專利名稱：結(jié)合統(tǒng)計(jì)模型與動(dòng)力模型的乘潮水位預(yù)報(bào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海洋科學(xué)與海洋工程領(lǐng)域，具體地說，是海港或海上乘潮水位的預(yù)報(bào)方法。
背景技術(shù)：
我國自改革開放之后，進(jìn)出口貿(mào)易快速增加。特別是21世紀(jì)以來，船舶的進(jìn)出港壓力愈加凸顯。另一方面，由于全球氣候變化所帶來的具體天氣異常情況越來越多，港口和航道區(qū)域也不例外，其中由于氣象與外海信號(hào)等因素造成的增減水為港口和航道的通航安全提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。乘潮水位是指在一定時(shí)間間隔且可用以通航的某一高潮水位，在海港工程的設(shè)計(jì)以及航道的選取時(shí)常常要求參考此值。雖然這個(gè)值多是出現(xiàn)在高潮前后，但因?yàn)橹T多如天氣等不確定的因素，科學(xué)地掌握它仍然需要進(jìn)行若干復(fù)雜的計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)，否則就可能因?yàn)橥ê剿辉O(shè)計(jì)過淺而影響通航能力，或者由于疏浚過深而帶來較大的浪費(fèi)。 更重要的是，對(duì)乘潮水位掌握不準(zhǔn)會(huì)影響船舶通航的調(diào)度，并在異常情況下帶來諸多的不安全因素。因此，準(zhǔn)確的掌握乘潮水位在船舶運(yùn)輸、港口工程等諸多方面有著重要的實(shí)用價(jià)值，尤其是在水深較淺和潮差較大的港口與航道，其作用更加顯而易見。但目前由于氣候異常事件日漸增多，傳統(tǒng)的乘潮水位估計(jì)方法的準(zhǔn)確性和及時(shí)性已無法滿足當(dāng)前對(duì)乘潮水位預(yù)報(bào)的需求。主要原因在于一方面經(jīng)驗(yàn)方法所基于的物理基礎(chǔ)較為薄弱，難以準(zhǔn)確了解大區(qū)域天氣和海洋環(huán)境的變化對(duì)當(dāng)?shù)爻顺彼坏挠绊?，而另一方面，純?dòng)力學(xué)數(shù)值模型的計(jì)算受當(dāng)今動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)研究的限制，在短時(shí)間內(nèi)尚不能替代經(jīng)驗(yàn)公式估算的準(zhǔn)確性。因此，有機(jī)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法與動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算方法的優(yōu)勢，在各種時(shí)間尺度上給出乘潮水位更為準(zhǔn)確和及時(shí)的預(yù)報(bào)，不僅可以為保護(hù)我國近海港口的運(yùn)行效率提供技術(shù)支持，同時(shí)也將促進(jìn)我國航運(yùn)事業(yè)的安全發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在各種時(shí)間尺度上準(zhǔn)確和及時(shí)地預(yù)報(bào)乘潮水位的方法。本發(fā)明提供的乘潮水位預(yù)報(bào)方法，有機(jī)的耦合氣象與潮位的監(jiān)測數(shù)據(jù)、潮位值的統(tǒng)計(jì)預(yù)測方法、大氣與海洋動(dòng)力學(xué)模型以及實(shí)時(shí)的可視化系統(tǒng)，使其達(dá)到準(zhǔn)確和快速預(yù)報(bào)乘潮水位的要求，其具體方法和步驟如下(參見

圖1)第1、整理歷史氣象觀測數(shù)據(jù)與歷史潮位觀測數(shù)據(jù)，以及當(dāng)?shù)氐牡匦螖?shù)據(jù)，分別建立歷史氣象數(shù)據(jù)庫、歷史潮位數(shù)據(jù)庫以及當(dāng)?shù)氐牡匦螖?shù)據(jù)庫；第2、通過第1步建立的歷史潮位數(shù)據(jù)庫中的歷史觀測潮位數(shù)據(jù)獲得該地潮汐調(diào)和常數(shù)，并通過該調(diào)和常數(shù)進(jìn)行調(diào)和分析并預(yù)報(bào)出該地的預(yù)測天文潮位；第3、實(shí)時(shí)獲取氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)與潮位監(jiān)測數(shù)據(jù)，使用增減水的統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測出該地的增水水位；第4、加和第2步中預(yù)測的天文潮位與第3步中預(yù)測的增水水位，得出基于統(tǒng)計(jì)模型的預(yù)測乘潮水位Ls ；
第5、使用數(shù)據(jù)同化方法同化第3步中的實(shí)時(shí)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)至大氣預(yù)報(bào)模型(如 WRF)，根據(jù)該大氣預(yù)報(bào)模型計(jì)算并得出預(yù)測的風(fēng)場結(jié)果與潮汐的開邊界條件；第6、由第5步中的大氣預(yù)報(bào)模型預(yù)測的風(fēng)場與潮汐的開邊界條件作為強(qiáng)迫場，使用海洋動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得出包含該地天文潮位與其他因素增水水位的預(yù)測乘潮水位Lm ；第7、根據(jù)第1步建立的歷史潮位數(shù)據(jù)庫中的歷史觀測潮位數(shù)據(jù)序列，分別使用統(tǒng)計(jì)模型與海洋動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出相應(yīng)時(shí)間段的預(yù)測潮位時(shí)間序列，并基于對(duì)兩個(gè)模型在各種時(shí)間尺度和氣象條件下預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度分析，構(gòu)造最佳的乘潮水位預(yù)報(bào)公式；第8、結(jié)合第4步中統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測的乘潮水位Ls與第6步中海洋動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測的乘潮水位Lm結(jié)果，使用第7步中構(gòu)造的乘潮水位預(yù)報(bào)公式給出最終乘潮水位L的預(yù)報(bào)結(jié)果，并通過可視化技術(shù)將該預(yù)報(bào)結(jié)果實(shí)時(shí)的展示出來。