一种基于环境轮廓线的岛礁海域极值波浪推算方法

摘要

本发明公开了一种基于环境轮廓线的岛礁海域极值波浪推算方法，包括选定岛礁海域目标位置，通过实地测量或数值后报获得长周期时间序列的波高和周期变化值，统计处理得到波高周期联合分布的结果，推算波高极值和周期极值的联合分布结果。本发明评估的数据结果适合于近岸工程、海洋工程和近岛礁工程领域中涉及极值波浪要素确定的工作，推算方法方便有效。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，尤其是一种基于环境轮廓线的岛礁海域极值波浪推算方法。

背景技术

当波浪从深水或有限水深区域传播到岛礁海域时，由于岛礁地形的影响，引起波浪破碎和底质摩擦(包括渗透)，波浪衰减特征明显，不同形态的海床底质，如泥沙、淤泥、砂石或珊瑚礁等，导致波浪衰减特征具有较大的差异性，进而影响岛礁海域波浪的极值特征。

现有的在极值波浪分析中，常用的方法有极值分布模型，韦布尔分布模型，皮尔逊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，特别是波高极值和周期极值的评估相对独立，如何建立波高和周期联合关系的模型以及利用该模型进行波高极值和周期极值联合分布的推算方法是一个关键问题，因此，如何定量评估岛礁海域的波浪极值条件，即波高极值和周期极值的联合分布，是近岸工程、海洋工程和近岛礁工程领域中急需解决的问题。

发明内容

本发明针对背景技术中的不足，提供了一种基于环境轮廓线的岛礁海域极值波浪推算方法。

本发明为解决上述现象，采用以下技术方案，一种基于环境轮廓线的岛礁海域极值波浪推算方法，推算方法包括如下：

S1，选定对象：以岛礁海域选定点为对象，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周期变化值，统计处理得到波高周期联合分布的结果；

S2，计算波高概率分布表达式：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；

S3，计算给定波高下周期的条件概率分布表达式：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，获得给定波高下周期的条件概率分布表达式；

S4，计算波高和周期联合分布的概率密度表达式：基于S1和S2，将波高的概率分布表达式与周期的条件概率分布表达式相乘，获得波高和周期联合分布的概率密度表达式；

S5，确定界线：给定波陡系数，确定波陡限界线；

S6，计算波高周期联合分布轮廓线：基于S4采用环境轮廓线法获得不同重现期的极值波高和周期联合分布轮廓线；基于S5的波陡限界线，识别轮廓线中波陡限界线对应的波高和周期组合值：大波高和小周期的组合值，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。

作为本发明的进一步优选方式，步骤S2中，波高概率服从韦布尔分布，周期条件概率密度函数服从对数正态分布，波高周期联合分布概率为波高概率和周期条件概率的乘积，波高概率表达式如下

式(1)中，h表示波高，α、β和γ为分布参数，(1)式为三参数韦布尔分布，若γ＝0，则变为二参数韦布尔分布，这里采用二参数韦布尔分布。

作为本发明的进一步优选方式，步骤S3中，周期条件概率密度表达式如下

式(2)中的μ和σ，需要通过实测数据资料或数值后报结果得到，其拟合式如下

在式(3)和式(4)中，a

作为本发明的进一步优选方式，步骤S5中，在联合概率分布表达式确定后，将波高概率分布和周期条件概率分布分别转换为标准正态U参数空间

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例的话，对应重现期100年等高线的圆半径为

最后将圆形转换为环境参数空间对应的波高和周期轮廓线

波陡系数定义为

α＝(h/l)

式(11)中的(h/l)

本发明通过基于环境轮廓线推算波浪极值条件来进行推算，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，评估的数据结果适合于近岸工程、海洋工程和近岛礁工程领域中涉及极值波浪要素确定的工作。

附图说明

图1为本发明的测点布局示意图；

图2为本发明的波高概率分布拟合结果；

图3为本发明的给定波高下周期条件概率拟合结果；

图4为本发明的波高和周期联合分布拟合结果；

图5为本发明的不同重现期的极值波高和周期联合分布轮廓线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：一种基于环境轮廓线的岛礁海域极值波浪推算方法，推算方法包括如下：

S1，选定对象：以岛礁海域选定点为对象，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周期变化值，统计处理得到波高周期联合分布的结果；

S2，计算波高概率分布表达式：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；

S3，计算给定波高下周期的条件概率分布表达式：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，获得给定波高下周期的条件概率分布表达式；

S4，计算波高和周期联合分布的概率密度表达式：基于S1和S2，将波高的概率分布表达式与周期的条件概率分布表达式相乘，获得波高和周期联合分布的概率密度表达式；

S5，确定界线：给定波陡系数，确定波陡限界线；

S6，计算波高周期联合分布轮廓线：基于S4采用环境轮廓线法获得不同重现期的极值波高和周期联合分布轮廓线；基于S5的波陡限界线，识别轮廓线中波陡限界线对应的波高和周期组合值：大波高和小周期的组合值，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。

步骤S2中，波高概率服从韦布尔分布，周期条件概率密度函数服从对数正态分布，波高周期联合分布概率为波高概率和周期条件概率的乘积，波高概率表达式如下

式(1)中，h表示波高，α、β和γ为分布参数，(1)式为三参数韦布尔分布，若γ＝0，则变为二参数韦布尔分布，这里采用二参数韦布尔分布。

步骤S3中，周期条件概率密度表达式如下

式(2)中的μ和σ，需要通过实测数据资料或数值后报结果得到，其拟合式如下

在式(3)和式(4)中，a

步骤S5中，在联合概率分布表达式确定后，将波高概率分布和周期条件概率分布分别转换为标准正态U参数空间

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例的话，对应重现期100年等高线的圆半径为

最后将圆形转换为环境参数空间对应的波高和周期轮廓线

波陡系数定义为

α＝(h/l)

式(11)中的(h/l)

综上所述，本发明通过基于环境轮廓线推算波浪极值条件，以波浪实地测量结果或波浪数值后报结果为输入，获取到不同重现期的波高和周期联合分布，评估的数据结果适合于近岸工程、海洋工程和近岛礁工程领域中涉及极值波浪要素确定的工作，推算方法方便有效。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。