海流流速预报方法、装置及电子设备与流程

本发明涉及海洋预报技术领域，尤其是涉及一种海流流速预报方法、装置及电子设备。

背景技术：

在核电站事故发生后，以最短的时间预报放射性物质可能的扩散路径和范围，对事故影响迅速做出评估，尽可能减少事故带来的环境和人民生命财产的损害，是核电站迅速发展的今天面临的非常迫切的课题。核电站所在海域的海洋流场，是放射性污染物扩散路径预报的关键基础数据，通过流场预报模块能给出评价范围内的网格预报流场数据，做为放射性污染物迁移扩散计算的输入。

目前，现有的流场预报技术需要通过有限差分方法或有限体积法建立海洋流场数值模式，该海洋流场数值模式的计算量庞大，通常需要至少100cpu以上的大型计算服务器，且预报所需的时间至少3个小时以上。整体而言，现有流场预报方式的计算量大，对计算设备的硬件要求较高，且计算耗时长。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种海流流速预报方法、装置及电子设备，可以减少海流预报的计算量，降低海流预报对计算设备的硬件要求，更加快速地计算出海流流速，从而提高海流预报的时效性。

第一方面，本发明实施例提供了一种海流流速预报方法，包括：获取目标海域的潮流数据和风场数据；根据该潮流数据确定该目标海域的潮流的流速；根据该风场数据确定该目标海域的风生海流的流速；根据该潮流的流速和该风生海流的流速，确定该目标海域的海流流速。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述根据该潮流数据确定该目标海域的潮流的流速的步骤，包括：根据该潮流数据计算该目标海域的潮汐调和常数；根据该潮汐调和常数，利用调和法计算该目标海域的潮流的流速。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述根据该潮流数据计算该目标海域的潮汐调和常数的步骤，包括：根据该潮流数据，通过最小二乘法计算该目标海域的潮汐调和常数。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，该潮汐调和常数包括该目标海域的指定分潮的指定流速分量的调和常数，上述根据该潮汐调和常数，利用调和法计算该目标海域的潮流的流速的步骤，包括：根据该指定分潮的指定流速分量的调和常数，利用调和法计算该目标海域的潮流的指定流速分量；根据该指定流速分量计算该目标海域的潮流的流速。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，该指定流速分量包括流速东分量和流速北分量，上述根据该指定分潮的指定流速分量的调和常数，利用调和法计算该目标海域的潮流的指定流速分量的公式包括：式中，u为该流速东分量，v为该流速北分量，i为指定分潮的数量，t为时间，fi为第i个分潮的交点因子，σi为第i个分潮的角速度，ν0i为第i个分潮的初相位，ui为第i个分潮的交点订正角，ui为第i个分潮的流速东分量的振幅调和常数，ξi为第i个分潮的流速东分量的迟角调和常数，vi为第i个分潮的流速北分量的振幅调和常数，ηi为第i个分潮的流速北分量的迟角调和常数。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，上述根据该风场数据确定该目标海域的风生海流的流速的步骤，包括：根据该风场数据，通过风因子法计算该目标海域的风生海流的流速。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，该通过风因子法计算该目标海域的风生海流的流速的计算公式为：uw＝ku10，式中，uw为该风生海流的流速，u10为该目标海域的海面上10米处风速在10分钟内的平均值，k为风因子系数。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，上述根据该潮流的流速和该风生海流的流速，确定该目标海域的海流流速的步骤，包括：对该潮流的流速和该风生海流的流速进行矢量叠加，得到该目标海域的海流流速。

第二方面，本发明实施例还提供了一种海流流速预报装置，包括：数据获取模块，用于获取目标海域的潮流数据和风场数据；潮流流速确定模块，用于根据该潮流数据确定该目标海域的潮流的流速；风生海流流速确定模块，用于根据该风场数据确定该目标海域的风生海流的流速；海流流速确定模块，用于根据该潮流的流速和该风生海流的流速，确定该目标海域的海流流速。

