模型计算不少于
30
年的大洋波浪要素，得到长时间序列的大洋尺度波浪数据库
。3.
根据权利要求2所述的近岸水域极值混合浪要素推算方法，其特征在于，所述模型关键参数包括：白帽耗散系数；所述白帽耗散系数公式为：
C
ds
＝
4.5+(V
‑
25)/6
其中，
C
ds
表示为白帽耗散系数，无量纲；
V
表示为风速大小，单位：
m/s。4.
根据权利要求1所述的近岸水域极值混合浪要素推算方法，其特征在于，基于所述长时间序列的大洋尺度波浪数据库进行外海特征点波浪数据提取，得到目标区域的外海波要素时间序列，并推算不同方向不同重现期的外海波要素包括以下步骤：基于所述长时间序列的大洋尺度波浪数据库，进行外海特征点波浪数据提取，得到外海波要素时间序列；基于所述外海波要素时间序列，采用皮尔逊Ⅲ型曲线适线法来推算不同方向不同重现期的外海波要素
。5.
根据权利要求1所述的近岸水域极值混合浪要素推算方法，其特征在于，基于所述不同方向不同重现期的外海波要素构建小尺度近岸区域波浪传播数值模型，得到近岸区域不同设计水位不同方向不同重现期的涌浪要素包括以下步骤：
基于所述不同方向不同重现期的外海波要素构建小尺度近岸区域波浪传播数值模型，确定该模型的边界条件；采用结构网格来制作计算地形，输入所述不同方向不同重现期的外海波要素作为计算边界，并设置不同的设计水位；基于所述小尺度近岸区域波浪传播数值模型计算近岸区域不同设计水位不同方向不同重现期的涌浪要素
。6.
根据权利要求1所述的近岸水域极值混合浪要素推算方法，其特征在于，基于工程设计风速和风向数据构建近岸小风区波浪数值模型，得到近岸区域不同设计水位不同方向不同重现期的风浪要素包括以下步骤：基于能量平衡方程构建近岸小风区波浪数值模型；采用非结构网格来制作计算地形，确定所述近岸小风区波浪数值模型的边界条件采用开边界，设置不同的设计水位
、
设计风速和风向；考虑白帽耗散作用，计算小风区风浪，并对计算结果进行处理，得到近岸区域不同设计水位不同方向不同重现期的风浪要素；将非结构网格数据格式的所述风浪要素，通过内插方式转换成结构网格数据格式的近岸区域不同设计水位不同方向不同重现期的风浪要素
。7.
根据权利要求1所述的近岸水域极值混合浪要素推算方法，其特征在于，基于所述涌浪要素和所述风浪要素计算每个网格点的混合浪波浪要素包括以下步骤：将结构网格数据格式的近岸区域不同设计水位不同方向不同重现期的涌浪要素和风浪要素进行叠加，并计算，得到每个网格点的混合浪波浪要素；将计算出的各个网格点的混合浪波浪要素导入结构网格，得到近岸区域不同设计水位不同方向不同重现期的结构网格数据格式的混合浪波浪数据库；所述每个网格点的混合浪波浪要素计算公式为：
T
H
＝
MAX(T
...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩景，
申请(专利权)人：上海勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：