CN115859021A - 一种潮致内孤立波预测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种潮致内孤立波预测方法和装置，其中方法包括将内孤立波预测目标海域划分为多个网格，采集每个网格内的已发生内孤立波参数，建立年代际内孤立波参数数据集，综合利用内孤立波波向参数和内潮生产力信息确定产生源头位置，通过拟合建立月或旬的内孤立波传播速度经验关系，建立产生源头位置的内孤立波周期发生时间表，利用产生源头位置的内孤立波周期发生时间表，结合月或旬的内孤立波传播速度经验关系，对目标海域可能出现的内孤立波信息进行预测。采用本申请的潮致内孤立波预测方法和装置，可以提升对潮致内孤立波历史数据的利用效率，有效提高对潮致内孤立波的预测精度，降低对器材的要求。

Description

一种潮致内孤立波预测方法和装置

技术领域

本发明属于海洋内孤立波预测技术领域，尤其是涉及一种潮致内孤立波预测方法和装置。

背景技术

海洋内波是发生在稳定层化的海洋内部、频率介于惯性频率和浮力频率之间的一种波动现象，其最大振幅出现在海洋内部。当海水密度稳定分层，且有扰动源存在，就有可能导致内波产生。经常观测到的海洋内波是一种被称为内孤立波的特殊类型，这种内波是通常是由正压潮与地形相互作用所产生的内潮波在传播过程中发生非线性陡斜，从而裂变出内孤立波。

至今，公开报道的最强内孤立波发生在南海北部海盆，其振幅为240m，最大水平流速为2.55m/s,周期为30min。2014年海军372艇在南海北部突遇极为危险的掉深，经事后分析，内孤立波是导致372艇遇险的原因。可以推测，如果潜艇遇到振幅240m的极强内波，后果很难设想。此外，内孤立波在海洋的物质、动量和能量传输中扮演着重要角色，并且还与海洋声学、海洋生物学、海洋光学、海洋沉积学、海洋工程学等学科有着密切的联系。因此，发展内孤立波产生和传播的预测方法具有重要的科学价值与应用前景。但是，现有技术中潮致内孤立波预测方法仅适用于个别海域，不具有普适性，且预测可靠性和预测精度不高。

发明内容

针对于上述问题，本申请提出一种潮致内孤立波预测方法和装置，为实现对全球潮致内孤立波海域内波产生和传播的精准预测奠定基础。

其技术方案为，一种潮致内孤立波预测方法，通过年代际潮致内孤立波的月球交点周期特征来进行潮致内孤立波预测，包括：

(1)将内孤立波预测目标海域划分为多个网格，采集每个网格内的已发生的潮致内孤立波参数，建立年代际内孤立波参数数据集，所述年代际潮致内孤立波参数包括内孤立波发生时间、位置、传播波向、传播速度和内孤立波振幅；

(2)根据目标海域所有网格内年代际潮致内孤立波的波向信息，利用射线追踪法推算目标海域年代际潮致内孤立波产生源头位置，并综合内潮生产力信息确定年代际潮致内孤立波产生源头准确位置；

(3)根据网格内的年代际潮致内孤立波数据的传播波速、振幅信息，结合基于海水气候态月或旬平均的海水浮力频率水文信息与水深数据，拟合年代际潮致内孤立波在不同网格内的月或旬内孤立波传播速度经验关系；

(4)根据月或旬的内孤立波传播速度经验关系计算年代际潮致内孤立波产生源头位置到每个网格的距离与传播时间，根据每个网格内的内孤立波发生时间参数，反推每个网格内的内孤立波在内孤立波产生源头位置的产生时间，并将所有反推得到的时间标记为产生源头位置的内孤立波产生时间序列；

(5)根据潮致内孤立波的月球交点周期特征，以18.61年为周期将产生源头位置的内孤立波产生时间序列统一到一个18.61年周期内，建立产生源头位置的内孤立波周期发生时间表；

