1.本发明涉及河口海岸及海洋监测领域，具体涉及一种基于高频水位和三维流速数据的湍流和波浪分离的方法。
背景技术：
2.湍流在水环境中尤为常见，与污染物、营养物和沉积物的输送密切相关。准确估计湍流动能对于量化湍流对水力学要素(如密度分层和混合)的影响、沉积物的再悬浮以及近底边界层碳排放过程至关重要。此外，潮汐能和波浪能是重要的可再生能源，而湍流增加了涡轮机结构上的载荷从而减少了涡轮机的寿命。因此，潮汐和波浪涡轮机的设计和长期维护需要准确的湍流和波浪能量估算。近年来，应用声学多普勒流速仪测量高频三维流速，进而估算湍流能量已经得到广泛应用。
3.然而，由于湍流和波浪在特定频率范围内的重叠，现场观测的湍流脉动速度往往受到波浪轨道速度的影响。因此，在波浪环境中分离波浪和湍流非常具有挑战性，但此工作对于准确评估波浪和湍流能量，进而量化湍流特性具有重要意义。迄今为止，波浪-湍流分离方法主要分为五大类:相干、共谱、移动平均、能谱分析和经验模态分解。这些方法基于不同的物理假设和数学算法，得到的湍流和波浪能量估计偏差较大。其中，共谱法仅适用于均方根波轨道速度小于平均流速的弱波情况。能谱分析法则是假设湍流频谱满足幂指数规律，但是此假设在密度分层和壁面效应显著情况下并不能满足。在波浪主导频率上，相干法不能有效地去除波浪运动，因为波浪运动始终与水位不完全相干；此方法将非相干波运动视为湍流，导致对湍流能量的估计过高。移动平均和经验模态分解法将波浪主导频率范围的湍流运动视为波浪运动，在估计湍流脉动速度时将其去除。导致在湍流谱中产生能量槽的问题，进而低估湍流能量而高估波浪能量。
技术实现要素：
4.本发明的目的在于提供一种基于高频水位和三维流速数据的湍流和波浪分离的方法，能够简单高效地对湍流和波浪能谱进行分离，从而获取高精度的湍流和波浪能量。
5.实现本发明目的的具体技术方案是：
6.一种基于高频水位和三维流速数据的湍流和波浪分离的方法，该方法包括以下具体步骤：
7.步骤1：基于声学多普勒流速仪测得的高频水位数据，通过能谱法确定波浪主导的频率范围(f
w1
,f
w2
)；f
w1
和f
w2
分别为波浪主导频率的上、下限。
8.步骤2：对声学多普勒流速仪获取的高频三维流速数据，通过“相空间”法去除原始数据中的噪声和毛刺，并修正缺失值。处理后的流速数据由原来所在的东向、北向和垂向坐标系(ue，un，uu)转换到流向、横向和向上坐标系(u，v，w)。其中，流向与水平面的夹角记为θ。
9.步骤3：将步骤2得到的流向、横向和向上坐标系(u，v，w)绕横向v轴旋转角度θ，使u和v位于同一水平面，而w轴垂直向上。新的坐标系记为(u0，v0，w0)。所得坐标系(u0，v0，w0)绕
w0轴旋转角度β可得新坐标系(u
β
，v
β
，w
β
)。将步骤2去除毛刺和噪声后的三维流速投影到新坐标系(u
β
，v
β
，w
β
)中。角度β的取值范围为0-360
°
，精度为1。对每一个β所得流速进行频谱分析，可得三维速度能谱(su
β
，sv
β
，sw
β
)。根据波浪轨迹速度的二维特性，波浪主导的频率范围内的能谱积分在波浪轨迹速度的正交方向上取得最小值。因此，当取最小值时，对应的β记为β1，β
1-90
°
指示波浪方向。
10.步骤4：根据步骤3得到的波浪方向，提取对应坐标系下的三维速度能谱(su
β1
，sv
β1
，sw
β1
)。其中，sv
β1
受波浪影响小，为湍流能谱；su
β1
和sw
β1
受波浪轨迹速度作用，为各自方向的总能谱，包括波浪和湍流能谱。根据湍流耗散特性，各方向的湍流能谱成比例。比例系数可由除波浪主导频率范围(f
w1
,f
w2
)外的能谱比值，即
[0011][0012][0013]
来确定。c
uv
和c
wv
分别为u
β1
和w
β1
方向的湍流能谱与v
β1
方向湍流能谱的比值。
[0014]
步骤5：基于步骤4得到的比例系数，评估波浪主导频率范围内的波向(u
β1
)和垂向(w
β1
)湍流能谱，从而得到全域湍流能谱：
[0015][0016][0017]
步骤6：由原三维总能谱(su
β1
，sv
β1
，sw
β1
)减去步骤4和5得到的湍流能谱(s
′
uβ1
，sv
β1
，s
′
wβ1
)可得波浪能谱。进一步对波浪和湍流能谱进行积分，即可分别得到波浪(ew)和湍流(e
t
)能量：
[0018][0019][0020]
，实现波浪和湍流(能谱和能量)的分离。
[0021]
与现有技术相比，本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
[0022]
(1)本发明利用声学多普勒流速仪原始高频水位和三维流速数据作为判断条件，根据波浪轨迹速度的二维特性和三维湍流紊动的耗散特性，通过简单的旋转坐标和能谱分析即可获得三维湍流能谱，从而剥离湍流和波浪能量。
[0023]
(2)本发明基于波浪和湍流特性差异，从频谱角度对波浪和湍流进行分离，有效避免了将波浪主导频率范围内的紊动归为波浪运动的误差，从而提高了湍流和波浪能量的测量精度，可为进一步的水沙动力学研究提供数据和技术支撑。