第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括处理器和存储器，该存储器存储有能够被该处理器执行的计算机可执行指令，该处理器执行该计算机可执行指令以实现上述海流流速预报方法。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的一种海流流速预报方法、装置及电子设备，获取目标海域的潮流数据和风场数据；根据该潮流数据确定该目标海域的潮流的流速；根据该风场数据确定该目标海域的风生海流的流速；进而根据该潮流的流速和该风生海流的流速，确定该目标海域的海流流速。该方式中，通过考虑对目标海域的海流流动提供主要动力的潮汐和表面风的作用，分别计算潮汐作用下的潮流的流速，以及表面风作用下的风生海流的流速，进而通过这两个流速计算得到目标海域的海流的流速，有效避开了现有流场预报中，对海洋流场数值模式进行数值计算的过程，可以减少海流预报的计算量，降低海流预报对计算设备的硬件要求，更加快速地计算出海流流速，从而提高海流预报的时效性。

本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。

为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种海流流速预报方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种对潮流的流速和风生海流的流速进行矢量叠加的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种海流流速预报装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

图标：31-数据获取模块；32-潮流流速确定模块；33-风生海流流速确定模块；34-海流流速确定模块；41-处理器；42-存储器；43-总线；44-通信接口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

核电站发电时需要大量的水进行热交换，所以一般都建设在沿海地带。在核电站发生事故情况下，可能造成液态放射性物质向海洋环境的排放。这些液态放射性物质进入海洋后，会通过对流、扩散、沉降等过程，向周边海域输运，并可能通过环流对更大尺度的海洋环境造成影响。在核电站事故发生后，以最短的时间预报放射性物质可能的扩散路径和范围，对事故影响迅速做出评估，尽可能减少事故带来的环境和人民生命财产的损害，是核电站迅速发展的今天面临的非常迫切的课题。核电站所在海域的海洋流场，是放射性污染物扩散路径预报的关键基础数据，通过流场预报模块能给出评价范围内的网格预报流场数据，做为放射性污染物迁移扩散计算的输入。

现有的流场预报技术采用有限差分方法或有限体积法先建立海洋流场数值模式，然后求解navier-stokes原始方程来预报流场，例如普林斯顿海洋流场数值模式(pom)，该模式是普林斯顿大学大气海洋科学项目组和noaa的地球流体力学实验室为海洋问题的应用而发展的。该模式包含完整的热力学过程的原始方程模式，该模式水平方向采用曲线正交坐标和arakawac差分网格，垂直方向采用σ坐标。水平方向的时间差分是显式的，而垂直方向是隐式的，后者可以消减时间步长限制，从而允许有较高的垂向网格分辨率。

考虑到现有流场预报方式的计算量大，对计算设备的硬件要求较高，且计算耗时长的问题，本发明实施例提供了一种海流流速预报方法、装置及电子设备，该技术可以应用于对海洋海流进行快速预报的各种应用场景中，例如，可应用于核电站周边海域的洋流预报中。为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种海流流速预报方法进行详细介绍。

参见图1，所示为本发明实施例提供的一种海流流速预报方法的流程示意图，由图1可见，该方法包括以下步骤：

步骤s102：获取目标海域的潮流数据和风场数据。

这里，潮流数据是指因潮汐作用引起的海水的周期性的流动的海流数据。潮汐是海洋中非常重要的一个动力系统，在近海尤其重要。在许多海湾，潮动力是最重要的水动力控制因素。潮汐是地球上的海水受到月球和太阳的作用产生的一种规律性的上升下降运动，由潮汐引起的海水的周期性的流动叫做潮流。

在实际操作中，可以通过实际观测或者数值模拟的方式，以获得目标海域的潮流数据。具体而言，该潮流数据可以包括主要分潮的数据，例如分潮随时间变化的潮流速度和初潮相位等等。

