关于功率谱密度函数计算中的几个问题

近年来,“谱分析”方法已在海洋科学的各个学科中广泛地应用,并且取得了不少成果。但在实际工作中,如在分析潮汐、潮流、海流等功率谱密度函数的计算结果时也遇到了一些具体问题。这些问题可以归纳为:通过快速富里叶变换方法得到离散的平滑谱估计值的     

广东阳西近岸海域海浪谱分析

根据广东阳西近岸海域测站1a实测共4 949组的原始随机波面观测记录,用自相关函数法和快速傅里叶变换法进行谱估计,得到波谱各特征参数,并与实测波面统计的特征值进行比较,经分析,选用快速傅里叶变换法估计研究海域的实测谱,对粗谱进行平滑和分析,筛选出研究海域海浪的样本谱498个,将平滑后的谱形无维量化,得到广东阳西海域海浪无维量平均谱曲线并求出对应谱参数,计算得到谱峰频率f0为0.121,特征频率μ10、μ20分别为1.929、2.733,谱宽度ε、ν为0.83、1.39.采用5种理论频谱模式对实测无维量谱进行拟合,根据拟合结果推荐γ=1.920 5的JONSWAP谱或者b=5.7、δ=6.0、k=0.5的莆田谱作为广东阳西近岸海域的海浪谱型,对该海区的工程建设、海浪预报警报和海浪理论研究具有较好的参考作用,对我国其他类似海域也有一定的参考价值.     

某些ENSO指数的比较

为了诊断研究ENSO现象,海洋学家和气象学家提出了许多不同类型的指数。对各种不同类型的指数进行分析比较是非常重要的。本文选取4个指数(ENI、RI、SSTI和TDI)用最大熵法(MEM)和自相关函数的傅里叶变换法(FTA)分别计算了它们的功率谱和两指数相互间的协谱、正交谱和凝聚谱,对它们进行了比较。     

最大熵法与传统法海浪谱估计的比较

一、问题的提出 海浪功率谱是描述海浪波面随机过程的基本特征参数,它既可研究海浪能量相对于频率的分布,又可研究海浪波面对外表现的统计规律。因此,准确求出海浪频谱具有重要的实用意义。目前常用的海浪频谱估计自相关法和周期留法,它们都引进一些假设及某种权函数的主观意志。最大熵法(MEM)是资料自适应谱估计法,它的窗函数是不固定的,是自身适应一个频率又一个频率,在一个频率上估计谱值很少受其它频率的方差     

用快速富里叶变换计算海浪的功率谱密度函数

计算一个时间函数X(t)的功率谱密度函数,通常有两种方法。一种叫做标准的自相关函数法,也称为间接法;另一种叫做直接法。间接法是通过函数X(t)的自相关函数计算X(t)的功率谱密度函数的方法;直接法就是直接对X(t)取富里叶变换来计算功     

平稳海浪过程谱估计最优设计

一、问题的提出在常规的海浪谱估计中,海浪被视为平稳随机过程,而以有限的样本长度通过对其自相关函数的估计,并进而用此估计值求谱和先求出周期图,然后以一定的权函数对周期图作加权平均,这两种谱估计方法已普遍被人们所接受.由于以相关函数或周期图作出的谱估计是渐近无偏而非渐近一致的估计,所以,为了得到渐近无偏和渐近一致的估计,就必须寻求进行周期图平均的权函数和寻求相关函数的权函数.而在已提出的、目     

机载波谱仪海浪谱反演方法及其验证

为了验证波谱仪反演二维海浪谱的功能,根据海浪波谱仪的信号形成机制,总结了机载波谱仪反演海浪的流程。利用机载波谱仪回波数据,通过自相关和互相关两种功率谱估计方法,反演了二维海浪谱。最后通过与浮标测量的二维海浪谱进行对比,验证了该机载波谱仪探测二维海浪谱的有效性。结果表明,无论采用自相关函数还是互相关函数进行功率谱估计,得到的主波波长和有效波高与实际二维海浪谱基本一致。互相关函数法得到的交叉谱能去除180°模糊现象,其在计算有效波高时相对于自相关函数会稍微偏小。在计算斜率方差时可以采用5°~12°入射角范围的后向散射系数进行公式拟合,因此定标与否并不影响最后的二维海浪谱结果,未来星载波谱仪只有靠多波束联合才能实现。     