(6)利用产生源头位置的内孤立波周期发生时间表，结合月或旬的内孤立波传播速度经验关系，对目标海域未来一段时间可能出现的内孤立波信息进行预测。

本申请还公开一种装置，所述装置采用上述的潮致内孤立波预测方法。

采用本申请的潮致内孤立波预测方法和装置，可以提升对潮致内孤立波历史数据的利用效率，有效提高对潮致内孤立波的预测精度，降低对器材的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的一种实施方式的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义

下面结合附图，对本发明做进一步详细说明。

结合图1，本申请的一种实施方式。一种潮致内孤立波预测方法，通过年代际潮致内孤立波的月球交点周期特征来进行潮致内孤立波预测，包括：

(1)将内孤立波预测目标海域划分为多个网格，采集每个网格内的已发生的潮致内孤立波参数，建立年代际内孤立波参数数据集，所述年代际潮致内孤立波参数包括内孤立波发生时间、位置、传播波向、传播速度和内孤立波振幅；本实施例中，可以根据气候态月或旬平均的水文数据空间分辨率大小为依据，对目标海域进行等大小网格划分，对每个网格内的内孤立波参数数据通过卫星海洋遥感、水文调查、潜标观测等方式进行参数采集，并分别建立每个网格的年代际内孤立波参数数据集。本实施例的网格可以通过经纬度划分，可设置为经度0.25°×纬度0.25°、经度0.125°×纬度0.125°等不同网格，未来随着气候态月或旬平均的平均水文数据分辨率提升和年代际内孤立波参数数据集丰富，网格可以越来越密以提升预测精度。

(2)根据目标海域所有网格内年代际潮致内孤立波的波向信息，利用射线追踪法推算目标海域年代际潮致内孤立波产生源头位置，并综合内潮生产力信息确定年代际潮致内孤立波产生源头准确位置；本实施例上述步骤中，可以通过对每个网格的内孤立波找出最接近波纹的同心圆弧，再对这些圆弧做垂直线，将各直线交汇处视为圆心，即目标海域的内孤立波发生源。此方法本专利称为射线追踪法。通常情况下，多条直线交汇不会呈现一个独立的点源，而是呈现一个或多个面源。此时，需要在整个面源区域内，通过计算最大内潮生产力，最大内潮生产力位置即为内孤立波产生源头位置。内潮产生力的表达式为：

其中,x是经向坐标，y是纬向坐标，z是垂向坐标，N是浮力频率，(Q_x,Q_y)是(x,y)方向的经向和纬向正压质量通量，h是水深。本实施例可以通过上述方法迅速准确地确定潮致内孤立波产生源头位置。

(3)根据网格内的年代际潮致内孤立波数据的传播波速、振幅信息，结合基于海水气候态月或旬平均的海水密度层化信息与水深数据，拟合年代际潮致内孤立波在不同网格内的月或旬内孤立波传播速度经验关系；本实施例中的月或旬平均的海水密度层化信息为通过现有的气候态月或旬平均海水密度数据计算得到，可用海水浮力频率表达，月或旬根据气候态平均密度数据的时间分辨率而定，平均海水密度数据空间分辨率越高越好。本实施例中，任一网格的内孤立波传播速度经验关系通过知识向量机、高斯拟合、最小二乘法等方式拟合得到内孤立波传播速度与内孤立波振幅，水深数据，月或旬平均海水浮力频率三个数据信息的经验关系式。

(4)根据月或旬的内孤立波传播速度经验关系计算年代际潮致内孤立波产生源头位置到每个网格的距离与传播时间，根据每个网格内的内孤立波发生时间参数，反推每个网格内的内孤立波在内孤立波产生源头位置的产生时间，并将所有反推得到的时间标记为产生源头位置的内孤立波产生时间序列；本实施例中，此时得到的产生源头位置的内孤立波产生时间序列是根据不同网格内的内孤立波发生时间，结合内孤立波传播速度经验关系倒推形成的，由于同一个内波可能在多个网格出现，从而会导致内孤立波产生时间序列中同一时间出现多次，即该内孤立波产生时间序列中出现重复的内孤立波产生时间，此时只保留一个时间，删除掉其他重复时间，并更新产生源头位置的内孤立波产生时间序列；此外，考虑到内孤立波传播速度经验关系误差问题，也会导致同一内孤立波在内孤立波产生时间序列中的时间不同，此时需要在后续步骤中进一步剔除掉。

