CN115952751B - 一种swan模型的风速修正方法及系统 - Google Patents
一种swan模型的风速修正方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115952751B CN115952751B CN202310213030.XA CN202310213030A CN115952751B CN 115952751 B CN115952751 B CN 115952751B CN 202310213030 A CN202310213030 A CN 202310213030A CN 115952751 B CN115952751 B CN 115952751B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- wind speed
- wind
- corrected
- correction
- measured
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000012937 correction Methods 0.000 title claims abstract description 186
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 48
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 45
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 13
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- QYSXJUFSXHHAJI-YRZJJWOYSA-N vitamin D3 Chemical compound C1(/[C@@H]2CC[C@@H]([C@]2(CCC1)C)[C@H](C)CCCC(C)C)=C\C=C1\C[C@@H](O)CCC1=C QYSXJUFSXHHAJI-YRZJJWOYSA-N 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- 238000004088 simulation Methods 0.000 abstract description 19
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 8
- 238000011160 research Methods 0.000 description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 2
- 230000008278 dynamic mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 102000051759 human factor J Human genes 0.000 description 1
- 108700008420 human factor J Proteins 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 1
- 238000012821 model calculation Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明公开一种SWAN模型的风速修正方法及系统，涉及风速修正技术领域，在目标区域的背景风场为恒定均一风场时，则判断目标区域的实测风速是否大于风速修正临界值，若是，则利用第一风速修正公式对实测风速进行修正，若否，则不修正；在目标区域的背景风场为非恒定时变风场时，利用拖曳力系数对目标区域的实测风速进行修正，或者利用风速修正系数对目标区域的实测风速进行修正，从而能够在目标区域的背景风场处于不同工况时，采用不同的修正方法对实测风速进行修正，并以修正后的风速作为SWAN模型的输入风速，从而对SWAN模型中的输入风速进行修正，提高利用SWAN模型进行海浪模拟的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及风速修正技术领域，特别是涉及一种SWAN模型的风速修正方法及系统。
背景技术
近年来，中国沿海地区快速发展，沿岸的港口航道工程建设、渔业养殖、海岸带旅游资源开发等沿海工程项目如火如荼地推进。海浪作为沿海工程需要考虑的主要动力因素，对沿海工程的工程安全和经济发展至关重要，其不仅会给沿海工程带来波浪荷载、越浪、增水漫滩等问题，还会对泥沙运动产生影响，进而影响海岸演变。
