一种跨海桥梁高精度波浪后报与预报模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种跨海桥梁高精度波浪后报与预报模拟方法，包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
一种跨海桥梁高精度波浪后报与预报模拟方法


[0001]本专利技术涉及波浪后报及预报领域
。
更具体地说，本专利技术涉及一种跨海桥梁高精度波浪后报与预报模拟方法
。

技术介绍

[0002]近年来，随着我国港口航道
、
跨海大桥等海岸工程的大力建设，准确掌握海浪条件显得至关重要
。
因而对工程海域波浪的高精度后报提出更高要求，它不仅直接影响着海岸工程建筑物的安全
、
船舶作业的效能，还影响工程投资及运营的经济效益和安全性
。
[0003]目前已有的且较常用的全球波浪数值模型主要有
ECMWF
全球波浪数值模型
、NOAA
全球波浪数值模型
、DHI
全球波浪数值模型
。ECMWF
全球波浪数值模型是由欧洲中尺度天气预报中心开发，
ECMWF
全球波浪数值模型的时间分辨率为
1h
，空间分辨率最高可达
0.25
°×
0.25
°
(27.75km
×
27.75km)。NOAA
全球波浪数值模型是由美国国家海洋和大气局开发，
NOAA
全球波浪数值模型的时间分辨率为
3h
，空间分辨率在大部分区域为
0.5
°×
0.5
°
(55.5km
×
55.5km)
，某些个别区域会有更高的网格精度
。DHI
全球波浪模型是由丹麦水利研究所开发的全球波浪模型，
DHI
全球波浪数值模型的时间分辨率为
1h
，空间分辨率为
0.1
°×
0.1
°
(11.1km
×
11.1km)。
然而这几种波浪模型只能提供大范围海域波浪数据，对某一具体位置的
、
近岸的波浪数据精度不够
、
时间分辨率低
。
此外，目前虽然关于波浪后报模拟较多，但一直没有形成一套标准的
、
系统的
、
经济实用的科学方法和流程，因此有必要提供一种适合于跨海桥梁施工海域高精度的波浪后报和预报模拟方法
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点
。
[0005]为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种跨海桥梁高精度波浪后报与预报模拟方法，包括以下步骤：
[0006]S1、
围绕跨海桥梁，确定计算区域，划定波浪数值模型研究范围；
[0007]S2、
在波浪数值模拟中采用波浪作用密度守恒方程作为控制方程；
[0008]S3、
收集跨海桥梁附近海域基础资料；
[0009]S4、
制作模型网格；
[0010]S5、
制作模型驱动文件；
[0011]S6、
设置模型主要参数；
[0012]S7、
模型参数率定
。
[0013]S8、
模型计算和验证
。
[0014]S9、
将通过模型模拟得到的波浪数据进行后处理，得到跨海桥梁局部区域的波浪时间序列；
[0015]S10、
基于率定后的模型进行跨海桥梁局部区域的波浪预报
。
[0016]优选的是，步骤
S3
具体包括：
[0017]S3.1、
收集地形水深数据，包括
C
‑
MAP
地形水深数据
、ETOPO
地形水深数据
、GEBCO
地形水深数据以及近岸数字化海图；
[0018]S3.2、
收集气象中心提供的风场和波浪场数据；
[0019]S3.3、
收集跨海桥梁附近可获得的现场实测数据；
[0020]S3.4、
收集跨海桥梁附近海域的水位
、
流速
。
[0021]优选的是，步骤
S4
具体包括：
[0022]S4.1、
依据地形资料勾勒近岸轮廓线；
[0023]S4.2、
使用专业软件进行网格划分；
[0024]S4.3、
将水深资料插值在网格上，其中外海区域采用空间分辨率较低的地形水深数据，近岸区域采用高空间分辨率的地形水深数据
。
[0025]优选的是，步骤
S5
中将步骤
S3
中收集的覆盖波浪数值模型范围的风场数据和开边界处的波浪场数据作为模型驱动文件，其中风场数据包括平均海平面
10m
以上的
U
方向和
V
方向的风速，波浪场数据包括有效波高
、
谱峰周期
、
平均波向
、
方向标准偏差
。
[0026]优选的是，步骤
S6
中选取了风能输入
、
白帽耗散
、
底摩擦耗散
、
波浪破碎耗散四个主要物理过程比较分析其对跨海桥梁附近波浪场的响应，具体地：
[0027](1)
风能输入
S
in
[0028][0029]式中，
E(f
，
θ
)
为波能密度，
α
、
β
分别表示线性和非线性增长率，
ε
