一种基于分形技术的浪-流耦合海面演化模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于分形技术的浪?流耦合海面演化模拟方法，将海面表征为一维线性分型海面，不同海况可以通过主波长、幅度和频率尺度因子、粗糙起伏海面波高的标准方差以及分形海面粗糙度系数进行调节。根据浪?流相互作用海浪色散关系，提出了一维线性分形海面与海流耦合后的海面表达式，即分形浪?流耦合演化模型，依此模型可以模拟一维浪?流耦合海面演化场景。本发明不仅体现了海面的周期性和随机性，而且海浪模拟精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟海浪-海流耦合海面方法，属于海洋技术领域。

背景技术

全球大洋洋面充满不同尺度的洋流，成为大洋能量和营养的重要传送纽带。自从卫星遥感应用以来，海洋环境监测为人类海洋科学研究和海洋经济发展起到了革命性的推动作用，大范围、全天候海洋环境监测逐步成为现实。对于大洋洋面海流的卫星遥感监测一直是人们研究的重点和难点，目前有文献：Maged Marghany(2011),Developingrobust model for retrieving sea surfacecurrent from RADARSAT-1SAR satellitedata International,Journal of the Physical Sciences Vol.6,No.29,p:6630-6637，公开了一种零星局限性算法用以反演海面流速，但其还没有直接对海流进行监测的传感器上星，主要是因为海流遥感反演方法的欠缺。因此，需要对洋流与电磁波相互作用机制进行研究，建立高精度洋流海面后向电磁散射模型。其中，构建高精度的海流存在洋面模型尤为关键，即建立浪-流耦合演化模型，文献：Xie Tao,Guanghui Zou,WilliamPerrie,Hailan Kuang and Wei Chen(2010),A two scale nonlinear fractal seasurface model in a one dimensional deep sea,Chinese Physics B.Vol.19,No.5,059201(1-6)，公开了一种分型技术，分型技术是一种高精度海浪模拟方法，既描述了海面的周期性，又包含了随机性。文献：RyuS.,KimM.H.and LynettP.J.2003,Fullynonlinear wave-current interactions and kinematicsby a BEM-based numerical wavetank,Computational Mechanics 32 336–346,DOI 10.1007/s00466-003-0491-7，公开了一种浪-流相互作用原理。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于分形技术的浪-流耦合海面演化模拟方法，其不仅体现了海面的周期性和随机性，而且海浪模拟精度高。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于分形技术的浪-流耦合海面演化模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，获取需要模拟的海面状态，根据需要模拟的海面状态，确定输入参数值，所述输入参数值包括海流流速C₀、海浪有效波相位主波长λ₀、幅度和频率尺度因子b以及分形海面粗糙度系数s分别对空间x和时间t的取样值；

步骤2，根据步骤1确定的输入参数值，采用浪-流相互作用海浪色散关系建立分形浪-流耦合演化模型，根据该分形浪-流耦合演化模型即可模拟出浪-流耦合海面演化场景。

所述步骤2中的分形浪-流耦合演化模型为：

其中，ξ(x,t)表示海表面高度，x表示空间，t表示时间，N为正弦分量数，其取值必须满足b^N-b^N-1≥10；b是幅度和频率尺度因子，且b>1，σ为ξ(x,t)的标准方差,σ与有效波高h_s的关系为h_s＝4σ，s为粗糙度系数且1<s<2，ω_n是第n支海浪分量的谐波角频率，角频率ω_n和波数k_n的深水色散关系为g＝9.8m·s^-2为重力加速度，k_n＝Κ0bⁿ，C₀为海流流速，Κ₀＝2π/λ₀为主波波数，λ₀是分形海面主波长，是第n支海浪的波相位。

有益效果：本发明提供的一种基于分形技术的浪-流耦合海面演化模拟方法，相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明不仅体现了海面的周期性和随机性，而且海浪模拟精度高。

附图说明

图1为不同海流作用于同一分形海面的浪-流耦合海面演化模拟结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种基于分形技术的浪-流耦合海面演化模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，获取需要模拟的海面状态，根据需要模拟的海面状态，确定输入参数值，所述输入参数值包括海流流速C₀、海浪有效波相位主波长λ₀、幅度和频率尺度因子b以及分形海面粗糙度系数s分别对空间x和时间t的取样值；

步骤2，根据步骤1确定的输入参数值，采用浪-流相互作用海浪色散关系建立分形浪-流耦合演化模型，根据该分形浪-流耦合演化模型即可模拟出浪-流耦合海面演化场景。

分形浪-流耦合演化模型为：

其中，ξ(x,t)表示海表面高度，x表示空间，t表示时间，N为正弦分量数，其取值必须满足b^N-b^N-1≥10；b是幅度和频率尺度因子，且b>1，如果b为有理数，则ξ(x,t)为周期性的，若b为无理数，则ξ(x,t)为非周期性的。σ为ξ(x,t)的标准方差,σ与有效波高h_s的关系为h_s＝4σ，s为粗糙度系数且1<s<2，用以度量空间海面图形的粗糙程度。ω_n是第n支海浪分量的谐波角频率，角频率ω_n和波数k_n的深水色散关系为g＝9.8m·s^-2为重力加速度，k_n＝Κ₀bⁿ，C₀为海流流速，海流流速与海浪传播方向一致是为正、相反时则为负。Κ₀＝2π/λ₀为主波波数，λ₀是分形海面主波长，是第n支海浪的波相位。

本实施例将海面表征为一维线性分型海面，不同海况可以通过主波长、幅度和频率尺度因子、粗糙起伏海面波高的标准方差以及分形海面粗糙度系数进行调节。根据浪-流相互作用海浪色散关系，提出了一维线性分形海面与海流耦合后的海面表达式，即分形浪-流耦合演化模型，依此模型可以模拟一维浪-流耦合海面演化场景。

如图1所示为不同海流作用同一海面的模拟结果，其通过根据用户需要模拟的海面状态，确定输入参数值，包括海流、海浪有效波高、主波长、幅度和频率尺度因子、分形海面粗糙度系数，对空间x和时间t离散取样，并将这些参数作为公式(1)的输入，计算出对应时间点和空间点处的海表面高度ξ(x,t)所得的图形，该图形即为本方法模拟的浪-流耦合海面演化场景，其中，(a)受速度为C₀＝-1.5ms^-1海流影响的分形海面；(b)受速度为C₀＝-1.0ms^-1海流影响的分形海面；(c)受速度为C₀＝-0.5ms^-1海流影响的分形海面；(d)受速度为C₀＝0ms^-1海流影响的分形海面；(e)受速度为C₀＝0.5ms^-1海流影响的非线性分形海面；(f)受速度为C₀＝1.0ms^-1海流影响的非线性分形海面；(g)受速度为C₀＝1.5ms^-1海流影响的非线性分形海面。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。