本發(fā)明涉及一種實測海浪情況篩選及針對實測海浪頻譜的擬合方法，尤其涉及一種基于P-M譜和JONSWAP譜的實測風浪情況篩選及其頻譜擬合方法。涉及專利分類號G06計算；推算；計數(shù)G06F電數(shù)字數(shù)據(jù)處理G06F19/00專門適用于特定應用的數(shù)字計算或數(shù)據(jù)處理的設備或方法。

背景技術：

在海浪能量的預測及應用中，研究理論頻譜模型是一種重要的分析手段。理論頻譜模型能夠根據(jù)實測或假設得到的海浪要素，確定對應的海浪能量在各頻率位置的分布，以此提供峰值能量的頻率位置、各頻率處的能量大小等信息。目前，通常使用的海浪理論頻譜包括：Bretschneider(布氏)譜、Pierson-Moskowitz(P-M)譜、JONSWAP譜等。這些頻譜通常都是根據(jù)特定海域的實測風浪數(shù)據(jù)擬合得到，雖然能夠較好地表達一些海域的海浪能量分布情況，但是由于其修改余地小，對于部分海域的頻譜擬合效果不夠理想。同時，這些方法在擬合之前沒有給出根據(jù)海浪要素的風浪篩選方法。

布氏譜是Bretschneider(1959)根據(jù)無因次的波高和波長聯(lián)合分布，導出的一種適用于已充分成長或正處于成長階段海浪的頻譜。

P-M譜是Pierson和Moskowitz(1964)利用1955-1960年之間的北大西洋觀測資料，找出已經(jīng)充分成長的波浪數(shù)據(jù)，根據(jù)Kitaigorodskii相似定律，通過擬合無因次譜得到適合于充分成長海浪的風浪頻譜。該譜即有實測數(shù)據(jù)的依據(jù)，又有一定的理論基礎，至今依舊得到廣泛使用。

JONSWAP譜是Hasselmann等(1973)通過對北海的觀測資料進行分析而提出的。實際上，JONSWAP譜是在P-M譜的基礎上多乘了一項譜峰因子γ，因此其譜形較P-M譜而言更集中于譜峰附近，譜峰形狀更為尖突。這說明JONSWAP譜的提出者認為，頻譜峰值附近應該包含著更多的波浪能量。

這三種譜在一定程度上都能夠表達海浪的能量分布情況。但是由于其可修改項過少，導致在部分海況下擬合效果不好，甚至完全失靈。因此在實際海浪頻譜的擬合中，需要一種可以根據(jù)實測數(shù)據(jù)，對理論頻譜形式進行一定程度修改，以得到合適形式的方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對以上問題的提出，而研制的一種基于P-M譜的實測風浪情況篩選方法，包括如下步驟：