附图说明
[0024]
图1为本发明流程图；
[0025]
图2为本发明实施例的效果图。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图和具体操作对本发明做进一步详细说明。
[0027]
参阅图1，本发明包括以下具体步骤：
[0028]
(1)利用声学多普勒流速仪获取高频水位和三维流速数据。
[0029]
(2)读取高频水位时间序列，通过频谱分析得到其能谱，进而识别能谱峰所在的频率区段，确定波浪主导的频率范围(f
w1
,f
w2
)。
[0030]
(3)读取高频三维流速数据，通过“相空间”法去除原始数据中的噪声和毛刺，并修正缺失值。处理后的流速数据由原来所在的东向、北向和垂向坐标系(ue，un，uu)转换到流向、横向和向上坐标系(u，v，w)。其中，流向与水平面的夹角记为θ。新坐标系(u，v，w)绕横向v轴旋转角度θ，使u和v位于同一水平面，而w轴垂直向上，记为(u0，v0，w0)。进一步绕w0轴旋转角度β可得新坐标系(u
β
，v
β
，w
β
)。将去除毛刺和噪声后的三维流速投影到新坐标系(u
β
，v
β
，w
β
)中。角度β的取值范围为0-360
°
，案例中的精度为1
°
。对每一个β所得流速进行频谱分析，可得三维速度能谱(su
β
，sv
β
，sw
β
)。
[0031]
(4)寻找取得最小值时，对应的β，记为β1。其中，β
1-90
°
指示波浪方向。根据此方向提取(3)得到得对应坐标系下的三维速度能谱(su
β1
，sv
β1
，sw
β1
)。其中，sv
β1
受波浪影响小，为湍流能谱；su
β1
和sw
β1
受波浪轨迹速度作用，为各自方向的总能谱，包括波浪和湍流能谱。根据湍流耗散特性，各方向的湍流能谱成比例。比例系数可由除波浪主导频率范围(f
w1
,f
w2
)外的能谱比值，即
[0032][0033][0034]
来确定。
[0035]
(5)基于以上比例系数，可评估波浪主导频率范围内的波向(u
β1
)和垂向(w
β1
)湍流能谱，从而得到全域湍流能谱：
[0036][0037][0038]
(6)由原三维总能谱(su
β1
，sv
β1
，sw
β1
)减去湍流能谱(s
′
uβ1
，sv
β1
，s
′
wβ1
)可得波浪能谱。进一步对波浪和湍流能谱进行积分，即可分别得到波浪(ew)和湍流(e
t
)能量：
[0039][0040][0041]
，从而实现波浪和湍流(能谱和能量)的分离。
[0042]
实施例
[0043]
(1)在长江口北槽中段布设装有声学多普勒流速仪的坐底三脚架，以获取高频水位和三维流速数据。声学多普勒流速仪的安装高度距底45厘米，测点高度距底30厘米。其采样间隔为10分钟，每次间隔连续采样60秒，采样频率为16赫兹，具体操作参照仪器使用说明书。
[0044]
(2)读取测得的高频水位时间序列，通过频谱分析得到其能谱，进而识别能谱峰所在的频率区段，确定波浪主导的频率范围为0.05-0.5赫兹。
[0045]
(3)读取高频三维流速数据，通过“相空间”法去除原始数据中的噪声和毛刺，并修正缺失值。处理后的流速数据由原来所在的东向、北向和垂向坐标系(ue，un，uu)转换到流向、横向和向上坐标系(u，v，w)。其中，流向与水平面的夹角记为θ。新坐标系(u，v，w)绕横向v轴旋转角度θ，使u和v位于同一水平面，而w轴垂直向上，记为(u0，v0，w0)。进一步绕w0轴旋转角度β可得新坐标系(u
β
，v
β
，w
β
)。将去除毛刺和噪声后的三维流速投影到新坐标系(u
β
，v
β
，w
β
)中。角度β的取值范围为0-360
°
。其精度可根据实际要求进行调整。案例中的精度为1
°
。对每一个β所得流速进行频谱分析，可得三维速度能谱(su
β
，sv
β
，sw
β
)。
[0046]
(4)寻找取得最小值时，对应的β，记为β1。案例中β1为164
°
。根据此方向提取(3)得到得对应坐标系下的三维速度能谱(su
β1
，sv
β1
，sw
β1
)。其中，sv
β1
受波浪影响小，为湍流能谱；su
β1
和sw
β1
受波浪轨迹速度作用，为各自方向的总能谱，包括波浪和湍流能谱。根据湍流耗散特性，各方向的湍流能谱成比例。比例系数可由除波浪主导频率范围0.05-0.5赫兹外的能谱比值，即
[0047][0048][0049]
来确定。
[0050]
(5)基于以上比例系数，可评估波浪主导频率范围内的波向(u
β1
)和垂向(w
β1
)湍流能谱，从而得到全域湍流能谱：
[0051][0052]
[0053]
(6)由原三维能谱(su
β1
，sv
β1
，sw
β1
)减去湍流能谱(s
′
uβ1
，sv
β1
，s
′
wβ1
)可得波浪能谱。进一步对波浪和湍流能谱进行积分，即可分别得到波浪(ew)和湍流(e
t
)能量：
[0054][0055]
,
[0056]
从而实现波浪和湍流(能谱和能量)的分离,如图2所示。