目前，对海浪的研究主要依赖于现场观测、物理模型试验以及数值模拟等手段，而数值模拟在海浪整体的发展运动规律和局部断面的动力特性变化等方面的研究中发挥了巨大的作用，比如由荷兰代尔夫特理工大学研发的第三代海浪数学模型SWAN(SimulatingWave Nearshore)能较好地满足工程上对风浪生成、风能输入、白帽破碎耗散、波流相互作用、波浪折射反射绕射等现象的模拟，在世界范围内得到广泛应用。然而，随着气候变化加剧，极端天气频繁出现，海浪的频次和规模变得更加剧烈，传统SWAN模型对海浪的计算在大风条件中已经不能满足精度要求了，因此需对SWAN模型中的输入风速进行修正，以确保大风条件下海浪模拟的准确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种SWAN模型的风速修正方法及系统，通过对SWAN模型中的输入风速进行修正，在大风条件下保证海浪模拟的准确性，以提高利用SWAN模型进行海浪模拟的准确性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种SWAN模型的风速修正方法，所述风速修正方法包括：
获取目标区域的背景风场；
若所述背景风场为恒定均一风场，则判断所述目标区域的实测风速是否大于风速修正临界值；若是，则利用第一风速修正公式对所述实测风速进行修正，得到第一修正后风速，并以所述第一修正后风速作为SWAN模型的输入风速；若否，则直接以所述实测风速作为SWAN模型的输入风速；
若所述背景风场为非恒定时变风场，则以所述目标区域的实测风速作为输入，利用拖曳力系数修正公式计算得到拖曳力系数，利用所述拖曳力系数对所述实测风速进行修正，得到摩阻风速，并以所述摩阻风速作为SWAN模型的输入风速；或者，若所述背景风场为非恒定时变风场，则对风速修正系数求解方程进行求解，得到风速修正系数，利用所述风速修正系数对所述目标区域的实测风速进行修正，得到第二修正后风速，并以所述第二修正后风速作为SWAN模型的输入风速。
在一些实施例中，所述获取目标区域的背景风场具体包括：收集目标区域的风速资料，根据所述风速资料确定所述目标区域的背景风场。
在一些实施例中，所述第一风速修正公式为：
其中，v为实测风速；v1为第一修正后风速；
为风速修正临界值；
为风速折减率。
在一些实施例中，所述风速折减率的计算公式为：
其中，Ai为第i个常数，i=0，1，2，3，4，5；
为风速测点处的水深。
在一些实施例中，所述拖曳力系数修正公式为：
其中，CD为拖曳力系数；
均为预先设定的常数；v为实测风速；
为第一分段临界风速；
为第二分段临界风速；CD-max为拖曳力系数饱和值。
在一些实施例中，所述摩阻风速的计算公式为：
其中，v*为摩阻风速；CD为拖曳力系数；v为实测风速。
在一些实施例中，所述风速修正系数求解方程包括计算方程和控制条件；
所述计算方程为：
其中，v*为摩阻风速；f0为SWAN模型所用的拖曳力系数计算公式；v2为第二修正后风速；J为风速修正系数；v1为第一修正后风速；
所述控制条件为：
其中，CD-max为拖曳力系数饱和值。
在一些实施例中，所述利用所述风速修正系数对所述目标区域的实测风速进行修正，得到第二修正后风速具体包括：
利用第一风速修正公式对所述目标区域的实测风速进行修正，得到第一修正后风速；
以所述风速修正系数和所述第一修正后风速为输入，利用第二风速修正公式计算得到第二修正后风速。
在一些实施例中，所述第二风速修正公式为：
v2=Jv1；
其中，v2为第二修正后风速；J为风速修正系数；v1为第一修正后风速。
一种SWAN模型的风速修正系统，所述风速修正系统包括：
背景风场获取模块，用于获取目标区域的背景风场；
第一修正模块，用于若所述背景风场为恒定均一风场，则判断所述目标区域的实测风速是否大于风速修正临界值；若是，则利用第一风速修正公式对所述实测风速进行修正，得到第一修正后风速，并以所述第一修正后风速作为SWAN模型的输入风速；若否，则直接以所述实测风速作为SWAN模型的输入风速；
第二修正模块，用于若所述背景风场为非恒定时变风场，则以所述目标区域的实测风速作为输入，利用拖曳力系数修正公式计算得到拖曳力系数，利用所述拖曳力系数对所述实测风速进行修正，得到摩阻风速，并以所述摩阻风速作为SWAN模型的输入风速；或者，若所述背景风场为非恒定时变风场，则对风速修正系数求解方程进行求解，得到风速修正系数，利用所述风速修正系数对所述目标区域的实测风速进行修正，得到第二修正后风速，并以所述第二修正后风速作为SWAN模型的输入风速。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明用于提供一种SWAN模型的风速修正方法及系统，在目标区域的背景风场为恒定均一风场时，则判断目标区域的实测风速是否大于风速修正临界值，若是，则利用第一风速修正公式对实测风速进行修正，若否，则不修正；在目标区域的背景风场为非恒定时变风场时，利用拖曳力系数对目标区域的实测风速进行修正，或者利用风速修正系数对目标区域的实测风速进行修正，从而能够在目标区域的背景风场处于不同工况时，采用不同的修正方法对实测风速进行修正，并以修正后的风速作为SWAN模型的输入风速，从而通过对SWAN模型中的输入风速进行修正，在大风条件下也能保证海浪模拟的准确性，以提高利用SWAN模型进行海浪模拟的准确性。
