一种海浪灾害风险评估和区划方法及系统与流程

1.本发明涉及海洋灾害评估技术领域，具体而言，涉及一种海浪灾害风险评估和区划方法及系统。


背景技术：

2.海浪灾害是指因海浪作用造成的灾害，海浪系海面的波动现象。海浪灾害是沿海地区频发的自然灾害，因此做好海浪灾害风险评估和区划是海洋防灾减灾的重要基础性工作，对各级地方政府有效应对海浪灾害和规划布局沿海经济及社会发展均具有重要的指导作用。
3.目前的海浪灾害风险评估主要是针对大范围的地区，但是没有一套针对于近岸海域的市县级海浪灾害风险评估和区划的技术方法，无法对市县级的防灾减灾及海洋建设提供支撑。


技术实现要素：

4.为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种海浪灾害风险评估和区划方法及系统，可进行高效精准的海浪灾害评估和区划，为海洋防灾减灾提供有利支撑；还可为海洋建设提供有效的数据参考。
5.本发明的实施例是这样实现的：第一方面，本发明实施例提供一种海浪灾害风险评估和区划方法，包括以下步骤：获取并根据海浪灾害评估和区划需求采集目标地区的基础资料数据及历史观测资料数据；根据历史观测资料数据进行海浪要素特征值统计与时空分布特征分析，以得到对应的统计数据和特征数据；基于基础资料数据采用swan波浪模型耦合adcirc浪潮耦合模型模拟预置的时间段内目标地区的台风浪过程，以构建逐小时的历史台风浪数据集，并将其作为模拟结果；根据模拟结果分别计算swan波浪模型中每个格点上四级灾害性浪高的年平均出现频次和占比频率；根据模拟结果对目标地区的海浪灾害进行风险评估与区划，以得到目标海浪灾害危险等级评估数据和目标海浪灾害危险区划数据。
6.为了解决现有技术中没有一套针对于近岸海域的市县级海浪灾害风险评估和区划的技术方法，无法对市县级的防灾减灾及海洋建设提供支撑的技术问题，本发明基于海浪灾害评估和区划需求中的目标地区（市县级）海域信息，采集对应的基础资料数据及历史观测资料数据，为后续分析提供全面的数据，并基于此进行目标地区海域的海浪要素特征值统计与时空分布特征分析；并构建逐小时的历史台风浪数据集，对目标地区海域的台风浪进行模拟，基于模拟结果分别计算每个格点上四级灾害性浪高的年平均出现频次和占比频率；并对目标地区的海浪灾害进行风险评估与区划，构建海浪灾害危险等级分布图和海
浪灾害风险区划图。直观清晰的反应出目标地区的海浪灾害情况，评价市县级别研究海域的海浪的危险性，排查海浪灾害风险点和风险环节，为海洋防灾减灾提供有利支撑；还可为海洋建设提供有效的数据参考。
7.基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述根据历史观测资料数据进行海浪要素特征值统计与时空分布特征分析，以得到对应的统计数据和特征数据的方法包括以下步骤：根据历史观测资料数据分别统计各测站的年平均波高、月平均波高、各级波高出现频率和各向波出现频率；根据历史观测资料数据分析波高和周期的联合分布特征。
8.基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述根据模拟结果对目标地区的海浪灾害进行风险评估与区划，以得到目标海浪灾害危险等级评估数据和目标海浪灾害危险区划数据的方法包括以下步骤：基于模拟结果，统计确定每个格点上的波高的年极值序列，然后用 pearson iii 型分布极值推算方法计算确定每个格点上典型重现期的有效波浪高，根据重现期的浪高计算结果，绘制目标地区的管辖海区的典型重现期的浪高等值线分布图；根据预置的市县级海浪灾害评估等级划分标准，计算目标地区的管辖海区的格点的海浪灾害4级危险指标；采用方差标准化公式将计算得到的每个格点的危险指标进行标准化；基于标准化后的危险指数根据预置的海浪灾害危险等级划分标准确定每个格点上的海浪灾害危险等级，以得到目标海浪灾害危险等级评估数据；按照预置的栅格单元对目标地区进行区块划分，并基于目标海浪灾害危险等级评估数据构建得到目标海浪灾害危险区划数据。
9.基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述方差标准化公式为，其中：表示转换后的危险指数，表示转换前的危险指标，表示目标地区内所有危险指标样本的中位数，表示相对中位数的标准差。
10.基于第一方面，在本发明的一些实施例中，该海浪灾害风险评估和区划方法还包括以下步骤：根据目标海浪灾害危险等级评估数据和目标海浪灾害危险区划数据分别建立目标地区的海浪灾害危险等级分布图和海浪灾害危险区划图。