海浪过程平稳性的一种检验方法

一、问题的提出自Tayfun等将Priestley提出的非平稳随机过程的谱理论及其用滤波技术进行谱估计的方法应用到非平稳波场中来之后,非平稳海浪过程的谱估计技术已基本得到解决。文献[2]在Priestley和Tayfun等研究的基础上,提出了以成长风浪谱为依时谱的理论,较严格地阐明了谱宽度参量B_f(t,ω)和B_o(t,ω)的变化规律,使非平稳海浪过程谱估计在理论上更加完善;在应用上提出了对成长风浪谱进行优选的判     

FFT在海浪数值模拟中的应用

所谓海浪过程的数值模拟,就是根据预先给定的海浪过程的谱密度模拟出与之对应的海浪过程,然后利用它去研究各种有关的问题.例如,当研究多桩柱石油平台的结构物经受波浪影响时,可以把波浪对结构物的作用问题看作一个随机过程系,用几个点的联合海浪过程模拟来处理.文献[1]中,已给出单过程海浪模拟实现的方法步骤.但是,由于伪随机数的产生及富氏变换的正、余弦函数的运算在电子计英机土所需要的时间,随着离散序列和迭加子波数的增加而急剧增加,从而使模拟波面需要的时间较长.为此我们寻求快速模拟海浪波面过程的方法.本文提出运用FFT算法的快速模拟联合海浪过程的模式,并以单过程为例说明FFT在海浪数值模拟中的应用.     

基于实测资料的双峰标准谱研究

根据江苏响水测站2017年的实测波面数据,通过快速傅里叶变换法进行海浪谱估计。筛选出符合标准的双峰谱型的样本谱322个,计算海浪谱参数,并与通过实测波面统计得到的波要素进行对比,验证谱分析方法的准确性。将海浪谱标准化,得到响水海域平均无因次谱曲线并求出对应的谱参数。基于低频分谱与高频分谱叠加的思想,采用4种经典的理论海浪谱模式对实测双峰标准谱进行拟合并确定相应参数,比较不同理论谱的拟合效果。通过计算发现采用Neumann谱与Jonswap谱组合的方式可以得到较好的拟合效果,对我国其他类似海域双峰型海浪谱的研究具有一定的参考价值。     

基于三阶斯托克斯波的谱估计及海浪数值模拟研究

为了拓宽建立深水非线性海浪频谱模型的研究途径,基于三阶斯托克斯波理论,提出了以改进的三阶斯托克斯波为组成波,以修正的自回归模型(AR)谱估计方法得到的估计谱(简称新谱)为靶谱的非线性海浪模型。通过基于模拟频谱和相位谱反演海浪波面高度时间序列(以下简称海浪时历反演方法)的谱比较方法验证了新谱的优越性,为从根本上解决精确评估海浪谱提供了技术支撑,对于增强未来掌控海战场具有重要意义。     

传统方法估计海浪频谱质量问题的讨论

一、问题的提出我国《海洋调查规范》(1975)的“海浪频谱的分析”节中,曾规定了传统频谱估计方法的一些参数,例如采样步长是0.5,0.75,1秒;自由度是50～60等等。由于当时海浪资料的限制,只比较了谱窗对谱质量的影响,规定自相关法采用Hamming窗是最佳,周期图法采用矩形窗。在这窗函数下进行谱估计时,步长的选取,自由度的确定,只分析少数几组资料,故这些参数确定是参阅了Wilson(1970)和Kinsman(1965)等文献。因此,这些     

最大熵法与传统法海浪谱估计的比较

海浪功率谱是描述海浪波面随机过程的基本特征参数，它既可研究海浪能量相对于频率的分布，又可研究海浪波面对外表现的统计规律。因此，准确求出海浪频谱具有重要的实用意义。目前常用的海浪频谱估计自相关法和周期图法，它们都引进一些假设及某种权函数的主观意志。     

基于形态学-HHT算法的船载地磁三分量信号分析与预处理

在船载地磁三分量测量结果中存在脉冲和高频随机噪声干扰,会影响船磁校正精度。基于实测船载地磁三分量的总场数据构建了一种基于形态学 HHT算法的信号分析和预处理方法,用形态学滤波方法去除脉冲噪声,用希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform, HHT)识别高频噪声分量,并通过自相关函数验证6阶以上的高阶分量包含有效地磁信号,截止频率在0.010~0.500 Hz之间。采用巴特沃斯滤波器(Butterworth filter)对该频率内含噪声地磁总场进行低通滤波处理,并与快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)滤波结果进行对比,计算2种滤波处理方法的均方根误差(RMSE),形态学-HHT方法的RMSE仅为194 nT,而FFT方法的约为600 nT,表明形态学-HHT的滤波效果优于FFT,可有效压制船载地磁三分量中的随机噪声干扰。     

