一種基于分形技術的浪-流耦合海面演化模擬方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于分形技術的浪?流耦合海面演化模擬方法，將海面表征為一維線性分型海面，不同海況可以通過主波長、幅度和頻率尺度因子、粗糙起伏海面波高的標準方差以及分形海面粗糙度系數進行調節。根據浪?流相互作用海浪色散關系，提出了一維線性分形海面與海流耦合后的海面表達式，即分形浪?流耦合演化模型，依此模型可以模擬一維浪?流耦合海面演化場景。本發明不僅體現了海面的周期性和隨機性，而且海浪模擬精度高。
【專利說明】
-種基于分形技術的浪-流輔合海面演化模擬方法
技術領域
[0001 ]本發明設及一種模擬海浪-海流禪合海面方法，屬于海洋技術領域。
【背景技術】
[0002] 全球大洋洋面充滿不同尺度的洋流，成為大洋能量和營養的重要傳送紐帶。自從 衛星遙感應用W來，海洋環境監測為人類海洋科學研究和海洋經濟發展起到了革命性的推 動作用，大范圍、全天候海洋環境監測逐步成為現實。對于大洋洋面海流的衛星遙感監測一 直是人們研究的重點和難點，目前有文獻：Maged Mar曲any (2011),Developing robust model for retrieving sea surfacecurrent from RADARSAT-ISAR satellite data International, Journal of the Physical Sciences Vol. 6 ,No. 29 ,p: 6630-6637，公開了 一種零星局限性算法用W反演海面流速，但其還沒有直接對海流進行監測的傳感器上星， 主要是因為海流遙感反演方法的欠缺。因此，需要對洋流與電磁波相互作用機制進行研究， 建立高精度洋流海面后向電磁散射模型。其中，構建高精度的海流存在洋面模型尤為關鍵， 即建立浪-流禪合演化模型，文獻:Xie化〇,611日11曲ui Zou,William Perrie,化ilan Kuang and Wei Chen(2010),A two scale nonlinear fractal sea surface model in a one dimensional de邱 sea,化inese Physics B. Vol. 19,No. 5,059201(1-6)，公開了一種分型 技術，分型技術是一種高精度海浪模擬方法，既描述了海面的周期性，又包含了隨機性。文 南犬：RyuS.and LynettP.J.2003,Fully nonlinear wave-current interactions and kinematicsby a BEM-based numerical wave tank,Computational Mechanics 32 336-346，D0I 10.1007/s00466-003-0491-7,公開了一種浪-流相互作用原理。
【發明內容】
[0003] 發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種基于分形技術的浪- 流禪合海面演化模擬方法，其不僅體現了海面的周期性和隨機性，而且海浪模擬精度高。
[0004] 技術方案:為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
[0005] -種基于分形技術的浪-流禪合海面演化模擬方法，包括W下步驟：
[0006] 步驟1，獲取需要模擬的海面狀態，根據需要模擬的海面狀態，確定輸入參數值，所 述輸入參數值包括海流流速Co、海浪有效波相位(6^?、主波長λo、幅度和頻率尺度因子bW及 分形海面粗糖度系數S分別對空間X和時間t的取樣值；
[0007] 步驟2,根據步驟1確定的輸入參數值，采用浪-流相互作用海浪色散關系建立分形 浪-流禪合演化模型，根據該分形浪-流禪合演化模型即可模擬出浪-流禪合海面演化場景。 [000引所述步驟2中的分形浪-流禪合演化模型為：
[0009]
[0010]其中，C(x，t)表示海表面高度，X表示空間，t表示時間，N為正弦分量數，其取值必 須滿足護-護-1含l〇;b是幅度和頻率尺度因子，且b〉l，〇為C(x，t)的標準方差，0與有效波高hs
的關系為hs = 4〇， S為粗糖度系數且Ks<2, ωη是第η支海浪分量的 ，. 諧波角頻率，角頻率ω η和波數kn的深水色散關系關
％重力加速度， kn= K化n，c〇為海流流速，κ〇 = 23?/λ〇為主波波數，λ〇是分形海面主波長，換是第η支海浪的 波相位。
[0011] 有益效果:本發明提供的一種基于分形技術的浪-流禪合海面演化模擬方法，相比 現有技術，具有W下有益效果：
[0012] 本發明不僅體現了海面的周期性和隨機性，而且海浪模擬精度高。
【附圖說明】
[0013] 圖1為不同海流作用于同一分形海面的浪-流禪合海面演化模擬結果。
【具體實施方式】