11.基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述基础资料数据包括基础地理信息数据、社会经济和用海现状数据、水文和气象观测资料、历史海洋灾害数据以及承灾体和防御设施资料。
12.第二方面，本发明实施例提供一种海浪灾害风险评估和区划系统，包括资料采集模块、特征分析模块、数据集构建模块、浪高计算模块以及评估与区划模块，其中：资料采集模块，用于获取并根据海浪灾害评估和区划需求采集目标地区的基础资料数据及历史观测资料数据；特征分析模块，用于根据历史观测资料数据进行海浪要素特征值统计与时空分布特征分析，以得到对应的统计数据和特征数据；
数据集构建模块，用于基于基础资料数据采用swan波浪模型耦合adcirc浪潮耦合模型模拟预置的时间段内目标地区的台风浪过程，以构建逐小时的历史台风浪数据集，并将其作为模拟结果；浪高计算模块，用于根据模拟结果分别计算swan波浪模型中每个格点上四级灾害性浪高的年平均出现频次和占比频率；评估与区划模块，用于根据模拟结果对目标地区的海浪灾害进行风险评估与区划，以得到目标海浪灾害危险等级评估数据和目标海浪灾害危险区划数据。
13.为了解决现有技术中没有一套针对于近岸海域的市县级海浪灾害风险评估和区划的技术方法，无法对市县级的防灾减灾及海洋建设提供支撑的技术问题，本系统通过资料采集模块、特征分析模块、数据集构建模块、浪高计算模块以及评估与区划模块等多个模块的配合，基于海浪灾害评估和区划需求中的目标地区（市县级）海域信息，采集对应的基础资料数据及历史观测资料数据，为后续分析提供全面的数据，并基于此进行目标地区海域的海浪要素特征值统计与时空分布特征分析；并构建逐小时的历史台风浪数据集，对目标地区海域的台风浪进行模拟，基于模拟结果分别计算每个格点上四级灾害性浪高的年平均出现频次和占比频率；并对目标地区的海浪灾害进行风险评估与区划，构建海浪灾害危险等级分布图和海浪灾害风险区划图。直观清晰的反应出目标地区的海浪灾害情况，评价市县级别研究海域的海浪的危险性，排查海浪灾害风险点和风险环节，为海洋防灾减灾提供有利支撑；还可为海洋建设提供有效的数据参考。
14.第三方面，本技术实施例提供一种电子设备，其包括存储器，用于存储一个或多个程序；处理器。当一个或多个程序被处理器执行时，实现如上述第一方面中任一项的方法。
15.第四方面，本技术实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面中任一项的方法。
16.本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：本发明实施例提供一种海浪灾害风险评估和区划方法及系统，解决了现有技术中没有一套针对于近岸海域的市县级海浪灾害风险评估和区划的技术方法，无法对市县级的防灾减灾及海洋建设提供支撑的技术问题，本发明基于海浪灾害评估和区划需求中的目标地区（市县级）海域信息，采集对应的基础资料数据及历史观测资料数据，为后续分析提供全面的数据，并基于此进行目标地区海域的海浪要素特征值统计与时空分布特征分析；并构建逐小时的历史台风浪数据集，对目标地区海域的台风浪进行模拟，基于模拟结果分别计算每个格点上四级灾害性浪高的年平均出现频次和占比频率；并对目标地区的海浪灾害进行风险评估与区划，构建海浪灾害危险等级分布图和海浪灾害风险区划图。本发明可进行高效精准的海浪灾害评估和区划，直观清晰的反应出目标地区的海浪灾害情况，评价市县级别研究海域的海浪的危险性，排查海浪灾害风险点和风险环节，为海洋防灾减灾提供有利支撑；还可为海洋建设提供有效的数据参考。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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
些附图获得其他相关的附图。
18.图1为本发明实施例一种海浪灾害风险评估和区划方法的流程图；图2为本发明实施例一种海浪灾害风险评估和区划方法中特征统计分析的流程图；图3为本发明实施例一种海浪灾害风险评估和区划系统的原理框图；图4为本发明实施例提供的一种电子设备的结构框图。
19.附图标记说明：100、资料采集模块；200、特征分析模块；300、数据集构建模块；400、浪高计算模块；500、评估与区划模块；101、存储器；102、处理器；103、通信接口。
具体实施方式
