CN114491386B - 一种基于海气温差的海浪有效波高订正方法、装置、计算机设备和存储介质 - Google Patents

一种基于海气温差的海浪有效波高订正方法、装置、计算机设备和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于海气温差的海浪有效波高订正方法、装置、计算机设备和存储介质，根据预先获取的气温Ta、气温的测量高度zt、海表面温度Tw、风速u以及风速测量高度z计算出表征大气层结不稳定性的理查德森数记作Rb；根据所述理查德森数Rb以及预先获取的海水深度D计算出修正系数记作ξ；根据所述修正系数ξ以及预先获取的初始有效波高Hsmod计算得到订正后的有效波高记作Hscorrect，得到订正后的有效波高数据克服了有效波高有明显偏小的现象，并且补充了目前海浪模式中缺失的物理过程——大气层结不稳定性对风浪成长关系的影响。

Description

一种基于海气温差的海浪有效波高订正方法、装置、计算机设 备和存储介质
技术领域
本申请涉及海洋预报技术领域，特别是涉及一种基于海气温差的海浪有效波高订正方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
海浪是海洋表面最为常见与重要的自然现象，也是影响海上船舶航行、海洋渔业等相关海上活动安全的最为重要的因素之一。因此，对海浪情况进行准确的观测(即，海浪观测)对于参与海上活动的人员生命安全及海洋经济发展均具有非常重要的意义。同时，海浪通过海气相互作用对大气状态也将产生不可忽略的影响，进而影响天气和全球气候。因此，无论对于海洋、大气等学术研究还是人类涉海活动来说，精确的海浪观测都是极为重要的。
现有的海浪模式有效波高的订正一般采用回归分析的方法，根据数值模式在目标点有效波高的检验结果，建立合适的回归方程，将有效波高的观测值作为因变量，数模计算值作为自变量，根据历史数据对回归方程中的关键系数进行求解，进而得到拟合关系式，通过该关系可对有效波高的模式计算值进行订正。
利用回归分析建立的订正关系式只具有统计学意义，并不包含物理过程，针对某个单点订正关系无法适用于整个场的数据，不具备普适性。回归方程的建立受主观因素影响大，很难找到最优解。
空气和水之间的温差会影响大气边界层的层结稳定性。边界结构的改变会影响风浪的成长关系。研究发现，在大气层结不稳定条件下，风浪成长率增强，而在稳定条件下，风浪成长率减小。而目前全球常用的海浪模式的风能输入项中都没能很好的刻画这一物理过程。
发明内容
基于此，针对上述技术问题，提供一种基于海气温差的海浪有效波高订正方法、装置、计算机设备和存储介质。
第一方面，一种基于海气温差的海浪有效波高订正方法，所述方法包括：
S1:在待订正海浪有效波高的海平面上选取任一点作为目标点，获取气温并记作Ta，获取气温的测量高度记作zt；获取所述目标点海表面温度记作Tw，获取风速并记作u，获取风速测量高度记作z；获取所述目标点海水深度记作 D；获取所述目标点初始有效波高记作Hsmod；其中，所述目标点初始有效波高Hsmod是有业务化海浪数值模式的计算结果；
S2:根据海表面温度数据以及高度zt处气温数据计算出表征大气层结不稳定性的理查德森数记作Rb；
S3:根据所述理查德森数Rb以及海水深度D计算出修正系数记作ξ；
S4:根据所述修正系数ξ以及所述初始有效波高Hsmod计算得到订正后的有效波高记作Hscorrect。
上述方案中，可选的，所述步骤S1包括：所述气温的测量高度为距离目标点垂直上方距离；
所述风速测量高度为距离目标点垂直上方距离。
上述方案中，进一步可选的，所述步骤S1包括：获取所述目标点初始有效波高记作Hsmod是有业务化海浪数值模式的计算结果。
上述方案中，进一步可选的，所述步骤S2计算理查德森数Rb具体是通过以下公式计算：
Figure GDA0003828098490000021
。
上述方案中，进一步可选的，所述步骤S3计算修正系数ξ具体是通过公式
Figure GDA0003828098490000022
计算得到。
上述方案中，进一步可选的，所述步骤S4计算订正后的有效波高Hscorrect具体是通过公式
Figure GDA0003828098490000023
计算得到。
第二方面，一种基于海气温差的海浪有效波高订正装置，所述装置包括：
获取模块：用于在待订正海浪有效波高的海平面上选取任一点作为目标点，获取气温并记作Ta，获取气温的测量高度记作zt；获取所述目标点海表面温度记作Tw，获取风速并记作u，获取风速测量高度记作z；获取所述目标点海水深度记作D；获取所述目标点初始有效波高记作Hsmod；其中，所述目标点初始有效波高Hsmod是有业务化海浪数值模式的计算结果；
第一计算模块：S2:用于根据海表面温度数据以及高度zt处气温数据计算出表征大气层结不稳定性的理查德森数记作Rb；
第二计算模块：用于根据所述理查德森数Rb以及海水深度D计算出修正系数记作ξ；
第三计算模块：用于根据所述修正系数ξ以及所述初始有效波高Hsmod计算得到订正后的有效波高记作Hscorrect。
