[发明专利]一种基于波群识别的畸形波短期预报方法

摘要

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。

主权项

1.一种基于波群识别的畸形波短期预报方法，其特征在于，步骤如下：A、海洋实时波浪序列的波群识别基于波面的小波变换结果，建立一种新型的波群识别方法，该方法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)，有效地提取波群：其中：s₀是分辨的最小尺度，N是总采样点数，Δt是采样间隔，δ是尺度参数，对于MORLET母小波，δ的最大值为0.5；步骤3：根据公式(4)得到的“尺度不均匀小波能量”的极小值，识别波群；两个极小值之间，即为一个波群；步骤4：定义“尺度不均匀小波能量”中波峰与相邻波谷值之差小于该序列中所有波峰与相邻波谷值之差的平均值的1/3的波动，不看作一个单独的波群，见公式(5)：B、畸形波预报参数的建立步骤5：波群的无量纲“尺度不均匀小波能量”的最大值与畸形波生成密切相关，其中无量纲“尺度不均匀小波能量”的最大值越大，该波群演化过程出现的最大波高越大，演化成畸形波的概率越大；当该无量纲“尺度不均匀小波能量”的最大值超过阈值220时，即判断发生了畸形波；步骤6：当该波群的无量纲“尺度不均匀小波能量”的最大值超过阈值220时，提取出该波群，对该波群进行傅里叶变换，提取出各组成波的频率、相位和振幅，并根据线性色散关系(6)，得到各组成波的波数：ω_i²＝gk_ith(k_ih) (6)其中：ω_i表示第i个组成波的角频率，k_i表示第i个组成波的波数，h为水深，g为重力加速度，取9.8m/s²；步骤7：计算该随机波群的传播速度，见公式(7)：其中：a_i表示第i个组成波的振幅，Δf为相邻组成波的频率差，c_gi为第i个组成波的线性群速度，通过公式(8)计算得到：步骤8：通过波浪的线性叠加，见公式(9)，推算该波群在任一空间位置的波面演化，得到该波群可能产生的最大波高、出现的位置、时刻及持续时间；其中：R表示波群组成波频率的个数。