一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法与流程

1.本技术涉及多岛近岸海域台风浪动力研究技术领域，尤其涉及一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法，适用于复杂多岛近岸海域台风浪动力参数计算。


背景技术：

2.近岸海域是人类海洋活动主要区域，尤其是多岛海域，为人类活动提供了优良岸线和丰富资源。波浪动力研究是港口、水利、水运、海洋等工程实施过程中重要的动力参数主要动力之一，灾害性台风浪对沿海生活和生产具有巨大破坏作用，多岛海域台风浪动力参数计算具有重要现实意义。
3.一般认为开敞海域波浪向近岸传播过程中，波浪周期不变；而海湾和河口段则认为是风生浪，根据波高和周期关系进行计算。多岛近岸海域则介于开敞海域和海湾之间，波浪从外海向近岸传播，是由风浪和涌浪组成的混合浪，因受岛礁遮挡长周期涌浪成分逐渐衰减，风浪成分逐渐增加，采用以往方法计算的结果基本不太理想。多岛海域，岛礁岸线复杂，岛礁对波浪具有一定的遮掩作用，目前针对多岛海域台风浪计算一般采用数学模型，前期需要将地形岸线完全数字化，然后进行计算，过程较为复杂和繁琐，需要大量前期准备工作。
4.针对多岛近岸海域台风浪计算问题，有必要采取快捷简单的方法，提高台风浪动力参数计算的准确性和便捷性。


