波高周期联合分布四种重现水平对比分析*

基于Gumbel-Hougaard copula、Kendall和生存Kendall函数对比分析波高和周期联合分布的4种重现水平。以位于北卡罗来纳州Duck的美国陆军工程师团FRF (Field Research Facility)实验场观测的波高与周期样本为例, 计算二者联合分布的“或”重现期、“且”重现期、Kendall重现期和生存Kendall重现期及其联合设计值。主要结论如下: 对比设定重现期, 相对于“或”联合重现期, Kendall重现期可更准确地反映波高周期联合分布的风险率; 相对于“且”联合重现期, 生存Kendall重现期可更准确地反映波高周期同时超值情况下的风险率。按目前有关规范设计要求的单变量波高设计值基本达到设计标准, 按两变量“或”重现期和波高周期两变量同频率设计值推算的设计值偏高, 以最大可能概率推算的两变量的Kendall重现期和生存Kendall重现期设计值可为海岸海洋工程安全与风险管理提供新的选择。     

基于非对称Archimedean Copula的三变量风浪重现水平分析

采用非对称Archimedean Copula函数与Kendall分布函数分析极端波况下的波高、周期和风速三变量联合概率分布与风险率及其设计分位数,为海岸海洋工程设计和风险评估提供参考依据。以粤东汕尾海域的实测风浪数据为例,使用非对称Gumbel-Hougaard Copula函数计算三变量风浪联合分布的"或"重现期、"且"重现期和二次重现期及其最可能的风浪设计值。主要结论如下:对比不同设计风浪重现期显示,"或"重现期的风险率偏高,"且"重现期的风险率偏低,二次重现期更准确地反映了特定设计频率情况下三变量风浪的风险率;按目前有关规范设计要求的单变量风浪要素设计值已经达到安全标准,按三变量"或"重现期和三变量同频率设计值推算的风浪设计值偏高,以最大可能概率推算的三变量风浪要素的二次重现期设计值可为相关工程安全与风险管理提供新的选择。     

极值波高与历时联合分布的重现水平分析

使用美国北卡罗来纳州的 FRF 1985—2016 年的极值波高及其持续时间数据，采用最优的 Gumbel-Hougaard copula函数和 Kendall 分布函数构建极值波高和相应历时不同组合的联合概率分布模式，分析各个组合的遭遇概率、“或”重现期、“且”重现期和 Kendall 重现期，以出现最大可能概率的方法推算各组合联合设计值。结果表明：Kendall 重现期所对应的累积频率更准确地代表了特定设计频率下的风险率；重现期分别为 5 年、10 年、20 年、50 年、100 年、200 年推算的 Kendall重现期设计值介于“或”重现期和“且”重现期设计值之间，小于相应的边缘分布设计值；基于 Kendall 重现期的极值波高及其持续时间不同重现期组合推算的结果可为海洋工程构筑物设计与风险管理提供新的选择与参考。     

重现期设计波高相对应的波浪周期推算方法的讨论

一、前言关于重现期设计波高相对应的波浪周期的推算方法在《港口工程技术规范》第二篇第一册第22条中规定:“与某一重现期的设计波高相对应的波浪周期的推算方法有两种:1.按第四章的风浪要素计算图直接查出与该设计波高相对应的周期(平均周期T);2.用波高最大值相对应周期(T)所组成的系列进行频率分析,以确定与设计波高为同一重现期的周期值。当地大的波浪主要为风浪时,可用方法1;当地大的波浪主要为涌浪或混合浪时,可用方法2。”     

基于Copula函数的波高与周期长期联合分布

基于二元copula函数构建波高与相应波周期的长期联合分布。以粤东汕尾海域最大波高与相应平均周期为研究实例,经分析获得以下结果:(1)经拟合优度检验优选的年最大波高与相应周期的边缘分布分别为皮尔逊三型分布和广义极值分布,二者之间的较优连接函数为Archimedean类的Gumbel-Hougaard copula函数;(2)同频率条件下年最大波高和相应周期联合概率分布的设计要素值高于单变量的设计值,其中波高设计值的差异略大于周期设计值;(3)同现重现期和联合重现期的设计值可作为海岸海洋工程建设中的设计波高和相应周期的上限和下限;(4)条件概率1表明,同频率下的年最大波高和相应周期的遭遇概率很高,其组合概率可作为工程建筑物损毁风险率。     

海洋重现期波高统一化计算方法

重现期波高是港口海岸及海洋工程设计中不可回避的一个重要设计参数,尤其对深水海港、海上平台、海底油气管道、沿海核电站等重大涉海工程设计具有巨大的经济价值和深远的社会效益。但是,现有重现期波高推算缺乏统一的计算方法,导致计算结果相差悬殊。研究重现期波高的统一化计算方法,分析重现期波高计算中存在的各种不确定因素,提出减少这些不确定因素的新方法,建立误差小、应用方便、方法统一的重现期波高计算方法。基于澳大利亚悉尼站的长期连续观测波浪数据,研究发现:广义帕累托函数(generalized Pareto distribution III,GPD-III)和威布尔(Weibull)是重现期波高计算的最佳候选极值分布函数,新推导的函数形状参数计算公式较好提高重现期波高的计算精度,极值波高数据的分析方法和样本大小是影响重现期波高计算精确度的两个重要因素,短期波浪资料和年极值法可能高估重现期波高值。逐个风暴的极值波高数据分析法及最佳候选极值分布函数GPD-III和Weibull建议应用于涉海工程设计的重现期波高推算。     

