[發(fā)明專利]一種基于再分析數(shù)據(jù)的海浪有效波高的短期趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410235923.5
• 申請(qǐng)日: 2014-05-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104036123B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳玲莉;張瑋;吳騰;焦楚杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F19/00
• 分類號(hào): G06F19/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司32200
• 代理人: 吳樹(shù)山

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于海浪參數(shù)預(yù)報(bào)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于再分析數(shù)據(jù)的海浪有效波高的短期趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)

海浪對(duì)人們的生產(chǎn)生活有著不可忽視的影響，如海上航行、沿海港口建設(shè)、航道工程、漁業(yè)生產(chǎn)等都與海浪有密切關(guān)系。另外，海上石油平臺(tái)的安全也與海浪息息相關(guān)。海浪有效波高就是反映海浪特征的一個(gè)重要參數(shù)，因此分析預(yù)測(cè)海浪有效波高的趨勢(shì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的觀測(cè)手段如浮標(biāo)等，雖然能夠精確的獲得海浪波高的變化信息，但它們只能獲得海浪在固定點(diǎn)的變化，而且覆蓋面也非常有限，目前很難在中國(guó)海域得到超過(guò)20年的連續(xù)的海面波浪的浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的成熟，衛(wèi)星數(shù)據(jù)逐漸被應(yīng)用，有關(guān)海浪波高的衛(wèi)星數(shù)據(jù)雖有較廣覆蓋范圍，但最多也只是近20年的資料，這就嚴(yán)重制約了對(duì)海浪有效波高短期趨勢(shì)研究的可靠性。如何克服現(xiàn)有技術(shù)的不足已成為當(dāng)今海浪參數(shù)預(yù)報(bào)技術(shù)領(lǐng)域中亟待解決的重點(diǎn)難題之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種基于再分析數(shù)據(jù)的海浪有效波高的短期趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法，本發(fā)明利用全球先進(jìn)穩(wěn)定的再分析數(shù)據(jù)源，采用Box-Cox變換對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，再依據(jù)修正后的海平面氣壓、海浪有效波高等氣象數(shù)據(jù)，采用主成分分析方法和短期波高趨勢(shì)公式，計(jì)算和預(yù)測(cè)各時(shí)次的海浪有效波高的短期趨勢(shì)，具有很強(qiáng)的可操作性。

根據(jù)本發(fā)明提出的一種基于再分析數(shù)據(jù)的海浪有效波高的短期趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法，其特征在于包括如下具體步驟：

步驟一，收集基于格點(diǎn)模式的歐洲中尺度天氣預(yù)測(cè)中心的ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)集的20～30年時(shí)間段的各時(shí)次氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，其中各時(shí)次氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)是指包括4～8小時(shí)一次的海平面氣壓SLP和海浪有效波高Hs；

步驟二，獲取所收集的各時(shí)次氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)所標(biāo)格點(diǎn)的坐標(biāo)，以該坐標(biāo)為依據(jù)，提取與所述各時(shí)次氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)所標(biāo)格點(diǎn)的坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)的海平面氣壓矩陣S，如(1)式所示，海浪有效波高矩陣H，如(2)式所示，其中包括m個(gè)空間點(diǎn)，每個(gè)空間點(diǎn)含有n次觀測(cè)數(shù)據(jù)：

步驟三，計(jì)算基于格點(diǎn)模式的ERA-Interim各時(shí)次的海平面氣壓SLP的均值M，再用原始值S減去均值M，得到基于格點(diǎn)模式的各時(shí)次的SLP的距平值P，并計(jì)算出SLP距平值P的標(biāo)準(zhǔn)偏差S，如(3)式所示：

上述(3)式中：

步驟四，對(duì)SLP距平值P做EOF分析，得到不同成分及各成分對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率，保留前30個(gè)EOF和主成分；其中：

EOF方法是一種降維分析方法，能夠根據(jù)方差最大化原理提取出資料中最典型的空間型和時(shí)間演變規(guī)律；

對(duì)P進(jìn)行協(xié)方差計(jì)算，得到實(shí)對(duì)稱矩陣L_m×m，其中：

T表示矩陣的轉(zhuǎn)置；

然后求協(xié)方差矩陣L_m×m的特征向量V和特征值Λ，如(4)式所示，以滿足LV＝ΛV，其中：

矩陣V是正交矩陣，矩陣V的第j列元素就是特征值λ_j對(duì)應(yīng)的特征向量；

根據(jù)實(shí)對(duì)稱矩陣L_m×m的特征向量V和特征值Λ，計(jì)算每個(gè)特征向量的方差貢獻(xiàn)率和前幾個(gè)特征向量的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率，方差貢獻(xiàn)越大代表對(duì)應(yīng)的特征向量和時(shí)間系數(shù)在資料中演變規(guī)律越顯著；按照特征值從大到小的順序?qū)進(jìn)行排序，排在第一位的為EOF₁，以此類推；

步驟五，對(duì)根據(jù)步驟一收集的基于格點(diǎn)的各時(shí)次的原始海平面氣壓SLP和海浪有效波高Hs進(jìn)行Box-Cox變換，得到變換后的海平面氣壓trGt和海浪有效波高trHt；

步驟六，對(duì)每個(gè)格點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的trHt，用PC_k，t和PC_k，t-4計(jì)算其相關(guān)系數(shù)，并取相關(guān)系數(shù)最高時(shí)的28個(gè)PC_k,t或PC_k,t-4作為預(yù)測(cè)海浪有效波高的預(yù)測(cè)因子。

步驟七，將預(yù)測(cè)因子帶入預(yù)測(cè)模型，用F統(tǒng)計(jì)量比較選擇最優(yōu)的預(yù)測(cè)因子，預(yù)測(cè)下一時(shí)次的各格點(diǎn)的海浪有效波高；其中模型如(5)式所示：

上述(5)式中H_t是每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的經(jīng)過(guò)變換的海浪有效波高，H_t-p是滯后p的海浪有效波高，P是跟預(yù)報(bào)量相關(guān)的參變量的滯后系數(shù)，X_k，t是第k個(gè)基于SLP的預(yù)報(bào)因子，u_t可以用M階自回歸模型來(lái)表示，如果M＝0，u_t就是白噪聲；