[发明专利]一种天文潮和风暴潮分离方法

说明书

技术领域

本发明属于自动化领域，涉及一种天文潮和风暴潮分离方法，它是用于在风暴潮期间，将总水位中的天文潮水位和风暴潮水位分离开。

背景技术

风暴潮灾害居各类海洋灾害之首，世界上绝大多数因强天气系统引起的特大海岸灾害都是由风暴潮造成的。在我国，风暴潮灾害几乎遍及我国沿海，从南到北均有发生，在纬度比较低的东南沿海地区，风暴潮灾夏秋季节，多由在西北太平洋上生成的台风或热带气旋引起。天文潮是验潮曲线中的主要成分，在验潮曲线中消除天文潮，亦即把天文潮和风暴潮分离开是首要的任务。但是，从动力学的观点看来，在天文引潮力和气象强迫力的共同作用下的海水运动是一种非线性的现象；这种非线性的相互耦合是由验潮曲线中把二者分离开的基本困难。通常采用的分离方法是由验潮曲线减去潮汐预报曲线，所获“差值”即作为“风暴潮曲线”。无疑，这种基于线性叠加原则的分离方法，只有当上述的非线性耦合不严重时，方为良好的近似。在某些情况下，上述差值曲线含有明显的潮周期。如果排除了天文潮预报的误差和潮汐观测技术的不足，则差值曲线明显含有天文潮周期的这一现象，就可归结为风暴潮和天文潮之间的非线性耦合。风暴潮现场资料与严密的理论及成功的实验数据相反，十分稀少而分散，观测表明，中国大多数港口水浅、潮差大、天文潮和风暴潮非线性相互作用明显。这种非线性效应，在大潮差的浅海中表现得特别严重；此时必须采用另外的分离方法。

风暴潮期间水位的变化，不但受天体引潮力的作用，而且还受地形、风力、风向、气压、太阳辐射度等水文气象因素的综合影响，在这些周期性和非周期性变化的物理因子作用下，尤其是在浅水区，天文潮和风暴潮的非线性效应较强，使水位变化过程变得颇为复杂。大部分信号都是时间的函数，可以将风暴潮期间总水位时间序列作为信号处理，研究风暴潮的特性及变化规律即可转化为信号的时频特征分析。时频分析能在时间和频率上同时表示信号的能量和强度，即时频分析可以细致地刻画风暴潮中各类波(各天文分潮波、风暴增水波等)的时频结构和性质，也可以提取风暴潮中某一频率成份。

小波变换是时频分析的一种，具有多分辨率的特点，在时、频两域都具有表征信号局部特征的能力，是一种窗口面积恒定，窗口形状可变，时间窗和频率窗都可以改变的时频局域化分析方法，被誉为分析信号的“数学显微镜”。小波包变换是小波变换的推广，它同时对信号的低频成分和高频成分进行细分，并按频带进行多层次的二进制划分，自适应地选择相应频带，使之与信号频谱相匹配，从而提高时频分辨率。本发明采用了小波包变换方法，对潮位信号在某一分解尺度参数下进行分解，利用天文分潮特定频率值确定小波包最佳正交基，识别和确定不同频段中所包含的天文分潮，提取小波包分解系数进行重构，并从潮位信号中滤除，最终达到天文潮和风暴潮分离的目的。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于小波包分解的天文潮和风暴潮分离方法，利用有限的历史潮位观测数据和已知的170个天文分潮频率，实现对天文潮和风暴潮的分离。

具体的步骤为：

步骤(1)：正交小波母函数的选取；

潮位信号的小波变换实质上是不同尺度的小波函数与该信号的互相关，根据潮汐理论，潮水位记录中的天文潮是不同频率正弦波的叠加，一般来说，小波母函数与待分析的潮位信号越接近，信号在时间-频率域能量分布越集中，因此，在对潮位信号进行小波分析时，可以考虑选择和天文分潮形状相近的小波函数作为母小波。

步骤(2)：确定小波包分解层数；

设潮位信号(其频率范围设为[f₀，f₁])将进行N层小波包分解，则小波树第N层上各叶子节点对应的频率范围如下

叶子节点[N，0]是最低频率区间，假设其分离出了频率最低的天文分潮，则叶子节点[N，0]频率区间上限要小于次最低天文分潮的频率，由此可以确定最优的小波包分解层数。

步骤(3)：确定最优小波包基及最优小波树；

最优小波包基选择的原则是：根据先验的天文分潮频率知识和小波树的每个叶子节点对应的起始频率，计算出每个天文分潮的频率成分位于第几层的第几个频段，然后通过剪枝或合并的方法对小波树的叶子节点进行处理，得到潮位信号的最优小波包基，从而构造出最优小波树。

步骤(4)：对潮位信号进行小波包分解；