技术领域
[0001] 本发明涉及海洋工程领域，具体是一种波浪谱模型选取方法。
相关背景技术
[0002] 波浪是海洋中最重要的动力因素，也是船舶和海洋工程结构所承受的主要外部荷载。海洋中的波浪是一种复杂的随机过程，仅通过时域角度的统计参数和波浪特征无法全面系统地描述波浪。从20世纪50年代初，利用波浪谱从频域角度来对波浪进行描述成为一种重要的研究途径。目前，研究者们根据不同的环境条件和波浪类型，提出了众多的波浪谱模型，以期望通过简易的数学模型来定性地描述复杂的波浪过程。然而，现有的波浪谱模型多为基于某特定海域的现场观测数据进行数据归纳和规律总结得到的，并不能广泛应用于所有海洋环境。因此，如何从众多的现有波浪谱模型中选取适用于应用海域的波浪谱十分关键，目前多采用基于相关系数的选取方式，相关系数评价体系只能代表曲线的整体误差情况，然而整体误差会掩盖最关注的谱型特征的局部误差。
具体实施方式
[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025] 如图1所示，波浪谱模型选取方法，包括：
[0026] 步骤1、实测待分析海域的波浪序列。
[0027] 范例数据来自某海域真实观测得到的波浪数据，数据的详细情况见表1。
[0028] 表1实测波浪数据情况
[0029]数据类型 采样频率 采样时长 数据总量
波浪过程线 4Hz 4096s 1355
[0030] 步骤2、对波浪序列进行频域分析以获取实测谱。
[0031] 对实测的波浪过程线η(t)用快速傅里叶变换处理，见公式(1)，将实测的波浪时间过程线转换为随着频率变化的频域结果，时域波浪序列与其对应的频域结果见附图2；
[0032]
[0033] 其中，
[0034]
[0035] 令N代表总的采样个数，Δt代表采样时间间隔，则采样总时长为NΔt。把NΔt认为是一个完整的周期(或者周期倍数)，求和符号表示对整个周期内的离散点进行加和，即2l＝NΔt。这样就把一个实测的时间过程序列，近似变成有限个余弦函数和一个常数的和。
[0036] 步骤3、基于实测谱获取模型库中各波浪谱模型的拟合谱。
[0037] 模型库中波浪谱表达式及系数见公式(2)和表2。采用非线性最小二乘法对实际的波浪谱进行拟合，见公式(3)，得到各个模型的拟合谱。
[0038] S(f)＝A f‑5exp(‑B f‑4)(2)
[0039] 表2不同波浪谱模型中系数A和B的表达式
[0040]
[0041] 其中， 和 分别代表平均波高和平均周期；Hs和Ts代表有效波高和有效周期。对于ITTC谱，α＝0.0081, 对于JONSWAP谱模型，表达式中包含谱峰升高因子γ，其中的系数βJ和谱峰升高项的表达式为：
[0042]
[0043] 其中，fp为谱峰频率。当f≤fp时，σ＝0.07；当f>fp时，σ＝0.09。
[0044] 对于Wallops谱模型，表达式中包含存在高频尾谱型参数m，系数βw表达式为：
[0045]
[0046] 其中，x是由模型中的参量组成的向量，e(x)是残差向量。
[0047] 步骤4、计算实测谱及各拟合谱对应的谱宽参数和谱峰周期。
[0048] 拟合结果的优劣主要关注拟合谱与实测谱谱型的吻合程度。对于波浪谱而言，我们主要关注能够代表谱型特征的参数，包括谱宽参数ν和谱峰周期Tp，计算方式见公式(4)‑(6)。他们分别代表了波浪谱模型在波谱形状和谱峰位置上能否满足实测波浪谱，实现了对波浪谱的定型和定位作用，基于此选出的模型将更准确。
[0049]
[0050] 其中，mr代表波浪谱的r阶矩，矩的定义如下：
[0051]
[0052] Tp＝1/fp(6)
[0053] 步骤5、选择拟合谱中谱宽参数最接近实测谱谱宽参数的波浪谱模型，判断其谱峰周期是否等于实测谱的谱峰周期，若是，则将该波浪谱模型作为最优模型，否则进入步骤6；
[0054] 步骤6、计算综合评价指标νTp，并将综合评价指标最接近1.0的波浪谱模型作为最优模型；νTp＝K1×(νfit/vbest)+K2×(Tpfit/Tpbest)，其中K1和K2分别代表谱宽参数及谱峰周期的权重，K1+K2＝1，具体取值根据实际需要进行设置，在此不做限制；νfit为拟合谱对应的谱宽参数，Tpfit为拟合谱对应的谱峰周期，Tpbest为实测谱对应的谱峰周期，νbest实测谱对应的谱宽参数。
[0055] 进一步地，还包括步骤7、基于最优模型对应的拟合谱计算波浪谱面积以获取拟合波高和实测波高之间的误差，为使用者提供误差参考。
[0056] 通过谱型特征参数选取得到最优波浪谱模型后，再通过拟合谱和实测谱的波谱面积进行验证，波谱面积S代表波能的总和，计算方式见公式(7)，代表了拟合结果在总波能方面的表现。波浪谱面积S和波浪有效波高Hs之间的关系见公式(8)。
[0057]
[0058] 基于一次实测谱选取的模型误差较大，可以多设置几组实测谱，对所有的结果进行统计分析得到每种波浪谱模型被选为最优解的次数，进而选取适合于该特定海域的波浪谱表达式。如附图3所示，Wallops谱被选为最优解的次数占比最大，因此确定Wallops谱模型为最终模型。