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
21.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
22.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
23.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
24.实施例：如图1-图2所示，第一方面，本发明实施例提供一种海浪灾害风险评估和区划方法，包括以下步骤：s1、获取并根据海浪灾害评估和区划需求采集目标地区的基础资料数据及历史观测资料数据；该基础资料数据包括基础地理信息数据、社会经济和用海现状数据、水文和气象观测资料、历史海洋灾害数据以及承灾体和防御设施资料。
25.s2、根据历史观测资料数据进行海浪要素特征值统计与时空分布特征分析，以得到对应的统计数据和特征数据；进一步地，上述进行特征统计分析的方法包括：s21、根据历史观测资料数据分别统计各测站的年平均波高、月平均波高、各级波高出现频率和各向波出现频率；s22、根据历史观测资料数据分析波高和周期的联合分布特征。
26.在本发明的一些实施例中，基于基础资料数据研究市县级别研究海域的海浪要素特征值统计与时空分布特征，分别统计各测站的年平均波高、月平均波高、各级波高出现频率、各向波出现频率等；基础资料数据中波浪观测资料一般包括波高和周期，利用联合分布函数分析波高和周期的联合分布特征；分海域在空间绘制波浪玫瑰图、各级浪高出现频率的饼状分布图。
27.s3、基于基础资料数据采用swan波浪模型耦合adcirc浪潮耦合模型模拟预置的时间段内目标地区的台风浪过程，以构建逐小时的历史台风浪数据集，并将其作为模拟结果；在本发明的一些实施例中，采用swan（simulating wave nearshore model）波浪模型耦合adcirc（advanced circulation multi-dimensional hydrodynamic mode）的浪潮耦合模型模拟近30年对研究市县可能有影响的台风浪过程，构建逐小时的历史台风浪数据集。海浪数据集构建所需强迫风场采用ccmp风场和经验台风合成风速。通过空间上调整ccmp和经验台风风场0的权重贡献值，权重系数随计算点到台风中心的距离的不同而不同，这样通过的变化，既保证了在台风中心附近区域用台风经验公式计算的风场，在距离台风中心远的区域用ccmp风场，同时又保证了两个风场的平滑过度，得到的风场更为符合实际。
28.式中为构造后的风场，是经验台风公式计算的风场，是背景风场，即ncep风场，系数是一个权重系数，，c是一个考虑台风影响范围的数，，r为计算点距离台风中心的距离，是最大风速半径。系数n通过使计算和观测的均方根误差最小的来确定，本研究取a=120，n=3。
29.s4、根据模拟结果分别计算swan波浪模型中每个格点上四级灾害性浪高的年平均出现频次和占比频率；在本发明的一些实施例中，根据模拟结果，分别计算每个格点上四级灾害性浪高的年平均出现频次和占比频率，推算不同重现期浪高，分析浪高对海堤、船舶、滨海旅游水上活动，养殖等的影响。采用两种海浪等级强度划分标准（见表1海浪等级强度划分标准）分别开展海浪危险性评价工作，综合考虑2个标准的划分结果以及历年来受台风影响情况，标准1较适用于市县级海浪灾害强度划分。
30.表1：s5、根据模拟结果对目标地区的海浪灾害进行风险评估与区划，以得到目标海浪灾害危险等级评估数据和目标海浪灾害危险区划数据。
31.进一步地，上述进行风险评估与区划的方法包括：基于模拟结果，统计确定每个计算格点上（采用三角网格剖分，目标区域格点分辨
率最高精度达15m）的波高的年极值序列，然后用 pearson iii 型分布极值推算方法计算确定每个格点上典型重现期（ 2a、5a、10a、20a、50a、100a 一遇）的有效波波高。根据重现期浪高计算结果，绘制目标的管辖海区分辨率为 0.1
°×
0.1
°
的典型重现期的浪高等值线分布图；根据预置的市县级海浪灾害评估等级划分标准，计算目标的管辖海区分辨率为 0.1
°×
0.1
°
格点的海浪灾害4级危险指标；采用方差标准化公式将计算得到的每个格点的危险指标进行标准化；上述方差标准化公式为，其中：表示转换后的危险指数，表示转换前的危险指标，表示目标地区内所有危险指标样本的中位数，表示相对中位数的标准差。
