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申请/专利权人：青岛哈尔滨工程大学创新发展中心;哈尔滨工程大学

摘要：本发明属于海洋环境数据计算技术领域，公开了一种面向典型海域的海浪模式数值调优方法及系统。该方法通过对计算策略、参数方案、计算精度的依次分析，给出海浪模式调优方法，高效准确的完成对实海域海浪环境的计算，为海洋资源开发提供理论和数据支撑。本发明给出一套针对海浪模式的计算调优策略，从计算策略、源项方案、计算精度三个方面综合分析模式计算结果，并给出整个海浪模式的调优方法，使得复杂的计算调优过程显得有力有序，有章可循。尤其针对有长时间模拟需求的数值计算，该方法能够大量节省计算调优时间，提高计算精度以及计算效率。

主权项：1.一种面向典型海域的海浪模式数值调优方法，其特征在于，该方法包括：S1，海浪模式计算策略分析；结合目标海域的海域特征，对计算海域进行初步分析并设定，进行模式边界场、强迫场、海浪计算过程策略分析，实现对模式外部海域波浪传输、风流强迫、计算网格、时间离散环节进行设置及优化；S2，海浪模式参数方案优化分析；在确定海浪模式计算策略的基础上，对模式计算过程中的参数源项方案进行设置优化，根据海域特点判断不同参数方案的影响，通过源项重要性分析、源项计算方案分析及源项方案参数分析，筛选形成适用于目标海域的最优参数化方案计算策略；S3，海浪模式计算精度分析；利用海域内浮标实测数据对数值模式计算结果进行精度验证，包括实海观测数据预处理、模式模拟精度评估及模式模拟结果评估；在步骤S1中，进行模式边界场分析，包括：以设定的计算海域作为边界场，策略分析中的最小计算海域，通过不断扩大边界的方式设定待计算海域的外嵌套域，具体海域设计过程表达式为： 式中，lata1，lona1分别为第a层嵌套域的下边界及左边界经纬度，lata2，lona2分别为第a层嵌套域的上边界及右边界的经纬度，latmin，lonmin分别为待计算海域下边界及左边界的经纬度，latmax，lonmax分别为待计算海域上边界及右边界的经纬度，a为外嵌套域序号；在步骤S1中，进行强迫场分析，包括：以单独风场、单独流场、风场流场混合作用、风场潮汐场混合作用、流场潮汐场混合作用、风场流场潮汐场混合作用多方案对海域内浪场进行计算，在单独风场计算策略下，计算海域内浪场时只考虑风场对海浪的影响，首先根据风场数据计算出风场的作用，然后使用海浪数值模式来模拟风场引起的海浪生成和传播过程，得到相应的浪高、波长参数；海浪数值模式计算源项公式为：S＝Sln+Sin+Snl+Sds+Sbot+Sdb+Str+Sac+Sice+Sref+Sxx式中，S为海浪数值，Sln为线性输入项，Sin为风能输入项，Snl为非线性波-波相互作用，Sds为耗散项，Sbot为波-底相互作用，Sdb为波浪破碎，Str为三波波-波相互作用，Sac为色散项，Sice为波冰相互作用，Sref为反射项，Sxx为自定义源项；在步骤S1中，进行海浪计算过程策略分析，包括：通过将实际海浪的生成过程以物理公式的方式反映实际海浪生成及消亡过程，并通过数值离散方式进行计算；在数值离散方式进行计算中，进行空间及时间离散方式的选取；空间离散方式选取中，设置方向数分别为5，10，15，20；频率数自20起，逐步增加至40；通过对单独风场、单独流场、风场流场混合作用、风场潮汐场混合作用、流场潮汐场混合作用、风场流场潮汐场混合作用多方案的结果对比完成收敛性分析，确定计算过程中的空间离散方式；时间离散方式选取中，各时间具体计算步长如下： DTXY≈90％TcflDTMAX≈3×DTXYDTKTH≈DTMAX2，无流速或流速较小DTKTH≈DTMAX10，强流速DTMIN＝10式中，Tcfl为cfl时间，DXY为网格间距离，G为重力加速度，FREQ1为起始频率，DTXY为x、y方向传播的最大CFL时间步长，DTMAX为最大全局时间步长，DTKTH为k、θ方向传播的最大CFL时间步长，DTMIN为最小源项时间步长；在步骤S2中，源项重要性分析，包括：以所有源项共同作用作为海浪数值计算的对照实验，对源项逐步进行删减；设置第一组实验为排除风能输入项Sin的影响；第二组实验为排除非线性波-波相互作用Snl的影响；第三组实验为排除耗散项Sds的影响，以此类推，直至考虑所有源项的影响；最终，以对照实验为基础，对单独风场、单独流场、风场流场混合作用、风场潮汐场混合作用、流场潮汐场混合作用、风场流场潮汐场混合作用多方案结果进行对比及分析，各方案下计算结果与对照实验偏差大的为重要源项，并根据各方案偏差情况对源项重要性进行排序；至此完成针对海浪数值模式的源项重要性分析；在步骤S2中，源项计算方案分析，包括：波浪在深水或浅水条件下主要影响源项的计算方案，非线性波-波相互作用Snl的计算方案包含：DIA，WRT，GMD，TSA和FBI及非线性滤波5种方案；风能输入项Sin及耗散项Sds的计算方案包含：WAMcycle3，TolmanandChalikov1996，WAMcycle4，Ardhuinetal.2010及Rogersetal.2012和Ziegeretal.2015共5种方案；波-底相互作用Sbot的计算方案包含：JONSWAP底部摩擦及SHOWEX底部摩擦2种方案；JONSWAP底部摩擦计算方法如下： 式中，Sbotk，θ为波底相互作用，Γ为经验常数，n相速度与群速度之比，g为重力加速度，d为平均水深，Nk，θ为谱，k为波数，θ为方向；SHOWEX底部摩擦计算方法如下： 式中，fe为耗散因子，ub为底部速度，a为频率；在步骤S2中，源项方案参数分析，包括：针对耗散项Sds，计算时待设参数包含白帽耗散率系数cds2与波陡值stpm，两参数默认取值cds2＝2.36×10-5，stpm＝3.02×10-3；进行源项方案参数分析实现对待计算海域最优参数进行选取；具体筛选如下：x＝x0±x0×10％×Num式中，x为源项中的某具体参数，x0为该参数默认取值，Num为计算次数；得到cds2及stpm第一次取值分别为2.124×10-5或2.596×10-5及2.718×10-3或3.322×10-3；基于上式对海浪计算过程中多源项的方案参数进行筛选，形成最优参数选取策略。

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