基于波浪谱分析的船舶作业条件涌浪预警方法技术

本发明专利技术公开了基于波浪谱分析的船舶作业条件涌浪预警方法，涉及基于波浪谱分析的船舶作业领域

【技术实现步骤摘要】
基于波浪谱分析的船舶作业条件涌浪预警方法


[0001]本专利技术涉及船舶与海洋工程
，尤其涉及基于波浪谱分析的船舶作业条件涌浪预警方法
。

技术介绍

[0002]近年来，随着码头专业化和船舶大型化的发展，我国沿海港口矿物
、
原油
、
大宗散货等码头快速发展，此类码头通常位于港内口门附近或港外，面临水深浪大
、
掩护条件差等不利因素
。
港内船舶的停泊作业条件往往用有效波高和风力的标准，根据海港总体设计规范，大于
15
万吨级油轮在码头靠泊允许作业的标准为：风力
≤6
级，能见度
≥1 km
，顺浪
≤2 m
，横浪
≤1.5 m
，有雷暴时停止作业
。
对于有效波高和风力情况的预报是影响码头作业自然条件预报的常规方法
。
波浪会导致系泊船舶产生大幅运动，国内外一些港口在长周期波浪作用下发生过多次断缆事故，严重影响码头作业安全
。
波高对于船舶横移和升沉运动量的影响呈线性，随着波高的增长，船舶缆力几乎成倍增长
。
而当波高变化不大的情况下，船舶升沉运动量随着波浪周期的增加先增加后减小，且最大值对应的波浪周期与船舶的固有频率有关
。
规范指出对于大周期波浪，需要通过连续测波记录的谱分析等方法进行详细论证
。
在长周期波浪作用下，船舶运动随着波高增加显著增加
。<br/>由于大型码头一般面对开阔海域，深水区传来波浪的影响复杂，外海传来的涌浪对港口建筑的破坏力极大
。
波浪周期与船舶固有周期接近时，共振导致船舶运动量和缆力大幅增加，其受影响程度远大于普通风浪
。
尤其在台风等强自然灾害情况下，涌浪往往在混合浪中占主导地位，其能量巨大，破坏性强，准确的观测和预报涌浪是船舶码头安全作业的重要需求
。
现有的海浪预报系统按照有效波高和风力标准对涌浪的影响难以准确预报预警，因此实现风涌分离及涌浪的预报预警是船舶作业预报的重要优化方向
。
[0003]当风浪和涌浪共同存在时，一般表现为混合浪的形式
。
区分风浪和涌浪的判据一般可归纳为三类：波型判据，波要素判据和波浪谱分析
。
风浪的迎风面陡，波峰线较短，波顶有浪花；涌浪则波面平缓，波峰线较长，规律性显著
。
波型判断往往通过现场观测给出，难以提前对船舶停泊作业进行预报预警
。
波要素判据主要包括波高
、
波陡
、
周期
、
风速等要素，通过不同要素建立的关系式给出
。
针对不同的码头和船舶条件，波要素判据可以给出对应的阈值标准，多个波要素的联合分析能够给出较为准确的风涌分离标准，但对波要素的预报准确性及波要素的数量要求较为严格
。
目前的风涌分离方法主要基于波浪谱分析，包括一维谱方法和二维谱方法，具体有
2D
法
、PM
法
、WH
法和
JP
法
。
其中
PM
法和
2D
法考虑风速条件，能够给出较准确的分离结果；
WH
法和
JP
法直接采用波浪谱信息，通过波陡和谱峰比值等因素分离风浪和涌浪
。
上述判断在混合浪波浪谱呈双峰谱的情况下较准确，对近岸海区复杂混合浪情况的适用性仍需进一步的研究讨论
。
[0004]波浪周期指两相邻波峰（或波谷）经过同一点所需要的时间，其值等于波长与波速的商
。
谱峰周期在波浪谱中代表能量密度最高的波浪对应的周期，因此在涌浪能量超过风浪能量时，谱峰周期会突变增大
。
低频能量显著增加后往往会维持较长的时间，此时谱峰周
期会处于较高值并且变化不显著
。
当涌浪能量减小且逐渐消失时，波浪谱中低频谱能量密度减小且对应低频谱峰频率开始增加，此时谱峰周期有减小的趋势，并且最终突变减小，这使得谱峰周期的变化能够反映混合浪中涌浪和风浪的变化情况
。
根据海浪统计原理，海浪谱的各个谱峰对应不同波系统的谱峰值，相邻两个谱峰值之间的波谷可以视为两个波系统的划分界限
。
