一种基于分形技术的浪-流耦合海面演化模拟方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于分形技术的浪?流耦合海面演化模拟方法，将海面表征为一维线性分型海面，不同海况可以通过主波长、幅度和频率尺度因子、粗糙起伏海面波高的标准方差以及分形海面粗糙度系数进行调节。根据浪?流相互作用海浪色散关系，提出了一维线性分形海面与海流耦合后的海面表达式，即分形浪?流耦合演化模型，依此模型可以模拟一维浪?流耦合海面演化场景。本发明不仅体现了海面的周期性和随机性，而且海浪模拟精度高。
【专利说明】
-种基于分形技术的浪-流輔合海面演化模拟方法
技术领域
[0001 ]本发明设及一种模拟海浪-海流禪合海面方法，属于海洋技术领域。
【背景技术】
[0002] 全球大洋洋面充满不同尺度的洋流，成为大洋能量和营养的重要传送纽带。自从 卫星遥感应用W来，海洋环境监测为人类海洋科学研究和海洋经济发展起到了革命性的推 动作用，大范围、全天候海洋环境监测逐步成为现实。对于大洋洋面海流的卫星遥感监测一 直是人们研究的重点和难点，目前有文献：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，公开了 一种零星局限性算法用W反演海面流速，但其还没有直接对海流进行监测的传感器上星， 主要是因为海流遥感反演方法的欠缺。因此，需要对洋流与电磁波相互作用机制进行研究， 建立高精度洋流海面后向电磁散射模型。其中，构建高精度的海流存在洋面模型尤为关键， 即建立浪-流禪合演化模型，文献: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)，公开了一种分型 技术，分型技术是一种高精度海浪模拟方法，既描述了海面的周期性，又包含了随机性。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,公开了一种浪-流相互作用原理。
【发明内容】
[0003] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于分形技术的浪- 流禪合海面演化模拟方法，其不仅体现了海面的周期性和随机性，而且海浪模拟精度高。
[0004] 技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0005] -种基于分形技术的浪-流禪合海面演化模拟方法，包括W下步骤：
[0006] 步骤1，获取需要模拟的海面状态，根据需要模拟的海面状态，确定输入参数值，所 述输入参数值包括海流流速Co、海浪有效波相位(6^?、主波长λo、幅度和频率尺度因子bW及 分形海面粗糖度系数S分别对空间X和时间t的取样值；
[0007] 步骤2,根据步骤1确定的输入参数值，采用浪-流相互作用海浪色散关系建立分形 浪-流禪合演化模型，根据该分形浪-流禪合演化模型即可模拟出浪-流禪合海面演化场景。 [000引所述步骤2中的分形浪-流禪合演化模型为：
[0009]
[0010]其中，C(x，t)表示海表面高度，X表示空间，t表示时间，N为正弦分量数，其取值必 须满足护-护-1含l〇;b是幅度和频率尺度因子，且b〉l，〇为C(x，t)的标准方差，0与有效波高hs
的关系为hs = 4〇， S为粗糖度系数且Ks<2, ωη是第η支海浪分量的 ，. 谐波角频率，角频率ω η和波数kn的深水色散关系关
％重力加速度， kn= K化n，c〇为海流流速，κ〇 = 23?/λ〇为主波波数，λ〇是分形海面主波长，换是第η支海浪的 波相位。
[0011] 有益效果:本发明提供的一种基于分形技术的浪-流禪合海面演化模拟方法，相比 现有技术，具有W下有益效果：
[0012] 本发明不仅体现了海面的周期性和随机性，而且海浪模拟精度高。
【附图说明】
[0013] 图1为不同海流作用于同一分形海面的浪-流禪合海面演化模拟结果。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解运些实例仅用于说明本 发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种 等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0015] -种基于分形技术的浪-流禪合海面演化模拟方法，包括W下步骤：
