申请/专利权人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院

申请日：2024-02-05

公开（公告）日：2024-04-23

公开（公告）号：CN117709131B

主分类号：G06F30/20

分类号：G06F30/20;G06T17/00;G06F119/14;G06F111/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.23#授权;2024.04.02#实质审查的生效;2024.03.15#公开

摘要：本发明涉及一种近岸风暴潮高精度批量数值模拟方法，获取待测区域的研究数据进行预处理；对待测区域的研究数据进行分析，生成预设中心点；以预设中心点为圆心，根据预设半径划定第一影响范围，基于历史台风数据，逐一查找与第一影响范围相交的历史台风，并计算其影响时长，基于每场台风的台风路径、影响范围和影响时长生成台风路径数据集；结合待测区域的水文数据生成模拟风暴潮备选集合；采集近岸气象站点的实测风速数据进行修正，构建风暴潮数值模拟模型，并进行训练，得到最终风暴潮数值结果。本发明通过精确的数据处理和模型修正，实现了对风暴潮的精细化模拟，对于预测和防范风暴潮灾害具有重要的实际意义和应用价值。

主权项：1.一种近岸风暴潮高精度批量数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、确定研究区域的范围，获取研究数据，构建水动力模型；所述研究数据包括海域水下地形数据、水文数据、风速数据、台风路径数据和背景风场数据；步骤S2、基于研究区域，确定台风影响区域边界，筛选出与台风影响区域边界交叠的每场台风，获取台风路径数据；步骤S3、针对与台风影响区域边界交叠的每场台风，逐一计算台风影响时间，获取台风进入台风影响区域边界和离开台风影响区域边界的时刻；步骤S4、获取研究数据，提取各个站点的近岸实测风速并修正；获取研究数据，提取各个站点的实测气压，并计算最大风速半径；调取Holland模型和ERA5再分析数据集生成组合风场，结合近岸实测风速和最大风速半径，采用反距离平方法修正近岸区域风场；步骤S5、根据水动力模型的开边界位置、台风编号和计算时间，提取调和常数并生成开边界水位驱动文件，结合风场进行批量风暴潮数值模拟；所述步骤S1进一步为：步骤S11、收集海域水下地形数据，下载全球水深数据，用于构建水动力模型的计算网格；步骤S12、收集最佳台风路径数据，下载预定年份的台风路径数据；步骤S13、收集ERA5背景风场数据，下载长期的用于生成组合风场的背景风场数据；步骤S14、构建FVCOM三维模型，并设置模型参数，模型参数包括水深、外海开边界驱动水位过程线、垂向层数、底拖曳力系数和风应力系数；其中，底拖曳力系数Cd=gman2H13；式中，g为重力加速度；H为水深；man为Manning系数，设截断水深为1m，即当水深小于1m时，Manning系数不再随水深变化；当丨U10丨≤11ms；风应力系数CDS=0.0012；当丨U10丨≥11ms；风应力系数CDS=10-3（0.49+0.065丨U10丨）；当丨U10丨≥25ms；风应力系数CDS=10-3（0.49+0.065×25）；式中，U10为10m的风速；所述步骤S2进一步为：步骤S21、以研究区域为基础，划定台风影响范围并栅格化，构建台风影响栅格矩阵；步骤S22、基于下垫面情况，对栅格进行聚类并分配影响系数，形成与台风影响栅格矩阵同型的影响系数矩阵；步骤S23、调取每类栅格预配置的影响系数阈值并构建栅格影响系数阈值矩阵；将影响系数矩阵与影响系数阈值矩阵作差并二值化，然后与台风影响栅格矩阵作哈达玛乘积运算，得到台风影响区域边界；步骤S24、提取台风影响区域边界上边缘点的经纬坐标极值，形成台风筛选范围，并跟台风路径数据中的每场台风路径进行对比，判断是否位于台风筛选范围内，若是，将台风放入第一集合；所述步骤S3进一步为：步骤S31、获取与台风影响区域边界交叠的每场台风，计算出台风进入台风影响圆的时间和离开台风影响圆的时间，取两个时间的中间时刻t0；步骤S32、以时刻t0为中心，前后分别延展M天和N天，即可得到模型初始计算时间区间；N、M为正整数；步骤S33、根据台风的生成时间和消散时间，与初始计算时间区间取交集，可得到最终计算时间区间；所述步骤S4进一步为：S41、采集近岸气象站点的实测风速数据；所述风速数据包括风速数据、风向数据和气压数据；通过近岸气象站点对海面的实测风速数据进行校正，（U10）海=KDC（U10）陆；KDC为海陆风速换算系数，DC为陆地测站到海面的距离；S42、根据实测风速数据中的气压数据，采用Myers气压场模式计算出风速半径值Rmax，计算公式如下：Rmax=rln（△p（P－P0）；式中，P为距离台风中心r处的气压；P0为台风中心最低气压；△p为台风中心最低气压与外界大气压差的绝对值；S43、通过计算待测区域预设半径的内外风速值，对风速半径值Rmax进行校正，计算公式如下：Rcor=kRRcal；kR=（1）∑ni=1（Robs（i）Rcal（i））；式中，Rcor为校正后的风速半径值，Rcal为待测区域预设半径外台风路径的风速半径值，kR为校正系数；Robs为待测区域预设半径内台风路径的风速半径值；S44、通过Holland模型和ERA5分析数据集生成组合风场，基于沿海气象站点实测风速，采用反距离平方插值法对影响范围内风场进行修正，计算公式如下：Wcorx,y,t=kWx,y,tWx,y,t；当x=xi，y=yi；kWx,y,t=Wobs（xi,yi,t）W（xi,yi,t）；当x≠xi，y≠yi；kWx,y,t={∑ni=1（Wobs（xi,yi,tW（xi,yi,td2i（x,y）））}∑ni=1（1d2i（x，y））；式中，Wcorx,y,t为风场中坐标为x,y点在t时刻修正后的风速；W为修正前的组合风场风速；kW为风速校正系数；Wobsxi,yi,t为n个气象站点中第i个站点在t时刻的风速观测值；dix,y为待修正点距离第i个气象站点的距离,dix,y=sqrt（x-xi2+y-yi2）；所述步骤S5进一步为：步骤S51、根据水动力数学模型的开边界位置，下载相应的调和常数文件，包括振幅和相位；步骤S52、根据台风编号和计算时间，利用调和分析法，计算出开边界水位的时间序列；步骤S53、将开边界水位的时间序列写入水动力模型的驱动文件中，与组合风场一起作为输入数据；运行水动力模型，求解风暴潮的控制方程，得到风暴潮的水位、流速和流向的时空分布，输出结果。

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