(5)根据潮致内孤立波的月球交点周期特征，以18.61年为周期将产生源头位置的内孤立波产生时间序列统一到一个18.61年周期内，建立产生源头位置的内孤立波周期发生时间表；本实施例主要利用月球交点周期来实现潮致内孤立波的预测。月球轨道对黄道的倾斜大约是5度，月球在黄道上的纬度变化在南北纬5度的范围之内。黄道相对于天球赤道(垂直于地球自转轴的平面)的倾斜角度大约是23.4°，交点周期大约为18.61年。而月球、太阳又是影响海洋潮汐的重要因素，是潮致内孤立波形成的主要影响因素。通常情况下，由于本发明中的潮致内孤立波是内潮波在传播过程中发生非线性陡斜，从而裂变出内孤立波的，因此建立的内孤立波周期发生时间表与内孤立波产生源头位置潮汐具有正相关规律特征。因此将内孤立波周期发生时间表与产生源头位置18.61年周期中的每一个潮起潮落过程对应分析。如果某一个潮起潮落过程中只对应一个内孤立波发生时间，则确定该时间为内孤立波周期发生时间表中的有效时间，并认为该时间为该潮起潮落过程导致内孤立波发生的时间；如果某一个潮起潮落过程中没有对应一个内孤立波发生时间，则认为该时间为该潮起潮落过程不会导致内孤立波发生；如果某一个潮起潮落过程中对应多个内孤立波发生时间，将上述多个时间的平均时间确定为内孤立波周期发生时间表中的有效时间，并认为该平均时间为该潮起潮落过程导致内孤立波发生的时间，删除该潮起潮落过程中所对应的多个内孤立波发生时间；最后更新18.61年为周期的产生源头位置的内孤立波周期发生时间表；

(6)利用产生源头位置的内孤立波周期发生时间表，结合月或旬的内孤立波传播速度经验关系，对目标海域未来一段时间可能出现的内孤立波信息进行预测；在实际应用过程中，首先需要对目标海域未来一段时间的内孤立波预测，要将未来一段时间统一到18.61年周期内，并建立与内孤立波周期发生时间表的对应查找关系，从而确定未来一段时间在内孤立波周期发生时间表中的对应时间，然后基于内孤立波产生源头位置的内孤立波周期发生时间表，可给出未来给定时间段的内孤立波频次预测信息，进一步结合月或旬的内孤立波传播速度经验关系，可给出指定海域的内孤立波发生时间预测信息。

在上述实施例的基础上，所述将目标海域划分为多个网格的方法包括，按照目标海域经纬跨度将目标海域划分为多个等大小的经纬度网格。本实施例中，对于目标海域可以采用经纬跨度的方式划分网格，如将目标海域按照0.25°×0.25°或0.125°×0.125°的经纬度网格来进行划分。本划分方式方便从地图中导入导出数据，及其与气候态月或旬平均的平均水文数据、年代际内孤立波参数数据进行关联，提高本方法的计算效率。

在上述一个或多个实施例基础上，所述每个网格内的年代际潮致内孤立波参数包括该网格的中心经纬度、内孤立波发生时间、位置、传播波向、传播速度和振幅。

在上述一个或多个实施例基础上，在所述利用射线追踪法推算的目标海域年代际潮致内孤立波产生源头位置过程中，当存在多个内孤立波产生源头位置时，需进一步结合多个内孤立波产生源头区域内潮生产力的计算，确定内潮生产力值最大的内波源头为目标海域内孤立波产生源头准确位置。

