近岸波浪破碎参数和波高的预测方法技术

本发明专利技术公开了一种近岸波浪破碎参数和波高的预测方法，具体地说是在参数化波浪预测模型中应用一种新的破碎指标公式计算波浪破碎参数，基于波能守恒方程模拟和预报波高的方法。使用本发明专利技术方法具有较高的预测精度，均方根百分比误差在7％～13％。与其他同类型的波浪预测模型结果相比，预测精度提高了10％‑24％(平均提高了19％)。尤其是在常浪条件下(入射波陡小于0.025时)，预测的精度有显著提高。

【技术实现步骤摘要】
近岸波浪破碎参数和波高的预测方法
本专利技术属于近岸波浪的模拟与预报
，尤其涉及一种近岸波浪破碎参数和波高的预测方法。
技术介绍
波浪是海岸物理过程的主要驱动力之一，波高的精确预测对海岸地貌形态演变的模拟、海岸防浪建筑物的设计以及海洋渔业发展的规划都具有非常重要的意义。在浅水区域，波浪破碎是控制海床上波高分布的主导过程，同时也影响着波浪的非线性形态、波生流、泥沙运动和海床地貌形态演变。基于时间平均的参数化波浪预测模型由于较高的计算效率和计算精度，而被广泛的用于近岸波浪的模拟与预报。此类模型基于波能守恒方程，认为波浪从深海向浅水传播的过程中，波能的衰减是由波浪破碎引起的。因此，波浪破碎导致的波能耗散的计算准确性是影响波浪预报模型可靠性的关键因素。现有模型往往引用一种随机波浪波高的概率分布，并且计算超出临界波高的波能损耗。这种计算波能损耗的方法的准确度依赖模型中的一个关键参数，即破碎指标。然而，采用现有的破碎指标公式难以满足近岸波高的高精度预测，尤其是在常浪条件下，预测的精确度有待提高。参考文献：[1]Ruessink,B.G.,Walstra,D.J.R.,andSouthgate,H.N.Calibrationandverificationofaparametricwavemodelonbarredbeaches.CoastalEngineering,2003,48:139–149.[2]Apotsos,A.,Raubenheimer,B.,Elgar,S.,andGuza,R.T.Testingandcalibratingparametricwaveransformationmodelsonnaturalbeaches.CoastalEngineering,2008,55:224–235.[3]Thornton,E.B.,andGuza,R.T.Transformationofwaveheightdistribution.JournalofGeophysicalresearch:Oceans,1983,88(C10):5925–5938.[4]Janssen,T.T.,andBattjes,J.A.Anoteonwaveenergydissipationoversteepbeaches.CoastalEngineering,2007,54(9):711–716.[5]Baldock,T.E.,Holmes,P.,Bunker,S.,andvanWeert,P.Cross-shorehydrodynamicswithinanunsaturatedsurfzone.CoastalEngineering,1998,34:173–196.[6]Battjes,J.A，andJanssen，J.P.F.M.Energylossandset-upduetobreakingofrandomwaves.Proceedingsofthe16thInternationalConferenceonCoastalEngineering,1978,pp.569–587.[7]Salmon,J.E.,Holthuijsen,L.H.,Zijlema,M.，vanVledder,G.P.,andPietrzak,J.D.Scalingdepth-inducedwave-breakingintwo-dimensionalspectralwavemodels.OceanModelling,2015,60087:30–47.[8]Lin,S.，andShengJ.Assessingtheperformanceofwavebreakingparameterizationsinshallowwatersinspectralwavemodels.OceanModelling,2017,120:41–59.
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中的不足，本专利技术提出一种近岸波浪破碎参数和波高的预测方法，在参数化波浪预测模型中应用一种新的破碎指标公式来计算波浪破碎参数和预测近岸波高，提高波高预测的精度。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种近岸波浪破碎参数和波高的预测方法，包括以下步骤：步骤1，获取预报海岸的水深数据和波浪浮标采集的波浪数据；步骤2，将波浪浮标至岸线之间的水域作为计算范围，将该范围划分成等间距的网格，网格的起始点在波浪浮标处，根据波浪浮标采集数据计算第一个网格点的波能流；步骤3，从第二个网格点开始依次计算每个网格点的破碎指标，破碎波高和波能耗散，并根据能量守恒方程，依次计算每个网格点的波能流；步骤4，根据步骤3所得各个网格点的波能流，计算各个网格点的均方根波高；步骤5，获取计算水域内实测波高数据，与步骤4得到的波高数据进行误差分析，根据误差评价指标评估波高预报的准确度。进一步的，所述步骤2，波能流表达式为：式中，Fw表示波能流，Hrms为均方根波高，cg为波群速度，θ为波向角，ρ和g分别表示水体密度和重力加速度；下标(n)表示第n个网格点。其中波群速度由线性波理论计算得到，第一个网格点的均方根波高与波向角数据均来自于波浪浮标。进一步的，所述步骤3，网格点的破碎指标表达式为：式中，γ为破碎指标，s0为入射波陡，k为波数，h为水深，下标(n)表示第n个网格点，n≥2。进一步的，所述步骤3，网格点的破碎波高表达式为：网格点的波能耗散表达式为：根据能量守恒方程，网格点的波能流表达式为：Fw(n)＝Fw(n-1)-Db(n)式中，Hb是破碎波高，γ为破碎指标，k为波数，h为水深；Db是波浪破碎能量耗散值，α是控制破碎强度的系数，fp为谱峰频率，ρ和g分别表示水体密度和重力加速度，Hrms为均方根波高；Fw表示波能流；下标(n)和(n-1)表示第n、(n-1)个网格点，n≥2。进一步的，所述步骤4，从第二个网格点起，通过线性波理论计算得到各个网格点的波群速度，采用折射定律计算各个网格点的波向角；将各个网格点的波能流、波群速度、波向角代入式(1)，计算得到各个网格点的均方根波高。进一步的，所述步骤5，采用均方根百分比误差(RMSPE)作为误差评价指标，其表达式为：式中，RMSPE是均方根百分比误差，N是网格点总数，n是网格点序号，M和O分别表示网格点的模拟计算所得波高和实测波高。RMSPE越小则预报的精度越高。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益的技术效果：本专利技术在参数化波浪预测模型中应用一种新的破碎指标公式，可以获得高精度的波高预报，百分比均方根误差在7％～13％之间。与以往同类型的波浪预测模型相比，使用本专利技术中的波高预测方法，可以使波高预测的总体精度提高10％～24％。此外，使用本专利技术中的波高预测方法在常浪条件下(入射波陡较小时)会有显著的改进。...

