本發(fā)明屬于海浪參數(shù)預(yù)報(bào)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于再分析數(shù)據(jù)的海浪波向的短期趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

海浪是造成海岸侵蝕的主要原因之一，此外，海浪對(duì)人們的生產(chǎn)生活有著不可忽視的影響，如沿海港口建設(shè)、航道工程等都與海浪有密切關(guān)系。波向就是反映海浪特征的一個(gè)重要參數(shù)，海岸堤線與海浪波向的夾角，直接影響到海岸侵蝕和演變的特征。因此分析預(yù)測(cè)海浪波向的趨勢(shì)可有助于更科學(xué)的建設(shè)港口和海岸防護(hù)工程，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的觀測(cè)手段如浮標(biāo)等，雖然能夠精確的獲得海浪波向的變化信息，但它們只能獲得海浪在固定點(diǎn)的變化，而且覆蓋面也非常有限，目前很難在中國(guó)海域得到超過20年的連續(xù)的海面波浪的浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)。這種觀測(cè)數(shù)據(jù)的短缺對(duì)于海浪波向短期趨勢(shì)研究的可靠性產(chǎn)生了明顯的制約。另外，對(duì)于海浪波向的趨勢(shì)研究，國(guó)內(nèi)還沒有有效的計(jì)算方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種基于再分析數(shù)據(jù)的海浪波向的短期趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法，本發(fā)明利用全球先進(jìn)穩(wěn)定的再分析數(shù)據(jù)源，采用Box-Cox變換對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，再依據(jù)修正后的海平面氣壓梯度、海浪波向等氣象數(shù)據(jù)，采用主成分分析方法和短期波向趨勢(shì)公式，計(jì)算和預(yù)測(cè)各時(shí)次的海浪波向的短期趨勢(shì)，具有很強(qiáng)的可操作性。

技術(shù)方案：根據(jù)本發(fā)明提出的一種基于再分析數(shù)據(jù)的海浪波向的短期趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法，包括如下具體步驟：

步驟一，收集基于格點(diǎn)模式的歐洲中尺度天氣預(yù)測(cè)中心的ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)集的20～30年時(shí)間段的各時(shí)次氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，其中各時(shí)次氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)是指包括4～8小時(shí)一次的海平面氣壓SLP和海浪波向數(shù)據(jù)；

步驟二，獲取所收集的各時(shí)次氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)所標(biāo)格點(diǎn)的坐標(biāo)，以該坐標(biāo)為依據(jù)，提取與所述各時(shí)次氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)所標(biāo)格點(diǎn)的坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)的海平面氣壓梯度矩陣GX和GY，如(1)、(2)式所示，海浪波向矩陣θ，如(3)式所示，其中包括m個(gè)空間點(diǎn)，每個(gè)空間點(diǎn)含有n次觀測(cè)數(shù)據(jù)：

其中，GX_mn是第m個(gè)空間點(diǎn)的第n時(shí)次的海平面氣壓梯度在經(jīng)度坐標(biāo)方向的值，GY_mn是第m個(gè)空間點(diǎn)的第n時(shí)次的海平面氣壓梯度在緯度坐標(biāo)方向的值，θ_mn是第m個(gè)空間點(diǎn)的第n時(shí)次的波向，m是空間點(diǎn)的個(gè)數(shù)，n是觀測(cè)時(shí)次；

步驟三，計(jì)算基于格點(diǎn)模式的ERA-Interim各時(shí)次的海平面氣壓梯度矩陣GX和GY的均值M_X和M_Y，再用海平面氣壓梯度矩陣的原始值GX和GY減去均值M_X和M_Y，得到基于格點(diǎn)模式的各時(shí)次的海平面氣壓梯度矩陣GX和GY的距平值P_X和P_Y，并計(jì)算出GX和GY距平值P_X和P_Y的標(biāo)準(zhǔn)偏差S_X和S_Y，如(4)、(5)式所示：