[0014] 下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解運些實例僅用于說明本 發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種 等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0015] -種基于分形技術的浪-流禪合海面演化模擬方法，包括W下步驟：
[0016] 步驟1，獲取需要模擬的海面狀態，根據需要模擬的海面狀態，確定輸入參數值，所 述輸入參數值包括海流流速Co、海浪有效波相位^、主波長λ〇、幅度和頻率尺度因子bW及 分形海面粗糖度系數S分別對空間X和時間t的取樣值；
[0017]步驟2,根據步驟1確定的輸入參數值，采用浪-流相互作用海浪色散關系建立分形 浪-流禪合演化模型，根據該分形浪-流禪合演化模型即可模擬出浪-流禪合海面演化場景。
[0018] 分形浪-流禪合演化模型為：
[0019]
[0020] 其中，C(x，t)表示海表面高度，X表示空間，t表示時間，N為正弦分量數，其取值必 須滿足護-護-1^0;6是幅度和頻率尺度因子，且b〉l，如果b為有理數，則ξ(χ，υ為周期性 的，若b為無理數，貝化(x，t)為非周期性的。〇為弓(^，〇的標準方差，0與有效波高hs的關系為
hs = 4〇 S為粗糖度系數且Ks<2,用W度量空間海面圖形的粗糖程 .， 度。ωη是第η支海浪分量的諧波角頻率，角頻率ωη和波數kn的深水色散關系^
g =9.8m · 為重力加速度，kn= K化n，c〇為海流流速，海流流速與海浪傳播方向一致是為 正、相反時則為負。K 0 =化/λ〇為主波波數，λ〇是分形海面主波長，熱是第η支海浪的波相位。
[0021] 本實施例將海面表征為一維線性分型海面，不同海況可W通過主波長、幅度和頻 率尺度因子、粗糖起伏海面波高的標準方差W及分形海面粗糖度系數進行調節。根據浪-流 相互作用海浪色散關系，提出了一維線性分形海面與海流禪合后的海面表達式，即分形浪- 流禪合演化模型，依此模型可W模擬一維浪-流禪合海面演化場景。
[0022] 如圖1所示為不同海流作用同一海面的模擬結果，其通過根據用戶需要模擬的海 面狀態，確定輸入參數值，包括海流、海浪有效波高、主波長、幅度和頻率尺度因子、分形海 面粗糖度系數，對空間X和時間t離散取樣，并將運些參數作為公式（1)的輸入，計算出對應 時間點和空間點處的海表面高度Ux，t)所得的圖形，該圖形即為本方法模擬的浪-流禪合 海面演化場景，其中，（a)受速度為Co = -1.5ms^海流影響的分形海面；（b)受速度為Co = - l.Oms^i海流影響的分形海面；（C)受速度為C〇 = -〇.5ms^i海流影響的分形海面；（d)受速度為 Co = Oms-i海流影響的分形海面；（e)受速度為Co = 0.5ms-i海流影響的非線性分形海面；（f) 受速度為Cq = 1. Oms^海流影響的非線性分形海面；（g)受速度為Cq = 1.5ms^海流影響的非 線性分形海面。
[0023] W上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可W做出若干改進和潤飾，運些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于分形技術的浪-流耦合海面演化模擬方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，獲取需要模擬的海面狀態，根據需要模擬的海面狀態，確定輸入參數值，所述輸 入參數值包括海流流速Co、海浪有效波相位％、主波長λο、幅度和頻率尺度因子b以及分形 海面粗糙度系數S分別對空間X和時間t的取樣值； 步驟2,根據步驟1確定的輸入參數值，采用浪-流相互作用海浪色散關系建立分形浪-流耦合演化模型，根據該分形浪-流耦合演化模型即可模擬出浪-流耦合海面演化場景。2. 根據權利要求1所述的基于分形技術的浪-流耦合海面演化模擬方法，其特征在于： 所述步驟2中的分形浪-流耦合演化模型為：其中，l(x，t)表示海表面高度，X表示空間，t表示時間，N為正弦分量數，其取值必須滿 足#-1^12 10;13是幅度和頻率尺度因子，且13>1，〇為|(^〇的標準方差，〇與有效波高1 18的關系為hs = 4〇 s為粗糙度系數且l〈s〈2, ωη是第η支海浪分量的諧波 ?角頻率，角頻率ωη和波數kn的深水色散關系為 g = 9.8m · 為重力加速度，kn = 9 κ 〇bn，Co為海流流速，κ 〇 = 2π/λο為主波波數，λο是分形海面主波長，死是第n支海浪的波相 位。
【文檔編號】G06F19/00GK105825069SQ201610201750
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月31日
【發明人】謝濤, 何宜軍
【申請人】南京信息工程大學