32.基于标准化后的危险指数根据预置的海浪灾害危险等级划分标准确定每个格点上的海浪灾害危险等级，以得到目标海浪灾害危险等级评估数据；按照预置的栅格单元对目标地区进行区块划分，并基于目标海浪灾害危险等级评估数据构建得到目标海浪灾害危险区划数据。
33.进一步地，根据目标海浪灾害危险等级评估数据和目标海浪灾害危险区划数据分别建立目标地区的海浪灾害危险等级分布图和海浪灾害危险区划图。
34.在本发明的一些实施例中，首先计算各单元格点（50m
×
50m）的海浪灾害危险指标，计算公式如下：，其中、、、分别为各计算单元格点ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ级浪高的年平均出现次数。然后将计算得到的每个计算格点的危险指标进行标准化，标准化后的危险指数表示为，方差标准化方法如下：，其中表示转换后的危险指数，表示转换前的危险指标，和分别表示为深圳管辖海域内所有样本的中位数和相对中位数的标准差。其次根据表2中的海浪灾害危险等级划分标准确定每个格点上的海浪灾害危险等级，制作完成市县研究区域海域的海浪灾害危险等级分布图。最后，从空间的全覆盖性和一致性考虑，按照2
′×2′
的栅格单元将研究海域划分为若干个区块，采用各区块ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ级浪高的年平均出现次数，按照上述流程确定各区块的风险等级，制作完成市县研究区域海域的海浪灾害危险区划图。
35.表2：为了解决现有技术中没有一套针对于近岸海域的市县级海浪灾害风险评估和区划的技术方法，无法对市县级的防灾减灾及海洋建设提供支撑的技术问题，本发明基于海浪灾害评估和区划需求中的目标地区（市县级）海域信息，采集对应的基础资料数据，为后续分析提供全面的数据，并基于此进行目标地区海域的海浪要素特征值统计与时空分布特征分析；并构建逐小时的历史台风浪数据集，对目标地区海域的台风浪进行模拟，基于模拟结果分别计算每个格点上四级灾害性浪高的年平均出现频次和占比频率；并对目标地区的海浪灾害进行风险评估与区划，构建海浪灾害危险等级分布图和海浪灾害风险区划图。本
发明可进行高效精准的海浪灾害评估和区划，直观清晰的反应出目标地区的海浪灾害情况，评价市县级别研究海域的海浪的危险性，排查海浪灾害风险点和风险环节，为海洋防灾减灾提供有利支撑；还可为海洋建设提供有效的数据参考。
36.本发明可为提高市县海洋防灾减灾能力提供保障，为灾害来临时的指挥决策提供依据，为建设海洋灾害避险点和人民群众的安全转移提供建议，为海洋灾害的受损情况预判提供技术支撑，同时通过与生态环境保护规划以及其他重大涉海规划进行有效衔接，为沿海项目的建设提供参考，还可为优化国土空间规划、海洋灾害保险设计、海洋灾害应急决策和海洋观测网建设与优化等方面提供参考。
37.如图3所示，第二方面，本发明实施例提供一种海浪灾害风险评估和区划系统，包括资料采集模块100、特征分析模块200、数据集构建模块300、浪高计算模块400以及评估与区划模块500，其中：资料采集模块100，用于获取并根据海浪灾害评估和区划需求采集目标地区的基础资料数据及历史观测资料数据；特征分析模块200，用于根据历史观测资料数据进行海浪要素特征值统计与时空分布特征分析，以得到对应的统计数据和特征数据；数据集构建模块300，用于基于基础资料数据采用swan波浪模型耦合adcirc浪潮耦合模型模拟预置的时间段内目标地区的台风浪过程，以构建逐小时的历史台风浪数据集，并将其作为模拟结果；浪高计算模块400，用于根据模拟结果分别计算swan波浪模型中每个格点上四级灾害性浪高的年平均出现频次和占比频率，分析海浪灾害4级危险指标；根据格点重现期以及根据预置的县级海浪灾害评估等级划分标准，计算目标地区的管辖海区海浪每个格点上（处理成分辨率为 0.1
°×
0.1
°
格点）；评估与区划模块500，用于根据模拟结果对目标地区的海浪灾害进行风险评估与区划，以得到目标海浪灾害危险等级评估数据和目标海浪灾害危险区划数据。
