海洋环境重现期设计标准推算方法与系统

摘要

本发明公开了海洋环境重现期设计标准推算方法与系统，属于海岸、海洋工程技术领域。分析方法包括：获取海洋动力环境要素的n年时序历史数据资料作为原始数据样本库，当研究区域主导天气为非台风时，从原始数据样本库中提取满足独立且同分布原则的非台风样本；当研究区域主导天气为台风时，从原始数据样本库中提取满足独立且同分布原则的台风样本；针对提取出来的独立且同分布的样本，以取样方法提取极值样本，匹配概率分布模型进行区域极值分析。推算系统包括：基础数据模块，极值分析模块，数据对比同化模块。通过该数据库系统的区域极值分析方法可以为海洋、海岸工程的设计施工提供重要参考。

说明书

技术领域

本发明属于海岸、海洋工程技术领域，具体讲是一种海洋环境重现期设计标准推算方法与系统。

背景技术

我国是海洋大国，由北向南涵盖了渤海、黄海、东海和南海，海岸线长达18000多公里。我国主辖海域面积约为300万平方公里，蕴藏着丰富的石油、天然气、生物等资源以及海洋可再生能源。

近年来，传统涉海产业逐步优化，高新涉海产业不断革新，海洋和海岸工程的发展面临着新的机遇，同时亦面临着新的挑战。海洋动力环境要素的合理推算对海洋和海岸工程设计、安装和操作等活动十分重要。推算出合理有效的动力环境设计要素值才能有效保障海洋、海岸工程的在预期使用年限的安全，这是海洋、海岸工程的关键。设计要素推算值偏低，则海洋、海岸工程在使用年限内遭到破坏甚至损毁的几率增加。

并且，随着海洋观测、模拟数据的指数级增长以及数据计算分析能力的显著提升，海洋数据已进入大数据时代。我国积累了大量的海洋动力环境要素数据，因此需要建立一款服务于科学研究和工程需要的海洋环境数据分析及重现期设计标准推算于一体的系统。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种海洋环境重现期设计标准推算方法与系统，推算方法满足极值理论的要求，即提取的极值样本满足独立且同分布的假设。

本发明目的是由以下技术方案实现的：

一种海洋环境重现期设计标准推算方法，包括以下步骤：

S1、获取海洋动力环境要素的n年时序历史数据资料作为原始数据样本库，其中n≥20；

S2、当研究区域主导天气为非台风时，从原始数据样本库中提取满足独立且同分布原则的非台风样本；

S3、当研究区域主导天气为台风时，从原始数据样本库中提取满足独立且同分布原则的台风样本；

S4、针对提取出来的独立且同分布的样本，以取样方法提取极值样本，匹配概率分布模型进行区域极值分析。

进一步的，所述步骤S2具体包括：

S21、根据样本年限，以年均波高过程为15设定初步阈值，从原始数据样本库提取大于阈值的样本；

S22、设定时间间隔72h为识别两个连续独立风暴的准则，筛除不满足独立性原则的样本；

S23、判断独立样本的方向、季节的聚集性，通过方向分组、季节分组筛选符合同分布原则的样本，最终形成非台风超阈值样本库。

进一步的，所述步骤S3具体包括：

S31、台风影响下的波浪场左右范围不同，通过以下公式筛选台风路径左右两侧波浪场的极端波浪以满足其同分布的原则，即：

式中

当某海域点位置在台风路径影响下的波浪场范围之内，选择对应的波浪过程作为同分布样本，反之筛除；

S32、根据每场台风选择其对应的一个波浪过程，提取该波浪过程的最大值，保证样本的独立性原则。

本发明基于所述的海洋环境重现期设计标准推算方法搭建的海洋环境重现期设计标准推算系统，包括以下模块：

M1、基础数据模块，该模块分为点数据分析和场数据分析两个子模块，为工程用户提供海域某具体点动力环境要素时序数据以及整个海域的场数据；

M2、极值分析模块，该模块分为点数据极值分析和场数据极值分析两个子模块，为工程用户提供海域某具体点动力环境要素推算值以及整个海域的推算结果；

M3、数据对比同化模块，该模块分为实测数据对比和数据同化分析两个子模块，为工程用户提供海域某具体点实测数据与模拟数据的对比。

有益效果

本发明公开了海洋环境重现期设计标准推算方法。该方法根据天气系统（冬季风暴、台风等）的不同，采用不同的分析方法。由于非台风浪具有明显的方向和季节性的特征，根据方向分组和季节分组来满足其同分布的原则。针对台风浪，为了满足独立性原则，每场台风选择其对应的一个波浪过程；以有效波高为例，针对非台风浪，该数据库系统以时间间隔72h来识别两个连续的独立风暴过程，保证了样本满足极值理论独立性的要求；并且提供方向性分组和季节性分组，保证了样本满足极值理论同分布的要求。针对台风浪，重现期设计标准推算方法中提供了一个新的公式，通过该公式可用于筛选台风路径左右两侧波浪场的极端波浪以满足样本同分布的假设，并且该公式能较好的反映台风路径两侧波浪场范围不对称的现象。通过该数据库系统的区域极值分析方法可以为海洋、海岸工程的设计施工提供重要参考。