上述方案中，可选的，所述计算模块包括，用于计算理查德森数Rb具体是通过以下公式计算：
Figure GDA0003828098490000031
；
用于计算修正系数ξ具体是通过公式
Figure GDA0003828098490000032
计算得到；
用于计算订正后的有效波高Hscorrect具体是通过公式
Figure GDA0003828098490000033
计算得到。
第三方面，一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
S1:在待订正海浪有效波高的海平面上选取任一点作为目标点，获取气温并记作Ta，获取气温的测量高度记作zt；获取所述目标点海表面温度记作Tw，获取风速并记作u，获取风速测量高度记作z；获取所述目标点海水深度记作 D；获取所述目标点初始有效波高记作Hsmod；其中，所述目标点初始有效波高Hsmod是有业务化海浪数值模式的计算结果；
S2:根据海表面温度数据以及高度zt处气温数据计算出表征大气层结不稳定性的理查德森数记作Rb；
S3:根据所述理查德森数Rb以及海水深度D计算出修正系数记作ξ；
S4:根据所述修正系数ξ以及所述初始有效波高Hsmod计算得到订正后的有效波高记作Hscorrect。
第四方面，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
S1:在待订正海浪有效波高的海平面上选取任一点作为目标点，获取气温并记作Ta，获取气温的测量高度记作zt；获取所述目标点海表面温度记作Tw，获取风速并记作u，获取风速测量高度记作z；获取所述目标点海水深度记作 D；获取所述目标点初始有效波高记作Hsmod；其中，所述目标点初始有效波高Hsmod是有业务化海浪数值模式的计算结果；
S2:根据海表面温度数据以及高度zt处气温数据计算出表征大气层结不稳定性的理查德森数记作Rb；
S3:根据所述理查德森数Rb以及海水深度D计算出修正系数记作ξ；
S4:根据所述修正系数ξ以及所述初始有效波高Hsmod计算得到订正后的有效波高记作Hscorrect。
本发明至少具有以下有益效果：本发明基于对现有技术问题的进一步分析和研究，认识到空气和水之间的温差会影响大气边界层的层结稳定性，边界结构的改变会影响风浪的成长关系；研究发现，在大气层结不稳定条件下，风浪成长率增强，而在稳定条件下，风浪成长率减小。而目前全球常用的海浪模式的风能输入项中都没能很好的刻画这一物理过程，采用S1:在待订正海浪有效波高的海平面上选取任一点作为目标点，获取气温并记作Ta，获取气温的测量高度记作zt；获取所述目标点海表面温度记作Tw，获取风速并记作u，获取风速测量高度记作z；获取所述目标点海水深度记作D；获取所述目标点初始有效波高记作Hsmod；其中，所述目标点初始有效波高Hsmod是有业务化海浪数值模式的计算结果；S2:根据海表面温度数据以及高度zt处气温数据计算出表征大气层结不稳定性的理查德森数记作Rb；S3:根据所述理查德森数Rb以及海水深度D计算出修正系数记作ξ；S4:根据所述修正系数ξ以及所述初始有效波高Hsmod计算得到订正后的有效波高记作Hscorrect。达到了订正后的有效波高数据克服了有效波高有明显偏小的现象，并且补充了目前海浪模式中缺失的物理过程——大气层结不稳定性对风浪成长关系的影响。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的一种基于海气温差的海浪有效波高订正方法的流程示意图；
图2为本发明一个实施例提供订正前MF01001渤海数值模式的检验结果示意图；
图3为本发明一个实施例提供订正前MF01002渤海数值模式的检验结果示意图；
图4为本发明一个实施例提供订正前MF01004渤海数值模式的检验结果示意图；
图5为本发明一个实施例中订正后MF01001渤海数值模式的检验结果示意图；
图6为本发明一个实施例中订正后MF01002渤海数值模式的检验结果示意图；
图7为本发明一个实施例中订正后MF01004渤海数值模式的检验结果示意图；
图8为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于海气温差的海浪有效波高订正方法，包括：
S1:在待订正海浪有效波高的海平面上选取任一点作为目标点，获取气温并记作Ta，获取气温的测量高度记作zt；获取所述目标点海表面温度记作Tw，获取风速并记作u，获取风速测量高度记作z；获取所述目标点海水深度记作 D；获取所述目标点初始有效波高记作Hsmod；其中，所述目标点初始有效波高Hsmod是根据数值模式在目标点有效波高的检验来得到的；S2:根据海表面温度数据以及高度zt处气温数据计算出表征大气层结不稳定性的理查德森数记作Rb；S3:根据所述理查德森数Rb以及海水深度D计算出修正系数记作ξ；S4:根据所述修正系数ξ以及所述初始有效波高Hsmod计算得到订正后的有效波高记作Hscorrect。
步骤S1具体包括：所述气温的测量高度为距离目标点垂直上方距离；
所述风速测量高度为距离目标点垂直上方距离。获取所述目标点初始有效波高记作Hsmod是根据数值模式在目标点有效波高的检验来得到的。