另外，风场数据是指目标海域上方的风速随时间的变化数据，该风场数据也可以通过实际观测或者大气模式数值模拟的方式获得。

步骤s104：根据该潮流数据确定该目标海域的潮流的流速。

在其中一种可能的实施方式中，可以通过下述步骤21-22确定目标海域的潮流的流速：

(21)根据该潮流数据计算该目标海域的潮汐调和常数。

这里，可以根据该潮流数据，通过最小二乘法计算该目标海域的潮汐调和常数。其中，潮汐调和常数也简称为调和常数，它是指从实测潮汐数据中分解出来的每一个分潮的平均振幅和迟角。调和常数主要用于预报海洋潮汐、判断潮汐类型和计算深度基准面(见潮汐类型、深度基准面)。并且，潮流的调和常数是反映海洋中各处潮流特征的常数，不随时间变化。

(22)根据该潮汐调和常数，利用调和法计算该目标海域的潮流的流速。

在其中一种可能的实施方式中，该潮汐调和常数包括该目标海域的指定分潮的指定流速分量的调和常数，例如，指定分潮可以包括下表1所示的35个分潮。

表1指定分潮的频率和周期一览表

由于潮流是一种复杂的周期性运动，它由多种频率的天文分潮综合而成，在本实施例中，考虑包含浅水分潮在内的主要分潮共35个分潮(如表1所示)，并且，由于其他分潮的振幅较小，对潮流的流速计算结果影响很小，不予以计算。

在至少一种可能的实施方式中，可以通过下述步骤31-32实现上述根据该潮汐调和常数，利用调和法计算该目标海域的潮流的流速的步骤：

(31)根据该指定分潮的指定流速分量的调和常数，利用调和法计算该目标海域的潮流的指定流速分量。

其中，将验(测)潮站的潮位变化按展开式的谐波项分解为许多分潮分项，并根据潮位变化观测数据，计算各分潮的平均振幅和相角的方法称为调和分析法，也称为调和法。

(32)根据该指定流速分量计算该目标海域的潮流的流速。

在其中一种可能的实施方式中，该指定流速分量包括流速东分量和流速北分量，并且，上述利用调和法计算该目标海域的潮流的指定流速分量的公式包括：

上式中，u为该流速东分量，单位为m/s；v为该流速北分量，单位为m/s；i为指定分潮的数量；t为时间，单位为s；fi为第i个分潮的交点因子，σi为第i个分潮的角速度，单位为rad/s；ν0i为第i个分潮的初相位，单位为rad；ui为第i个分潮的交点订正角，单位为度；ui为第i个分潮的流速东分量的振幅调和常数，ξi为第i个分潮的流速东分量的迟角调和常数，vi为第i个分潮的流速北分量的振幅调和常数，ηi为第i个分潮的流速北分量的迟角调和常数。

步骤s106：根据该风场数据确定该目标海域的风生海流的流速。

这里，风生海流是指因风的作用引起的海水流动现象。

在至少一种可能的实施方式中，可以根据该风场数据，通过风因子法计算该目标海域的风生海流的流速。其中，风因子法适合计算稳定风条件下的风生海流，其计算精度取决于风因子系数的选取，不同纬度、不同海域的风因子系数是不同的。在我国，由于海岸线较长，各个海区的岸线形状、岛屿分布、水深和海底地形有很大差别，因此不可能用相同的风因子系数，建立各个海区的风与其所产生的风生海流之间的关系。

在实际操作中，可以通过实测的方式获得各个海域的风因子系数，或者根据历史的测量数据预先计算目标海域的风因子系数。获取风因子系数的方式为本领域技术人员所熟知的技术，在此不再赘述。

在其中一种实施方式中，通过风因子法计算该目标海域的风生海流的流速的计算公式包括：

uw＝ku10(3)