【技术保护点】
1.一种近岸波浪破碎参数和波高的预测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：/n步骤1，获取预报海岸的水深数据和波浪浮标采集的波浪数据；/n步骤2，将波浪浮标至岸线之间的水域作为计算范围，将该范围划分成等间距的网格，网格的起始点在波浪浮标处，根据波浪浮标采集数据计算第一个网格点的波能流；/n步骤3，从第二个网格点开始依次计算每个网格点的破碎指标，破碎波高和波能耗散，并根据能量守恒方程，依次计算每个网格点的波能流；/n步骤4，根据步骤3所得各个网格点的波能流，计算各个网格点的均方根波高；/n步骤5，获取计算水域内实测波高数据，与步骤4得到的波高数据进行误差分析，根据误差评价指标评估波高预报的准确度。/n

【技术特征摘要】
1.一种近岸波浪破碎参数和波高的预测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1，获取预报海岸的水深数据和波浪浮标采集的波浪数据；
步骤2，将波浪浮标至岸线之间的水域作为计算范围，将该范围划分成等间距的网格，网格的起始点在波浪浮标处，根据波浪浮标采集数据计算第一个网格点的波能流；
步骤3，从第二个网格点开始依次计算每个网格点的破碎指标，破碎波高和波能耗散，并根据能量守恒方程，依次计算每个网格点的波能流；
步骤4，根据步骤3所得各个网格点的波能流，计算各个网格点的均方根波高；
步骤5，获取计算水域内实测波高数据，与步骤4得到的波高数据进行误差分析，根据误差评价指标评估波高预报的准确度。


2.根据权利要求1所述的近岸波浪破碎参数和波高的预测方法，其特征在于：所述步骤2，波能流表达式为：



式中，Fw表示波能流，Hrms为均方根波高，cg为波群速度，θ为波向角，ρ和g分别表示水体密度和重力加速度；下标(n)表示第n个网格点。


3.根据权利要求2所述的近岸波浪破碎参数和波高的预测方法，其特征在于：所述步骤3，网格点的破碎指标表达式为：



式中，γ为破碎指标，s0为入射波陡，k为波数，h为水深，下标(n)表示第n个网格点，n≥2。

【专利技术属性】
技术研发人员：张弛，李元，戴玮琦，管大为，时健，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32