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为本发明实施例1所提供的风速修正方法的方法流程图；
图2为本发明实施例1所提供的风速修正方法的详细流程图；
图3为本发明实施例3所提供的风速修正系统的系统框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种SWAN模型的风速修正方法及系统，通过对SWAN模型中的输入风速进行修正，在大风条件下保证海浪模拟的准确性，以提高利用SWAN模型进行海浪模拟的准确性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
早期的海浪数值预报模型的开发主要是基于二维谱传输方程以及共振和切流不稳定物理机制相关研究。在20世纪60年代，诞生了第一代基于完整的能量平衡方程计算海浪谱的海浪数学模型，经过几十年的发展，依据海浪数学模型中波-波非线性相互作用处理方法的不同进行划分，到上世纪九十年代中期，海浪数学模型已实现由第一代到第三代的升级，形成了以WAM和WAVEWATCH模型为代表的第三代海浪数学模型。SWAN模型是在第三代海浪数学模型能量收支传输计算的基础上发展起来的浅水波浪数值计算模型，其也对当时的WAN谱方程模型进行了改进发展，相比于WAN谱方程模型，SWAN模型具有更好的水深适应性，可模拟从深水到破碎带附近的波浪，更全面的考虑了源汇项中能量的变化以及非线性相互作用，由于其以不规则谱型的方向谱表示真实海浪的随机性特征，可更真实地模拟出海浪特征。
近年来，SWAN模型先后被应用于渤海湾、福建海安湾、江苏如东附近、湛江港外海海域以及浙东海岸的台风浪，在台风强度不大的工况下，SWAN模型的计算结果与实测结果对比仍然较好。然而根据美国沿海及墨西哥湾的飓风浪、北大西洋飓风浪、长江口的台风浪、北部湾的台风浪的模拟结果来看，SWAN模型虽基本能模拟近岸浅水区域的台风浪过程，但在台风强度较大的工况下，SWAN模型计算的波高总体略大于实测结果，部分计算结果出现较大误差。根据对第三代海浪数学模型在极端风速下模拟情况的对比研究结果以及对SWAN模型的使用情况可推断：在大风速工况下，SWAN模型对波浪的模拟存在失真问题。因此，需要对SWAN模型中的输入风速进行参数化修正，确保波浪模拟的准确性。
基于此，本发明提供以下三个实施例，实现波浪推算的风速参数化修正，使SWAN模型在任何风速下都能够准确的进行海浪模拟。
实施例1：
本实施例用于提供一种SWAN模型的风速修正方法，如图1和图2所示，所述风速修正方法包括：
S1：获取目标区域的背景风场；
本实施例中，目标区域即为所想研究的海洋工程区域。S1可以包括：收集目标区域的风速资料，根据风速资料确定目标区域的背景风场。其中，目标区域当地长期风速观测资料（即风速资料）的主要来源有：全球综合地面观测数据集Integrated Surface Dataset(综合地表数据集ISD）、ERA5风浪后报数据集、CCMP再分析风场数据、国际台风最佳数据集(International Best Track Archive for Climate Stewardship，IBTrACS)。
根据收集的风速资料确定目标区域的背景风场时，如果不同来源的风速资料中的风速是在海平面的不同高度处测量的，则可以根据气象学中贴地层风速中的对数风速廓线公式对风速进行推导，将不同来源的风速资料中的风速统一到海平面的同一高度下，即令所有来源的风速资料中的风速均采用海平面的同一高度处的风速，该高度可为预设高度，后续目标区域的实测风速也取该预设高度处的风速。
对数风速廓线公式如下：
其中，v（z）为海平面以上高度z的风速；v为海平面以上预设高度h的风速；CD为拖曳力系数；
为卡曼常数。利用这一公式，即可将不同来源的风速资料中在海平面以上高度z的风速均转换为海平面以上预设高度h的风速，后续依据海平面以上预设高度h的风速来确定目标区域的背景风场，背景风场也即目标区域中各位置在海平面以上预设高度h的风速。
本实施例还可在确定目标区域的背景风场后，进一步校核背景风场，具体采用目标区域固定观测点处的风速数据对背景风场的准确性进行校核，确保背景风场的有效性。固定观测点也位于预设高度处。
本实施例在确定背景风场后，进一步分析背景风场的时变特性，若背景风场为长风区、长风时、恒定风向（即风向变化不明显）的风场，则将其简化为恒定均一风场，即风向长时间变化不大的风场，通过风速、风向、作用区域、作用时间可以描述恒定均一风场作用的基本特性；否则，则背景风场为非恒定时变风场，即风向短时间发生较大变化的风场。本实施例对恒定均一风场和非恒定时变风场采用不同的修正方法进行修正，具体的，针对恒定均一风场，考虑波速和风速的相对速度对风能输入的影响，设置风速修正临界值、建立考虑波速的第一风速修正公式对实测风速进行修正；针对非恒定时变风场，通过建立针对不同风速范围的拖曳力系数修正公式对实测风速进行修正，或者直接通过风速修正系数对实测风速进行修正。
S2：若所述背景风场为恒定均一风场，则判断所述目标区域的实测风速是否大于风速修正临界值；若是，则利用第一风速修正公式对所述实测风速进行修正，得到第一修正后风速，并以所述第一修正后风速作为SWAN模型的输入风速；若否，则直接以所述实测风速作为SWAN模型的输入风速；
