[发明专利]一种基于波群识别的畸形波短期预报方法

说明书

本发明属于海洋水动力学技术领域，提供一种基于波群识别的二维畸形波短期预报方法。本发明针对接收到的实时海浪信息进行小波变换处理，基于小波变换提出一种新的波群识别方法，建立了新的波群判断参数，该方法能够准确地分离出随机波浪中的波群；基于大量数值模型试验，确定了能够演化出畸形波的波群特征参数，应用该参数可以对可能畸形波的出现发出预警，并预报出畸形波的到达时刻和波高。本发明方法简单、可操作性强、对极端海况预测的准确程度高。运用本方法可以实时对海域的波面进行分析，对能够发生畸形波的波群进行检测并预警，及时预报畸形波的出现位置和到达时间，从而可以减小极端海况对生命安全、海上结构物安全造成的危害。

技术领域

本发明属于海洋水动力学技术领域，特别涉及到一种为预报突发灾害性海浪的方法。

背景技术

畸形波是指海面上波高超过2倍有效波高的大波，其能量高度集中，发生前没有明显征兆，能对生命安全、海上结构物等造成严重的威胁。它不仅发生在深水中，在近岸浅水区域也时常发生。据统计，每年全球都有大量的由于畸形波导致的灾难事故发生。因此，如何准确、快速的预测畸形波是亟待解决的问题。

实际海洋环境中，波浪常常以波群的形式出现，以往研究表明，畸形波往往在单一波群中演化而成。在传统的波群识别方法中，波群往往通过波列中波高超过某个阈值的连续波高来确定，受人为因素影响较大，识别出来的只是部分大波，而不是完整的波群，而小波变换能够获得能量在时-频上的分布，从能量角度可以清晰的识别出随机波浪中的波群。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，定义了“尺度不均匀小波能量”，该值基于小波变换得到，根据它的局部极小值来识别波群。精确提取波群后，本发明又定义了一个新的表征波群参数的物理量：无量纲“最大尺度不均匀小波能量”，当该值超过阈值220时，即可预计该波群会演化出畸形波。根据傅里叶变换提取出该波群各组成波的振幅和相位，通过线性波浪理论，即可推算出该波群可能产生的最大波高、发生时刻及持续时间。根据超过1000个波群的验证，该方法预报畸形波的准确率可以达到80％以上，因此，本发明可以有效的实现畸形波的短期预报。

本发明的技术方案：

一种基于波群识别的畸形波短期预报方法，步骤如下：

A、海洋实时波浪序列的波群识别

波浪由许多连续的波群组成，而畸形波常在某个单一的波群中演化而成。因此，准确、快速的识别、分离波群是预报畸形波的前提与基础。小波变换能够快速得到波浪时-频信息，在能量的角度对波群进行很好的判别，但小波能量图的生成速度较慢，且数据读取不够方便。因此，本发明基于波面的小波变换结果，建立了一种新型的波群识别方法，该方法能够以二维坐标图的形式，直观快速地进行波群识别，步骤如下：

步骤1：对实时接收到的波浪时间序列x_n用小波变换处理，见公式(1)：

其中：*号表示复共轭，s是尺度参数，x(t)为实测波面序列，τ为与小波对应的局部时间参数，ψ是由母小波ψ₀量纲一化所得结果，t为时间；

在波浪分析中，选用Morlet小波，如公式(2)所示：

其中：ω₀是母小波的谱峰频率，取6.0；

步骤2：求出不同尺度s下小波能量的平均值，见公式(3)；接着得到每一时刻所有尺度能量最大值与平均值的差，定义为“尺度不均匀小波能量”，见公式(4)；图1为一随机波序列和对应的小波能量图，可以看出，在波群两端，能量分布较为均匀，即各个尺度的能量最大值与平均值非常接近，因此，“尺度不均匀小波能量”取得极小值。而在波群内，“尺度不均匀小波能量”较大。因此可以根据公式(4)，有效地提取波群；