技术实现要素：

5.针对现有技术在对多岛近岸海域台风浪动力参数计算时，存在计算结果不准确，计算前期准备过程复杂和准备时间长等问题，本技术提供了一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法，通过岛礁影响系数来计算多岛近岸海域中波浪周期和波高，克服了传统多岛海域周期和波高计算误差大的问题；通过将岛礁影响系数与周期衰减和波浪摩阻系数建立关系式，将岛屿影响考虑到波浪参数的计算过程中，提高了多岛海域台风浪参数准确性；通过平均周期上下限取值方法来估算平均周期可能出现的范围，优于现有技术只采用单一平均周期，且本技术的技术方案与现有技术相比，计算前期准备过程较为简单，准备时间也相对较短。
6.为了解决上述技术问题，本技术提供一种技术方案。
7.具体的，本技术提供了一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法，包括以下步骤：
8.s1：获得多岛近岸海域特征点附近水下高程、岛礁岸线、底质及外海开阔海域海洋站波浪参数；
9.s2：根据岛礁岸线和等深线数据，计算岛礁影响系数ki；
10.s3：根据岛礁影响系数和外海海洋站波浪周期，计算多岛近岸海域特征点平均周期；
11.s4：根据岛礁影响系数，计算岛礁波浪摩阻系数；
12.s5：采用岛礁影响下的特征点平均周期和岛礁波浪摩阻系数，计算多岛海域波浪传播变形，获得特征点有效波高；
13.s6：根据有效波高，计算平均周期的上、下限；
14.s7：根据有效波高和水深进行不同累积频率波高换算，针对累积频率波高进行破碎波高判别。
15.优选地，波浪参数包括有效波高、周期和波向。
16.优选地，步骤s2中的岛礁影响系数ki的具体计算方法包括以下步骤：
17.s21：根据外海海洋站波向和等深线数据，计算无岛礁时波浪传播长度s0；
18.s22：根据外海海洋站波向、岛礁岸线和等深线数据，计算岛礁影响下的波浪等效传播长度si；
19.s23：根据步骤s21得到的无岛礁时波浪传播长度s0和步骤s22得到的岛礁影响下的波浪等效传播长度si，计算岛礁影响系数ki，具体公式如下：
20.ki＝si/s021.式中，ki为岛礁影响系数，si为岛礁影响下的波浪等效传播长度，s0为无岛礁时波浪传播长度。
22.优选地，步骤s21中计算无岛礁时波浪传播长度s0的公式如下：
[0023][0024]
式中，sn为主浪向两侧各45
°
范围内，每隔7.5
°
由特征点所划分到等深线的射线长度，αn为射线与波向的夹角。
[0025]
优选地，步骤s22中计算岛礁影响下的波浪等效传播长度si的公式如下：
[0026][0027]
式中，sn为主浪向两侧各45
°
范围内，每隔7.5
°
由特征点所划分到岛礁岸线或等深线的射线长度，αn为射线与波向的夹角。
[0028]
优选地，步骤s3中的计算多岛近岸海域特征点平均周期的公式具体如下：
[0029]
t
内
＝(2.5ln(ki)+1)
×
t
外
[0030]
式中，t
外
为外海海洋站平均周期；t
内
为多岛近岸海域特征点平均周期。
[0031]
优选地，步骤s4中的计算岛礁波浪摩阻系数的公式具体如下：
[0032][0033]
式中，c
b0
为开敞海域波浪摩阻系数，根据底质情况取值，淤泥质海岸为0.051m2/s3，砂质海岸为0.10m2/s3。
[0034]
优选地，步骤s5中的获得特征点有效波高的方法包括以下步骤：
[0035]
s51：将外海等深线至特征点不同水深分段；
[0036]
s52：利用t
内
，计算每段端点处的波长l；
[0037]
s53：通过公式51计算每段端点处的波能流ecaj，公式51如下：
[0038][0039]
式中，ρ为海水密度；g为重力加速度；j为起始标志，j＝01为海侧端，j＝02为陆侧端；dj为水深；lj为波长；
[0040]
s54：针对每段，将公式51带入公式52，通过迭代公式52计算出陆侧段h
02
，继而获得特征点处有效波高，公式52如下：
[0041][0042]
式中，ρ为海水密度；g为重力加速度；eca
01
为海侧端波能流；eca
02
为陆侧端平均波高；h
01
为海侧端波能流；h
02
为陆侧端平均波高；d
01
为海侧端水深；d
02
为陆侧端水深；t
01
为海侧端平均周期；t
02
为陆侧端平均周期。
[0043]
优选地，步骤s6中的平均周期上限的计算公式如下：
[0044][0045]
式中，h为有效波高。
[0046]
优选地，步骤s6中的平均周期下限的计算公式如下：
[0047][0048]
式中，h为有效波高。
[0049]
本技术具有如下有益效果：(1)本技术实施例通过多岛近岸海域台风浪参数快速计算方法，克服现有技术在多岛近岸海域波浪参数数值计算前期准备过程复杂和准备时间长等问题，通过本技术的计算方法能够较准确和便捷计算出多岛海域台风浪参数，为多岛近岸海域相关涉海工程建设快速提供参考；(2)本技术实施例通过岛礁影响系数来计算多岛近岸海域中波浪周期和波高，克服了现有技术在多岛海域周期和波高计算误差大的问题，通过将岛礁影响系数与周期衰减和波浪摩阻系数建立关系式，将岛屿影响考虑到波浪参数的计算过程中，提高了多岛海域台风浪参数准确性；(3)本技术实施例提出的平均周期上下限取值方法来估算平均周期可能出现的范围，解决了现有技术中只采用单一平均周期来作为工程设计依据，通过平均周期上下限方法能够更加贴近现实海况中波高和周期联合分布规律，提高了涉海工程安全性。
附图说明
[0050]
构成本技术的一部分的附图用于来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
[0051]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他
的附图。
[0052]
图1是本技术实施例的一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法的流程示意图；
[0053]
图2是本技术实施例的一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法的波浪等效传播距离计算示意图；
[0054]
图3是本技术实施例的多岛近岸海域外海海洋站和近岸站计算位置示意图；
[0055]
图4是本技术实施例的多岛近岸海域计算台风浪周期和实测值对比图；