若背景风场为恒定均一风场，则在低风速条件下，风浪的波速较小，可忽略不计；在高风速条件下，风浪的波速较大，此时波速对波浪和风的相对速度不能忽略不计。根据SWAN模型计算的准确性要求，设定恒定均一风场的风速修正临界值，当实测风速小于或等于风速修正临界值时，则不修正实测风速；当实测风速大于风速修正临界值时，则修正实测风速，如下：
其中，v1为第一修正后风速；v为实测风速；
为风速修正临界值；f1为第一风速修正公式。
具体的，如果实测风速大于风速修正临界值，此时风浪的波速较大，需要从波速和风速的相对速度考虑，利用第一风速修正公式对实测风速进行折减，即对实测风速进行修正，得到第一修正后风速，并以第一修正后风速作为SWAN模型的输入风速。
第一风速修正公式为：
其中，
为风速折减率。
风速折减率
是与水深相关的函数，其可表示为水深的多项式形式，如下：
其中，Ai为第i个常数，i=0，1，2，3，4，5；
为风速测点（也即获取实测风速的测点）处的水深。上述风速折减率的计算公式根据沿海实测数据拟合得到。
如果实测风速小于或等于风速修正临界值，此时风浪的波速相对较小，不会对风速与波速的相对速度产生较大影响，对SWAN模型的计算结果影响较小，因此从操作性和准确性的平衡考虑，此时不需要修正实测风速，直接以实测风速作为SWAN模型的输入风速。
需要说明的是，本实施例中，实测风速为海平面以上预设高度的风速。在具体实施时，可设定风速修正临界值
，
。
S3：若所述背景风场为非恒定时变风场，则以所述目标区域的实测风速作为输入，利用拖曳力系数修正公式计算得到拖曳力系数，利用所述拖曳力系数对所述实测风速进行修正，得到摩阻风速，并以所述摩阻风速作为SWAN模型的输入风速；或者，若所述背景风场为非恒定时变风场，则对风速修正系数求解方程进行求解，得到风速修正系数，利用所述风速修正系数对所述目标区域的实测风速进行修正，得到第二修正后风速，并以所述第二修正后风速作为SWAN模型的输入风速。
当背景风场为非恒定时变风场时，本实施例提供两种方式对实测风速进行修正，一种是利用拖曳力系数对实测风速进行修正，另一种是利用风速修正系数对实测风速进行修正。
当利用拖曳力系数对实测风速进行修正时，考虑到传统的拖曳力系数计算公式是关于风速的线性函数，随着风速的增大而增大，这将导致当风速无限增大的情况下，拖曳力系数也随之无限增大，这种情况下计算的波高结果较实测结果要大，尤其在离岸深水的情况，因此需要引入拖曳力系数饱和值的概念对拖曳力系数计算公式进行修正，得到拖曳力系数修正公式。本实施例中，根据拖曳力系数饱和原理，通过实验室测得的表征风速和拖曳力系数相关性的试验数据结果，确定拖曳力系数修正公式的两个分段临界风速（即时变风场拖曳力系数修正临界风速）
、
，通过建立针对不同风速范围的拖曳力系数修正公式对拖曳力系数进行修正，在
和
的风速范围内，根据拖曳力系数和风速的线性关系，此时，
，
均为常数；当
时，拖曳力系数不再线性增大，保持为恒定常数（即拖曳力系数饱和值CD-max），此时，CD=CD-max。
基于上述内容，本实施例在引入拖曳力系数饱和值的前提下建立拖曳力系数修正公式，该拖曳力系数修正公式是三段函数形式，根据沿海实测数据以及实验室的物理模型实验研究数据分析得到，如下：
其中，CD为拖曳力系数；
均为预先设定的常数；v为实测风速；
为第一分段临界风速；
为第二分段临界风速；CD-max为拖曳力系数饱和值。
摩阻风速的计算公式为：
其中，v*为摩阻风速。
将目标区域的实测风速输入上述的拖曳力系数修正公式，即可计算得到拖曳力系数，再将拖曳力系数和实测风速输入摩阻风速的计算公式，即可将实测风速转换为摩阻风速，并以计算得到的摩阻风速作为SWAN模型的输入风速。
在具体实施时，可设定第一分段临界风速为5m/s，第二分段临界风速为33m/s，在v≤5m/s范围，可设定
v，在
范围，可设定
v，在
范围，可设定
。
当利用风速修正系数对实测风速进行修正时，需要先建立风速修正系数求解方程，该风速修正系数求解方程是关于风速修正系数的一元三次方程，再对风速修正系数求解方程进行求解，即可得到风速修正系数，并进一步基于风速修正系数得到第二修正后风速，进而可对波浪模型计算的整个背景风场进行修正。
风速修正系数求解方程包括计算方程和控制条件。计算方程的构建过程包括：根据摩阻风速的计算公式、SWAN模型默认的拖曳力系数计算公式CD=f0（v）和第二风速修正公式v2=Jv1，则可建立计算方程
，其中，v*为摩阻风速，f0为SWAN模型所用的拖曳力系数计算公式，v2为第二修正后风速，J为风速修正系数，v1为第一修正后风速。控制条件的构建过程包括：根据饱和拖曳力系数理论CD≤CD-max，结合摩阻风速的计算公式
，可建立控制条件
，CD-max为拖曳力系数饱和值。
对风速修正系数求解方程进行求解可以包括：利用迭代法或者matlab求解上述风速修正系数求解方程，得到风速修正系数J。迭代法的步骤可以包括：根据实测风速和第一风速修正公式计算得到第一修正后风速v1，设定风速修正系数J的初始值，初始值可为1，以根据第一修正后风速v1、风速修正系数J的初始值、计算方程计算得到摩阻风速v*，判断v*与v1的比值是否小于或等于
