本发明涉及潮汐预报技术领域，特别是涉及一种基于FVCOM模型的可视化潮汐潮流预报方法。

背景技术：

潮汐预报对一定海区在未来一定时间内的潮汐涨落情况进行的推算和预报。预报内容包括逐日的高潮和低潮高度及出现时刻。根据拟预报海区的实测潮汐资料进行潮汐调和分析，求得各个分潮的调和常数，用以推算将来一定时间内的各个分潮的变化情况，再将各分潮叠加，即求得将来一定时间内的潮位变化，据此就可以进行潮汐预报。

风力发电是可再生能源领域中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。传统的潮汐预报采用查表等方式，只能查询某一点潮汐信息，不能查询潮流。海上风电场海域范围较大，常常多大上百台机组散布于几十甚至上百平方公里海域范围内，在施工建设及运营维护中，需要随时掌握每一个机位的潮汐潮流信息，传统基于潮汐预报系统，难以刻画海域复杂的潮流变化。可见，提供一种具有可对海上风电场逐机位进行潮汐预报、潮流预报和潮汐潮流特征查询功能的系统，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于FVCOM模型的可视化潮汐潮流预报方法。

本发明提供了如下方案：

一种基于FVCOM模型的可视化潮汐潮流预报方法，包括：

选取潮汐、潮流预报的目标海域，确定所述目标区域内包含的计算区域；

对所述计算区域进行网格配置，将所述计算区域划分为不重合的三角形单元；

构造FVCOM模型需要的边界条件以及初始条件，所述边界条件包括潮位的驱动以及温盐初始场，所述温盐初始场采用常值；

运用FVCOM模型进行数值计算，计算获得模拟水位以及模拟流场；

将所述模拟水位以及所述模拟流场分别与实测水位以及实测流场进行对比，验证模型可靠性；

将经过验证可靠的模拟水位以及模拟流场进行调和分析，得到各个计算点的潮汐潮流调和常数，所述调和常数为分潮的振幅与迟角；利用所述调和常数生成所要求时刻的潮汐和平均潮流值的预报；

以Matlab为平台，调用t_tide函数，展示所要求时刻的潮汐和平均潮流值的预报。

优选的：确定所述计算区域内的重点海域，对所述重点海域的网格配置进行加密处理。

优选的：所述网格配置包括设定所述计算区域开边界处分辨率设为1000米，设定所述计算区域包含的其他区域分辨率为500米，设定所述重点海域分辨率为150米。

优选的：所述构造FVCOM模型需要的边界条件以及初始条件，包括：

在垂向上采用σ坐标系，设置7个σ层；采用M2,S2,K1,O1,N2,S2,P1,Q1共8个分潮的调和常数预报的水位作为所述潮位的驱动；边界上的调和常数来自NAO99潮汐模型。

优选的：将海洋图集上的同潮图内插到计算网格的边界点上。

优选的：所述运用FVCOM模型进行数值计算，包括：

利用对水平三角形控制体进行通量有限体积积分的方式对控制方程进行离散求解。

优选的：选取一定时间内获得的涨、落潮期间的所述模拟水位以及所述模拟流场，分别与相同期间获得的实测水位以及实测流场进行对比，验证模型可靠性。

优选的：利用所述调和常数生成所要求时刻的潮汐和平均潮流值的预报,包括：

根据公式：

k1＝(HK1+HO1)/HM2

得到各个计算点的潮汐类型判别系数；式中HK1，HO1，HM2分别是分潮K1,O1和M2的振幅；

根据公式：

k2＝(WK1+WO1)/WM2

得到各个计算点的潮流类型判别系数；式中WO1，WK1，WM2分别代表O1，K1，M2分潮的潮流椭圆半长轴长度；

根据所述各个计算点的潮汐类型判别系数以及所述各个计算点的潮流类型判别系数生成所要求时刻的潮汐和平均潮流值的预报。

优选的：根据所述各个计算点的潮汐类型判别系数以及所述各个计算点的潮流类型判别系数生成所要求时刻的潮汐和平均潮流值的预报，包括：

当K1,K2的值小于0.5时，潮汐和潮流的类型为正规半日潮；当K1,K2的值介于0.5和2.0之间时，潮汐和潮流的类型为不规则半日潮；当K1,K2的值介于2.0和4.0之间时，潮汐和潮流的类型为不规则全日潮；当K1,K2的值大于4.0时，潮汐和潮流的类型为正规全日潮。