38.为了解决现有技术中没有一套针对于近岸海域的市县级海浪灾害风险评估和区划的技术方法，无法对市县级的防灾减灾及海洋建设提供支撑的技术问题，本系统通过资料采集模块100、特征分析模块200、数据集构建模块300、浪高计算模块400以及评估与区划模块500等多个模块的配合，基于海浪灾害评估和区划需求中的目标地区（市县级）海域信息，采集对应的基础资料数据及历史观测资料数据，为后续分析提供全面的数据，并基于此进行目标地区海域的海浪要素特征值统计与时空分布特征分析；并构建逐小时的历史台风浪数据集，对目标地区海域的台风浪进行模拟，基于模拟结果分别计算每个格点上四级灾害性浪高的年平均出现频次和占比频率；并对目标地区的海浪灾害进行风险评估与区划，构建海浪灾害危险等级分布图和海浪灾害风险区划图。本发明可进行高效精准的海浪灾害评估和区划，直观清晰的反应出目标地区的海浪灾害情况，评价市县级别研究海域的海浪的危险性，排查海浪灾害风险点和风险环节，为海洋防灾减灾提供有利支撑；还可为海洋建设提供有效的数据参考。
39.如图4所示，第三方面，本技术实施例提供一种电子设备，其包括存储器101，用于存储一个或多个程序；处理器102。当一个或多个程序被处理器102执行时，实现如上述第一方面中任一项的方法。
40.还包括通信接口103，该存储器101、处理器102和通信接口103相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。存储器101可用于存储软件程序及模块，处理器102通过执行存储在存储器101内的软件程序及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。该通信接口103可用于与其他节点设备进行信令或数据的通信。
41.其中，存储器101可以是但不限于，随机存取存储器（random access memory，ram），只读存储器（read only memory，rom），可编程只读存储器（programmable read-only memory，prom），可擦除只读存储器（erasable programmable read-only memory，eprom），电可擦除只读存储器（electric erasable programmable read-only memory，eeprom）等。
42.处理器102可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。该处理器102可以是通用处理器，包括中央处理器（central processing unit，cpu）、网络处理器（network processor，np）等；还可以是数字信号处理器（digital signal processing，dsp）、专用集成电路（application specific integrated circuit，asic）、现场可编程门阵列（field－programmable gate array，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。
43.在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法及系统和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的方法及系统实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本技术的多个实施例的方法及系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
44.另外，在本技术各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
45.第四方面，本技术实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器102执行时实现如上述第一方面中任一项的方法。所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术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）执行本技术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-only memory）、随机存取存储器（ram，random access memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
46.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
47.对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。