，若是，则结束迭代，以风速修正系数的初始值作为最终求解得到的风速修正系数J；若否，则按照预设的减小量减小风速修正系数J的初始值，得到减小后风速修正系数，并以减小后风速修正系数作为下一迭代中风速修正系数J的初始值，返回“根据第一修正后风速v1、风速修正系数J的初始值、计算方程计算得到摩阻风速v*”的步骤，直至v*与v1的比值小于或等于
，则结束迭代。其中，减小量可以人为设定。
在得到风速修正系数后，将实测风速输入第一风速修正公式，得到第一修正后风速，再将计算得到的风速修正系数和第一修正后风速输入第二风速修正公式，即可得到第二修正后风速，并以该第二修正后风速作为SWAN模型的输入风速。
本发明方法是针对在大风工况下SWAN模型模拟海浪结果不准确这一问题而提出。对于大风工况下的海浪模拟不准确的原因，从动力学机制来看主要是由于海浪迎风面背风面受力差异、风浪产生的白帽损失以及波浪运动时自身破碎导致，从动力学机制出发可通过计算流体力学方法CFD进行数值求解解决，但会产生很冗杂的计算过程和计算时间，更重要的是CFD的计算结果无法直接用于SWAN这种时均模型中。从运动学机理出发，则是由于在风生浪后，大风条件下波速增大至不可忽略的情况。本专利从运动学机理出发，由风速、波速相对速度入手对风速进行修正以达到提高模拟准确性的目的。传统波速计算的方法是根据波浪弥散关系迭代求解，此方法也会造成计算量的不可预估，并且求出的波速忽略了波浪破碎、白帽损失这些因素的影响，本发明根据现场实测数据分析、物理模型试验研究相结合的手段，建立波速的级数多项式，实质是广义上的波速，涵盖了波浪破碎、白帽损失等复杂因素的影响，并由此建立了第一风速修正公式，本发明提出的利用拖曳力系数进行修正和利用风速修正系数进行修正的修正方法，也是在长期现场测量和试验研究中拟合得出的，在解决该问题上具有新创性。
相对于现有技术，本实施例的风速修正方法的优点如下：
（1）本方法数学和物理背景明确；
（2）通过对恒定均一风场引入参照波速的风速折减，考虑了随风速增大波速随之增大的物理现象，更准确的反映出波速和风速的相对速度对拖曳力计算的影响，提高SWAN模型的准确性；
（3）通过修正拖曳力系数，可以考虑在大风速下的拖曳力系数饱和问题，校准SWAN模型中计算波浪偏大的误差；
（4）通过直接建立风速修正系数J对风速进行修正，提高了对极端波浪推算的准确性。
为提高大风速工况下波浪计算的准确性，本实施例提出一种极端波浪推算的风速参数化修正方法，针对长风区、长风时、恒定风向风场（即恒定均一风场）的情况，考虑波速和风速的相对速度对风能输入的影响，建立风速修正临界值，低风速下不需要修正，高风速下波浪波速较大，会引起风速和波速的相对速度减小，需要考虑波速的影响，通过波速和风速的相对速度引入水深相关的风速折减率，对风速进行折减修正，修正恒定均一风场；针对非恒定时变风场的情况，通过修正拖曳力系数和直接修正风速两种方法对风能输入项（即风速）进行修正，拖曳力系数的修正以拖曳力系数饱和原理为基础，参考拖曳力系数室内试验建立拖曳力系数随风速变化的分布函数，根据实测风速求得对应风速区间下的拖曳力系数，再根据拖曳力系数和实测风速求得摩阻风速，进而对风能输入项进行修正，直接修正风速是通过直接建立风速修正系数对风能输入项进行修正，根据第二风速修正公式来建立风速修正系数求解方程，采用迭代法求解出风速修正系数，再通过将整个背景风场乘以风速修正系数对整个背景风场风速进行直接修正，进而可对波浪模型计算的整个背景风场进行修正。利用本实施例的风速修正方法对实测风速进行修正，无论实测风速是大或是小，均能够确保SWAN模型进行海浪模拟的准确性。
实施例2：
与实施例1不同的是，本实施例以预设高度为海平面以上10m高度为例，对实施例1的风速修正方法进行进一步的介绍：
（1）收集目标区域的风速资料，根据风速资料确定目标区域的背景风场。
通常采用海平面以上10m高度处的风速确定目标区域的背景风场，如果不同来源的风速资料中的风速是在海平面的其他高度处测量的，可以根据气象学中贴地层风速中的对数风速廓线公式对风速进行推导，将不同来源的风速资料中的风速统一转换为海平面以上10m高度处的风速。
对数风速廓线公式如下：
其中，v（z）为海平面以上高度z的风速；v10为海平面以上10m高度的风速；CD为拖曳力系数；
为卡曼常数。利用这一公式，即可将不同来源的风速资料中在海平面以上高度z处的风速均转换为海平面以上10m高度的风速，后续依据海平面以上10m高度的风速来确定目标区域的背景风场。
（2）背景风场为恒定均一风场的修正方法：
判断目标区域的实测风速是否大于风速修正临界值；若是，则利用第一风速修正公式对实测风速进行修正，得到第一修正后风速，并以第一修正后风速作为SWAN模型的输入风速；若否，则直接以实测风速作为SWAN模型的输入风速。
具体的，
其中，v10-1为海平面以上10m高度的第一修正后风速；v10为海平面以上10m高度的实测风速；