优选的：根据潮汐类型计算出该计算点的平均大的潮差。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

通过本发明，可以实现一种基于FVCOM模型的可视化潮汐潮流预报方法，在一种实现方式下，该方法可以包括选取潮汐、潮流预报的目标海域，确定所述目标区域内包含的计算区域；对所述计算区域进行网格配置，将所述计算区域划分为不重合的三角形单元；构造FVCOM模型需要的边界条件以及初始条件，所述边界条件包括潮位的驱动以及温盐初始场，所述温盐初始场采用常值；运用FVCOM模型进行数值计算，计算获得模拟水位以及模拟流场；将所述模拟水位以及所述模拟流场分别与实测水位以及实测流场进行对比，验证模型可靠性；将经过验证可靠的模拟水位以及模拟流场进行调和分析，得到各个计算点的潮汐潮流调和常数，所述调和常数为分潮的振幅与迟角；利用所述调和常数生成所要求时刻的潮汐和平均潮流值的预报；以Matlab为平台，调用t_tide函数，展示所要求时刻的潮汐和平均潮流值的预报。该方法可对海上风电场逐机位进行潮汐预报、潮流预报和潮汐潮流特征查询的功能，具有重点海域高分辨率的特点，可以满足风电场海域在地形复杂，岛屿众多情况下的潮汐潮流预报。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的一种基于FVCOM模型的可视化潮汐潮流预报方法的流程图；

图2是FVCOM不规则网格示意图；

图3是参考水深、海面水位、地形高度相互关系示意图；

图4是TCE控制体中的干湿三角形示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

三角网格：FVCOM模式的计算区域需要划分成一些互不重合的三角形单元。每个三角形网格都由三个节点、三条边和一个中心组成。N和M分别表示计算区域内三角形的中心和节点的总个数，因此可将三角形中心和节点的坐标分别表示为：

[X(i),Y(i)]i＝1:N

[X(j),Y(j)]j＝1:M

潮汐调和分析：如图2所示，依据实测水位资料，获得某地点各分潮的实际平均振幅，以及各分潮的实际相角与平衡潮理论相角的差值(称为调和常数)，从而掌握特定海区的潮汐特征，进行潮汐预报。

t_tide：一种广泛应用于海洋潮汐调和分析的程序

σ坐标系：σ坐标的定义如下：

其中H为参考水深，ξ为海面水位，σ的取值范围为-1(海底)～0(表面)，坐标可以更好的适用于不规则变化的地形。有限体积积分:有限体积法基于的是积分形式的守恒方程而不是微分方程，该积分形式的守恒方程描述的是计算网格定义的每个控制体。有限体积法着重从物理观点来构造离散方程,每一个离散方程都是有限大小体积上某种物理量守恒的表示式，推导过程物理概念清晰,离散方程系数具有一定的物理意义，并可保证离散方程具有守恒特性。

干湿网格判别技术:该标准充分考虑了时间步长，外部强迫的振幅，干、湿地带的坡度，底部粘性边界层的厚度等之间的关系。FVCOM对于节点干、湿判断的标准如下：

对于三角形网格：

如图3所示，参考水深(H)，海面水位(ξ)和地形高度(hB)的定义。

其中Dmin是在底部指定的粘性层的厚度，hB是河流渠道边界抬升的地形高度，是用来确定给一个三角形单元的三个节点的整数。

如图4所示，当某个三角形单元出现干点时，这个三角形中心的速度就被定为成零并且在三角形的三条边界上通量也为零。这个三角形单元就会从通量计算中被移除。这种方法能够保证在变化的边界情况下体积的守恒，是计算结构能更好的与实际结果相符。

实施例

参见图1，为本发明实施例提供的一种基于FVCOM模型的可视化潮汐潮流预报方法，如图1所示，该方法包括：

S101：选取潮汐、潮流预报的目标海域，确定所述目标区域内包含的计算区域；进一步的，确定所述计算区域内的重点海域，对所述重点海域的网格配置进行加密处理。

S102：对所述计算区域进行网格配置，将所述计算区域划分为不重合的三角形单元；所述网格配置包括设定所述计算区域开边界处分辨率设为1000米，设定所述计算区域包含的其他区域分辨率为500米，设定所述重点海域分辨率为150米。可以分辨该海域的所有岛屿及其附近复杂的地形。

S103：构造FVCOM模型需要的边界条件以及初始条件，所述边界条件包括潮位的驱动以及温盐初始场，所述温盐初始场采用常值；具体的，在垂向上采用σ坐标系，设置7个σ层；采用M2,S2,K1,O1,N2,S2,P1,Q1共8个分潮的调和常数预报的水位作为所述潮位的驱动；边界上的调和常数来自NAO99潮汐模型。在垂向上采用σ坐标系，设置7个σ层。在边界上考虑了潮位的驱动，采用M2,S2,K1,O1,N2,S2,P1,Q1共8个分潮的调和常数预报的水位作为驱动，边界上的调和常数来自NAO99潮汐模型(Matsumoto et al.,2000)。并参考海洋图集上的同潮图，将其内插到计算网格的边界点上。

S104：运用FVCOM模型进行数值计算，计算获得模拟水位以及模拟流场；具体的，利用对水平三角形控制体进行通量有限体积积分的方式对控制方程进行离散求解。该有限体积积分[5]方法结合了有限元方法的自由几何拟和特性和有限差分方法的离散结构简单及计算高效的特性，从而能综合这两种方法的优点。利用有限体积积分格式，能更好地保证复杂几何结构的河口海湾及海洋计算中的质量、动量、盐度、温度及热量的守恒性，最后，将干湿判别技术[6]很好的融入到三角形网格中，使模型具有较强的模拟运动边界的能力，能较好的模拟出海水涨落期间滩涂的淹没和干出。在实际运行当中，采用METIS分解技术的MPI并行模块化计算，大大方便了用户对模式的入门、调试与运行。

S105：将所述模拟水位以及所述模拟流场分别与实测水位以及实测流场进行对比，验证模型可靠性；具体的，选取一定时间内获得的涨、落潮期间的所述模拟水位以及所述模拟流场，分别与相同期间获得的实测水位以及实测流场进行对比，验证模型可靠性。获得的模拟水位与潮汐长期站的水位资料进行对比，分别选取涨、落潮期间的模拟流场与实测流场进行对比。模式运行60天，对模拟结果进行调和分析，得到了各个计算点的潮汐潮流调和常数，调和常数是指分潮的振幅与迟角。

S106：将经过验证可靠的模拟水位以及模拟流场进行调和分析，得到各个计算点的潮汐潮流调和常数，所述调和常数为分潮的振幅与迟角；利用所述调和常数生成所要求时刻的潮汐和平均潮流值的预报；具体的，包括：

根据公式：

k1＝(HK1+HO1)/HM2

得到各个计算点的潮汐类型判别系数；式中HK1，HO1，HM2分别是分潮K1,O1和M2的振幅；

根据公式：

k2＝(WK1+WO1)/WM2

得到各个计算点的潮流类型判别系数；式中WO1，WK1，WM2分别代表O1，K1，M2分潮的潮流椭圆半长轴长度；

根据所述各个计算点的潮汐类型判别系数以及所述各个计算点的潮流类型判别系数生成所要求时刻的潮汐和平均潮流值的预报。当K1,K2的值小于0.5时，潮汐和潮流的类型为正规半日潮；当K1,K2的值介于0.5和2.0之间时，潮汐和潮流的类型为不规则半日潮；当K1,K2的值介于2.0和4.0之间时，潮汐和潮流的类型为不规则全日潮；当K1,K2的值大于4.0时，潮汐和潮流的类型为正规全日潮；根据方国洪提供的方法，当网格点潮汐类型为正规半日潮时，可以计算出该格点的平均大潮差，当网格点潮汐类型为不规则半日或全日潮和正规全日潮时，可以计算出该格点的平均大的潮差。

S107：以Matlab为平台，调用t_tide函数，展示所要求时刻的潮汐和平均潮流值的预报。系统根据用户在输入区输入的海上风电场机位经纬度和时间信息，自动寻找和输入地点最近的网格点，得到该地点的潮汐潮流调和常数，然后自动调用t_tide函数，预报所要求时刻的潮汐和平均潮流值，并显示在界面的相应位置。

本申请提供的方法包括选取目标海域，确定计算区域；进行计算区域的网格配置；进行模式设置，构造模型的边界条件和初始条件；运用FVCOM模型进行数值模拟计算；对模拟结果进行水位潮流验证；对模拟结果调和分析，得到各个计算点的潮汐、潮流调和常数；利用调和常数进行潮位、潮流预报；通过Matlab实现预报结果的可视化。该方法可对海上风电场逐机位进行潮汐预报、潮流预报和潮汐潮流特征查询的功能，具有重点海域高分辨率的特点，可以满足风电场海域在地形复杂，岛屿众多情况下的潮汐潮流预报。

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”、“包含”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。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。