[0016] 步骤1，获取需要模拟的海面状态，根据需要模拟的海面状态，确定输入参数值，所 述输入参数值包括海流流速Co、海浪有效波相位^、主波长λ〇、幅度和频率尺度因子bW及 分形海面粗糖度系数S分别对空间X和时间t的取样值；
[0017]步骤2,根据步骤1确定的输入参数值，采用浪-流相互作用海浪色散关系建立分形 浪-流禪合演化模型，根据该分形浪-流禪合演化模型即可模拟出浪-流禪合海面演化场景。
[0018] 分形浪-流禪合演化模型为：
[0019]
[0020] 其中，C(x，t)表示海表面高度，X表示空间，t表示时间，N为正弦分量数，其取值必 须满足护-护-1^0;6是幅度和频率尺度因子，且b〉l，如果b为有理数，则ξ(χ，υ为周期性 的，若b为无理数，贝化(x，t)为非周期性的。〇为弓(^，〇的标准方差，0与有效波高hs的关系为
hs = 4〇 S为粗糖度系数且Ks<2,用W度量空间海面图形的粗糖程 .， 度。ωη是第η支海浪分量的谐波角频率，角频率ωη和波数kn的深水色散关系^
g =9.8m · 为重力加速度，kn= K化n，c〇为海流流速，海流流速与海浪传播方向一致是为 正、相反时则为负。K 0 =化/λ〇为主波波数，λ〇是分形海面主波长，热是第η支海浪的波相位。
[0021] 本实施例将海面表征为一维线性分型海面，不同海况可W通过主波长、幅度和频 率尺度因子、粗糖起伏海面波高的标准方差W及分形海面粗糖度系数进行调节。根据浪-流 相互作用海浪色散关系，提出了一维线性分形海面与海流禪合后的海面表达式，即分形浪- 流禪合演化模型，依此模型可W模拟一维浪-流禪合海面演化场景。
[0022] 如图1所示为不同海流作用同一海面的模拟结果，其通过根据用户需要模拟的海 面状态，确定输入参数值，包括海流、海浪有效波高、主波长、幅度和频率尺度因子、分形海 面粗糖度系数，对空间X和时间t离散取样，并将运些参数作为公式（1)的输入，计算出对应 时间点和空间点处的海表面高度Ux，t)所得的图形，该图形即为本方法模拟的浪-流禪合 海面演化场景，其中，（a)受速度为Co = -1.5ms^海流影响的分形海面；（b)受速度为Co = - l.Oms^i海流影响的分形海面；（C)受速度为C〇 = -〇.5ms^i海流影响的分形海面；（d)受速度为 Co = Oms-i海流影响的分形海面；（e)受速度为Co = 0.5ms-i海流影响的非线性分形海面；（f) 受速度为Cq = 1. Oms^海流影响的非线性分形海面；（g)受速度为Cq = 1.5ms^海流影响的非 线性分形海面。
[0023] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于分形技术的浪-流耦合海面演化模拟方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，获取需要模拟的海面状态，根据需要模拟的海面状态，确定输入参数值，所述输 入参数值包括海流流速Co、海浪有效波相位％、主波长λο、幅度和频率尺度因子b以及分形 海面粗糙度系数S分别对空间X和时间t的取样值； 步骤2,根据步骤1确定的输入参数值，采用浪-流相互作用海浪色散关系建立分形浪-流耦合演化模型，根据该分形浪-流耦合演化模型即可模拟出浪-流耦合海面演化场景。2. 根据权利要求1所述的基于分形技术的浪-流耦合海面演化模拟方法，其特征在于： 所述步骤2中的分形浪-流耦合演化模型为：其中，l(x，t)表示海表面高度，X表示空间，t表示时间，N为正弦分量数，其取值必须满 足#-1^12 10;13是幅度和频率尺度因子，且13>1，〇为|(^〇的标准方差，〇与有效波高1 18的关系为hs = 4〇 s为粗糙度系数且l〈s〈2, ωη是第η支海浪分量的谐波 ?角频率，角频率ωη和波数kn的深水色散关系为 g = 9.8m · 为重力加速度，kn = 9 κ 〇bn，Co为海流流速，κ 〇 = 2π/λο为主波波数，λο是分形海面主波长，死是第n支海浪的波相 位。
【文档编号】G06F19/00GK105825069SQ201610201750
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】谢涛, 何宜军
【申请人】南京信息工程大学