式中，uw为该风生海流的流速，单位为m/s；u10为该目标海域的海面上10米处风速在10分钟内的平均值，单位为m/s；k为风因子系数，其中，风因子系数的取值范围为0.024～0.030。

这里，对于风生海流的流向，依据艾克曼漂流理论，由于科氏力的影响，使得风生海流方向会与风向产生一定的角度。但是在浅海区域，由于海底摩擦的影响，风生海流表面流的流向与风向之间的偏角较深海更小，而且水深愈浅，偏角也愈小。因此，对于近岸的风生海流的流向可近似地认为与风速方向一致。

步骤s108：根据该潮流的流速和该风生海流的流速，确定该目标海域的海流流速。

这里，通过上述步骤s102至步骤s106，获得了目标海域的潮流的流速，以及风生海流的流速，并且，潮流流速和风生海流流速均为矢量，各有方向，在其中一种可能的实施方式中，可以通过对该潮流的流速和该风生海流的流速进行矢量叠加的方式，得到该目标海域的海流流速。

参见图2，所示为本发明实施例提供的一种对潮流的流速和风生海流的流速进行矢量叠加的示意图，在图2示出的实施方式中，通过平行四边形法则对潮流的流速和风生海流的流速进行矢量叠加，得到了目标海域的海流流速的大小和方向。

本实施例中的海流流速预报方法，主要考虑了对目标海域的海流流动提供主要动力的潮汐和表面风的作用，分别计算潮汐作用下的潮流的流速，以及表面风作用下的风生海流的流速，进而通过这两个流速计算得到目标海域的海流的流速，相比于现有技术中的流场预报方式，本方法有效避开了现有流场预报中对海洋流场数值模式进行数值计算的过程，大大减少了海流预报的计算量，经过实际运行测试证实，该方法可以在普通pc机上实现24小时流场预报，且整体计算时间小于3分钟。因此，该方法大大降低了海流预报对计算设备的硬件要求，可以更加快速地计算出海流流速，从而提高海流预报的时效性。

在实际操作中，可以将本方法应用于核电站周边海流的预报中，由于在核电站事故发生后，需要以最短的时间预报放射性物质可能的扩散路径和范围，对事故影响迅速做出评估，尽可能减少事故带来的环境和人民生命财产的损害，而通过获取核电站所在海域的海洋流场，也即，获取核电站周边海域的海流流速，可以有效预测放射性污染物的迁移扩散路径等状况。而本发明实施例提供的海流流速预报方法即可满足快速地计算出海流流速，从而提高核电站周边海域放射性污染物扩散预报的时效性。

本发明实施例提供的海流流速预报方法，获取目标海域的潮流数据和风场数据；根据该潮流数据确定该目标海域的潮流的流速；根据该风场数据确定该目标海域的风生海流的流速；进而根据该潮流的流速和该风生海流的流速，确定该目标海域的海流流速。该方式中有效避开了现有流场预报中，对海洋流场数值模式进行数值计算的过程，可以减少海流预报的计算量，降低海流预报对计算设备的硬件要求，更加快速地计算出海流流速，从而提高海流预报的时效性。

对应上述海流流速预报方法，本实施例还提供了一种海流流速预报装置，如图3所示，该装置包括依次连接的数据获取模块31、潮流流速确定模块32、风生海流流速确定模块33和海流流速确定模块34，其中，各个模块的功能如下：

数据获取模块31，用于获取目标海域的潮流数据和风场数据；

潮流流速确定模块32，用于根据该潮流数据确定该目标海域的潮流的流速；

风生海流流速确定模块33，用于根据该风场数据确定该目标海域的风生海流的流速；

海流流速确定模块34，用于根据该潮流的流速和该风生海流的流速，确定该目标海域的海流流速。

本发明实施例提供的海流流速预报装置，获取目标海域的潮流数据和风场数据；根据该潮流数据确定该目标海域的潮流的流速；根据该风场数据确定该目标海域的风生海流的流速；进而根据该潮流的流速和该风生海流的流速，确定该目标海域的海流流速。该装置中，通过考虑对目标海域的海流流动提供主要动力的潮汐和表面风的作用，分别计算潮汐作用下的潮流的流速，以及表面风作用下的风生海流的流速，进而通过这两个流速计算得到目标海域的海流的流速，有效避开了现有流场预报中，对海洋流场数值模式进行数值计算的过程，可以减少海流预报的计算量，降低海流预报对计算设备的硬件要求，更加快速地计算出海流流速，从而提高海流预报的时效性。