年极值重现期波高的探讨

本文对以前使用的推算重现期波高的几种概率分布进行了评述。根据WMO标绘法,标绘在Weibull概率纸上的年极值波高都具有由两条直线组成折线的特点,提出用复合型Weibull分布律推算重现期波高的方法。     

耿贝尔逻辑模型在极值风速和有效波高联合概率分布中的应用

首先介绍了耿贝尔逻辑模型，采用该模型对南海海域的涠州岛海洋站的风速和有效波高实测数据进行了分析，结果表明耿贝尔逻辑模型较好地描述了年极值风速和有效波高两随机变量的联合分布；采用得到的极值风浪联合概率分布推算了不同重现期的极值风速和波高，表明考虑风速和波高相关性对设计荷载的确定有显著影响。由于耿贝尔逻辑模型具有函数结构简单，参数估计方便，因此有望成为极值风速和波高联合分布的较理想概率模型。     

渤海和黄海北部波高与周期联合分析

分析波高与周期的联合分布特征对于海洋平台设计、海洋工程建筑等有着重要的意义。基于SWAN模型模拟的波浪后报数据对渤海和黄海北部1999~2018年的波浪特征进行了统计分析。分别对20年的波高和周期数据进行了统计分析,得到了研究区域20年有效波高和波周期的季平均值和最大值的区域分布特征。然后以散布图的形式刻画了整个区域20年波高和周期的联合分布特征。为了更深入地研究波高和周期的联合分布规律,选择了两个研究点A1和A2,A1在渤海内部相对近岸,A2在黄海北部深海区。统计结果表明,在A1和A2,波高与周期的联合分布特征较为相似,均呈现斜三角形的分布特征,然而大波高大周期的波浪却呈现不同的分布特征。最后,利用20年的波浪后报数据,在A1和A2点构建了有效波高和谱峰周期的联合概率模型,并采用IFORM法得到了50年、100年和200年重现周期的环境等值线,为研究海域海上结构物的可靠性设计提供了参考。     

基于广义Pareto分布的波高极值序列频率分析

应用广义Pareto分布(GPD)分析超阈值波高序列的设计值。以位于美国北卡罗来纳州的FRF历时32年连续测量的逐日波高序列为例,检验了不同波高阈值样本的泊松分布,采用多种方法综合确定最佳阈值的拟合优度指标。对最优广义Pareto分布和GEV分布及P-Ⅲ分布推算的波高重现水平做了对比分析。得到以下结论:(1)波高的GPD属于短尾型分布;(2)拟合优度指标表明构建的波高GPD模型普遍优于GEV和P-Ⅲ型;(3)GPD的参数估计方法对设计波高的计算结果有较大影响。     

基于Archimedean Copula函数的风浪联合统计分析

选取渤海海域某导管架平台24年的年最大波高和相应风速,基于Gumbel分布对2个边缘分布的拟合优度检验,采用Archimedean Copula函数族中的4种函数构建两变量联合概率分布模型,并进行了拟合优度评价。利用优选出的Clayton Copula函数,计算风浪联合分布的联合重现值。以海洋平台响应作为约束条件,进行了二维Clayton Copula函数的风浪联合统计分析。研究结果表明:基于Copula函数构造的二维分布,考虑了风浪之间的相关性,在相同重现值设计参数下,可以降低导管架平台的结构响应,从而可以降低海洋平台的环境条件设计标准。     

江苏滨海海域海上风电场的极值波高推算

为了给江苏滨海海域海上风电场的结构设计提供更为合理的设计参数,本文利用定量分析法对比分析了采用不同推算方法推算得到的工程海域极值波高,讨论了不同推算方法的差异及影响。结果表明：采用年极值法、条件极值法（包括风暴统计法、阈值上限法）和组合法推算出的工程海域极值波高受理论频率曲线、热带风暴年均频次、极端设计风速和特定水位的影响较大。其中,热带风暴年均频次主要影响风暴统计法推算的结果,当热带风暴年均频次不小于1时,推算的结果趋于稳定,相对偏差小于5%;极端设计风速和特定水位主要影响组合法推算的结果,极端设计风速的选择主要影响极值波高在各个方向上的分布,特定水位的叠加主要影响极值波高的幅值;对于非特定水位下的极值波高,利用条件极值法中的风暴统计法推算的结果最大,为6.55 m;利用年极值法中P-Ⅲ型曲线推算的结果最小,为5.48 m;两者相对偏差约20%;对于特定水位下的极值波高,利用组合法推算出的NW—SE方向极值波高与水位呈正相关,即叠加正水位时,极值波高增大,叠加负水位时,极值波高减小,幅值变化可达±15%;且极值波高的方向分布与所采用的极端设计风速的方向分布相同,利用极值波高对应的设计...     