为风速修正临界值；f1为第一风速修正公式。
第一风速修正公式为：
其中，
为风速折减率。
（3）背景风场为非恒定时变风场的修正方法：
（3.1）利用拖曳力系数进行修正：
以目标区域的实测风速作为输入，利用拖曳力系数修正公式计算得到拖曳力系数，利用拖曳力系数对实测风速进行修正，得到摩阻风速，并以摩阻风速作为SWAN模型的输入风速。
本实施例的拖曳力系数修正公式如下：
其中，CD为拖曳力系数；
均为预先设定的常数；
为第一分段临界风速；
为第二分段临界风速；CD-max为拖曳力系数饱和值。
摩阻风速的计算公式为：
其中，v*为摩阻风速。
（3.2）利用风速修正系数进行修正：
对风速修正系数求解方程进行求解，得到风速修正系数，利用风速修正系数对目标区域的实测风速进行修正，得到第二修正后风速，并以第二修正后风速作为SWAN模型的输入风速。
本实施例中，风速修正系数求解方程的构建过程包括：根据摩阻风速的计算公式、SWAN模型默认的拖曳力系数计算公式
和第二风速修正公式
，建立计算方程
，其中，v*为摩阻风速，f0为SWAN模型所用的拖曳力系数计算公式，v10-2为第二修正后风速，J为风速修正系数，v10-1为第一修正后风速。根据饱和拖曳力系数理论CD≤CD-max，结合
，可建立控制条件
。
对风速修正系数求解方程进行求解可以包括：利用迭代法或者matlab求解上述风速修正系数求解方程，得到风速修正系数J。后续将实测风速输入第一风速修正公式，得到第一修正后风速，再将计算得到的风速修正系数和第一修正后风速输入第二风速修正公式，即可得到第二修正后风速，并以该第二修正后风速作为SWAN模型的输入风速。
实施例3：
本实施例用于提供一种SWAN模型的风速修正系统，如图3所示，所述风速修正系统包括：
背景风场获取模块M1，用于获取目标区域的背景风场；
第一修正模块M2，用于若所述背景风场为恒定均一风场，则判断所述目标区域的实测风速是否大于风速修正临界值；若是，则利用第一风速修正公式对所述实测风速进行修正，得到第一修正后风速，并以所述第一修正后风速作为SWAN模型的输入风速；若否，则直接以所述实测风速作为SWAN模型的输入风速；
第二修正模块M3，用于若所述背景风场为非恒定时变风场，则以所述目标区域的实测风速作为输入，利用拖曳力系数修正公式计算得到拖曳力系数，利用所述拖曳力系数对所述实测风速进行修正，得到摩阻风速，并以所述摩阻风速作为SWAN模型的输入风速；或者，若所述背景风场为非恒定时变风场，则对风速修正系数求解方程进行求解，得到风速修正系数，利用所述风速修正系数对所述目标区域的实测风速进行修正，得到第二修正后风速，并以所述第二修正后风速作为SWAN模型的输入风速。
本说明书中每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种SWAN模型的风速修正方法，其特征在于，所述风速修正方法包括：
获取目标区域的背景风场；
若所述背景风场为恒定均一风场，则判断所述目标区域的实测风速是否大于风速修正临界值；若是，则利用第一风速修正公式对所述实测风速进行修正，得到第一修正后风速，并以所述第一修正后风速作为SWAN模型的输入风速；若否，则直接以所述实测风速作为SWAN模型的输入风速；
若所述背景风场为非恒定时变风场，则以所述目标区域的实测风速作为输入，利用拖曳力系数修正公式计算得到拖曳力系数，利用所述拖曳力系数对所述实测风速进行修正，得到摩阻风速，并以所述摩阻风速作为SWAN模型的输入风速；或者，若所述背景风场为非恒定时变风场，则对风速修正系数求解方程进行求解，得到风速修正系数，利用所述风速修正系数对所述目标区域的实测风速进行修正，得到第二修正后风速，并以所述第二修正后风速作为SWAN模型的输入风速；
所述第一风速修正公式为：
其中，v为实测风速；v 1为第一修正后风速；
为风速修正临界值；
为风速折减率；
所述拖曳力系数修正公式为：
其中，C D 为拖曳力系数；
均为预先设定的常数；v为实测风速；
为第一分段临界风速；
为第二分段临界风速；C D-max为拖曳力系数饱和值；
所述摩阻风速的计算公式为：
其中，v * 为摩阻风速；C D 为拖曳力系数；v为实测风速；
所述风速修正系数求解方程包括计算方程和控制条件；
所述计算方程为：
其中，v * 为摩阻风速；f 0为SWAN模型所用的拖曳力系数计算公式；v 2为第二修正后风速；J为风速修正系数；v 1为第一修正后风速；
所述控制条件为：
其中，C D-max为拖曳力系数饱和值。
2.根据权利要求1所述的风速修正方法，其特征在于，所述获取目标区域的背景风场具体包括：收集目标区域的风速资料，根据所述风速资料确定所述目标区域的背景风场。
3.根据权利要求1所述的风速修正方法，其特征在于，所述风速折减率的计算公式为：
其中，A i 为第i个常数，i=0，1，2，3，4，5；
为风速测点处的水深。
4.根据权利要求1所述的风速修正方法，其特征在于，所述利用所述风速修正系数对所述目标区域的实测风速进行修正，得到第二修正后风速具体包括：
利用第一风速修正公式对所述目标区域的实测风速进行修正，得到第一修正后风速；