—獲取目標海區(qū)內選定時間段內進行一定頻率的海面高程；得到一組海面高程的時間序列x(t)；對所述的時間序列x(t)進行分塊，得到多個時間分塊；

—通過對每個時間分塊進行傅里葉變換DFT，將每個時間分塊轉化成頻譜函數(shù)S(f)；通過插值得到每個時間分塊中頻譜的實測頻譜譜峰頻率；

—根據(jù)所述的海面高程時間序列，求出所述每個時間分塊中的三分之一大波高，作為時間分塊中的有義波高Hs；

—根據(jù)P-M譜和有義波高Hs求得各所述的時間分塊對應的P-M譜譜峰頻率；

—計算所述實測頻譜譜峰頻率和對應的P-M譜譜峰頻率的差值的絕對值；選取絕對值接近零的數(shù)值，作為風浪數(shù)據(jù)，完成實測風浪的篩選。

作為優(yōu)選的實施方式，所述的相鄰兩時間序列分塊的起始時間接近，每塊內部持續(xù)時間長，兩塊之間允許出現(xiàn)重疊。

作為優(yōu)選的實施方式，所述的x(n)的N點離散傅立葉變換DFT方法為：

海面高程的時域序列x(t)經(jīng)過上述離散傅立葉變換，轉為表達能量的頻譜函數(shù)S(f)。

作為優(yōu)選的實施方式，所述的P-M譜的表達式如下。

一種基于JONSWAP譜的理論風浪擬合方法，包括如下步驟：

—對JONSWAP譜增加可變參數(shù)，形成如下理論譜表達式；

—根據(jù)權利要求1中得到的風浪譜數(shù)據(jù)，采用最小二乘法對理論風浪譜進行雙參數(shù)擬合得到k和γ值；

—根據(jù)得到的k和γ值分布散點分布，采用最小二乘法擬合k和γ值，得到使γ為k的二次函數(shù)；將k寫為k＝f(γ)；

—將雙參數(shù)的修改JONSWAP譜重新退化為單參數(shù)形式：

—針對γ進行單參數(shù)擬合，擬合方法為最小二乘法，求出所述每個時間分塊對應的γ值；

—對各時間分塊的γ值取平均數(shù)作為最終的γ值；根據(jù)擬合得到S(ω)表達式和所述最終的γ值得到最終的理論風浪譜表達式。

由于采用了上述技術方案，本發(fā)明公開的基于P-M譜和JONSWAP譜的實測風浪情況篩選和理論頻譜擬合方法，具有如下優(yōu)點：相對與現(xiàn)實海浪情況中只有部分為充分成長的風浪情況，本發(fā)明提出的實測頻譜的譜峰頻率和P-M譜的譜峰頻率之間的關系可以很好地篩選風浪情況，為風浪譜擬合工作提供準確的實測頻譜資料。通過為JONSWAP譜增加可修改參數(shù)，重新進行擬合處理，能夠提高該理論譜的適用范圍，實現(xiàn)對風浪情況下頻譜的準確表達。

附圖說明

為了更清楚的說明本發(fā)明的實施例或現(xiàn)有技術的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖做一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是根據(jù)P-M譜與實測譜的譜峰周期關系篩選風浪數(shù)據(jù)的計算方法的流程圖。

圖2為P-M譜譜峰頻率與實測譜譜峰頻率差值的絕對值分布散點圖。

圖3為參數(shù)k和γ分布散點及擬合線圖。

圖4為應用實例的典型擬合結果。

圖5為基于JONSWAP譜的理論風浪擬合方法流程圖

具體實施方式

為使本發(fā)明的實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚完整的描述：

如圖1-5所示：

結合附圖，對本發(fā)明的技術方案進行進一步詳細的說明：

本風浪情況篩選及頻譜擬合方法以海域定點實際測量為依據(jù)，根據(jù)實測資料中的海面高程時間域序列實現(xiàn)。

圖1是P-M譜與實測譜的譜峰周期關系篩選風浪數(shù)據(jù)的計算方法的流程圖。本實施例以已知海面高程時間序列來舉例說明該方法可以包括以下幾個步驟。

在步驟101中，將實測資料中的海面高程時間序列分塊。其分塊原則為：相鄰兩塊的起始時間接近，每塊內部持續(xù)時間長，兩塊之間允許出現(xiàn)重疊。例如：兩塊起始時間間隔可以設為2分鐘，每塊內包含30分鐘的數(shù)據(jù)資料。

在步驟102中，對每個數(shù)據(jù)分塊進行離散傅立葉變換(DFT)，以使資料中的時間序列轉化成頻域系列。x(n)的N點離散傅立葉變換DFT方法為：

海面高程的時域序列x(t)經(jīng)過上述離散傅立葉變換可以轉為表達能量的頻譜函數(shù)S(f)。

在步驟103中，根據(jù)102中得出的頻域形式，通過插值求出每個時間塊中頻譜的譜峰頻率。

在步驟104中，根據(jù)海面高程的時間序列x(t)，求出每時間塊中的三分之一大波高，記為有義波高Hs。

在步驟105中，根據(jù)P-M譜的表示：

和有義波高Hs求得每個時間塊對應的P-M譜譜峰頻率。

在步驟106中，繪制實測頻譜譜峰頻率和P-M譜譜峰頻率差的絕對值散點圖，如圖2。能夠發(fā)現(xiàn)在0附近有一組呈直線趨勢的散點，將這組散點篩選出來，組成風浪數(shù)據(jù)。

根據(jù)挑選出的風浪資料，進一步完成理論風浪頻譜的擬合，步驟如下：

通常的，在用未增加參數(shù)的理論表達式時發(fā)現(xiàn)，理論譜在高頻處較實測譜低，需要抬高理論譜，通過增加可變參數(shù)可以更好的完成擬合，故作為優(yōu)選的實施方式，對JONSWAP譜增加可變參數(shù)k，形成如下理論譜表達式：

根據(jù)風浪譜數(shù)據(jù)，對上述理論譜進行雙參數(shù)擬合，擬合方法使用最小二乘法。

根據(jù)擬合結果，得到k和γ的值并畫出它們的分布散點圖，如圖3。

根據(jù)k和γ的分布散點圖擬合兩者函數(shù)關系，擬合方法根據(jù)特定函數(shù)形式進行最小二乘擬合，通?？梢允功脼閗的二次函數(shù)，于是可以將k寫為k＝f(λ)。在本實例中：該函數(shù)為擬合后二次函數(shù)的反函數(shù)形式。

將雙參數(shù)的修改JONSWAP譜重新退化為單參數(shù)形式，如下：

然后針對γ進行單參數(shù)擬合，擬合方法為最小二乘法，求出每個時間塊對應γ值。

最后對各時間分塊的γ值取平均數(shù)作為最終的γ值。

根據(jù)擬合得到S(ω)表達式和γ值得到最終的理論風浪譜表達式。

應用實例得到的典型擬合結果圖如圖4，其中藍線為該時間段內的實測頻譜情況，紅線為對應的理論頻譜形狀。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，根據(jù)本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。