步骤S2具体包括：算理查德森数Rb具体是通过以下公式计算：
Figure GDA0003828098490000061
。
步骤S3具体包括：计算修正系数ξ具体是通过公式
Figure GDA0003828098490000062
计算得到。
步骤S4具体包括：计算订正后的有效波高Hscorrect具体是通过公式
Figure GDA0003828098490000063
计算得到。
上述一种基于海气温差的海浪有效波高订正方法中，采用在待订正海浪有效波高的海平面上选取任一点作为目标点，预先测量气温并记作Ta，单位是华氏度，气温的测量高度记作zt，取2米；预先测量所述目标点海表面温度记作 Tw，单位是华氏度；预先测量风速并记作u，单位是米/秒，风速测量高度记作z，取10米；预先测量所述目标点海水深度记作D，单位是米；g是重力加速度，取9.8米/秒2；预先获取所述目标点初始有效波高记作Hsmod是，单位是米；S2:根据所述气温Ta、气温的测量高度zt、海表面温度Tw、风速u以及风速测量高度z计算出表征大气层结不稳定性的理查德森数记作Rb；S3:根据所述理查德森数Rb以及所述海水深度D计算出修正系数记作ξ；S4:根据所述修正系数ξ以及所述初始有效波高Hsmod计算得到订正后的有效波高记作Hscorrect，达到了订正后的有效波高数据克服了有效波高有明显偏小的现象，并且补充了目前海浪模式中缺失的物理过程——大气层结不稳定性对风浪成长关系的影响。
在一个实施例中，现有海浪模式有效波高的订正一般采用回归分析的方法，根据数值模式在目标点有效波高的检验结果，建立合适的回归方程，将有效波高的观测值作为因变量，数模计算值作为自变量，根据历史数据对回归方程中的关键系数进行求解，进而得到拟合关系式，通过该关系可对有效波高的模式计算值进行订正。利用回归分析建立的订正关系式只具有统计学意义，并不包含物理过程，针对某个单点订正关系无法适用于整个场的数据，不具备普适性。回归方程的建立受主观因素影响大，很难找到最优解。本发明从大气层结不稳定性对风应力拖曳系数的影响这一物理过程出发，利用海气温差建立了海浪有效波高的订正关系式，有效改善了渤海海域数值模式预报值偏小的现象。
该订正关系具有一定的物理意义，补充了目前海浪数值模式中普遍缺失的物理过程，并且改订正关系具有普适性，可适用于全场的数据。
空气和水之间的温差会影响大气边界层的层结稳定性。边界结构的改变会影响风浪的成长关系。研究发现，在大气层结不稳定条件下，风浪成长率增强，而在稳定条件下，风浪成长率减小。而目前全球常用的海浪模式的风能输入项中都没能很好的刻画这一物理过程。因此在靠近陆地的半封闭海域(如我国的渤海)，就会出现海浪数值模式计算的有效波高偏小的现象。
针对这一问题，本发明利用2米高度处的气温和海表面温度的差值作为衡量大气稳定性的指标。推导了有效波高的订正关系式，如下：
Figure GDA0003828098490000071
Figure GDA0003828098490000072
Figure GDA0003828098490000073
其中Hsmod是数值模式计算的有效高，单位是米；Hscorrect是订正后的有效波高，单位是米；ξ是订正系数；D是水深，单位是米；g是重力加速度，取9.8 米/秒2；Rb是理查德森数；Ta是气温，单位是华氏度；Tw是海温，单位是华氏度；zt是气温测量高度，取2米；u是风速，单位是米/秒；z是风速测量高度，取10米。
该方法用到的输入数据有海表面温度数据，2米高度气温数据，水深数据，以及需要被订正的原始有效波高数据，所有的数据需要插值到同一网格，先利用海表面温度数据和2米高度气温数据，利用公式3计算出表征大气层结不稳定性的理查德森数，再利用网格点水深和各个网格点的理查德森数通过公式2 可计算出修正系数。最后利用修正系数通过公式1可对原始有效波高数据场进行订正，最后得到订正后的有效波高数据。
如图2-图7所示，上述图中横坐标是有效波高的浮标的观测值，纵坐标是数值模式计算的有效波高，颜色表示海气温差，由图2、图3、图4可以看出在订正前，有效波高有明显偏小的现象，由图5、图6、图7可以看出在订正后的检验误差均有不同程度的提升，具体结果如表1所示。
表1
Figure GDA0003828098490000081
在一个实施例中，提供了一种基于海气温差的海浪有效波高订正装置，包括以下程序模块：采集模块以及计算模块，其中：采集模块，用于在待订正海浪有效波高的海平面上选取任一点作为目标点，预先测量气温并记作Ta，单位是华氏度，气温的测量高度记作zt，取2米；预先测量所述目标点海表面温度记作 Tw，单位是华氏度；预先测量风速并记作u，单位是米/秒，风速测量高度记作z，取10米；预先测量所述目标点海水深度记作D，单位是米；g是重力加速度，取9.8米/秒2；预先获取所述目标点初始有效波高记作Hsmod是，单位是米；
计算模块，用于根据所述气温Ta、气温的测量高度zt、海表面温度Tw、风速u以及风速测量高度z计算出表征大气层结不稳定性的理查德森数记作Rb；用于根据所述理查德森数Rb以及所述海水深度D计算出修正系数记作ξ；用于根据所述修正系数ξ以及所述初始有效波高Hsmod计算得到订正后的有效波高记作Hscorrect。