其中，第2步所述的潮汐調(diào)和常數(shù)的計(jì)算方法是，根據(jù)第1步中建立的歷史潮位數(shù)據(jù)庫中歷史觀測數(shù)據(jù)的時(shí)間長度，使用最小二乘法分析出該地的調(diào)和常數(shù)，其中調(diào)和常數(shù)的振幅與遲角分別用H與g表示；第2步所述的天文潮位是指由引潮力直接或間接引起的潮位，基于以上得出的該地調(diào)和常數(shù)，根據(jù)以下表達(dá)式計(jì)算預(yù)測天文潮位
權(quán)利要求
1.一種結(jié)合統(tǒng)計(jì)模型與動(dòng)力模型的乘潮水位預(yù)報(bào)方法，其特征在于，該方法包括如下步驟第1、整理歷史氣象觀測數(shù)據(jù)與歷史潮位觀測數(shù)據(jù)，以及當(dāng)?shù)氐牡匦螖?shù)據(jù)，分別建立歷史氣象數(shù)據(jù)庫、歷史潮位數(shù)據(jù)庫以及當(dāng)?shù)氐牡匦螖?shù)據(jù)庫；第2、通過第1步建立的歷史潮位數(shù)據(jù)庫中的歷史觀測潮位數(shù)據(jù)獲得該地潮汐調(diào)和常數(shù)，并通過該調(diào)和常數(shù)進(jìn)行調(diào)和分析并預(yù)報(bào)出該地的預(yù)測天文潮位；第3、實(shí)時(shí)獲取氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)與潮位監(jiān)測數(shù)據(jù)，使用增減水的統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測出該地的增水水位；第4、加和第2步中預(yù)測的天文潮位與第3步中預(yù)測的增水水位，得出基于統(tǒng)計(jì)模型的預(yù)測乘潮水位Ls ；第5、使用數(shù)據(jù)同化方法同化第3步中的實(shí)時(shí)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)至大氣預(yù)報(bào)模型，根據(jù)該大氣預(yù)報(bào)模型計(jì)算并得出預(yù)測的風(fēng)場結(jié)果與潮汐的開邊界條件；第6、由第5步中的大氣預(yù)報(bào)模型預(yù)測的風(fēng)場與潮汐的開邊界條件作為強(qiáng)迫場，使用海洋動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得出包含該地天文潮位與增水水位的預(yù)測乘潮水位Lm ；第7、根據(jù)第1步建立的歷史潮位數(shù)據(jù)庫中的歷史觀測潮位數(shù)據(jù)序列，分別使用統(tǒng)計(jì)模型與動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出相應(yīng)時(shí)間段的預(yù)測潮位時(shí)間序列，并基于對(duì)兩個(gè)模型在各種時(shí)間尺度和氣象條件下預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度分析，構(gòu)造最佳的乘潮水位預(yù)報(bào)公式；第8、結(jié)合第4步中統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測的乘潮水位Ls與第6步中海洋動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測的乘潮水位Lm的結(jié)果，使用第7步中構(gòu)造的乘潮水位預(yù)報(bào)公式給出最終乘潮水位的預(yù)報(bào)結(jié)果， 并通過可視化技術(shù)將該預(yù)報(bào)結(jié)果實(shí)時(shí)的展示出來。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第2步所述的潮汐調(diào)和常數(shù)的計(jì)算方法是， 根據(jù)第1步中建立的歷史潮位數(shù)據(jù)庫中歷史觀測數(shù)據(jù)的時(shí)間長度，使用最小二乘法分析出該地的調(diào)和常數(shù)，其中調(diào)和常數(shù)的振幅與遲角分別用H與g表示；第2步所述的天文潮位是指由引潮力直接或間接引起的潮位，基于以上得出的該地調(diào)和常數(shù)，根據(jù)以下表達(dá)式計(jì)算預(yù)測天文潮位