在上述一个或多个实施例基础上，所述月或旬的内孤立波传播速度经验关系的输入因子包括内孤立波振幅、水深数据、月或旬平均海水浮力频率等，输出因子为内孤立波传播速度。

在上述一个或多个实施例基础上，所述标记为产生源头位置的内孤立波产生时间序列过程中，如果该内孤立波产生时间序列中出现重复的内孤立波产生时间，此时只保留一个时间，删除掉其他重复时间，并更新产生源头位置的内孤立波产生时间序列。

在上述一个或多个实施例基础上，所述建立产生源头位置的内孤立波周期发生时间表过程中，将内孤立波周期发生时间表与产生源头位置18.61年周期中的每一个潮起潮落过程进行对应，如果某一个潮起潮落过程中只对应一个内孤立波发生时间，则确定该时间为内孤立波周期发生时间表中的有效时间，并认为该时间为该潮起潮落过程导致内孤立波发生的时间；如果某一个潮起潮落过程中没有对应一个内孤立波发生时间，则认为该时间为该潮起潮落过程不会导致内孤立波发生；如果某一个潮起潮落过程中只对应多个内孤立波发生时间，将上述多个时间的平均时间确定为内孤立波周期发生时间表中的有效时间，并认为该平均时间为该潮起潮落过程导致内孤立波发生的时间，最后更新18.61年为周期的产生源头位置的内孤立波周期发生时间表。

在上述一个或多个实施例基础上，所述对目标海域未来一段时间可能出现的内孤立波信息进行预测过程包括，将未来一段时间代入18.61年周期内，并建立与内孤立波周期发生时间表的对应查找关系，从而确定该未来时间段在内孤立波周期发生时间表中的对应时间段。

在上述一个或多个实施例基础上，目标海域未来可能出现的内孤立波进行预测的过程包括：通过未来一段时间与内孤立波周期发生时间表的对应查找关系，基于内孤立波产生源头位置的内孤立波周期发生时间表，可给出未来给定时间段的内孤立波频次预测信息；和/或，结合月或旬的内孤立波传播速度经验关系，可给出指定海域的内孤立波发生时间预测信息。

一种装置，采用上述任意一项或任意几项实施例所述的基于潮汐变化的潮致内孤立波预测方法来进行潮致内孤立波预测。

本申请中，通过对目标海域年代际潮致内孤立波参数数据进行收集，并确定潮致内孤立波产生源头位置和构建内相关经验关系，将年代际潮致内孤立波在产生源头位置的产生时间构建到以18.61年为周期的内孤立波周期发生时间表，以形成可预测未来潮致内孤立波发生的内孤立波周期发生时间表，利用该查找表，结合内孤立波传播速度经验关系，可对未来一段时间目标海域的潮致内孤立波发生频次、时间和位置信息进行预测，提高潮致内孤立波的预测精准度和预测效率。

本发明的保护范围不局限于此，任何不经过创造性的劳动能够想到的技术方案的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种潮致内孤立波预测方法，通过年代际潮致内孤立波的月球交点周期特征来进行潮致内孤立波预测，其特征在于，包括：

(1)将内孤立波预测目标海域划分为多个网格，采集每个网格内的已发生的潮致内孤立波参数，建立年代际内孤立波参数数据集，所述年代际潮致内孤立波参数包括内孤立波发生时间、位置、传播波向、传播速度和内孤立波振幅；

(2)根据目标海域所有网格内年代际潮致内孤立波的波向信息，利用射线追踪法推算目标海域年代际潮致内孤立波产生源头位置，并综合内潮生产力信息确定年代际潮致内孤立波产生源头准确位置；

(3)根据网格内的年代际潮致内孤立波数据的传播波速、振幅信息，结合基于海水气候态月或旬平均的海水浮力频率水文信息与水深数据，拟合年代际潮致内孤立波在不同网格内的月或旬内孤立波传播速度经验关系；

