CN113049220A - 一种识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法，涉及海洋工程技术领域，该方法包括：采用双高斯函数对样本数据的波浪谱密度进行拟合；计算拟合谱密度的一阶导数分布；依次遍历相邻波浪频率对应的拟合谱密度一阶导数的乘积，若乘积为负，则依次输出波浪双峰谱的低频谱峰频率、分离频率和高频谱峰频率，适用于识别岛礁或近岸特定海域的混合浪成分，通过该方法识别出的涌浪和风浪可直接用于波浪双峰谱型的重构，能够精确描述深远海、近岸或岛礁海域波浪双峰谱模型。

Description

一种识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，尤其是一种识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法。

背景技术

混合浪是指海面上同时存在着风浪和涌浪的情形，或者当风向骤然改变后的波浪。混合浪的频谱多为双峰形式，关于波浪双峰谱的表示形式，迄今为止的研究工作均将双峰谱分解为低频谱和高频谱之和，低频谱代表涌浪成分，高频谱代表风浪成分。目前已有的波浪双峰谱模型如Ochi-Hubble谱、Soares谱和Torsethaugen谱都是以单峰谱型叠加而成，在构造时需要给定风浪部分或涌浪部分对应的有义波高、谱峰频率和形状参数，且只适合于深远海开阔海域，对近岸或岛礁海域，波浪传播受地形影响而发生显著变形，传统的双峰谱型将不再适用。因此混合浪成分的分离直接影响着特定海域波浪双峰谱描述的准确度。传统的风浪和涌浪分离方法有2D法、PM法、WH法和JP法。其中2D法和PM法需要考虑风速来分离；WH法和JP法直接应用波浪频谱信息，通过波陡函数或谱峰比值分离风浪和涌浪。但这四种方法只适合于深远海区域，对近岸或岛礁海域的适用性值得商榷。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法，通过波浪频谱信息提取波浪谱特征频率，建立风浪和涌浪分离判别式来分离二者成分，可直接用于波浪双峰谱型的重构，适合于深远海、近岸或岛礁海域波浪双峰谱的精确描述。

本发明的技术方案如下：

一种识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法，包括如下步骤：

采集特定海域的一组海况数据作为样本数据，提取各个海况数据对应的波浪峰谱的波浪谱密度和波浪频率；

采用双高斯函数对波浪谱密度进行拟合，得到拟合谱密度；

计算拟合谱密度的一阶导数分布；

依次遍历相邻波浪频率对应的拟合谱密度一阶导数的乘积，若乘积为负，则输出对应的频率作为分离频率；

建立分离周期和有义波高的关系式，将样本数据的分离频率和有义波高代入关系式中计算得到分离系数，统计所有分离系数的平均值作为特定海域识别混合浪成分的经验判据；

采集特定海域的实测海况数据，根据关系式计算实测海况数据的经验分离周期，同时提取实测海况数据对应的实测波浪周期，若实测波浪周期大于经验分离周期，则判定实测波浪周期对应的特征频率代表涌浪成分，若实测波浪周期小于经验分离周期，则判定实测波浪周期对应的特征频率代表风浪成分。

其进一步的技术方案为，拟合谱密度的表达式如下：

其中，f表示波浪频率，S(f)表示拟合谱密度，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂和c₂均为拟合参数，通过最小二乘法得到。

其进一步的技术方案为，计算拟合谱密度的一阶导数分布，包括：

令拟合谱密度的一阶导数为零，即：

S`(f)＝0 (2)

式(2)采用数值计算，令f_i(i＝1,…,N)，N为频率离散点的数目，则一阶导数的差分格式表示如下：

式(3)采用数值逼近计算。

其进一步的技术方案为，若乘积为负，则输出对应的频率作为分离频率，包括：

当满足：S`(f<sub>i</sub>)·S`(f_i+1)≤0(i＝1,…,N-1) (4)

对于双峰谱来说，通过式(4)计算得到三个不同的频率值，并按从小到大排序依次为波浪双峰谱的低频谱峰频率、分离频率和高频谱峰频率；

对于单峰谱来说，通过式(4)计算得到一个频率值，当特定海域为深远海开阔海域，若f_p≤0.1Hz，则频率值为单峰涌浪谱；若f_p＞0.1Hz，则频率值为单峰风浪谱，其中f_p为计算得到的频率值。

