一種基於最大熵原則的颱風影響海域設計波高推算新方法

2023-09-22 04:41:00 3

專利名稱：一種基於最大熵原則的颱風影響海域設計波高推算新方法
技術領域：
本發明涉及一種颱風影響海域設計波高推算方法，具體地說是尋求一種考慮颱風 影響因素、概率分布避免先驗性和人為假設的設計波高推算方法。
背景技術：
在海洋工程設計中，海浪波高是重要的海洋環境因素，準確地確定多年一遇設計 波高值，對於防災減災具有重要意義。傳統的設計波高推求方法是對實測的年極值波高數 據序列人為選擇概率曲線(如Gumbel曲線、Pearson-III型曲線等)，在一定適線準則下確 定線型，外延推求多年一遇設計波高值。但這幾種方法都沒有充分考慮颱風對極值波高的 影響，事實上，極端海況往往發生在颱風過程中，忽略了颱風和極值波高之間的相關性，往 往會使推求的設計波高值偏低，對海岸建設和人民生命財產造成嚴重的威脅。近幾十年來，科學家們開始考慮颱風因素對多年一遇設計波高值的影響，颱風 影響下極值波高概率特性的研究是非常重要的一個方面，因此Poisson-Pearson-III， Poisson-ffeibull,Poisson-Gumbel等概率分布函數相繼提出。與傳統模式相比，這些模式 在推求多年一遇設計波高值時考慮了颱風對波高的影響，更符合極端海況下設計波高的推 算，因此上述分布模式的提出對海洋環境要素設計值的推算無疑是一進步。所以一經推出 就得到了工程界的普遍重視。但這些模式都有一個共同的不足，即人為指定颱風發生的次 數符合Poisson分布，這給模式帶來了先驗性。極值波高的推算中也是用事先人為指定的 某個分布函數(Gumbel分布、Pearson-III型分布)來擬合實測數據，也具有明顯的先驗性。 雖然目前工程上所選定的Gumbel分布、Pearson-III型分布等模式從概率意義上來說都通 過了假設檢驗，但選定不同的分布函數來擬合實測數據會得到不同的計算結果，有較大的 主觀性和認為幹擾性，因此目前現有的這種模式無論在理論還是實際應用中都有待於進一 步的研究。為了避免人為先驗假設對設計波高值的影響，也有科學家提出了波高最大熵分布 函數，這種方法是基於最大熵原則，對實測數據的人為假設較小，避免了因人為指定分布函 數對導致對設計波高值計算結果的影響。但是這種方法沒有考慮颱風因素對波高的影響， 忽略了極端海況往往發生在颱風或颶風過程中這個客觀事實。隨著海洋工程建設和沿海經濟的發展，人們對多年一遇設計波高值的計算提出了 越來越高的精度要求，在推算過程中如何充分考慮颱風這個導致災害頻發的極端因素對多 年一遇設計波高值的影響，同時又避免人為事先假定海洋環境要素的分布模式，是急需開 展的研究工作。

發明內容
本發明的目的是提供一種基於最大熵原則的颱風影響海域設計波高推算新方法， 該方法建立在最大熵原則和測度論基礎上，通過將颱風次數離散最大熵分布函數與極值波 高最大熵分布函數相互嵌套複合構成新的概率模式，實現了在充分考慮颱風影響因素的情況下，避免分布函數中的先驗性和人為假定，達到提高多年一遇設計波高值推算精度的目 的。為達到上述發明目的，本發明採用的技術方案如下一種基於最大熵原則的颱風影響海域設計波高推算新方法，其特徵在於它包括步 驟步驟1 確定颱風次數離散最大熵分布函數的三個約束條件
權利要求
1. 一種基於最大熵原則的颱風影響海域設計波高推算新方法，其特徵在於它包括步 驟步驟1 確定颱風次數離散最大熵分布函數的三個約束條件
2.根據權利要求1所述的一種基於最大熵原則的颱風影響海域設計波高推算新方法， 其特徵在於所述步驟1中提出的三個約束條件是概率分布模式必需滿足的概率特性，非先驗和人 為指定的。
3.根據權利要求1所述的一種基於最大熵原則的颱風影響海域設計波高推算新方法， 其特徵在於所述步驟1中ξ取正整數時，保證颱風次數的任意階分布矩存在。
4.根據權利要求1所述的一種基於最大熵原則的颱風影響海域設計波高推算新方法， 其特徵在於所述步驟2中颱風次數離散最大熵分布函數的表達式通過求解一個歐拉(Euler)方程獲得。
5.根據權利要求1所述的一種基於最大熵原則的颱風影響海域設計波高推算新方法， 其特徵在於所述步驟3待定參量a，b，c，d由所述步驟4中的方程組通過數值迭代求得，分布矩Am 在實際計算過程中由觀測數據按下列表達式計算獲得
6.根據權利要求1所述的一種基於最大熵原則的颱風影響海域設計波高推算新方法， 其特徵在於所述步驟5中的為基於連續最大熵原則推求的極值波高的最大熵分布函數， 其中待定參量α，β，Y，ξ通過聯立求解與年極值波高數據分布矩相關的方程組獲得。
7.根據權利要求1所述的一種基於最大熵原則的颱風影響海域設計波高推算新方法， 其特徵在於所述步驟7進一步包括分別計算本發明構建的嵌套複合最大熵分布新模式以及 Poisson-最大 、Poisson-GumbeU Poisson-PearsonIII三個傳統模式的離差平方和,t艮 據離差平方和的計算值確定不帶先驗性的新模式中颱風次數離散最大熵分布函數和極值 波高連續最大熵分布函數是否優於傳統的模式，構建的推算颱風影響海域設計波高的嵌套 複合最大熵分布模式是否適合推算不確定性很大的颱風影響海域的多年一遇設計波高值。
全文摘要
本發明提出一種基於最大熵原則的颱風影響海域設計波高推算新方法，具體步驟為1.確定颱風次數離散最大熵分布函數的約束條件；2.推導颱風次數離散最大熵分布模式；3.確定颱風次數分布距積分顯式表達式；4.推導與分布矩相關的待定參量方程組；5.構建推算颱風影響海域設計波高的嵌套複合最大熵分布新模式；6.驗證新方法的有效性。本發明在充分避免先驗性和人為假設的情況下考慮颱風因素對極值波高分布的影響，提高了推算颱風影響海域多年一遇設計波高值的精確度。新模式的積分顯式表達式使之方便工程應用，而8個待定參量使新模式能夠更精確和更靈活地擬合不同海域的觀測數據，具有更廣的適應性。
文檔編號G06F19/00GK102063564SQ20101059581
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年12月20日
發明者王莉, 王莉萍 申請人:中國海洋大學