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第3步所述的增水水位的計(jì)算方法是，使用拉格朗日插值或者三次樣條函數(shù)方法，基于臨近時(shí)間的潮位曲線，計(jì)算出該地的增水水位 ζ ’，并得出基于統(tǒng)計(jì)模型的預(yù)測乘潮水位Ls= ζ + ζ’，其中ζ表示天文潮位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第5步所述的數(shù)據(jù)同化方法以及預(yù)測風(fēng)場結(jié)果與潮汐的開邊界條件的方法是首先對(duì)氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換與質(zhì)量控制，然后利用3DVAR方法進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，為預(yù)報(bào)所使用的海洋動(dòng)力學(xué)模型提供初始場與時(shí)變邊界條件；采用并配置WRF-ARW大氣動(dòng)力學(xué)模型為所關(guān)注海區(qū)提供風(fēng)場以及相關(guān)氣象條件未來48小時(shí)的預(yù)報(bào)；該大氣動(dòng)力學(xué)模型采用完全可壓縮非靜力歐拉方程組，水平網(wǎng)格采用Arakawa C網(wǎng)格，垂直坐標(biāo)采用目前國際上廣泛應(yīng)用的基于質(zhì)量的地形追隨η坐標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于第6步所述的使用海洋動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得出包含該地天文潮位與增水水位的預(yù)測乘潮水位Lm的方法是基于第5步計(jì)算所得的風(fēng)場結(jié)果以及來自于ΝΑ099全球潮汐模型所提供的8個(gè)分潮 Μ2、S2、Ν2、Κ2、Κ1、01、PI、Ql的調(diào)和常數(shù)作為FVCOM海洋動(dòng)力學(xué)模型的強(qiáng)迫條件與潮汐的開邊界條件，所述的海洋動(dòng)力學(xué)模型為FVCOM海洋動(dòng)力學(xué)模型，簡稱FVCOM模型，該模型是一個(gè)自由海表面、流體靜力學(xué)和Boussinesq近似的、原始方程組的海洋模型；在第5步中所述WRF-ARW模型運(yùn)算完畢后，SHELL腳本自動(dòng)運(yùn)行FVCOM模型，并計(jì)算獲取該地未來48小時(shí)的預(yù)測乘潮水位Lm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于第7步所述構(gòu)造最佳乘潮水位L的預(yù)報(bào)公式的方法是根據(jù)第一步建立的數(shù)據(jù)庫中針對(duì)當(dāng)?shù)氐木唧w歷史觀測潮位數(shù)據(jù)，分別使用上述統(tǒng)計(jì)模型方法與海洋動(dòng)力學(xué)模型方法進(jìn)行預(yù)測乘潮水位并計(jì)算二者的平均誤差，這里我們定義a= |Ej/(|Ej + |Es|)其中Em為海洋動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測乘潮水位Lm的平均誤差，而Es為統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測乘潮水位 Ls的誤差；同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)模型在5個(gè)小時(shí)內(nèi)的預(yù)測結(jié)果相對(duì)海洋動(dòng)力學(xué)模型的預(yù)測結(jié)果更為準(zhǔn)確，且時(shí)間越靠近預(yù)報(bào)時(shí)間準(zhǔn)確度越高，故我們初步構(gòu)造當(dāng)?shù)氐某顺彼籐的預(yù)報(bào)公式如下
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第8步所述通過可視化技術(shù)將該預(yù)報(bào)結(jié)果實(shí)時(shí)的展示出來的方法包括使用繪圖技術(shù)實(shí)時(shí)的將48小時(shí)乘潮水位L的預(yù)測結(jié)果，連同歷史的觀測與預(yù)測潮位曲線顯示出來，并使用web技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布，同時(shí)通過相關(guān)通訊手段第一時(shí)間將信息提供于港口調(diào)度人員與船舶相關(guān)負(fù)責(zé)人，為港口與航運(yùn)安全、高效的進(jìn)行，以及異常潮位變化時(shí)的決策提供有力的技術(shù)支持。
全文摘要
結(jié)合統(tǒng)計(jì)模型與動(dòng)力模型的乘潮水位預(yù)報(bào)方法。該方法包括獲得該地潮汐調(diào)和常數(shù)，預(yù)報(bào)該地的預(yù)測天文潮位和增水水位，得出基于統(tǒng)計(jì)模型的預(yù)測乘潮水位Ls；根據(jù)該大氣預(yù)報(bào)模型計(jì)算并得出預(yù)測的風(fēng)場結(jié)果與潮汐的開邊界條件，以此作為強(qiáng)迫場，使用海洋動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得出包含該地天文潮位與增水水位的預(yù)測乘潮水位Lm；基于對(duì)兩個(gè)模型在各種時(shí)間尺度和氣象條件下預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度分析，構(gòu)造最佳的乘潮水位預(yù)報(bào)公式，給出最終乘潮水位L的預(yù)報(bào)結(jié)果，并通過可視化技術(shù)將該預(yù)報(bào)結(jié)果實(shí)時(shí)的展示出來。該方法有機(jī)的耦合氣象與潮位的監(jiān)測數(shù)據(jù)、潮位值的統(tǒng)計(jì)預(yù)測方法、大氣與海洋動(dòng)力學(xué)模型以及實(shí)時(shí)的可視化系統(tǒng)，使其達(dá)到準(zhǔn)確和快速預(yù)報(bào)乘潮水位的要求。
文檔編號(hào)G01F23/00GK102221389SQ20111008951
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月11日
發(fā)明者宋軍, 李歡, 李琰, 牟林, 王慧 申請(qǐng)人:國家海洋信息中心