其进一步的技术方案为，关系式为：

式(5)中，a_c为分离系数；

式(5)中，T_c为分离周期，满足：

其中，f_p2为波浪双峰谱的分离频率；

式(5)中，H_s为混合浪有义波高，满足：

本发明的有益技术效果是：

本申请通过双高斯函数拟合波浪谱密度，计算拟合谱密度的一阶导数分布，然后依次遍历相邻波浪频率对应的拟合谱密度一阶导数的乘积，若该乘积为负，通过输出的频率个数确定采样数据为双峰谱或单峰谱，当为双峰谱时，则依次输出的三个频率分别为低频谱峰频率、分离频率和高频谱峰频率，以此识别出混合浪的成分；通过建立分离周期和有义波高的关系式，代入样本数据获取关系式中的分离系数，其平均值作为特定海域识别混合浪成分的经验判据，更适用于识别岛礁或近岸特定海域的混合浪成分；通过该方法识别出的涌浪和风浪可直接用于波浪双峰谱型的重构，能够精确描述深远海、近岸或岛礁海域波浪双峰谱模型。

附图说明

图1为识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法流程图。

图2为某个台风浪的实测双峰谱与双高斯一次拟合结果的比较图。

图3为某个东北季风浪海况下的实测单峰谱与双高斯一次拟合结果的比较图。

图4为双峰谱拟合结果的一阶导数图。

图5为单峰谱拟合结果的一阶导数图。

图6为某个东北季风浪海况下风浪和涌浪分离结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，一种识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法，包括如下步骤：

步骤1：采集特定海域的一组海况数据作为样本数据，提取各个海况数据对应的波浪峰谱的波浪谱密度和波浪频率。

样本数据可以从实地测量、模型试验或数值后报中获取，采样时的相邻海况的间隔时间在0.5～3小时范围之间，本实施例的特定海域以采集岛礁泻湖内海域的海况数据为例对后续方法进行解释说明。

步骤2：采用双高斯函数对波浪谱密度进行拟合，得到拟合谱密度。

拟合谱密度的表达式如下：

其中，f表示波浪频率，S(f)表示拟合谱密度，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂和c₂均为拟合参数，通过最小二乘法得到。

比如，当岛礁泻湖内海域的海况为某个台风浪，则其实测双峰谱与双高斯一次拟合结果的比较如图2所示；当岛礁泻湖内海域的海况为某个东北季风浪，则其实测单峰谱与双高斯一次拟合结果的比较如图3所示。

步骤3：计算拟合谱密度的一阶导数分布，具体包括：

令拟合谱密度的一阶导数为零，即：

S`(f)＝0 (2)

式(2)采用数值计算，令f_i(i＝1,…,N)，N为频率离散点的数目，则一阶导数的差分格式表示如下：

式(3)采用数值逼近计算。

步骤4：依次遍历相邻波浪频率对应的拟合谱密度一阶导数的乘积，若乘积为负，则输出对应的频率作为分离频率。

当满足：S`(f<sub>i</sub>)·S`(f_i+1)≤0(i＝1,…,N-1) (4)

结合表1和图4所示，对于双峰谱来说，通过式(4)计算得到三个不同的频率值f_pk(k＝1,2,3)，并按从小到大排序依次为波浪双峰谱的低频谱峰频率f_p1(即涌浪成分)、分离频率f_p2和高频谱峰频率f_p3(即风浪成分)。

表1双峰谱特征频率值

条件	f<sub>p1</sub>	f<sub>p2</sub>	f<sub>p3</sub>
				S(f)’＝0	0.095	0.135	0.19

结合表2和图5所示，对于单峰谱来说，通过式(4)计算得到一个频率值，当特定海域为深远海开阔海域，若f_p≤0.1Hz，则频率值为单峰涌浪谱；若f_p＞0.1Hz，则频率值为单峰风浪谱，其中f_p为计算得到的频率值。

