一种复杂地形浅水海域的极值波浪推算方法与流程

本发明涉及极值波浪推算方法，尤其是一种复杂地形浅水海域的极值波浪推算方法。

背景技术：

1、波浪是海洋工程结构物最重要的环境载荷，由于其变化大、随机性强，一般采用随机过程来描述。其中最经典的数学工具就是波浪谱和波高与波周期联合分布。前者描述了波浪的短期能量特征，后者描述了波浪的长期统计行为。

2、波浪从深远海区域传播到近岸浅水海域时，往往因近岸复杂的地形影响，引起波浪破碎和底质摩擦现象，波浪衰减特征明显，因此该区域的波高和波周期联合分布特性与深远海有很大区别。不同形态的海床底质，如泥沙、淤泥、砂石或珊瑚礁等，导致波浪衰减特征也存在较大的差异性，进而影响复杂地形浅水海域波浪的极值特征。

3、在极值波浪分析中，现有技术中常用的方法有极值(gev)分布模型、韦布尔(weibull)分布模型、皮尔逊(perison)iii型分布模型和对数正态分布模型。这几种方法都是通过对波高概率分布进行拟合，再推算不同重现期的波高极值。然而波周期极值的选择没有较为确切的模型来进行描述，特别是波高极值和波周期极值的评估相对独立。

4、因此，如何建立波高和波周期联合关系的模型以及利用该模型进行波高极值和波周期极值联合分布的有效推算方法，以定量评估复杂地形浅水海域的波浪极值条件(即波高极值和波周期极值的联合分布)，是近岸工程和海洋工程领域中急需解决的问题。

技术实现思路

1、本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种复杂地形浅水海域的极值波浪推算方法，从而以波浪实地测量结果或波浪数值后报结果为输入，获取不同重现期的波高和周期联合分布，适合于近岸工程和海洋工程领域中涉及极值波浪要素的定量评估。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种复杂地形浅水海域的极值波浪推算方法，包括如下操作步骤：

4、s1：以复杂地形浅水海域选定点为对象，通过实地测量或数值后报获得到长周期时间序列的波高和波周期变化值，统计处理得到波高和波周期联合分布的结果；

5、s2：采用韦布尔模型进行波高分布的拟合，通过最小二乘法求解拟合经验参数，获得波高的概率分布表达式；

6、s3：采用对数正态分布模型，通过最小二乘法求解拟合经验参数，获得给定波高下的波周期的条件概率分布表达式；

7、s4：基于s2和s3，将波高的概率分布表达式与波周期的条件概率分布表达式相乘，获得波高和波周期联合分布的概率密度表达式；

8、s5：给定波陡系数，确定波陡限界线；

9、s6：基于s4采用环境轮廓线法获得不同重现期的极值波高和波周期联合分布轮廓线；基于s5的波陡限界线，识别轮廓线中大波陡系数对应的波高和波周期组合值，判定这些组合值为不合理，最终获得合理的波高周期联合分布轮廓线。

10、其进一步技术方案在于：

11、s2中，波高概率表达式为：

12、

13、其中，h表示波高，α、β和γ为分布参数。

14、s3中，波周期条件概率密度表达式为：

15、

16、其中的参数μ和σ，需要通过实测数据资料得到，其拟合式如下：

17、

18、其中a0,a1,a2,b0,b1和b2是拟合参数，采用非线性最小二乘法曲线拟合得到。

19、s4中，联合概率分布可以表示为：

20、

21、其中，参数μ和σ是波高h的函数。

22、s5中，波陡系数定义为：

23、α＝(h/l)b·tanhkd     (6)

24、其中的(h/l)b表示为破碎波高和波长比值，k为波数，d为水深。

25、s6中，在联合概率分布表达式确定后，将波高概率分布和波周期条件概率

26、分布分别转换为标准正态u参数空间：

27、

28、其中，φ(u1)是转换后的波高分布，φ(u2)是转换后的给定波高条件下的周期分布，这两个分布都是标准正态分布，u1和u2则是u形参数空间对应的波高和周期；

29、接着在u形参数空间中建立规定重现期的圆；以每3小时记录的观测值为

30、例的话，对应重现期100年等高线的圆半径为：

31、

32、最后将圆形转换为环境参数空间对应的波高和波周期轮廓线：

33、

34、其中，hs是有义波高，tz是平均跨零周期，tp是谱峰周期，fhs是式(7)中的转换关系，ftz or tp|hs是式(8)中的转换关系。

35、本发明的有益效果如下：

36、本发明首先通过采用bitner-gregersen模型对波高和波周期联合分布进行拟合计算，以达到拟合结果与波浪实地测量结果或波浪数值后报结果总体趋势吻合，能够精确描述复杂地形浅水海域波浪长期分布特征；其次采用iform模型对波浪轮廓线进行评估，可给出复杂地形浅水海域不同重现期的波高极值，可精细描述不同重现期的波高和波周期联合分布特性。由此为复杂地形浅水海域波高极值和波周期极值的联合分布特性的描述奠定基础，对近岸工程和海洋工程的设计、建设及安全作业提供指导建议。

37、本发明建立了一种在复杂地形浅水海域，基于环境轮廓线推算波浪极值条件的方法，以波浪实地测量结果或波浪数值后报结果为输入，获取不同重现期的波高和周期联合分布，适合于近岸工程和海洋工程领域中涉及极值波浪要素的定量评估。

技术特征：

1.一种复杂地形浅水海域的极值波浪推算方法，其特征在于：包括如下操作步骤：

2.如权利要求1所述的一种复杂地形浅水海域的极值波浪推算方法，其特征在于：s2中，波高概率表达式为：

3.如权利要求1所述的一种复杂地形浅水海域的极值波浪推算方法，其特征在于：s3中，波周期条件概率密度表达式为：

4.如权利要求1所述的一种复杂地形浅水海域的极值波浪推算方法，其特征在于：s4中，联合概率分布可以表示为：

5.如权利要求1所述的一种复杂地形浅水海域的极值波浪推算方法，其特征在于：s5中，波陡系数定义为：

6.如权利要求1所述的一种复杂地形浅水海域的极值波浪推算方法，其特征在于：s6中，在联合概率分布表达式确定后，将波高概率分布和波周期条件概率分布分别转换为标准正态u参数空间：

技术总结
本发明涉及一种复杂地形浅水海域的极值波浪推算方法，以波浪实测或数值后报得到复杂地形浅水海域的波高波周期联合分布结果；其次，对波高和波周期联合分布进行拟合计算，认为波高概率服从Rayleigh分布或者韦布尔分布，周期条件概率密度函数服从高斯分布或者对数正态分布，波高和波周期分布概率为波高概率和波周期条件概率的乘积；最后，采用IFORM模型对波浪轮廓线进行评估。通过采用IFORM方法获得环境轮廓线，其概念可描述极端海况，其思想是在环境参数空间中定义等高线分布，沿该空间可给定不同重现期对应的等高线分布。由此实现复杂地形浅水海域不同重现期的波高和波周期联合分布特性的精确描述。

技术研发人员：陈文炜,蔡志文,孙泽,陈天宇,张旭,韩用涛,赵传亮,张海华,徐力,薛潮
受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5