基于该推算方法，搭建了一款海洋环境重现期设计标准推算系统，该数据库系统实现了数据查询、数据对比、单点和区域极值分析等功能，可对存储的点、场基础数据进行可视化呈现，亦可对现有的基础数据进行不同时间范围平均值计算、极值分析推算以及相应图形绘制等功能。通过数据库的集成设计，用户能够获得标准化格式的查询和分析结果，有效提高了数据的使用率，满足实际工程需要。进一步，可以得到合理有效的海洋环境要素不同重现期的推算值，为海洋及海岸工程的设计施工提供重要的参考。

通过本发明的推算方法，可以推算出合理有效的海洋动力环境要素设计值，该设计值对海洋和海岸工程设计、安装和操作等活动是十分重要的。设计要素推算值合理，恶劣海况条件下工程结构物的安全度以及结构物的造价等问题可以得到合理的评估与平衡，不仅保障了海洋、海岸工程在预期使用年限的安全，也提高了经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的海洋环境重现期设计标准推算方法的流程示意图；

图2为实施例1中有效波高的40年时序数据；

图3为实施例1中从原始数据集获取得到独立且同分布的非台风样本的流程图；

图4为实施例1中GPD模型参数和外推有效波高随阈值变化图；

图5为实施例1中极值样本拟合GPD模型的分位数诊断图；

图6为实施例2中GPD模型参数和外推有效波高随阈值变化图；

图7为实施例2中极值样本拟合GPD模型的分位数诊断图；

图8为本发明提供的海洋环境重现期设计标准推算系统的功能构架图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

实施例1

本实施例公开了一种海洋环境重现期设计标准推算方法，包括以下步骤：

S1、获取海洋动力环境要素的n年时序历史数据资料作为原始数据样本库。本实例中的海洋动力环境要素均为有效波高，n为40年，时间范围1979~2018年，时间步长为1h。

S2、当研究区域主导天气为非台风时，从原始数据样本库中提取满足独立且同分布原则的非台风样本。

S21、根据样本年限，以年均波高过程为15左右设定初始阈值，从原始数据样本库提取大于阈值的样本。本实例中的海域位置经纬度为（123°N~38°E），有效波高时序数据年限为40年，时序数据见图2所示。设定初始阈值为2.4m，从原始数据样本中提取大于该阈值的样本数为605个，如图3所示。

S22、设定时间间隔72h为识别两个连续独立风暴的准则，筛除不满足独立性原则的样本。本实例中，通过设定时间间隔72h，筛除不符合独立性原则的样本65个，剩余样本540个，如图3所示。

S23、筛除台风样本，并且判断非台风独立样本的方向、季节的聚集性，通过方向分组、季节分组筛选符合同分布原则的样本，最终形成非台风超阈值样本库。本实例中，通过初始阈值得到满足独立性原则的样本540个。筛除台风影响的样本34个，剩余非台风独立样本505个，并且根据波高样本方向、季节的聚集性进行分组，发现在冬季波高样本有很好的方向聚集性，因此这213个冬季样本满足独立且同分布的原则，形成非台风超阈值样本库，如图3所示。

S4、针对提取出来的独立且同分布的样本，以取样方法提取极值样本，匹配概率分布模型进行区域极值分析。本实例中，针对提取出来的独立且同分布的样本，均采用阈值法提取极值样本，匹配GPD分布模型。观察模型参数和外推有效波高随阈值变化的稳定区间确定合理的阈值，本实例中确定合理的阈值为2.57m（见图4），以该阈值提取极值样拟合得GPD模型，从分位数诊断图（见图5）可以看出拟合效果较好。

重复S2的步骤对非台风主导区其余海域位置进行极值推算，从而可以得到整个区域有效波高的不同重现期的推算结果。

实施例2

本实施例公开了一种海洋环境重现期设计标准推算方法，包括以下步骤：

S1、获取海洋动力环境要素的n年时序历史数据资料作为原始数据样本库。本实例中的海洋动力环境要素均为有效波高，n为40年，时间范围1979~2018年，时间步长为1h。

S3、当研究区域主导天气为台风时，从原始数据样本库中提取满足独立且同分布原则的台风样本。

S31、台风影响下的波浪场左右范围不同，通过以下公式筛选台风路径左右两侧波浪场的极端波浪以满足其同分布的原则，即：

式中

当某海域点位置在台风路径影响下的波浪场范围之内，选择对应的波浪过程作为同分布样本，反之筛除。本实施例中的海域位置经纬度为（124°N~28°E），根据上述公式得到对该位置有影响的台风为178场。