上述(4)、(5)式中：其中，n表示觀測(cè)時(shí)次，i表示第i個(gè)空間點(diǎn)，i＝1…m，j表示第j個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)，j＝1…n；

步驟四，對(duì)GX和GY距平值P_X和P_Y分別做EOF分析，得到不同成分及各成分對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率，保留前30個(gè)EOF和主成分；其中：

EOF方法是一種降維分析方法，能夠根據(jù)方差最大化原理提取出資料中最典型的空間型和時(shí)間演變規(guī)律；

對(duì)P_X進(jìn)行協(xié)方差計(jì)算，得到實(shí)對(duì)稱矩陣L_m×m，其中：

T表示矩陣的轉(zhuǎn)置；

然后求協(xié)方差矩陣L_m×m的特征向量V和特征值Λ，如(6)式所示，以滿足LV＝ΛV，其中：

其中，λ₁≥λ₂≥,...,≥λ_m (6)，

矩陣V是正交矩陣，矩陣V的第j列元素就是特征值λ_j對(duì)應(yīng)的特征向量，其中j取值從1到m；

根據(jù)實(shí)對(duì)稱矩陣L_m×m的特征向量V和特征值Λ，計(jì)算每個(gè)特征向量的方差貢獻(xiàn)率和前幾個(gè)特征向量的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率，方差貢獻(xiàn)越大代表對(duì)應(yīng)的特征向量和時(shí)間系數(shù)在資料中演變規(guī)律越顯著；按照特征值從大到小的順序?qū)進(jìn)行排序，排在第一位的為EOF₁，以此類推；

步驟五，對(duì)根據(jù)步驟一和步驟二收集的基于格點(diǎn)的各時(shí)次的海浪波向矩陣θ和海平面氣壓梯度矩陣GX和GY進(jìn)行Box-Cox變換，得到變換后的海浪波向trθ_t和海平面氣壓梯度trGX_t、trGY_t；

步驟六，對(duì)每個(gè)格點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的trθ_t，用PC_k，t和PC_k，t-4計(jì)算其相關(guān)系數(shù)，并取相關(guān)系數(shù)最高時(shí)的28個(gè)PC_k，t或PC_k，t-4作為海浪波向的預(yù)測(cè)因子，其中PC_k，t或PC_k，t-4表示主成分，k表示序數(shù)，t表示時(shí)次，t-4表示滯后4個(gè)小時(shí)的時(shí)次；

步驟七，將預(yù)測(cè)因子帶入預(yù)測(cè)模型，用F統(tǒng)計(jì)量比較選擇最優(yōu)的預(yù)測(cè)因子，預(yù)測(cè)下一時(shí)次的各格點(diǎn)的海浪波向；其中模型如(7)式所示：

上述(7)式中θ_t是每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的經(jīng)過變換的海浪波向，a是常數(shù)項(xiàng)，b_k是對(duì)應(yīng)于X_k,t的系數(shù)，θ_t-p是滯后p的海浪波向，c_p是對(duì)應(yīng)于θ_t-p的系數(shù)，p是跟預(yù)報(bào)量相關(guān)的參變量的滯后系數(shù)，X_k,t是第k個(gè)基于SLP的預(yù)報(bào)因子，u_t可以用M階自回歸模型來表示，如果M＝0，u_t就是白噪聲；

步驟八，計(jì)算海浪波向趨勢(shì)，以步驟七預(yù)測(cè)出的海浪波向?yàn)橐罁?jù)，用趨勢(shì)計(jì)算公式計(jì)算當(dāng)前時(shí)次的海浪波向趨勢(shì)，最終得到海浪波向的短期趨勢(shì)；

步驟九，將預(yù)測(cè)出的海浪波向值還原到Box-Cox變換前的值，保存為格點(diǎn)模式文件；

步驟十，根據(jù)步驟八的結(jié)果，對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的格點(diǎn)坐標(biāo)，繪制出海浪波向短期趨勢(shì)圖。

