[發明專利]一種適用于臺風區域的沙波運移預測方法

有效

• 申請號: 201810989946.3
• 申請日: 2018-08-28
• 公開（公告）號: CN109145467B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 曹高輝;林緬;江文濱;姬莉莉
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

1.一種適用于臺風區域的沙波運移預測方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟100，設置一個以年為單位的時間段，取海底底床同一位置首尾兩個時段的沙波圖像；

步驟200，利用譜分析方法，將沙波看成一系列余弦波的疊加，通過參數估計得到自由波傅里葉變換得到的波譜、自由波的線速度以及二階傳遞函數,計算波譜能量平均速度并獲取該時間段內沙波的總運移；

步驟300，首先計算該時間段內單次臺風中合成浪的波高和周期，再利用非線性輸沙公式計算其引起的泥沙運移，然后疊加計算所有臺風引起的泥沙運移，以得到該時間段內所有臺風引起的臺風運移；

步驟400，利用總運移減去臺風運移以得到無臺風因素下的常規運移，用常規運移除以該時間段即得到沙波在單位時間內的常規運移速度；

步驟500，根據波譜、二階傳遞函數和常規運移速度即可預測目的年份的沙波剖面；

所述步驟200中利用譜分析方法過程如下：

將沙波分成自由波和束縛波，先獲取沙波不運移狀態下的沙波形狀：

b(x)＝a(x)+βa²(x) (1)

其中a(x)是一系列余弦波的疊加形成的輸入，b(x)是輸出，β是二階傳遞函數；L_i是特征波長；對式(1)兩邊同時做傅里葉變換得：

B(k)是b(x)的傅里葉變換，A(k)是a(x)的傅里葉變換，對上式進行對角項簡化：

變形得到：

B(k)＝H⁽¹⁾(k)A(k)+J⁽²⁾(k)F{a²(x)} (5)

H⁽¹⁾(k)是線性一階傳遞函數，J⁽²⁾(k)是平方二階傳遞函數，F{·}表示傅里葉變換，而F^-1{·}表示逆傅里葉變換；

再加入時間t來獲取沙波運移時海底底床演變的自由波表示：

令H⁽¹⁾(k)＝1，J⁽²⁾(k)＝β(k)，束縛波利用二階傳遞函數β(k)進行描述，將自由波和束縛波疊加得到輸出波形為：

b(x,t)＝a(x,t)+F^-1{β(k)F{a²(x,t)}} (7)

至此，非線性沙波通過自由波a(x)或其傅里葉變換得到的波譜A(k)、自由波的線速度v(k)以及二階傳遞函數β(k)實現描述；

所述步驟200中，通過參數估計得到自由波傅里葉變換得到的波譜、自由波的線速度以及二階傳遞函數的過程如下；

步驟210，將初始波形的譜分為自由波和束縛波，初始迭代時，假定自由波位于譜峰波數附近，而束縛波位于二倍的譜峰波數附近，得到自由波波譜A(k)；

步驟211，通過式(6)和式(7)計算得到初始波形的輸出波形b(x,t)，將實際測量得到的波形圖設為目標圖形z(x,t)，將目標圖形z(x,t)減去輸出波形b(x,t)的差值看成是一系列余弦波的疊加并計算出來，將差值對應得到的波譜疊加到初始波形的波譜A(k)上；

步驟212，得到新的波譜A(k)后，再次計算，又得到新的輸出波形b(x,t)，根據精度需要，反復迭代，直至達到目的后收斂；

得到波譜A(k)、自由波的線速度v(k)以及二階傳遞函數β(k)之后，波譜能量平均速度通過下式計算：

式中U為波譜能量平均速度，v(k)和A(k)分別代表波數為k的自由波對應的速度和頻譜值大小；

計算時段內的沙波總運移L_s＝Ut_t；t_t為初始時刻與末時刻的時間間隔；

所述步驟300中，計算該時間段內單次臺風中合成浪的波高和周期的過程如下：

采用Holland氣壓模型計算臺風風場，描述以臺風中心為起點的任意剖面的氣壓分布，計算為：

式中，r為距離；P為距離臺風中心r處的氣壓；P₀為臺風中心最低氣壓；ΔP＝P_n-P₀為臺風中心氣壓降，P_n為臺風外圍環境氣壓；A和B為臺風形狀參數；

設R_max為最大風速半徑，R_max＝A^1/B，不考慮科氏力，通過地轉風方程得到臺風的風速剖面：

式中，V_r為距離臺風中心r處的臺風環流風速，V_Rmax為環流最大風速；

采用陳奇禮經驗公式先計算涌浪和總浪的波高，根據疊加原理得到風浪的波高，進而求出合成浪的波高及周期：

式中H_r為合成浪波高，T_r為混合浪周期；H_rf為風浪波高，T_rf為風浪周期；H_ru為涌浪波高，T_ru為涌浪周期；

所述步驟300中，計算單次臺風引起的泥沙運移過程如下：

利用Watanabe公式計算單次臺風中一個周期內波浪的凈輸沙率：

式中q_b,net是以體積計的單寬凈輸沙率，d為泥沙粒徑；ω為泥沙沉速，ψ為Shields數，其中臨界Shields數ψ_c＝0.11，τ_bm為底部剪應力最大值，ρ為水的密度，ρ_s為泥沙密度，g為重力加速度，f_w為底部摩擦系數；底部水平軌跡速度最大值H為波浪的波高，T為波浪的周期，k為波數，h為水深；

底部摩擦系數f_w通過與雷諾數和相對糙率的關系式計算，過程如下：

式中雷諾數底部水質點運動振幅k_s為底床粗糙高度，取k_s＝2d₉₀；

再通過Rubin公式即可計算出單次臺風中沙波的運移速率：

式中U_g為沙波運移速率，H_s為沙波高度，γ為沉積物容重，q_s為底沙輸運率。

2.根據權利要求1所述的沙波運移預測方法，其特征在于，

所述步驟400中，獲取常規運移速度V_c的公式如下：

式中，t_t為沙波運移時間，L_s為時段內總運移，L_t為時段內的臺風引起的沙波運移。