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短峰波浪场相位解析预报方法研究

摘要

在真实的海洋环境中，波浪场往往呈现短峰波态势，航行船舶受短峰波浪场的波浪

激励作用产生六自由度摇荡运动，因此，针对短峰波浪场的相位解析波浪预报对于船舶

的航线规划、工程作业安全及船舶航行安全具有重要意义。传统水动力求解方法存在频

谱泄露、计算复杂度过大、计算耗时长，无法满足实时预报需求等问题。智能预报模型

存在参数设置方案不明确，物理特征过程未知、数据适应性差等问题。针对上述问题，

本文分别基于水动力方法及深度学习方法，开展了短峰波浪场相位解析预报方法研究。

针对传统水动力方法的频谱泄露等问题，本文基于显式波浪方程，构建了超定波参

矩阵相位解析波浪预报模型。本文首先介绍了短峰不规则波的数值模拟方法，并在线性

波浪模型的基础上，通过求解表征短峰波浪场的时空传播特征的超定波参矩阵，获得未

知子波的未知复振幅、相位角矩阵，构建了超定波参矩阵相位解析波浪预报模型。本文

采用滑动窗口方法在时间轴上反复调用预报模型，实现了模型的持续预报。为了给出该

水动力相位解析预报方法的时空可预报域分析，本文基于子波能量传播思想，给出了时

空可预报判别容忍准则。

本文对超定波参矩阵相位解析预报模型在不同预报距离的预报性能进行分析，模型

整体预报精度随预报距离的增大而减小。本文以当前海况下的谱峰周期对应波长作为波

浪场空间特征表征参数，整体预报模型精度随预报距离呈现二次函数变化趋势。本文使

用二次曲线拟合方法，给出了预报误差变化函数表达式，同时，为分析波参矩阵构建形

式对预报精度的影响，本文开展了测点布置方式影响分析。

在实际海洋环境中，短峰波浪场往往具有较高的非线性及随机性，因此本文开展非

线性输入下的相位解析波浪预报研究。本文使用LSTM模型来构建测点波浪时历与待预

报点波浪时历之间的时空映射关系，建立了非线性定点波浪时历相位解析智能预报模型，

并给出了非线性定点波浪时历相位解析预报模型的最佳参数设置方案。本文通过对比分

析该预报模型在不同方向谱、不同波能谱下的预报效果，发现当整体海浪场的谱型特征

更加集中于某一频率或某一方向的时候，整体预报精度更佳。

基于测波雷达、卫星等遥感测量设备测得的波浪场数据以三维时空序列形式呈现，

因此本文开展了针对三维波浪时空序列的相位解析预报研究。本文基于ConvLSTM模

型，建立了三维波面序列相位解析智能预报模型。本文给出了模型最优的超参数设置方

哈尔滨工程大学硕士学位论文

案，并分析了不同时空分辨率的数据集对于模型预报精度的影响，结果证明模型的预报

精度随时间分辨率的增大而增大，且在数据集空间分辨率满足奈奎斯特采样定理的前提

下，模型预报均可以较为精准的反应波浪场的变化趋势。同时本文分析了不同航速下的

三维时空序列对于三维波面序列相位解析智能预报模型预报精度的影响。

本文针对短峰波浪场相位解析预报问题，分别从线性、非线性、三维波浪场角度出

发，基于水动力方法及智能方法，构建了超定波参矩阵预报模型、非线性定点波浪时历

相位解析智能预报模型及三维波面序列相位解析智能预报模型，为实际工程应用提供基

础理论支撑及技术支撑。

关键词：短峰波浪场；相位解析预报；超定波参矩阵；深度学习方法；三维波浪时

空序列

短峰波浪场相位解析预报方法研究

Abstract

Intheocean,wavefieldsoftenexhibitshort-crestedwaveconditions.Navigatingvessels

experiencesixdegreesoffreedomoscillatorymotionduetothewaveexcitationfromtheshort-

crestedwavefield.Therefore,phase-resolvedwavepredictionforshort-crestedwavefieldsis

ofsignificantimportanceforvesselrouteplanning,engineeringoperationsafety,andvessel