海浪等随机变量有界概率分布及工程应用

提出了一种随机量有界概率分布形式，该分布包含随机量的下界α、上界b及α、β两个特定系数共四个参量，由改变其中任一个参量所显示的结果看出，该分布具有较强的普适性。将该分布应用于海洋工程设计中常用的海浪波高长期分布的重现期及重现值的分析，得出了比P—Ⅲ型、Weibull及Gumble等分布较为合理的分析结果。     

基于独立样本的设计波高推算及其应用

极值样本的选取和分布模型的确定是设计波高推算中的两个关键环节。使用阈值法选取波高过阈样本作为极值样本时,常用标准风暴长度法对超出量序列进行“去聚类”处理,以使样本符合独立性标准。然而标准风暴长度法中的标准风暴长度需要人为选择,增加了取样结果的不确定性。本文提出了一种自动的标准风暴长度估计方法,并基于该方法选取了粤西海域的波高过阈样本。波高过阈样本具有尖峰、厚尾的统计特征,为了更准确地拟合该样本,本文基于组合模型原理构建了一种新的分布模型——Gumbel-Pareto分布模型,并用该模型进行了粤西海域的设计波高推算,结果表明Gumbel-Pareto分布对波高过阈样本的拟合优度比Gumbel分布和广义Pareto分布更高,可以为大型海洋工程设计波高的确定提供参考。     

近岸带波高与周期分布的核密度估计

使用双变量核密度估计方法描述近岸带波高和周期联合概率密度分布与波高、周期边缘密度分布。结果表明,核密度估计方法比通常使用的参数模式能更好地显示出具有多峰的波要素统计结构,核密度估计的波周期带宽系数能反映波浪谱的某些信息,尤其以波周期带宽和谱宽参量具有良好的线性关系。     

一种推算设计波高的新方法

本文提出了一种推求设计波高的新方法。用时间序列分析中的自回归-滑动平均(ARMA)模型分析年极值波高,进行建模、预报和频率分析,推求一定重现期设计波高。对于没有特大值的年极值波高序列,本文提出的方法推求的长重现期设计波高比规范方法推求的相应设计波高偏小;对于有特大值的年极值波高序列,本文提出的方法推求的长重现期设计波高较规范方法推求的相应设计波高大许多。本文中的方法所得结果较为合理。     

推算波浪多年一遇波高的新方法

采用卫星遥感推算多年一遇波高的新方法，对中国近海多年一遇波高进行推算研究。运用卫星遥感散射计得到的风资料推算了整个渤海区域波浪多年一遇的波高分布。通过与有实测资料4个点推算的结果比较表明：卫星资料和实测计算的误差随着重现期的增大而减小，最大误差百年和50年一遇波高为20cm；而百年和50年一遇波高正是工程中最为关心的，说明运用卫星遥感散射计风资料推算渤海多年一遇波高可行且结果合理。本研究方法为进一步运用和完善卫星遥感资料推算中国近海多年一波高场提供了一条新途径。     

北礵岛附近海域夏季海浪波高-周期分布特征

利用2016年夏季(6—8月)北礵岛附近海域的实测波浪数据,统计分析该海域海浪的波高特征值,探讨各特征波高与平均波高及有效波高之间的关系,找出较适用于该海域的波高分布、周期分布以及波高和周期的联合分布。结果表明:该海域有效波高的平均值为0.73 m,最大值为2.96 m,平均周期的平均值为4.50 s;各特征波高与平均波高及有效波高的比值普遍小于Rayleigh分布理论值;采用双参数Weibull分布,利用最小二乘法拟合出的波高分布和周期分布较适用于该海域。根据实测波高和周期联合分布结果,与已有的波高和周期理论分布进行对比,发现Longuet-Higgins改进分布和孙孚分布较适用于该海域的波高和周期联合分布特征。     

基于危险率分析的风浪联合重现期研究

采用二维逻辑冈贝尔分布,基于工程使用期和危险率,提出海洋工程结构设计过程中海洋环境要素(风速和波高)联合重现期的确定方法,并且以某海区资料为例,介绍基于危险率分析的风浪联合重现期分析过程.通过此例,在考虑工程使用期和危险率的基础上进行联合重现期的计算使海洋工程结构物设计过程中重现期的选取更加合理,安全性以及投资建造成本更加明确.     

山东沿海台风浪数值模拟与统计分析

为了得到山东沿海台风浪的重现期波高分布场,以Jelesnianski-Ⅱ模型构建的风场作为模式驱动,利用SWAN模式建立了山东及其附近海域的台风浪数值模型。通过对典型台风过程"麦莎"和"梅花"的数值计算,将模拟的有效波高与观测数据作了对比分析,验证了模型在计算海域的适用性;基于建立的模型,对1960-2012年期间发生于山东沿海的50场台风进行模拟。选取计算海域10个点的模拟所得波高序列,寻求复合极值分布拟合最优的分布型式,根据所得分布进行重现期波高的统计分析;最终绘制计算海域50年一遇和100年一遇的台风浪波高分布图,为山东沿海的防灾减灾和海洋结构设计提供参考依据。