以所述风速修正系数和所述第一修正后风速为输入，利用第二风速修正公式计算得到第二修正后风速。
5.根据权利要求4所述的风速修正方法，其特征在于，所述第二风速修正公式为：
v 2=Jv 1；
其中，v 2为第二修正后风速；J为风速修正系数；v 1为第一修正后风速。
6.一种SWAN模型的风速修正系统，其特征在于，所述风速修正系统包括：
背景风场获取模块，用于获取目标区域的背景风场；
第一修正模块，用于若所述背景风场为恒定均一风场，则判断所述目标区域的实测风速是否大于风速修正临界值；若是，则利用第一风速修正公式对所述实测风速进行修正，得到第一修正后风速，并以所述第一修正后风速作为SWAN模型的输入风速；若否，则直接以所述实测风速作为SWAN模型的输入风速；
第二修正模块，用于若所述背景风场为非恒定时变风场，则以所述目标区域的实测风速作为输入，利用拖曳力系数修正公式计算得到拖曳力系数，利用所述拖曳力系数对所述实测风速进行修正，得到摩阻风速，并以所述摩阻风速作为SWAN模型的输入风速；或者，若所述背景风场为非恒定时变风场，则对风速修正系数求解方程进行求解，得到风速修正系数，利用所述风速修正系数对所述目标区域的实测风速进行修正，得到第二修正后风速，并以所述第二修正后风速作为SWAN模型的输入风速；
所述第一风速修正公式为：
其中，v为实测风速；v 1为第一修正后风速；
为风速修正临界值；
为风速折减率；
所述拖曳力系数修正公式为：
其中，C D 为拖曳力系数；
均为预先设定的常数；v为实测风速；
为第一分段临界风速；
为第二分段临界风速；C D-max为拖曳力系数饱和值；
所述摩阻风速的计算公式为：
其中，v * 为摩阻风速；C D 为拖曳力系数；v为实测风速；
所述风速修正系数求解方程包括计算方程和控制条件；
所述计算方程为：
其中，v * 为摩阻风速；f 0为SWAN模型所用的拖曳力系数计算公式；v 2为第二修正后风速；J为风速修正系数；v 1为第一修正后风速；
所述控制条件为：
其中，C D-max为拖曳力系数饱和值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310213030.XA CN115952751B (zh) | 2023-03-08 | 2023-03-08 | 一种swan模型的风速修正方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310213030.XA CN115952751B (zh) | 2023-03-08 | 2023-03-08 | 一种swan模型的风速修正方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115952751A CN115952751A (zh) | 2023-04-11 |
| CN115952751B true CN115952751B (zh) | 2023-05-23 |
Family
ID=85892943
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310213030.XA Active CN115952751B (zh) | 2023-03-08 | 2023-03-08 | 一种swan模型的风速修正方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115952751B (zh) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102479347B (zh) * | 2010-11-24 | 2015-04-01 | 香港理工大学 | 基于数据驱动的风电场短期风速预测方法和系统 |
| CN102305875B (zh) * | 2011-05-20 | 2012-08-15 | 哈尔滨工业大学 | 风力发电机组有效风速的测量方法及实现该方法的测量装置 |
| CN102269124B (zh) * | 2011-06-30 | 2013-04-03 | 内蒙古电力勘测设计院 | 超短期风电场发电功率预测系统 |
-
2023
- 2023-03-08 CN CN202310213030.XA patent/CN115952751B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115952751A (zh) | 2023-04-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | A comparative study of field measurements of the turbulence characteristics of typhoon and hurricane winds | |
| CN101476988B (zh) | 风谱模型的精细模拟方法 | |
| Brasseur | Development and application of a physical approach to estimating wind gusts | |
| CN104050514B (zh) | 一种基于再分析数据的海浪有效波高的长期趋势预测方法 | |
| CN112711899B (zh) | 一种蒸发波导高度的融合预测方法 | |
| CN112632792B (zh) | 一种基于实测数据和数值模拟的近岸波浪再分析模拟系统 | |
| Bergström et al. | Wind power in forests: wind and effects on loads | |
| Bardal et al. | Wind gust factors in a coastal wind climate | |
| CN112818512B (zh) | 一种基于风暴模式的最大单波波高Hmax计算方法 | |
| Barthelmie et al. | The role of atmospheric stability/turbulence on wakes at the Egmond aan Zee offshore wind farm | |
| Lin et al. | Vertically correlated echelon model for the interpolation of missing wind speed data | |
| WO2022032873A1 (zh) | 一种基于对抗神经网络的无资料地区水文参数率定方法 | |
| Pirooz et al. | New Zealand design wind speeds, directional and lee-zone multipliers proposed for AS/NZS 1170.2: 2021 | |
| Wang et al. | The methods and program implementation for river longitudinal profile analysis—RiverProAnalysis, a set of open-source functions based on the Matlab platform | |
| CN115952751B (zh) | 一种swan模型的风速修正方法及系统 | |
| Liu et al. | Field measurement study of intense thunderstorm outflows characteristics based on 356 m high meteorological tower | |
| Maran | Meteorological tower wind shear characteristics, vertical wind speed profile, and surface roughness analysis near the coastline of Chennai. | |
| Hald et al. | Large-eddy simulations of real-world episodes in complex terrain based on ERA-reanalysis and validated by ground-based remote sensing data | |
| CN110555236B (zh) | 一种大尺寸固定式海工平台波浪垂向力计算方法 | |
| Luo et al. | Study on wind-induced fatigue of heliostat based on artificial neural network | |
| Ghanadi et al. | Investigation of the atmospheric boundary layer characteristics on gust factor for the calculation of wind load | |
| CN117150944A (zh) | 一种跨海桥梁高精度波浪后报与预报模拟方法 | |
| Derickson et al. | Development of a powerful hybrid tool for evaluating wind power in complex terrain: atmospheric numerical models and wind tunnels | |
| Fischer et al. | Seasonal cycle in German daily precipitation extremes | |
| Wang et al. | Testing and improving the performance of the Common Land Model: A case study for the Gobi landscape |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |