[发明专利]一种识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法

说明书

本发明公开了一种识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法，涉及海洋工程技术领域，该方法包括：采用双高斯函数对样本数据的波浪谱密度进行拟合；计算拟合谱密度的一阶导数分布；依次遍历相邻波浪频率对应的拟合谱密度一阶导数的乘积，若乘积为负，则依次输出波浪双峰谱的低频谱峰频率、分离频率和高频谱峰频率，适用于识别岛礁或近岸特定海域的混合浪成分，通过该方法识别出的涌浪和风浪可直接用于波浪双峰谱型的重构，能够精确描述深远海、近岸或岛礁海域波浪双峰谱模型。

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，尤其是一种识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法。

背景技术

混合浪是指海面上同时存在着风浪和涌浪的情形，或者当风向骤然改变后的波浪。混合浪的频谱多为双峰形式，关于波浪双峰谱的表示形式，迄今为止的研究工作均将双峰谱分解为低频谱和高频谱之和，低频谱代表涌浪成分，高频谱代表风浪成分。目前已有的波浪双峰谱模型如Ochi-Hubble谱、Soares谱和Torsethaugen谱都是以单峰谱型叠加而成，在构造时需要给定风浪部分或涌浪部分对应的有义波高、谱峰频率和形状参数，且只适合于深远海开阔海域，对近岸或岛礁海域，波浪传播受地形影响而发生显著变形，传统的双峰谱型将不再适用。因此混合浪成分的分离直接影响着特定海域波浪双峰谱描述的准确度。传统的风浪和涌浪分离方法有2D法、PM法、WH法和JP法。其中2D法和PM法需要考虑风速来分离；WH法和JP法直接应用波浪频谱信息，通过波陡函数或谱峰比值分离风浪和涌浪。但这四种方法只适合于深远海区域，对近岸或岛礁海域的适用性值得商榷。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法，通过波浪频谱信息提取波浪谱特征频率，建立风浪和涌浪分离判别式来分离二者成分，可直接用于波浪双峰谱型的重构，适合于深远海、近岸或岛礁海域波浪双峰谱的精确描述。

本发明的技术方案如下：

一种识别混合浪中风浪和涌浪成分的方法，包括如下步骤：

采集特定海域的一组海况数据作为样本数据，提取各个海况数据对应的波浪峰谱的波浪谱密度和波浪频率；

采用双高斯函数对波浪谱密度进行拟合，得到拟合谱密度；

计算拟合谱密度的一阶导数分布；

依次遍历相邻波浪频率对应的拟合谱密度一阶导数的乘积，若乘积为负，则输出对应的频率作为分离频率；

建立分离周期和有义波高的关系式，将样本数据的分离频率和有义波高代入关系式中计算得到分离系数，统计所有分离系数的平均值作为特定海域识别混合浪成分的经验判据；

采集特定海域的实测海况数据，根据关系式计算实测海况数据的经验分离周期，同时提取实测海况数据对应的实测波浪周期，若实测波浪周期大于经验分离周期，则判定实测波浪周期对应的特征频率代表涌浪成分，若实测波浪周期小于经验分离周期，则判定实测波浪周期对应的特征频率代表风浪成分。

其进一步的技术方案为，拟合谱密度的表达式如下：

其中，f表示波浪频率，S(f)表示拟合谱密度，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂和c₂均为拟合参数，通过最小二乘法得到。

其进一步的技术方案为，计算拟合谱密度的一阶导数分布，包括：

令拟合谱密度的一阶导数为零，即：

S`(f)＝0 (2)

式(2)采用数值计算，令f_i(i＝1,…,N)，N为频率离散点的数目，则一阶导数的差分格式表示如下：