联合海浪过程的数值模拟

早期,海浪被抽象成一些简单的模式(如正弦波、有限振幅波等等),而加以研究,也得到了许多能近似符合实际的结果。但是,对真实海浪而言,其内部结构和外观特征都是复杂的,且都受着随机性的制约。因此,自五十年代初期开始,人们已广泛地使用随机函数(随机过程)来作为描述海浪的模式。当用随机函数这种模式研究海浪时,海浪谱是一种有效的工具,而如何获得海浪谱便构成海浪研究中重要的问题。海浪谱可以通过多种途径获得,但利用海浪过程的现实(观测记录)求谱是最基本、最可靠的方法,这方面国内外已进行了许多的研究。     

海浪波高序列的长期相关性及自仿射结构

本文用尺度重整分析法对渤海实测海浪波高序列进行了分析,发现波高序列满足H=0.65的Hurst律.由此得到结论:海浪波高并非相互独立的随机序列,而是具有长期相关性的随机序列.应用分形几何对波高序列的分析表明,波高序列的长期相关性在几何上有下述重要的结论:波高序列的离均累积值X(t)具有统计自仿射的几何相似结构,且其分维数D=2-H=1.35.     

GPS浮标数据反演海浪谱的理论仿真与试验验证

GPS浮标作为一种新型的海洋测量设备,近年来在海面高度现场测量和星载高度计定标方面取得了重要应用。通过仿真试验对反演海浪谱的方法和流程进行研究,旨在探索从GPS浮标测量的海面高度序列中提取海浪谱的方法。首先,使用Longuest模型生成了海浪波面位移时间序列,并通过Pierson-Moscowitz风浪谱对波面位移的统计特性进行约束,其随机性由相位引入。结合典型潮汐和GPS浮标仪器噪声的仿真时间序列,合成了仿真时间长度1h的1Hz(每秒1次)随机海面高度序列。然后,利用自相关函数法,进行高通滤波和数据压缩,得到了仿真的海浪谱。该仿真结果和理论海浪谱非常接近,可满足海浪谱反演的需求。最后,通过山东石岛外海的GPS浮标现场试验,验证了本文提出的反演方法的适用性。本文的研究解决了GPS浮标反演海浪谱的关键问题,丰富了海浪谱反演的手段,拓展了GPS浮标的应用领域,有望为未来我国的星载波谱仪定标服务。     

基于多项式逼近的固定式平台响应谱理论研究

依据波浪力成因和作用效果的不同,将波浪力分为两部分(Morisson 波浪力和 Inundation波浪力)讨论.对于两种波浪力中的非线性拖曳力项,采用高次多项式逼近,结合高斯型统计量高阶矩计算原理、相关函数、变换法和单输入多输出系统的互谱关系,预测海流海浪联合作用下的海洋平台响应谱的理论形式,求得总波浪力谱以及平台响应谱.在Inundation模态力的相关函数推导过程中,考虑海流影响时,惯性力项与拖曳力项的相关函数总和为0,这一结果与不考虑海流影响时的结果相同.     

非平稳海浪过程谱估计最优设计

一、引言在随机海浪的描述中,谱的概念是大家所熟悉的.以有限长度的波面记录进行谱估计,在海浪谱分析理论中处于重要地位.常规谱分析方法的重要限制之一,就是将海浪过程视为平稳随机过程,即海浪的统计性质不随时间改变.但是,在许多情况下,例如,由风暴引起的波场,有限风区波场,以及受折射、变浅和底部摩擦影响的浅水波场,则不能被视为平稳(或匀质)的.Tayfun等认为,将海浪过程视为平稳随机过程是由于非平稳随机过程谱的概念缺乏在物理上有意义、数学上有严格证明而提出的.严格说     

从航磁资料延拓出海面磁场

因延拓深度有限,现有的位场向下延拓方法不能从航磁资料向下延拓出海面的磁场.位场大深度向下延拓方法——迭代法,可以从航磁资料向下延拓出海面的磁场,得出与航磁同比例尺的海面磁力图,可大大提高海洋磁测成果的综合利用率.介绍了迭代法位场延拓原理.用迭代法对实际资料进行了处理,讨论了误差产生的原因.对比了迭代法与快速傅立叶变换法(FFT)在位场向下延拓中的效果,迭代法显著优于FFT法.