CN112818512B - 一种基于风暴模式的最大单波波高Hmax计算方法 - Google Patents
一种基于风暴模式的最大单波波高Hmax计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于风暴模式的最大单波波高Hmax计算方法,包括以下步骤:S1、准备基础数据,搭建波浪模型,获得长时间二维波浪模型结果;S2、提取任一点波浪参数时间序列;S3、对该时间序列进行风暴模式计算,得到可用于长期极值分析的风暴数据库:a、定义单波波高H(单位为m)的短期分布;b、单波波高风暴模式计算;c、单波波高的长期分布。本发明的有益之处在于,可以改进最大单波波高极值求解的方法,并能广泛应用于海洋水文领域。
Description
技术领域
本发明涉及海上工程分析计算领域,尤其涉及一种基于风暴模式的最大单波波高Hmax计算方法。
背景技术
最大单波波高Hmax是海洋工程结构设计中的关键水文参数。极值分析作为一门统计学,除了运用合理的分布和确保拟合度以外,其计算的准确性极大程度上依赖于样本数据的数量和质量。现在多采用实测波浪数据,记录真实波面随时间变化的过程,进而统计出最大单波波高的方案,该方案的缺点是需要在外海进行实地测量,测量时间和地点较为固定,经费昂贵,灵活性不足。对于工程前期规划和初步设计阶段来说,在缺乏数据基础的情况下很难开展工作。另一种通用方案是根据已经求得的有效波高极值进行换算,但在换算过程中通常采用一个固定的系数,计算精度难以衡量,也难以解释清楚其背后的物理概念。
目前有一种较为先进的方法,其通过数值模型如MIKE 21SW模型计算输出Hmax(单位为 m):
其中Hm0为零阶矩有效波高(单位为m),N为波浪个数,N=时长/T01,“时长”通常设为 10800秒(3h),T01为一阶矩波浪周期(单位为s);
在上述方法的基础上,需要对实际物理海洋的过程进行长时间后报,并且进一步探究单波波高的短期分布形式和长期极值的计算方法,为海洋工程结构设计的气象水文参数提供一种新的求解思路。
发明内容
针对上述缺陷,本发明的目的在于提供一种基于风暴模式的最大单波波高Hmax计算方法,从而为Hmax的统计提供合理、准确且大量的样本数据。
本发明提供了一种基于风暴模式的最大单波波高Hmax计算方法,包括以下步骤:
S1、准备基础数据,搭建波浪模型,获得长时间二维波浪模型结果;
S2、提取任一点波浪参数时间序列;
S3、对该时间序列进行风暴模式计算,得到可用于长期极值分析的风暴数据库:
a、定义单波波高H(单位为m)的短期分布:
单波波高H为一个波周期中连续两次零向上交叉的最高波峰和最深波谷之间的差值;
假定零阶矩有效波高Hm0(单位为m)依据Forristall分布,Forristall单波波高及波峰高度的短期分布函数为:
其中,Hm0为零阶矩有效波高(单位为m),分布参数α和β如下:
Forristall单波波高:α=0.681β=2.126
Forristall主峰波高(3D):α=0.3536+0.2568·S1+0.0800·Ur
其中,g为重力常数(单位为N/kg),T01为一阶矩波浪周期(单位为s),L为波长(单位为m),d为水深(单位为m);
对于这类分布,风暴事件中最有可能发生的最大单波波高(最可几值)Hmp(单位为m) 的短期分布函数为:
其中,Hmax为最大单波波高(单位为m),N为波浪个数;
b、单波波高风暴模式计算:
通过从Hm0的时间序列中提取峰值来识别风暴过程,并对每个风暴过程中高于预设阈值的每个海况都进行波高分布的计算;
假定H对Hm0的短期条件分布P(H|Hm0)服从公式A.1,由n个海况的结果组成风暴后获得最大单波波高Hmax的概率分布函数:
其中Nwaves为每个海况中的波浪数量;
最大单波波高Hmax的风暴模式的最大可几值为:
在此基础上可生成历史风暴的数据库,并将每一场风暴都根据其Hmax的最大可几值进行特征化,以用作将来的极值分析;
c、单波波高的长期分布:
通过公式A.2与最大单波波高的风暴模式条件分布卷积求得单波波高和波峰波高的长期分布函数:
等效风暴中最大单波波高Hmax的密度函数为:
其中,Hm0,eq为等效高斯钟形风暴峰值零阶矩有效波高(单位为m)。
优选地,所述S1包括以下步骤:
a、准备工程海域搭建数值模型的基础数据;
b、搭建工程海域水动力模型和波浪模型,并进行数值模型的率定和验证;其中,水动力模型输出的二维水位文件作为波浪模型的输入文件;
c、运行长时间的波浪模型,得到长时间二维波浪模型结果。
优选地,在所述S3的步骤b中,将单个风暴中高于0.7倍风暴峰值的Hm0视为Hm0时间序列的一部分,并将这一刻作为风暴过程的起始时刻。
优选地,在所述S3的步骤b中,通过计算海况的平均跨零周期来估计出Nwaves的取值。
本发明的有益之处在于,可以改进最大单波波高极值求解的方法,并能广泛应用于海洋水文领域。在经济效益上,可以通过短期现场观测数据对波浪数值模型的各参数进行率定,并得到任意海域的长期波浪数据库。基于风暴模式的单波波高筛选方法也更贴近实际物理过程,为海洋工程设计提供了可靠的海洋水文数据。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明,而并非对本发明的限制。
本发明提供了一种基于风暴模式的最大单波波高Hmax计算方法,包括以下步骤:
S1、包括:
a、准备工程海域搭建数值模型的基础数据:如海域海底水深数据、海岸线位置、工程区实测波浪数据(用于下一步的数值模型的率定和验证)、经矫正的大范围风场(气候风和台风) 等;
b、搭建工程海域水动力模型和波浪模型,并进行数值模型的率定和验证;其中,水动力模型输出的二维水位文件作为波浪模型的输入文件,其对浅水波浪的计算结果作用明显;
c、运行长时间的波浪模型(包括气候风和台风作用下的情况),得到长时间二维波浪模型结果。
S2、提取工程区任意点波浪参数时间序列,并在提取后对数据进行合并,即将台风事件下的波浪时间序列结果与气候风条件驱动下的波浪结果合并。因此在生成该数据的同时考虑了我国冬季风暴和夏季台风极端事件的作用。
S3、对该时间序列进行风暴模式计算,得到可用于长期极值分析的风暴数据库:
a、定义单波波高H(单位为m)的短期分布:
单波波高H为一个波周期中连续两次零向上交叉的最高波峰和最深波谷之间的差值;
Forristall波高分布基于墨西哥湾的实测数据,其适用性已在北海的使用经验中得到验证。假定零阶矩有效波高Hm0(单位为m)依据Forristall分布,Forristall单波波高及波峰高度的短期分布函数为:
其中,Hm0为零阶矩有效波高(单位为m),分布参数α和β如下:
Forristall单波波高:α=0.681 β=2.126
Forristall主峰波高(3D):α=0.3536+0.2568·S1+0.0800·Ur
其中,g为重力常数(单位为N/kg),T01为一阶矩波浪周期(单位为s),L为波长(单位为m),d为水深(单位为m);
对于这类分布,风暴事件中最有可能发生的最大单波波高(即最可几值)Hmp(单位为m) 的短期分布函数为:
其中,Hmax为最大单波波高(单位为m),N为波浪个数。
最可几值的定义为:在大量的样本中,样本函数值的分布呈现一定的规律性,若把样本空间分为若干相等小区间,在某个区间样本函数值所占的比率最大,这个最大值,就叫做最可几值。
b、单波波高风暴模式计算:
单波波高和波峰波高的极值可通过风暴模式(storm mode)方法得到。实际应用中,通过从Hm0的时间序列中提取峰值来识别风暴过程,即将单个风暴中高于0.7倍风暴峰值的Hm0视为Hm0时间序列的一部分,并将这一刻作为风暴过程的起始时刻。
对每个风暴过程中高于预设阈值的每个海况都进行波高分布的计算。假定H对Hm0的短期条件分布P(H|Hm0)服从公式A.1,由n个海况的结果组成风暴后获得最大单波波高Hmax的概率分布函数:
其中Nwaves为每个海况中的波浪数量,可通过计算海况的平均跨零周期来估计获得。
最大单波波高Hmax的风暴模式的最大可几值为:
在此基础上可生成历史风暴的数据库,并将每一场风暴都根据其Hmax的最大可几值进行特征化,以用作将来的极值分析。
c、单波波高的长期分布:
通过公式A.2与最大单波波高的风暴模式条件分布卷积求得单波波高和波峰波高的长期分布函数:
其中,β可从公式A.1中得到,N可通过针对每一个单独的风暴定义其等效风暴属性来确定。
等效风暴中最大单波波高Hmax的密度函数为:
其中,Hm0,eq为等效高斯钟形风暴峰值零阶矩有效波高(单位为m)。
综上所述,本发明与现有技术相比,可以改进最大单波波高极值求解的方法,并能广泛应用于海洋水文领域。在经济效益上,可以通过短期现场观测数据对波浪数值模型的各参数进行率定,并得到任意海域的长期波浪数据库。基于风暴模式的单波波高筛选方法也更贴近实际物理过程,为海洋工程设计提供了可靠的海洋水文数据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和替换,这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于风暴模式的最大单波波高Hmax计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、准备基础数据,搭建波浪模型,获得长时间二维波浪模型结果;
S2、提取任一点波浪参数时间序列;
S3、对该时间序列进行风暴模式计算,得到可用于长期极值分析的风暴数据库:
a、定义单波波高H(单位为m)的短期分布:
单波波高H为一个波周期中连续两次零向上交叉的最高波峰和最深波谷之间的差值;
假定零阶矩有效波高Hm0(单位为m)依据Forristall分布,Forristall单波波高及波峰高度的短期分布函数为:
其中,Hm0为零阶矩有效波高(单位为m),分布参数α和β如下:
Forristall单波波高:α=0.681 β=2.126
Forristall主峰波高(3D):α=0.3536+0.2568·S1+0.0800·Ur
其中,g为重力常数(单位为N/kg),T01为一阶矩波浪周期(单位为s),L为波长(单位为m),d为水深(单位为m);
对于这类分布,风暴事件中最有可能发生的最大单波波高(最可几值)Hmp(单位为m)的短期分布函数为:
其中,Hmax为最大单波波高(单位为m),N为波浪个数;
b、单波波高风暴模式计算:
通过从Hm0的时间序列中提取峰值来识别风暴过程,并对每个风暴过程中高于预设阈值的每个海况都进行波高分布的计算;
假定H对Hm0的短期条件分布P(H|Hm0)服从公式A.1,由n个海况的结果组成风暴后获得最大单波波高Hmax的概率分布函数:
其中Nwaves,j为第j个海况中的波浪数量;
最大单波波高Hmax的风暴模式的最大可几值为:
在此基础上可生成历史风暴的数据库,并将每一场风暴都根据其Hmax的最大可几值进行特征化,以用作将来的极值分析;
c、单波波高的长期分布:
通过公式A.2与最大单波波高的风暴模式条件分布卷积求得单波波高和波峰波高的长期分布函数:
等效风暴中最大单波波高Hmax的密度函数为:
其中,Hm0,eq为等效高斯钟形风暴峰值零阶矩有效波高(单位为m)。
2.根据权利要求1所述的计算方法,其特征在于,所述S1包括以下步骤:
a、准备工程海域搭建数值模型的基础数据;
b、搭建工程海域水动力模型和波浪模型,并进行数值模型的率定和验证;其中,水动力模型输出的二维水位文件作为波浪模型的输入文件;
c、运行长时间的波浪模型,得到长时间二维波浪模型结果。
3.根据权利要求1所述的计算方法,其特征在于,在所述S3的步骤b中,将单个风暴中高于0.7倍风暴峰值的Hm0视为Hm0时间序列的一部分,并将这一刻作为风暴过程的起始时刻。
4.根据权利要求1所述的计算方法,其特征在于,在所述S3的步骤b中,通过计算海况的平均跨零周期来估计出每个海况中的波浪数量的取值。
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