[0056]
图5是本技术实施例的多岛近岸海域计算台风浪波高和实测值对比图。
具体实施方式
[0057]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0058]
在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0059]
在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0060]
请参阅图1-2，本技术的一个较佳实施例，一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法，包括以下步骤：
[0061]
s1：获得多岛近岸海域特征点附近水下高程、岛礁岸线、底质及外海开阔海域海洋站波浪参数；波浪参数包括有效波高、周期和波向。
[0062]
s2：根据岛礁岸线和等深线数据，计算岛礁影响系数，具体计算方法包括以下步骤：
[0063]
s21：根据外海海洋站波向和等深线数据，计算无岛礁时波浪传播长度s0，具体公式如下：
[0064][0065]
式中，sn为主浪向两侧各45
°
范围内，每隔7.5
°
由特征点所划分到等深线的射线长度，αn为射线与波向的夹角。
[0066]
s22：根据外海海洋站波向、岛礁岸线和等深线数据，计算岛礁影响下的波浪等效传播长度si，具体公式如下：
[0067][0068]
式中，sn为主浪向两侧各45
°
范围内，每隔7.5
°
由特征点所划分到岛礁岸线或等深线的射线长度，αn为射线与波向的夹角；
[0069]
s23：根据步骤s21得到的无岛礁时波浪传播长度s0和步骤s22得到的岛礁影响下的波浪等效传播长度si，计算岛礁影响系数ki，具体公式如下：
[0070]ki
＝si/s0[0071]
式中，ki为岛礁影响系数，si为岛礁影响下的波浪等效传播长度，s0为无岛礁时波浪传播长度。
[0072]
s3：根据岛礁影响系数和外海海洋站波浪周期，计算多岛近岸海域特征点平均周期，具体公式如下：
[0073]
t
内
＝(2.5ln(ki)+1)
×
t
外
[0074]
式中，t
外
为外海海洋站平均周期；t
内
为多岛近岸海域特征点平均周期。
[0075]
s4：根据岛礁影响系数，计算岛礁波浪摩阻系数，具体公式如下：
[0076][0077]
式中，c
b0
为开敞海域波浪摩阻系数，根据底质情况取值，淤泥质海岸为0.051m2/s3，砂质海岸为0.10m2/s3。
[0078]
s5：采用岛礁影响下的特征点平均周期和岛礁波浪摩阻系数，计算多岛海域波浪传播变形，获得特征点有效波高；具体获得特征点有效波高的方法包括以下步骤：
[0079]
s51：将外海等深线至特征点不同水深分段；
[0080]
s52：利用t
内
，根据波浪弥散关系，计算每段端点处的波长l；
[0081]
s53：通过公式51计算每段端点处的波能流ecaj，公式51如下：
[0082][0083]
式中，ρ为海水密度；g为重力加速度；j为起始标志，j＝01为海侧端，j＝02为陆侧端；dj为水深；lj为波长；
[0084]
s54：针对每段，将公式51带入公式52，通过迭代公式52计算出陆侧段h
02
，继而获得特征点处有效波高，公式52如下：
[0085][0086]
式中，ρ为海水密度；g为重力加速度；eca
01
为海侧端波能流；eca
02
为陆侧端平均波高；h
01
为海侧端波能流；h
02
为陆侧端平均波高；d
01
为海侧端水深；d
02
为陆侧端水深；t
01
为海侧端平均周期；t
02
为陆侧端平均周期。
[0087]
s6：根据有效波高，计算平均周期的上、下限；其中平均周期上限的计算公式如下：
[0088]
[0089]
平均周期下限的计算公式如下：
[0090][0091]
式中，h为有效波高。
[0092]
s7：根据有效波高和水深进行不同累积频率波高换算，针对累积频率波高进行破碎波高判别。
[0093]
实施例1
[0094]
长江口和浙东海域为我国台风灾害高发海域。1949年至2022年期间，共有10场台风登陆上海，共有48场台风登陆浙江，该海域主要受台风影响时段集中在7～10月。长江口和浙东近岸海域岛屿众多，约占全国海岛总数的1/2。根据我国第二次全国海域地名普查结果，上海共有26个海岛，浙江共有海岛4350个，海岛整体空间分布相对集中，呈群岛、列岛形式展布，且多分布于近岸浅海区。
[0095]
以长江口和浙东近岸海域台风浪计算为例，利用浙北舟山群岛外海侧-30m处嵊山海洋站、浙中海域-20m处大陈海洋站和浙南海域-20m处南麂海洋站等的最大台风浪参数作为外海边界条件，采用本技术技术方案计算图3中14处多岛近岸海域观测站的同期最大台风浪参数，计算结果见表1。
[0096]
表1台风期多岛近岸海域台风浪参数实测情况和计算结果
[0097]
[0098]
[0099][0100]
将通过本技术技术方案计算得到的计算结果和14处多岛近岸海域观测站的实际观测资料进行对比，台风浪周期对比结果见图4，台风浪波高对比结果见图5，从图中可知多岛近岸海域台风浪周期和波高计算结果和实测结果整体吻合度较高，基本误差在20％以内，说明本技术技术方案具有很好的可行性。
[0101]
本技术方案的工作原理为：通过多岛近岸海域台风浪参数快速计算方法，克服现有技术在多岛近岸海域波浪参数数值计算前期准备过程复杂和准备时间长等问题，通过本技术的计算方法能够较准确和便捷计算出多岛海域台风浪参数，为多岛近岸海域相关涉海工程建设快速提供参考；通过岛礁影响系数来计算多岛近岸海域中波浪周期和波高，克服了现有技术在多岛海域周期和波高计算误差大的问题，通过将岛礁影响系数与周期衰减和波浪摩阻系数建立关系式，将岛屿影响考虑到波浪参数的计算过程中，提高了多岛海域台风浪参数准确性；通过提出的平均周期上下限取值方法来估算平均周期可能出现的范围，
解决了现有技术中只采用单一平均周期来作为工程设计依据，通过平均周期上下限方法能够更加贴近现实海况中波高和周期联合分布规律，提高了涉海工程安全性。
[0102]
以上，仅为本技术较佳的具体实施方式；但本技术的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，根据本技术的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本技术的保护范围内。