因此，多个谱峰的波浪谱中，低频谱的变化很大程度上反映了涌浪能量的变化特征
。
[0005]综上所述，根据有效波高和风速的预测数据，当前能够对大型港口船舶停泊和作业进行有效准确的风浪预报预警，但是对于船舶作业条件所需的涌浪预报预警，尚未提出合适的预报方案，因此，现提出基于波浪谱分析的船舶作业条件涌浪预警方法，以解决上述问题
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的基于波浪谱分析的船舶作业条件涌浪预警方法
。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：基于波浪谱分析的船舶作业条件涌浪预警方法，包括以下步骤：
S1
，数据收集与分析：利用港口海洋水文历史数据，分析并提取各波浪要素和波浪谱的气候态特征；
S2
，预报模型运用：运用海洋水文数据预报模型，提供未来
72
小时及以上的波浪要素和波浪谱预报数据；
S3
，条件信息输入与一维谱分析：输入港口和船舶条件信息；运用一维谱分析，借助寻找峰值算法，准确确定预报波浪谱的低频和高频谱峰位置及大小，并将两个谱峰之间的波谷作为预报分割频率，将预报分割频率与固定分割频率结合，进行风涌分离；
S4
，阈值设定与涌浪预警判断：基于港口气候态特征和条件信息，设定谱峰周期阈值
、
涌浪能量阈值以及涌浪增长趋势阈值；对于预测的波浪数据，首先判断其有效波高和谱峰周期是否超过设定的阈值，若有效波高超过阈值，则无需进一步进行涌浪预报；在有效波高低的情况下，若谱峰周期超过判断阈值，则继续判断涌浪能量是否超过阈值，并且是否呈现增长趋势；
S5
，涌浪预警发布：若涌浪能量超过阈值且呈增长趋势，根据判定结果发布涌浪预警，提示可能出现影响船舶安全作业的涌浪情况
。
[0008]作为本专利技术的进一步改进，
S1
中所述的气候态特征包括谱峰周期
、
波浪高度
、
波浪谱型
。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，
S3
中所述的港口和船舶条件信息包括船舶吨位
、
船舶满载或空载固有频率
。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，
S3
中所述的预报谱频率小于预报分割频率的为涌浪，大于预报分割频率的为风浪
。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于波浪谱分析的船舶作业条件涌浪预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
，数据收集与分析：利用港口海洋水文历史数据，分析并提取各波浪要素和波浪谱的气候态特征；
S2
，预报模型运用：运用海洋水文数据预报模型，提供未来
72
小时及以上的波浪要素和波浪谱预报数据；
S3
，条件信息输入与一维谱分析：输入港口和船舶条件信息；运用一维谱分析，借助寻找峰值算法，准确确定预报波浪谱的低频和高频谱峰位置及大小，并将两个谱峰之间的波谷作为预报分割频率，将该预报分割频率与固定分割频率结合，进行风涌分离；
S4
，阈值设定与涌浪预警判断：基于港口气候态特征和条件信息，设定谱峰周期阈值
、
涌浪能量阈值以及涌浪增长趋势阈值；对于预测的波浪数据，首先判断其有效波高和谱峰周期是否超过设定的阈值，若有效波高超过阈值，则无需进一步进行涌浪预报；在有效波高低的情况下，若谱峰周期超过判断阈值，则继续判断涌浪能量是否超过阈值，并且是否呈现增长趋势；
S5
，涌浪预警发布：若涌浪能量超过阈值...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金龙，唐筱宁，曲娜，杨效禹，陈中方，
申请(专利权)人：海博泰科技青岛有限公司，
类型：发明
国别省市：