在其中一种可能的实施方式中，上述潮流流速确定模块32还用于：根据该潮流数据计算该目标海域的潮汐调和常数；根据该潮汐调和常数，利用调和法计算该目标海域的潮流的流速。

在另一种可能的实施方式中，上述潮流流速确定模块32还用于：根据该潮流数据，通过最小二乘法计算该目标海域的潮汐调和常数。

在另一种可能的实施方式中，该潮汐调和常数包括该目标海域的指定分潮的指定流速分量的调和常数，上述潮流流速确定模块32还用于：根据该指定分潮的指定流速分量的调和常数，利用调和法计算该目标海域的潮流的指定流速分量；根据该指定流速分量计算该目标海域的潮流的流速。

在另一种可能的实施方式中，该指定流速分量包括流速东分量和流速北分量，上述根据该指定分潮的指定流速分量的调和常数，利用调和法计算该目标海域的潮流的指定流速分量的公式包括：式中，u为该流速东分量，v为该流速北分量，i为指定分潮的数量，t为时间，fi为第i个分潮的交点因子，σi为第i个分潮的角速度，ν0i为第i个分潮的初相位，ui为第i个分潮的交点订正角，ui为第i个分潮的流速东分量的振幅调和常数，ξi为第i个分潮的流速东分量的迟角调和常数，vi为第i个分潮的流速北分量的振幅调和常数，ηi为第i个分潮的流速北分量的迟角调和常数。

在另一种可能的实施方式中，上述风生海流流速确定模块33还用于：根据该风场数据，通过风因子法计算该目标海域的风生海流的流速。

在另一种可能的实施方式中，上述通过风因子法计算该目标海域的风生海流的流速的计算公式为：uw＝ku10，式中，uw为该风生海流的流速，u10为该目标海域的海面上10米处风速在10分钟内的平均值，k为风因子系数。

在另一种可能的实施方式中，上述海流流速确定模块34还用于：对该潮流的流速和该风生海流的流速进行矢量叠加，得到该目标海域的海流流速。

本发明实施例提供的海流流速预报装置，其实现原理及产生的技术效果和前述海流流速预报方法实施例相同，为简要描述，海流流速预报装置的实施例部分未提及之处，可参考前述海流流速预报方法实施例中相应内容。

本发明实施例还提供了一种电子设备，如图4所示，为该电子设备的结构示意图，其中，该电子设备包括处理器41和存储器42，该存储器42存储有能够被该处理器41执行的机器可执行指令，该处理器41执行该机器可执行指令以实现上述海流流速预报方法。

在图4示出的实施方式中，该电子设备还包括总线43和通信接口44，其中，处理器41、通信接口44和存储器42通过总线连接。

其中，存储器42可能包含高速随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口44(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。总线可以是isa总线、pci总线或eisa总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图4中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

处理器41可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器41中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器41可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，简称cpu)、网络处理器(networkprocessor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessing，简称dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简称asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器41读取存储器42中的信息，结合其硬件完成前述实施例的海流流速预报方法的步骤。

本发明实施例还提供了一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质存储有机器可执行指令，该机器可执行指令在被处理器调用和执行时，该机器可执行指令促使处理器实现上述海流流速预报方法，具体实现可参见前述方法实施例，在此不再赘述。

本发明实施例所提供的海流流速预报方法、海流流速预报装置和电子设备的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的海流流速预报方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。