技术特征：
1.一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：获得多岛近岸海域特征点附近水下高程、岛礁岸线、底质及外海开阔海域海洋站波浪参数；s2：根据岛礁岸线和等深线数据，计算岛礁影响系数k
i
；s3：根据岛礁影响系数和外海海洋站波浪周期，计算多岛近岸海域特征点平均周期；s4：根据岛礁影响系数，计算岛礁波浪摩阻系数；s5：采用岛礁影响下的特征点平均周期和岛礁波浪摩阻系数，计算多岛海域波浪传播变形，获得特征点有效波高；s6：根据有效波高，计算平均周期的上、下限；s7：根据有效波高和水深进行不同累积频率波高换算，针对累积频率波高进行破碎波高判别。2.根据权利要求1所述的一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法，其特征在于，所述波浪参数包括有效波高、周期和波向。3.根据权利要求1或2所述的一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法，其特征在于，步骤s2中的岛礁影响系数k
i
的具体计算方法包括以下步骤：s21：根据外海海洋站波向和等深线数据，计算无岛礁时波浪传播长度s0；s22：根据外海海洋站波向、岛礁岸线和等深线数据，计算岛礁影响下的波浪等效传播长度s
i
；s23：根据步骤s21得到的无岛礁时波浪传播长度s0和步骤s22得到的岛礁影响下的波浪等效传播长度s
i
，计算岛礁影响系数k
i
，具体公式如下：k
i
＝s
i
/s0式中，k
i
为岛礁影响系数，s
i
为岛礁影响下的波浪等效传播长度，s0为无岛礁时波浪传播长度。4.根据权利要求3所述的一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法，其特征在于，所述步骤s21中计算无岛礁时波浪传播长度s0的公式如下：s0＝s
n
cos2α
n
/cosα
n
式中，s
n
为主浪向两侧各45
°
范围内，每隔7.5
°
由特征点所划分到等深线的射线长度，α
n
为射线与波向的夹角。5.根据权利要求4所述的一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法，其特征在于，所述步骤s22中计算岛礁影响下的波浪等效传播长度s
i
的公式如下：s
i
＝∑s
n
cos2α
n
/∑cosα
n
式中，s
n
为主浪向两侧各45
°
范围内，每隔7.5
°
由特征点所划分到岛礁岸线或等深线的射线长度，α
n
为射线与波向的夹角。6.根据权利要求1所述的一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法，其特征在于，步骤s3中的计算多岛近岸海域特征点平均周期的公式具体如下：t
内
＝(2.5ln(k
i
)+1)
×
t
外
式中，t
外
为外海海洋站平均周期；t
内
为多岛近岸海域特征点平均周期。7.根据权利要求1所述的一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法，其特征在于，步骤s4中的计算岛礁波浪摩阻系数的公式具体如下：
式中，c
b0
为开敞海域波浪摩阻系数，根据底质情况取值，淤泥质海岸为0.051m2/s3，砂质海岸为0.10m2/s3。8.根据权利要求7所述的一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法，其特征在于，步骤s5中的获得特征点有效波高的方法包括以下步骤：s51：将外海等深线至特征点不同水深分段；s52：利用t
内
，计算每段端点处的波长l；s53：通过公式51计算每段端点处的波能流eca
j
，所述公式51如下：式中，ρ为海水密度；g为重力加速度；j为始末标志，j＝01为海侧端，j＝02为陆侧端；d
j
为水深；l
j
为波长；s54：针对每段，将所述公式51带入公式52，通过迭代所述公式52计算出陆侧段h
02
，继而获得特征点处有效波高，所述公式52如下：式中，ρ为海水密度；g为重力加速度；eca
01
为海侧端波能流；eca
02
为陆侧端平均波高；h
01
为海侧端波能流；h
02
为陆侧端平均波高；d
01
为海侧端水深；d
02
为陆侧端水深；t
01
为海侧端平均周期；t
02
为陆侧端平均周期。9.根据权利要求1所述的一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法，其特征在于，步骤s6中的平均周期上限的计算公式如下：式中，h为有效波高。10.根据权利要求9所述的一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法，其特征在于，所述步骤s6中的平均周期下限的计算公式如下：式中，h为有效波高。

技术总结
本申请公开了一种多岛近岸海域台风浪动力参数计算方法，包括以下步骤：S1：获得多岛近岸海域特征点附近水下高程、岛礁岸线、底质及外海开阔海域海洋站波浪参数；S2：根据岛礁岸线和等深线数据，计算岛礁影响系数；S3：根据岛礁影响系数和外海海洋站波浪周期，计算多岛近岸海域特征点平均周期；S4：根据岛礁影响系数，计算岛礁波浪摩阻系数；S5：根据岛礁影响下的平均周期和波浪底摩阻系数，计算多岛海域波浪传播变形，获得特征点有效波高；S6：根据有效波高，计算平均周期的上、下限；S7：针对累积频率波高进行破碎波高判别。本申请通过岛礁影响系数来计算多岛近岸海域中波浪周期和波高，提高了多岛海域台风浪参数准确性，技术方案快捷简单。单。单。


技术研发人员：董伟良 谢东风 黄君宝 邵杰 姚文伟 黄世昌 修海峰 王永举 张广之
受保护的技术使用者：浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院）
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/10/8