有益效果：一是目前還沒有成熟的計(jì)算海浪波向短期趨勢(shì)的技術(shù)方法。本發(fā)明利用全球先進(jìn)穩(wěn)定的再分析數(shù)據(jù)源，將方法建立在具有幾十年甚至跨百年的海浪波向資料的再分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，從而解決了海浪波向短期趨勢(shì)分析的可靠性；二是本發(fā)明采用Box-Cox變換對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，再依據(jù)修正后的海平面氣壓梯度、海浪波向等氣象數(shù)據(jù)，采用主成分分析方法和短期波向趨勢(shì)公式，計(jì)算和預(yù)測(cè)各時(shí)次的波向的短期趨勢(shì)，預(yù)報(bào)海浪波向短期趨勢(shì)的準(zhǔn)確率高；三是本發(fā)明可有助于科學(xué)的布置沿海建筑物或海堤的走向，可操作性強(qiáng)，對(duì)于如何減輕海浪對(duì)海岸及海岸建筑物的侵蝕起到重要的借鑒作用，也可作為研究海岸帶的演變規(guī)律的重要依據(jù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的一種基于再分析數(shù)據(jù)的海浪波向的短期趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法的流程方框示意圖。

圖2為應(yīng)用本發(fā)明提出的一種基于再分析數(shù)據(jù)的海浪波向的短期趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法繪制的太平洋部分海域夏季海浪波向的短期趨勢(shì)結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

現(xiàn)以太平洋部分海域?yàn)槔瑧?yīng)用本發(fā)明提出的一種基于再分析數(shù)據(jù)的海浪波向的短期趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法來預(yù)報(bào)海浪波向的短期趨勢(shì)，結(jié)合圖1，其具體步驟包括如下：

步驟一，收集基于格點(diǎn)模式的中國(guó)某海區(qū)域的ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)集的1981-2000年期間的各時(shí)次海平面氣壓SLP和海浪波向θ數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)間隔為每6小時(shí)一次；

步驟二，獲取所收集6小時(shí)一次的數(shù)據(jù)所標(biāo)格點(diǎn)的坐標(biāo)，以該坐標(biāo)為依據(jù)，提取與所述各時(shí)次氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)所標(biāo)格點(diǎn)的坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)的海平面氣壓梯度矩陣GX和GY，如(1)、(2)式所示，海浪波向矩陣θ，如(3)式所示，其中包括m個(gè)空間點(diǎn)，每個(gè)空間點(diǎn)含有n次觀測(cè)數(shù)據(jù)：

步驟三，計(jì)算基于格點(diǎn)模式的ERA-Interim各時(shí)次的海平面氣壓梯度GX和GY的均值M_X和M_Y，再用原始值GX和GY減去均值M_X和M_Y，得到基于格點(diǎn)模式的各時(shí)次的GX和GY的距平值P_X和P_Y，并計(jì)算出GX和GY距平值P_X和P_Y的標(biāo)準(zhǔn)偏差S_X和S_Y，如(4)、(5)式所示：

上述(4)、(5)式中：其中，n表示觀測(cè)時(shí)次，i表示第i個(gè)空間點(diǎn)，i＝1…m，j表示第j個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)，j＝1…n。

步驟四，對(duì)GX和GY距平值P_X和P_Y分別做EOF分析，得到不同成分及各成分對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率，保留前30個(gè)EOF和主成分；其中：

EOF方法是一種降維分析方法，能夠根據(jù)方差最大化原理提取出資料中最典型的空間型和時(shí)間演變規(guī)律；

對(duì)P_X進(jìn)行協(xié)方差計(jì)算，得到實(shí)對(duì)稱矩陣L_m×m，其中：

T表示矩陣的轉(zhuǎn)置；

然后求協(xié)方差矩陣L_m×m的特征向量V和特征值Λ，如(6)式所示，以滿足LV＝LΛ，其中：

其中，λ₁≥λ₂≥,...,≥λ_m (6)，

矩陣V是正交矩陣，矩陣V的第j列元素就是特征值λ_j對(duì)應(yīng)的特征向量，其中j取值從1到m；

根據(jù)實(shí)對(duì)稱矩陣L_m×m的特征向量V和特征值Λ，計(jì)算每個(gè)特征向量的方差貢獻(xiàn)率和前幾個(gè)特征向量的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率，方差貢獻(xiàn)越大代表對(duì)應(yīng)的特征向量和時(shí)間系數(shù)在資料中演變規(guī)律越顯著；按照特征值從大到小的順序?qū)進(jìn)行排序，排在第一位的為EOF₁，以此類推；

