[发明专利]海洋-电离层耗散动力学仿真方法、仿真系统、设备

说明书

本发明属于海洋动力学技术领域，公开了海洋‑电离层耗散动力学仿真方法、仿真系统、设备。构建高频地波雷达海洋‑电离层耗散系统；根据高频地波雷达海洋‑电离层耗散系统中熵的变化特征，分析海洋子系统与电离层子系统的动力学关系，将高频地波雷达海洋‑电离层耗散系统的框架和长短期记忆网络模型的原型中部分参数迁移至真实环境下的海洋‑电离层数据模型；利用录入的海洋‑电离层数据对迁移后的真实环境下的海洋‑电离层数据模型参数进行相应调整，获取海上自然灾害早期预报信息。本发明提高了小样本下的建模准确性，从而有效揭示突变海态与电离层之间动力学关系，为海上自然灾害的早期预报提供技术支撑。

技术领域

本发明属于海洋动力学技术领域，尤其涉及一种用于海上自然灾害早期预报的海洋-电离层耗散动力学仿真方法、仿真系统、计算机设备。

背景技术

目前，海洋与电离层是人类在探索海洋、经略海洋以及发展海洋经济过程中至关重要的两大组成部分，与人类生活息息相关，长久以来经过众多学者的不懈努力，取得了大量令人瞩目的研究成果。高频地波雷达(HFSWR)凭借其全天时、全天候和超视距探测等方面的能力在获取海洋信息方面得到了十分广泛的应用。

然而在经济全球化的今天，随着人类在海洋中的活动越来越频繁，传统的一维海洋信息获取手段已经远远无法满足人们对探测距离和探测精度的需求。电离层、大气及海洋是强迫耗散的非线性开放系统，在摩擦耗散力驱动下进行非线性旋转流体运动，是与外界频繁进行物质与能量交换的“耗散结构”。电离层、大气及海洋运动的本质特征由旋转力场、外源强迫以及重力场等基本作用构成。通过对海洋-电离层间动力学关系和耗散系统的研究，可以建立突发海态早期预警监测的新理论和方法。

近年，高频地波雷达电离层探测研究领域取得的突破性进展为海洋信息获取手段的进一步扩展提供了新的思路和方向。利用已取得的高频地波雷达研究成果，在此基础之上进行扩展研究，分析海洋和电离层间的联动机制和动力学关系。

再者，高频地波雷达海洋-电离层耗散系统动力学要素关系的研究离不开系统动力学模型。在数学领域，海洋-电离层耗散系统动力学模型需要采用多元非线性微分方程组进行表征。针对方程组的确切表达式和解析解，目前尚未给出明确的定义和结论。

有关研究突发海态激发的电离层扰动下电离层多普勒频移、临界频率、高度以及电子浓度的变化规律中电离层扰动总是表现为复杂的时空变化过程，其中突变是极为重要的特征信息，海洋-电离层耗散系统中存在着各种尺度的动力学过程，为此还考虑海洋与电离层突变信息的小波变换提取方法。此外建立基于深度神经网络的海洋-电离层耗散系统动力学模型是研究其动力学关系的主要手段之一。但利用深度神经网络建立的耗散系统动力学模型却十分复杂，其复杂性主要表现在以下三个方面：一是隐层数和隐层节点数选取的复杂性。隐层和其节点数的选择不但与动力学关系的非线性度有关，而且还和系统状态变量数有关。海洋-电离层耗散系统动力学内部机理是非常复杂的，人类目前还无法给出该系统的准确描述；二是系统初值选取的时变性，不同海况情况将带来电离层扰动响应的随机变化，并不像传统的模型具有固定或可预知的系统初值；三是小样本条件下的精准建模。前两方面问题尚可通过大量有效数据训练的方法解决，然而突发海态(如台风，海啸等)每年发生的次数十分有限，且不同的台风和海啸等级也将产生不同的电离层扰动，这使得相同类型训练数据更是屈指可数。因此，如何在小样本条件下建立耗散系统动力学模型是需要解决的关键科学问题。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术在分析海洋和电离层之间耦合关系中，没有给出不同海况与电离层扰动之间的动力学关系，不能为短波通信和高频雷达频率选择提供数据支撑，使得突发海态-电离层二维特征信息的早期预警监测信息准确性低。

(2)现有技术海洋和电离层分析中，运算过程复杂，比较耗时，而且增加了成本。