(4)根据月或旬的内孤立波传播速度经验关系计算年代际潮致内孤立波产生源头位置到每个网格的距离与传播时间，根据每个网格内的内孤立波发生时间参数，反推每个网格内的内孤立波在内孤立波产生源头位置的产生时间，并将所有反推得到的时间标记为产生源头位置的内孤立波产生时间序列；

(5)根据潮致内孤立波的月球交点周期特征，以18.61年为周期将产生源头位置的内孤立波产生时间序列统一到一个18.61年周期内，建立产生源头位置的内孤立波周期发生时间表；

(6)利用产生源头位置的内孤立波周期发生时间表，结合月或旬的内孤立波传播速度经验关系，对目标海域未来一段时间可能出现的内孤立波信息进行预测。

2.根据权利要求1所述的潮致内孤立波预测方法，其特征在于，所述将目标海域划分为多个网格的方法包括，按照目标海域经纬跨度将目标海域划分为多个等大小跨度的经纬度网格。

3.根据权利要求1所述的潮致内孤立波预测方法，其特征在于，所述每个网格内的年代际潮致内孤立波参数数据包括该网格的中心经纬度，内孤立波发生时间、位置、传播波向、传播速度和振幅。

4.据权利要求1所述的潮致内孤立波预测方法，其特征在于，所述利用射线追踪法推算的目标海域年代际潮致内孤立波产生源头位置过程包括：当只有一个内孤立波发生源头位置时，直接确认该位置为目标海域内孤立波产生源头准确位置；当存在多个内孤立波产生源头位置时，结合内潮生产力计算确定目标海域内孤立波产生源头准确位置。

5.据权利要求1所述的潮致内孤立波预测方法，其特征在于，所述月或旬的内孤立波传播速度经验关系的输入因子包括每个网格内的年代际潮致内孤立波振幅参数、水深数据与月或旬的海水浮力频率，输出因子为月或旬的内孤立波传播速度。

6.据权利要求1所述的潮致内孤立波预测方法，其特征在于，所述标记为产生源头位置的内孤立波产生时间序列过程中，如果该内孤立波产生时间序列中出现重复的内孤立波产生时间，此时只保留一个时间，删除掉其他重复时间，并更新产生源头位置的内孤立波产生时间序列。

7.据权利要求1所述的潮致内孤立波预测方法，其特征在于，所述建立产生源头位置的内孤立波周期发生时间表过程中，将内孤立波周期发生时间表与产生源头位置18.61年周期中的每一个潮起潮落过程进行对应。如果某一个潮起潮落过程中只对应一个内孤立波发生时间，则确定该时间为内孤立波周期发生时间表中的有效时间，并认为该时间为该潮起潮落过程导致内孤立波发生的时间；如果某一个潮起潮落过程中没有对应一个内孤立波发生时间，则认为该时间为该潮起潮落过程不会导致内孤立波发生；如果某一个潮起潮落过程中对应多个内孤立波发生时间，将上述多个时间的平均时间确定为内孤立波周期发生时间表中的有效时间，并认为该平均时间为该潮起潮落过程导致内孤立波发生的时间；最后更新18.61年为周期的产生源头位置的内孤立波周期发生时间表。

8.据权利要求1所述的潮致内孤立波预测方法，其特征在于，所述对目标海域未来一段时间可能出现的内孤立波信息进行预测过程包括，将未来一段时间代入18.61年周期内，并建立与内孤立波周期发生时间表的对应查找关系，从而确定该未来时间段在内孤立波周期发生时间表中的对应时间段。

9.据权利要求1所述的潮致内孤立波预测方法，其特征在于，，所述对目标海域未来一段时间可能出现的内孤立波信息进行预测的过程包括，通过未来一段时间与内孤立波周期发生时间表的对应查找关系，基于内孤立波产生源头位置的内孤立波周期发生时间表，可给出未来给定时间段的内孤立波频次预测信息，进一步结合月或旬的内孤立波传播速度经验关系，可给出指定海域内孤立波发生的时间和位置预测信息。

10.一种装置，其特征在于，采用权利要求1-9任意一项权利要求所述的潮致内孤立波预测方法。

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