[發明專利]一種天文潮和風暴潮分離方法

有效

• 申請號: 201110286706.5
• 申請日: 2011-09-19
• 公開（公告）號: CN102999687A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 何世鈞;周文君;陳中華;李亞光;周汝雁
• 申請（專利權）人: 上海海洋大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于自動化領域，涉及一種天文潮和風暴潮分離方法，它是用于在風暴潮期間，將總水位中的天文潮水位和風暴潮水位分離開。

背景技術

風暴潮災害居各類海洋災害之首，世界上絕大多數因強天氣系統引起的特大海岸災害都是由風暴潮造成的。在我國，風暴潮災害幾乎遍及我國沿海，從南到北均有發生，在緯度比較低的東南沿海地區，風暴潮災夏秋季節，多由在西北太平洋上生成的臺風或熱帶氣旋引起。天文潮是驗潮曲線中的主要成分，在驗潮曲線中消除天文潮，亦即把天文潮和風暴潮分離開是首要的任務。但是，從動力學的觀點看來，在天文引潮力和氣象強迫力的共同作用下的海水運動是一種非線性的現象；這種非線性的相互耦合是由驗潮曲線中把二者分離開的基本困難。通常采用的分離方法是由驗潮曲線減去潮汐預報曲線，所獲“差值”即作為“風暴潮曲線”。無疑，這種基于線性疊加原則的分離方法，只有當上述的非線性耦合不嚴重時，方為良好的近似。在某些情況下，上述差值曲線含有明顯的潮周期。如果排除了天文潮預報的誤差和潮汐觀測技術的不足，則差值曲線明顯含有天文潮周期的這一現象，就可歸結為風暴潮和天文潮之間的非線性耦合。風暴潮現場資料與嚴密的理論及成功的實驗數據相反，十分稀少而分散，觀測表明，中國大多數港口水淺、潮差大、天文潮和風暴潮非線性相互作用明顯。這種非線性效應，在大潮差的淺海中表現得特別嚴重；此時必須采用另外的分離方法。

風暴潮期間水位的變化，不但受天體引潮力的作用，而且還受地形、風力、風向、氣壓、太陽輻射度等水文氣象因素的綜合影響，在這些周期性和非周期性變化的物理因子作用下，尤其是在淺水區，天文潮和風暴潮的非線性效應較強，使水位變化過程變得頗為復雜。大部分信號都是時間的函數，可以將風暴潮期間總水位時間序列作為信號處理，研究風暴潮的特性及變化規律即可轉化為信號的時頻特征分析。時頻分析能在時間和頻率上同時表示信號的能量和強度，即時頻分析可以細致地刻畫風暴潮中各類波(各天文分潮波、風暴增水波等)的時頻結構和性質，也可以提取風暴潮中某一頻率成份。

小波變換是時頻分析的一種，具有多分辨率的特點，在時、頻兩域都具有表征信號局部特征的能力，是一種窗口面積恒定，窗口形狀可變，時間窗和頻率窗都可以改變的時頻局域化分析方法，被譽為分析信號的“數學顯微鏡”。小波包變換是小波變換的推廣，它同時對信號的低頻成分和高頻成分進行細分，并按頻帶進行多層次的二進制劃分，自適應地選擇相應頻帶，使之與信號頻譜相匹配，從而提高時頻分辨率。本發明采用了小波包變換方法，對潮位信號在某一分解尺度參數下進行分解，利用天文分潮特定頻率值確定小波包最佳正交基，識別和確定不同頻段中所包含的天文分潮，提取小波包分解系數進行重構，并從潮位信號中濾除，最終達到天文潮和風暴潮分離的目的。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提出了一種基于小波包分解的天文潮和風暴潮分離方法，利用有限的歷史潮位觀測數據和已知的170個天文分潮頻率，實現對天文潮和風暴潮的分離。

具體的步驟為：

步驟(1)：正交小波母函數的選??；

潮位信號的小波變換實質上是不同尺度的小波函數與該信號的互相關，根據潮汐理論，潮水位記錄中的天文潮是不同頻率正弦波的疊加，一般來說，小波母函數與待分析的潮位信號越接近，信號在時間-頻率域能量分布越集中，因此，在對潮位信號進行小波分析時，可以考慮選擇和天文分潮形狀相近的小波函數作為母小波。

步驟(2)：確定小波包分解層數；

設潮位信號(其頻率范圍設為[f₀，f₁])將進行N層小波包分解，則小波樹第N層上各葉子節點對應的頻率范圍如下

葉子節點[N，0]是最低頻率區間，假設其分離出了頻率最低的天文分潮，則葉子節點[N，0]頻率區間上限要小于次最低天文分潮的頻率，由此可以確定最優的小波包分解層數。

步驟(3)：確定最優小波包基及最優小波樹；

最優小波包基選擇的原則是：根據先驗的天文分潮頻率知識和小波樹的每個葉子節點對應的起始頻率，計算出每個天文分潮的頻率成分位于第幾層的第幾個頻段，然后通過剪枝或合并的方法對小波樹的葉子節點進行處理，得到潮位信號的最優小波包基，從而構造出最優小波樹。

步驟(4)：對潮位信號進行小波包分解；