S32、根据每场台风选择其对应的一个波浪过程，提取该波浪过程的最大值，保证样本的独立性原则。本实施例中，根据得到的178场台风，提取每场台风对应的波浪过程的最大值，最终得到178个独立且同分布的台风样本。

S4、针对提取出来的独立且同分布的样本，以取样方法提取极值样本，匹配概率分布模型进行区域极值分析。本实例中，针对提取出来的独立且同分布的样本，均采用阈值法提取极值样本，匹配GPD分布模型。观察模型参数和外推有效波高随阈值变化的稳定区间确定合理的阈值，本实例中确定合理的阈值为3.12m（见图6），以该阈值提取极值样拟合得GPD模型，从分位数诊断图（图7）可以看出拟合效果较好。

重复S3的步骤对台风主导区其余海域位置进行极值推算，从而可以得到整个区域有效波高的不同重现期的推算结果。

在海岸和海洋结构物的工程设计与建设中必须考虑波浪要素包括波高、波长、周期等。在各种波要素中，设计波高是必须考虑的重要因素之一，并且不同重现期下对应的有效波高推算结果尤为重要，因为它需要用来估计恶劣海况条件下工程结构物的安全度以及结构物的造价等问题。过低的估计波浪作用的严重性将导致海岸和近海工程的破坏。中国《港口水文规范》规定，有效波高50年重现期的推算结果作为设计波高，用来设计中国沿海地区的结构物。

实施例3

为了更好的说明步骤S3中公式的可行性，结合具体的台风实施例加以分析。

本区域极值分析方法针对台风不对称影响提供了两个公式来确定台风浪的影响范围。

式中

2005年“麦莎”台风轨道右侧的有效波高明显大于轨道左侧的波高，最大值分布在轨道右侧，可以到达10.5m，而轨道左侧有效波高最大值为8m。并且台风右侧的影响范围亦较左侧为大，轨道右侧影响范围达到950 km，而左侧影响范围为600 km，呈现明显的不对称现象。因此，本区域极值分析方法针对台风不对称影响提供了两个公式来确定台风浪的影响范围。

表1为2006年“珊珊”台风对波浪影响范围的记录距离与公式中参数之间的相关系数。可以观察到，这些参数与记录距离的相关性系数均较高，特别是对于中心气压和地理纬度和7级风速半径，说明引入这些参数的必要性。左侧记录距离和右侧记录距离与这些参数的相关性系数并不相同，这也表明，热带气旋的左影响范围和右影响范围应该分开研究，因此针对台风不对称影响提供了两个公式来确定了台风浪的影响范围。

表1

通过本发明的分析方法，可以推算出合理有效的海洋动力环境要素设计值，该设计值对海洋和海岸工程设计、安装和操作等活动是十分重要的。设计要素推算值合理，恶劣海况条件下工程结构物的安全度以及结构物的使用年限等问题可以得到合理的评估与平衡，保障了海洋、海岸工程在预期使用年限的安全。

实施例4

本实施例基于海洋环境重现期设计标准推算方法，搭建了一款海洋环境重现期设计标准推算系统，该系统具体功能涵盖：M1、基础数据模块，该模块又分为点数据分析和场数据分析两个子模块；M2、极值分析模块，该模块又分为点数据极值分析和场数据极值分析两个子模块；M3、数据对比同化模块，该模块分为实测数据对比和数据同化分析两个子模块。

系统的“点数据分析”子模块可以实现对具体海域位置的海洋动力环境要素的基础分析并进行可视化呈现。用户可以在用户输入栏中输入“经度”“纬度”，“年份”，即可以得到一定时长的海洋动力环境要素序列，以曲线的形式进行可视化呈现；并且在时序图的右侧可得到该要素的最大值、最小值及平均值等单点分析结果。以波高、周期和波向为例，亦可以得到具体海域位置波高周期的分布图和波玫瑰图。系统的“场数据分析”子模块可以实现具体海域范围的海洋动力环境要素的基础分析并进行可视化呈现。

系统的“点数据极值分析”子模块可以实现对具体海域位置的海洋动力环境要素的极值分析。用户在用户输入栏中输入“经度”“纬度”，“时间范围”，即可以得到相应时长的海洋动力环境要素时间序列。通过得到的时间序列，用户可以选择不同的极值分析取样方法和概率分布模型，即可得到不同的推算结果，并且提供样本散布图、拟合检验图等，达到可视化功能。系统的“场数据极值分析”子模块可以实现具体海域范围的海洋动力环境要素的极值分析，得到海洋动力环境要素的不同重现期下的区域推算结果。

系统的“实测数据对比”子模块可以实现对具体海域位置的海洋动力环境要素模拟数据和实测数据的对比，并得到相关统计参数。“实测数据同化”子模块可以实现海洋动力环境要素模拟数据的实时校正。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。