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。     

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。     

Hilbert变换在海浪波高与周期联合分布函数中的应用

Longuet-Higgins(1983)[1]导出了波高与周期的联合分布函数,此分布函数虽然与实际数据符合良好,但存在很大的缺陷,如:由此分布函数得出的波高分布为形式较为复杂的非Rayleigh分布,很难应用于工程计算中。孙孚(1988a)[2]应用射线理论导出了一种波高与周期联合分布,虽然弥补了Longuet-Higgins的一些缺陷,但推导过程过于复杂。本文在窄谱假定下通过应用Hilbert变换方法得出新的分布函数并与前两者比较,表明Hilbert变换的方法不但简便,而且完全克服Longuet-Higgins的不足,可以方便的应用于工程计算中。本文也为Hilbert变换的方法在工程中的应用提供了理论依据。     

A joint distribution of significant wave height and characteristic surf parameter

The paper provides a joint distribution of significant wave height and characteristic surf parameter. The characteristic surf parameter is given by the ratio between the slope of a beach or a structure and the square root of the characteristic wave steepness in deep water defined in terms of the significant wave height and the spectral peak period. The characteristic surf parameter is used to characterize surf zone processes and is relevant for e.g. wave run-up on beaches and coastal structures. The paper presents statistical properties of the wave parameters as well as an example of results corresponding to typical field conditions.     

基于波高和周期双指标的福建海域海浪危险性分析

现行的海浪危险性评估方法仅以波高作为指标,没有考虑波浪周期对海上建筑物和船舶航行安全的影响。基于1979-2016年福建外海海浪数值后报结果,建立了基于周期的海浪强度和危险性等级划分标准,提出了基于波高和周期双指标的福建海域海浪危险性分析方法。结果表明,双指标下海浪危险等级分布结合了波高单指标下环状分布和周期单指标下带状分布的特点,以台湾海峡中南部海域海浪危险等级最高,闽南近岸海域海浪危险等级高于闽东和闽中海域,总体危险等级分布呈现南高北低的特征;双指标下的福建外海海浪危险等级分布比单指标考虑更为全面,不仅包含波高对结构物的影响还考虑了周期对浮式结构物和防波堤的作用,更加贴近真实情况下的海浪危险性特征。     

波高与风速联合概率分布研究

基于copula函数论述了两变量的联合概率分布方法.此方法的主要优点是边缘分布可由不同的分布函数构成,变量间可具相关性.以粤东汕尾海域极值波高与相应风速为研究实例,经分析获得以下结果:(1)优选的极值波高和风速可分别由P-Ⅲ型和GEV 分布表示:(2)拟合优度检验指标表明二者的最优连接函数为Archimedean co...     

Wave energy assessment based on trivariate distribution of significant wave height,mean period and direction

Based on the Vine copula theory, a trivariate statistical model of significant wave height, characterized wave period and mean wave direction was constructed. To maintain the properties of the different types of variables, a special copula function was derived from the model developed by Johnson and Wehrly based on the maximum entropy principle. It was then combined with the Archimedean copulas to construct the proposed model. An effective algorithm for generating corresponding joint pseudo-random numbers was also developed. Statistical analysis of hindcast data for the significant wave height, mean wave period, and direction, which were collected from an observation point in the North Atlantic every three hours from 1997 to 2001, was performed. The marginal distributions of the significant wave height and mean wave period were fitted by a modified maximum entropy distribution, and the mean wave direction was fitted by a mixture of von Mises distributions. It was shown that the proposed model is a good fit for the data. The seasonal wave energy resources in the target area were assessed using the model estimates. Histograms of the directional wave energy, wave energy roses, and scatter and energy diagrams were presented.     

台湾海峡有效波高的SWAN模式与ERA-Interim数据对比分析

有效波高是描述海浪的关键参数。欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的ERA-Interim再分析数据提供了全球海浪的有效波高,本文选取该数据在台湾海峡2013年3月份的有效波高结果,分别与浮标观测数据以及海浪数值模式SWAN （Simulating Waves Nearshore）的数值模拟结果相对比,来分析其预报效果。结果显示：在浮标点,ERA-Interim数据和SWAN模拟浪高数据与浮标浪高数据的时间相关系数分别为0.94和0.98,ERA-Interim数据的浪高均值约为浮标的51%,为SWAN模拟数据的70%。在台湾海峡区域,ERA-Interim数据与SWAN模拟浪高之间的空间异常相关系数（ACC）月均值为0.51,时序ACC曲线显示,一般在海峡东北口风初起时刻ACC值最小,在风吹遍海峡并增长的过程中,ACC迅速增加,在风速达到最大值之后,ACC开始下降,但ERA-Interim数据与SWAN数值模拟结果在整个海峡区域的浪高最大值与最小值分布位置基本一致。综合分析,ERA-Interim数据能够反映台湾海峡区域此时间段的有效波高的时空变化趋势,在数值上有明显低估。     

基于WW3的南海北部有效波高时空变化及其极值重现期估算方法分析

本文基于第3代海浪模式WAVEWATCH III （WW3）模拟的1996–2015年海浪后报数据,分析了南海北部有效波高及其极值的时空变化特征,并采用Pearson-III和Gumbel两种极值分布方法对该区极值波高重现期进行了估算。结果表明,南海北部有效波高的季节变化和空间分布与季风风场基本一致,呈现秋冬高春夏低,并自吕宋海峡西侧向西南降低的特征,与ERA5再分析数据结果高度相似。有效波高极值（简称极值波高）的时空分布特征受时间分辨率强烈影响,采用极值数据的分辨率越高（如逐小时）,所展现的台风型波浪特征越显著。扣除季节变化信号后的有效波高和年极值波高均体现出较强的线性增高趋势,近20年升高的比例分别为7.7%和31.6%,值得警惕和关注。该区多年一遇极值波高存在若干个大值区,且与台风的路径、强度有直接联系,表明台风是引发该区域极端大浪的最主要机制。对比Pearson-III和Gumbel极值分布估算结果发现：若极值波高较低,频率随极值波高升高缓慢降低,此时两种极值分布的估算都比较准确,差异极小,可忽略不计;但当研究时间范围内,某年极值波高远超其他年份时,Pearson-III极值分布估算结果明显高于Gumbel极值分布估算结果,且更接近实际极值波高,即Pearson-III极值分布在此情况下表现更好。本研究表明对于特定海区,在出现超强台风引发极值波高远超出其他年份时,不同计算方法对极值波高的估算差异较大,会显著影响重现期的评估。此外,南海北部年极值波高的强烈增高趋势,也可能给计算未来极值波高重现期和海上工程防护带来不可忽视的影响。     

南海北部海区波高与厄尔尼诺关系探究

以欧洲中期天气预报中心的23年再分析风场数据为基础,采用HIRHAM风场模式和SWAN海浪模型对南海北部海域的波浪场进行推算,并将南海北部海域的有效波高与厄尔尼诺指数作对比,探究两者的关系,分析结论如下：（1）南海海域波高具有较强的季节性变化特征,冬季波高大于夏季波高;（2）南海北部海域月平均波高与Niño3.4指数呈负相关,大部分海域呈中度相关,台湾和菲律宾之间的部分海域呈高度相关;（3）在强厄尔尼诺年,南海北部海域的有效波高明显偏小,且厄尔尼诺指数变化越大,波高越小;反之,在强拉尼娜年,南海北部海域的有效波高较大。