表2单峰谱特征频率值

条件	f<sub>p</sub>
		S(f)’＝0	0.18

步骤5：建立分离周期和有义波高的关系式，将样本数据的分离频率和有义波高代入关系式中计算得到分离系数，统计所有分离系数的平均值作为特定海域识别混合浪成分的经验判据。

对于岛礁或近岸特定海域，为了识别混合浪的成分，需要统计样本数据获得分离系数经验值，具体包括：

建立的关系式为：

式(5)中，a_c为分离系数；

式(5)中，T_c为分离周期，满足：

其中，f_p2为波浪双峰谱的分离频率；

式(5)中，H_s为混合浪有义波高，满足：

步骤6：采集特定海域的实测海况数据，从中提取实测海况数据对应的波浪双峰谱的实测波浪周期和有义波高，根据关系式计算实测海况数据的经验分离周期，由此能够判定特定海域今后混合浪的成分构成，具体为：若实测波浪周期大于经验分离周期，则判定实测波浪周期对应的特征频率代表涌浪成分，若实测波浪周期小于经验分离周期，则判定实测波浪周期对应的特征频率代表风浪成分。

根据上述方法识别的某个东北季风浪海况下风浪和涌浪成分结果如图6所示，图中分别示出了涌浪成分1、经验分离频率2、实测分离频率3和风浪成分4。由此证明本申请的方法不仅适用于深远海开阔海域，也适用于识别岛礁或近岸特定海域的混合浪成分，通过该方法识别出的涌浪和风浪可直接用于波浪双峰谱型的重构，能够精确描述深远海、近岸或岛礁海域的波浪双峰谱模型。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法，其特征在于，所述方法包括：

采集特定海域的一组海况数据作为样本数据，提取各个海况数据对应的波浪峰谱的波浪谱密度和波浪频率；

采用双高斯函数对所述波浪谱密度进行拟合，得到拟合谱密度；

计算所述拟合谱密度的一阶导数分布；

依次遍历相邻波浪频率对应的拟合谱密度一阶导数的乘积，若所述乘积为负，则输出对应的频率作为分离频率；

建立分离周期和有义波高的关系式，将所述样本数据的分离频率和有义波高代入所述关系式中计算得到分离系数，统计所有分离系数的平均值作为特定海域识别混合浪成分的经验判据；

采集特定海域的实测海况数据，根据所述关系式计算所述实测海况数据的经验分离周期，同时提取所述实测海况数据对应的实测波浪周期，若所述实测波浪周期大于所述经验分离周期，则判定所述实测波浪周期对应的特征频率代表涌浪成分，若所述实测波浪周期小于所述经验分离周期，则判定所述实测波浪周期对应的特征频率代表风浪成分。

2.根据权利要求1所述的识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法，其特征在于，所述拟合谱密度的表达式如下：

其中，f表示所述波浪频率，S(f)表示拟合谱密度，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂和c₂均为拟合参数，通过最小二乘法得到。

3.根据权利要求1所述的识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法，其特征在于，所述计算所述拟合谱密度的一阶导数分布，包括：

令所述拟合谱密度的一阶导数为零，即：

S`(f)＝0 (2)

式(2)采用数值计算，令f_i(i＝1,…,N)，N为频率离散点的数目，则所述一阶导数的差分格式表示如下：

式(3)采用数值逼近计算。

4.根据权利要求3所述的识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法，其特征在于，所述若所述乘积为负，则输出对应的频率作为分离频率，包括：

当满足：S`(f<sub>i</sub>)·S`(f_i+1)≤0(i＝1,…,N-1) (4)

对于双峰谱来说，通过式(4)计算得到三个不同的频率值，并按从小到大排序依次为波浪双峰谱的低频谱峰频率、分离频率和高频谱峰频率；

对于单峰谱来说，通过式(4)计算得到一个频率值，当所述特定海域为深远海开阔海域，若f_p≤0.1Hz，则所述频率值为单峰涌浪谱；若f_p＞0.1Hz，则所述频率值为单峰风浪谱，其中f_p为计算得到的频率值。

5.根据权利要求1所述的识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法，其特征在于，所述关系式为：

式(5)中，a_c为分离系数；

式(5)中，T_c为分离周期，满足：

其中，f_p2为波浪双峰谱的分离频率；

式(5)中，H_s为混合浪有义波高，满足：

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