为空气与水体的密度比，
σ
为相对角频率，
θ
为波向，
θ
w
为风向，
u
*
为摩擦风速，
C
d
为海面拖曳系数；
[0030](2)
白帽耗散
S
ds
[0031][0032]式中，
C
ds
、
δ
ds
均为耗散系数，
C
ds
控制整体耗散率，
δ
ds
为控制能量谱的耗散权重，
k
为波数，
m0为常数；
[0033](3)
底摩擦耗散
S
bot
[0034][0035]式中，
C
f
摩擦耗散系数，
d
为水深，
f
c
为水流的摩擦系数，
u
为流速；
[0036](4)
波浪破碎耗散
S
surf
[0037][0038]式中，
α
≈1.0
，
Q
b
为波浪破本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种跨海桥梁高精度波浪后报与预报模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
围绕跨海桥梁，确定计算区域，划定波浪数值模型研究范围；
S2、
在波浪数值模拟中采用波浪作用密度守恒方程作为控制方程；
S3、
收集跨海桥梁附近海域基础资料；
S4、
制作模型网格；
S5、
制作模型驱动文件；
S6、
设置模型主要参数；
S7、
模型参数率定
。S8、
模型计算和验证
。S9、
将通过模型模拟得到的波浪数据进行后处理，得到跨海桥梁局部区域的波浪时间序列；
S10、
基于率定后的模型进行跨海桥梁局部区域的波浪预报
。2.
如权利要求1所述的跨海桥梁高精度波浪后报与预报模拟方法，其特征在于，步骤
S3
具体包括：
S3.1、
收集地形水深数据，包括
C
‑
MAP
地形水深数据
、ETOPO
地形水深数据
、GEBCO
地形水深数据以及近岸数字化海图；
S3.2、
收集气象中心提供的风场和波浪场数据；
S3.3、
收集跨海桥梁附近可获得的现场实测数据；
S3.4、
收集跨海桥梁附近海域的水位
、
流速
。3.
如权利要求1所述的跨海桥梁高精度波浪后报与预报模拟方法，其特征在于，步骤
S4
具体包括：
S4.1、
依据地形资料勾勒近岸轮廓线；
S4.2、
使用专业软件进行网格划分；
S4.3、
将水深资料插值在网格上，其中外海区域采用空间分辨率较低的地形水深数据，近岸区域采用高空间分辨率的地形水深数据
。4.
如权利要求1所述的跨海桥梁高精度波浪后报与预报模拟方法，其特征在于，步骤
S5
中将步骤
S3
中收集的覆盖波浪数值模型范围的风场数据和开边界处的波浪场数据作为模型驱动文件，其中风场数据包括平均海平面
10m
以上的
U
方向和
V
方向的风速，波浪场数据包括有效波高
、
谱峰周期
、
平均波向
、
方向标准偏差
。5.
如权利要求4所述的跨海桥梁高精度波浪后报与预报模拟方法，其特征在于，步骤
S6
中选取了风能输入
、
白帽耗散
、
底摩擦耗散
、
波浪破碎耗散四个主要物理过程比较分析其对跨海桥梁附近波浪场的响应，具体地：
(1)
风能输入
S
in
式中，
E(f
，
θ
)
为波能密度，
α
、
β
分别表示线性和非线性增长率，
ε
为空气与水体的密度比，
σ
为相对角频率，
θ
为波向，
θ
w
为风向，
u
*
为摩擦风速，
C
d
为海面拖曳系数；
(2)
白帽耗散
S
ds
式中，
C
ds
、
δ
ds
均为耗散系数，
C
ds
控制整体耗散率，
δ
ds
为控制能量谱的耗散权重，
k
为波数，
m0为常数；
(3)
底摩擦耗散
S
bot
式中，
C
f
摩擦耗散系数，
d
为水深，
f
c
为水流的摩擦系数，
u
为流速；
(4)
波浪破碎耗散
S
surf
式中，
α
≈1.0
，
Q
b
为波浪破碎系数，为平均频率，
E
tot
为总波能，
H
m
＝
γ
d
为最大波高，
γ
为破碎参数
。6.
如权利要求5所述的跨海桥梁高精度波浪后报与预报模拟方法，其特征在于，步骤
S7
中模型参数率定具体为：将风能输入
、
白帽耗散
、
底摩擦耗散
、
波浪破碎耗散中各参数按照默认值或经验值设置模型参数并进行计算，对跨海桥梁附近海域开展不少于一个月的实时波浪数据监测，将模型计算结果与波浪监测数据进行对比，若模型初运行时发现模型计算结果与现场实测数据误差在允许范围内，不需要进一步率定；反之则依...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯先导，潘桂林，林红星，骆钊，孙婉静，张磊，仇正中，沈立龙，赵东梁，黄睿奕，
申请(专利权)人：中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：