步驟五，對(duì)根據(jù)步驟一和步驟二收集的基于格點(diǎn)的各時(shí)次的海浪波向矩陣θ和海平面氣壓梯度矩陣GX和GY進(jìn)行Box-Cox變換，得到變換后的海浪波向trθ_t和海平面氣壓梯度trGX_t、trGY_t；

步驟六，對(duì)每個(gè)格點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的變換后的海浪波向trθ_t，用第k個(gè)主成分PC_k，t和滯后4小時(shí)的第k個(gè)主成分PC_k，t-4計(jì)算其相關(guān)系數(shù)，并取相關(guān)系數(shù)最高時(shí)的28個(gè)PC_k，t或PC_k，t-4作為海浪波向的預(yù)測(cè)因子，其中PC_k，t或PC_k，t-4表示主成分，k表示序數(shù)，t表示時(shí)次，t-4表示滯后4個(gè)小時(shí)的時(shí)次；

步驟七，將預(yù)測(cè)因子帶入預(yù)測(cè)模型，用F統(tǒng)計(jì)量比較選擇最優(yōu)的預(yù)測(cè)因子，預(yù)測(cè)下一時(shí)次的各格點(diǎn)的海浪波向；其中模型如(7)式所示：

上述(7)式中θ_t是每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的經(jīng)過變換的海浪波向，a是常數(shù)項(xiàng)，b_k是對(duì)應(yīng)于X_k,t的系數(shù)，θ_t-p是滯后p的海浪波向，c_p是對(duì)應(yīng)于θ_t-p的系數(shù)，p是跟預(yù)報(bào)量相關(guān)的參變量的滯后系數(shù)，X_k,t是第k個(gè)基于SLP的預(yù)報(bào)因子，u_t可以用M階自回歸模型來表示，如果M＝0，u_t就是白噪聲；

步驟八，計(jì)算海浪波向趨勢(shì)，以步驟七預(yù)測(cè)出的海浪波向?yàn)橐罁?jù)，用趨勢(shì)計(jì)算公式計(jì)算當(dāng)前時(shí)次的海浪波向趨勢(shì)，最終得到海浪波向的短期趨勢(shì)；

步驟九，將預(yù)測(cè)出的海浪波向值還原到Box-Cox變換前的值，保存為格點(diǎn)模式文件；

步驟十，根據(jù)步驟八的結(jié)果，對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的格點(diǎn)坐標(biāo)，繪制出海浪波向短期趨勢(shì)圖。

圖2為應(yīng)用本發(fā)明提出的一種基于再分析數(shù)據(jù)的海浪波向的短期趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法繪制的太平洋海域夏季海浪波向的短期趨勢(shì)結(jié)果示意圖，其中橫坐標(biāo)為弧度/年。圖2可有效指導(dǎo)沿海地區(qū)的海堤布置，對(duì)于維護(hù)海岸穩(wěn)定、預(yù)防海岸侵蝕有重要的科學(xué)價(jià)值，可操作性強(qiáng)。

本發(fā)明的具體實(shí)施方式中凡未涉到的說明屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)，可參考公知技術(shù)加以實(shí)施。本發(fā)明經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，能夠?qū)＠瞬ㄏ虻亩唐谮厔?shì)的預(yù)測(cè)及預(yù)防海堤侵蝕起到很好的指導(dǎo)作用。以上具體實(shí)施方式及實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明提出的一種基于再分析數(shù)據(jù)的海浪波向的短期趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法技術(shù)思想的具體支持，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在本技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何等同變化或等效的改動(dòng)，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍。