珠江口畸形波非线性动力观测与模拟诊断

Ocean rogue waves may cause severe damage to human activities on the sea. The Pearl River Estuary (PRE) is located in the economically developed and densely populated pearl river delta region, in which the rogue waves has greater influence on the safety of human production and living. The study on rogue waves in PRE is few due to absence of observations, and study based on observations much less. Based on the observational data of rogue waves in PRE, the Project study the essential characteristics in Kinematics & Dynamics, such as probability of occurrence, intensity, time of duration and so on. By combining to ocean model and nested High order specter or N-S model, we will build a numerical model for the rogue waves in PRE and realize the rogue waves forecast in PRE. Thought the theoretical analysis and sensitivity tests, the research project will reveal the mechanism of the rogue waves in PRE and its special phenomena, including spotted in groups and declining water levels before occurring. The results of this project will provide scientific basis for prevention and reduction of natural disasters from rogue waves in PRE.

畸形波对人类海上活动危害极大，珠江口位于经济发达、人口密集的珠三角区域，畸形波带来的安全隐患不可忽视。但是由于实测数据难以获取，珠江口畸形波鲜有研究，基于观测数据的研究更是稀少。本项目基于已观测到的长期珠江口畸形波数据，拟建立大区域海洋模型嵌套高阶非线性模型或NS方程类模型的嵌套模式，研究珠江口畸形波强度，发生概率，波陡和B-F非线性因子等运动学和动力学基本特征及其统计规律；通过理论分析和参数敏感性数值试验诊断，揭示珠江口畸形波产生、成长和传播的规律及非线性动力机制，阐明珠江口畸形波“成群”出现和畸形波生成前水位显著降低的等特殊现象的机理，实现珠江口畸形波数值预报，为珠江口畸形波防灾减灾提供科学依据。

本项目收集珠江口大量异常波动观测数据，并开展野外数据观测，通过和船行波谱的对比研究，揭示珠江口畸形波动成因是船形波造成；分析异常波动波峰频率和过程的特征，并通过分析珠江口异常波动波高和周期的分布，发现表面波波候表现出非自然状态下结果，指出珠江口异常波动对波候的影响；通过对观测数据的分析可知，珠江口异常波动对珠江口波候特征改变明显，对施工船作业、护岸安全和泥沙分布有可能产生重要影响，加之对重点工程的带来的危害，其研究意义十分重要。开展了数值模拟研究，进一步揭示珠江口船行波动力机制。.结合机器学习手段，所用的监督学习方法中的支持向量机（SVM）和多层感知器（MLP）模型，通过大量样本训练得到船行波识别模型，可以精准识别过往船只。训练样本采集多样性，该模型可以识别不同类型、不同船舶运动状态和不同风浪背景下的船行波。通过比较，多层感知器（Multi-layer Perceptron）模型最适合识别船行波。本试验采用的多层感知器模型有2个隐藏层（第一层5个神经元，第二层2个神经元），通过交叉验证，平均精度可以达到95.42%。再训练样本数为750个左右时，该精度已经基本稳定。训练后固化该模型并保存。.研究过程中还发现珠江口异常波动中存在一类比较罕见的、最近几年才有报道船行海啸波，其短时间内携带的能量更大，具有更大的破坏力，但是其出现概率较低，船舶航行过程中在何种地形，航速等条件下才出现此类船行波，还有待下一步的研究。