计算模块包括，用于计算理查德森数Rb具体是通过以下公式计算：
Figure GDA0003828098490000082
；
用于计算修正系数ξ具体是通过公式
Figure GDA0003828098490000083
计算得到；
用于计算订正后的有效波高Hscorrect具体是通过公式
Figure GDA0003828098490000084
计算得到。
关于一种基于海气温差的海浪有效波高订正装置的具体限定可以参见上文中对于一种基于海气温差的海浪有效波高订正方法的限定，在此不再赘述。上述一种基于海气温差的海浪有效波高订正装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图8所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种一种基于海气温差的海浪有效波高订正方法。
本领域技术人员可以理解，图8中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，涉及上述实施例方法中的全部或部分流程。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，涉及上述实施例方法中的全部或部分流程。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(StaticRandomAccessMemory，SRAM) 或动态随机存取存储器(DynamicRandomAccessMemory，DRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于海气温差的海浪有效波高订正方法，其特征在于，所述方法包括：
S1:在待订正海浪有效波高的海平面上选取任一点作为目标点，获取气温并记作Ta，获取气温的测量高度记作zt；获取所述目标点海表面温度记作Tw，获取风速并记作u，获取风速测量高度记作z；获取所述目标点海水深度记作D；获取所述目标点初始有效波高记作Hsmod；其中，所述目标点初始有效波高Hsmod是有业务化海浪数值模式的计算结果；
S2:根据海表面温度数据以及高度zt处气温数据计算出表征大气层结不稳定性的理查德森数记作Rb；
S3:根据所述理查德森数Rb以及海水深度D计算出修正系数记作ξ；
S4:根据所述修正系数ξ以及所述初始有效波高Hsmod计算得到订正后的有效波高记作Hscorrect；
所述S2计算理查德森数Rb具体是通过以下公式计算：
Figure FDA0003798699750000011
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3计算修正系数ξ具体是通过公式
Figure FDA0003798699750000012
计算得到。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4计算订正后的有效波高Hscorrect具体是通过公式
Figure FDA0003798699750000013
计算得到。
4.一种基于海气温差的海浪有效波高订正装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块：用于在待订正海浪有效波高的海平面上选取任一点作为目标点，获取气温并记作Ta，获取气温的测量高度记作zt；获取所述目标点海表面温度记作Tw，获取风速并记作u，获取风速测量高度记作z；获取所述目标点海水深度记作D；获取所述目标点初始有效波高记作Hsmod；其中，所述目标点初始有效波高Hsmod是有业务化海浪数值模式的计算结果；
第一计算模块：S2:用于根据海表面温度数据以及高度zt处气温数据计算出表征大气层结不稳定性的理查德森数记作Rb；
第二计算模块：用于根据所述理查德森数Rb以及海水深度D计算出修正系数记作ξ；
第三计算模块：用于根据所述修正系数ξ以及所述初始有效波高Hsmod计算得到订正后的有效波高记作Hscorrect；
所述第一计算模块，用于计算理查德森数Rb具体是通过以下公式计算：
Figure FDA0003798699750000021
所述第二计算模块，用于计算修正系数ξ具体是通过公式
Figure FDA0003798699750000022
计算得到；
所述第三计算模块，用于计算订正后的有效波高Hscorrect具体是通过公式
Figure FDA0003798699750000023
计算得到。
5.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至3中任一项所述的方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至3中任一项所述的方法的步骤。
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