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南海岛礁海域波浪智能预报方法应用研究

王发云 王盛健 陈斌 梁乃安 邱立国

王发云,王盛健,陈斌,等. 南海岛礁海域波浪智能预报方法应用研究[J]. 海洋学报,2025,47(12):136–149 doi: 10.12284/hyxb20250111
引用本文: 王发云,王盛健,陈斌,等. 南海岛礁海域波浪智能预报方法应用研究[J]. 海洋学报,2025,47(12):136–149 doi: 10.12284/hyxb20250111
Wang Fayun,Wang Shengjian,Chen Bin, et al. Application of an intelligent wave forecasting method to waters around the islands and reefs in the South China Sea[J]. Haiyang Xuebao,2025, 47(12):136–149 doi: 10.12284/hyxb20250111
Citation: Wang Fayun,Wang Shengjian,Chen Bin, et al. Application of an intelligent wave forecasting method to waters around the islands and reefs in the South China Sea[J]. Haiyang Xuebao,2025, 47(12):136–149 doi: 10.12284/hyxb20250111

南海岛礁海域波浪智能预报方法应用研究

doi: 10.12284/hyxb20250111
基金项目: 海南省海洋与渔业科学院科研项目结余经费课题(JYJF20231226)。
详细信息
    作者简介:

    王发云(1986—),男,海南省屯昌县人,高级工程师,主要从事海洋动力过程研究。E-mail:95309728@qq.com

    通讯作者:

    邱立国,男,副研究员,主要从事海洋动力过程研究。E-mail:389648810@qq.com

  • 中图分类号: P731.33

Application of an intelligent wave forecasting method to waters around the islands and reefs in the South China Sea

  • 摘要: 为提升南海岛礁海域的波浪预报精度与模型泛化能力,本文基于BO-LSTM模型,系统探讨了输入因素作用、模型跨站位迁移能力及多步预测方法性能。研究采用单因素(历史波高)与双因素(历史波高+风速)输入,通过优化时间窗口,结合滚动预测法(RF)与直接多步预测法(DM),对七连屿、甘泉岛、晋卿岛和华夏暗沙4个站位的1~24 h有效波高进行预报验证。结果表明:模型表现与站点地理地貌揭示的水动力环境高度相关。七连屿站“半遮蔽−半开阔”的格局使其模型泛化能力最强且稳定(最佳窗口n = 2),在跨站预测中表现优异;而甘泉岛站、晋卿岛站等“潟湖内局地型”站点与华夏暗沙站“开阔水域型”站点,则因其地理特征主导的、差异化的数据分布导致了显著的“数据域偏移”,限制了模型的跨站迁移能力。短期预报中历史波高为核心因素,但其优势存在地理依赖性:七连屿站与晋卿岛站历史波高权重优势显著(>1.7倍),而甘泉岛站与华夏暗沙站风速贡献相对提升(优势比<1.4倍)。多步预测中,“DM+双”在短期至中期(1~18 h)综合最优,“RF+双”在长期(19~24 h)及甘泉岛站全时段更能抑制误差衰减。本研究验证了BO-LSTM在南海岛礁波浪预报中的有效性,并通过关联数据驱动规律与地理物理机制,为构建区域普适性智能预报模型提供了物理可解释的见解与方法支撑。
  • 图  1  研究区域及其波浪观测站位置示意图

    Fig.  1  The study area and the indication of the wave measurement station

    图  2  数据预处理流程

    Fig.  2  The process diagram of data preprocessing

    图  3  各个波浪观测站有效波高预测结果

    a. 七连屿站; b. 甘泉岛站; c. 晋卿岛站; d. 华夏暗沙站

    Fig.  3  Prediction results of the significant wave height at various wave measurement stations

    a. Qilianyu Station; b. Ganquandao Station; c. Jinqingdao Station; d. Huaxiaansha Station

    图  4  LSTM单元结构

    Fig.  4  LSTM unit structure

    图  5  岛礁海域波浪预报模型流程

    Fig.  5  The construction process diagram of wave forecasting model for island and reef area

    图  6  两种输入因素不同时间窗口下各组次的RMSE

    a. 输入单因素;b. 输入双因素

    Fig.  6  RMSE of each group under different time windows for two input factors

    a. Single-factor input; b. two-factor input

    图  7  本站位模型预测精度时序对比

    a. 七连屿站;b. 甘泉岛站;c. 晋卿岛站;d. 华夏暗沙站

    Fig.  7  Time-series validation of model prediction accuracy at the current station

    a. Qilianyu Station; b. Ganquandao Station; c. Jinqingdao Station; d. Huaxiaansha Station

    图  8  有效波高核密度散点图

    a. 七连屿站; b. 甘泉岛站; c. 晋卿岛站; d. 华夏暗沙站

    Fig.  8  Kernel density scatter plots of significant wave height

    a. Qilianyu Station; b. Ganquandao Station; c. Jinqingdao Station; d. Huaxiaansha Station

    图  9  不同预测法评价指标对比时序对比图

    a. 七连屿站; b. 甘泉岛站; c. 晋卿岛站; d. 华夏暗沙站

    Fig.  9  Comparison of evaluation indicators for different forecasting methods using time series comparison chart

    a. Qilianyu Station; b. Ganquandao Station; c. Jinqingdao Station; d. Huaxiaansha Station

    图  10  不同数据集输入因素权重绝对值均值的小提琴图

    Fig.  10  Violin plot of mean values of absolute weights of input factors across different datasets

    表  1  波浪观测站信息[22]

    Tab.  1  Wave measurement station information

    站位 观测仪器 观测时间(年/月) 采样间隔/h 样本量
    七连屿站 ADCP 2017/07−2017/11 2 1371
    甘泉岛站 浪龙仪 2018/01−2018/04 1 2603
    晋卿岛站 浪龙仪 2014/06−2018/06 0.5 32487
    华夏暗沙站 ADCP 2018/06−2018/11 2 1506
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    表  2  各模型预测误差对比

    Tab.  2  Error comparison of prediction models

    模型 七连屿站 甘泉岛站 晋卿岛站 华夏暗沙站
    RMSE/m PCC RMSE/m PCC RMSE/m PCC RMSE/m PCC
    LR 0.189 0.875 0.115 0.929 0.103 0.885 0.297 0.923
    RFR 0.061 0.988 0.030 0.996 0.034 0.989 0.103 0.991
    LSTM 0.149 0.927 0.098 0.949 0.098 0.898 0.244 0.949
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    表  3  最佳时间窗口

    Tab.  3  Best time window

    站位 测试集
    RMSE/m
    测试集
    PCC
    最佳时间
    窗口n
    输入因数
    七连屿站 0.036 0.958 2 历史波高
    0.037 0.956 2 历史波高+风速
    甘泉岛站 0.042 0.989 1 历史波高
    0.042 0.990 1 历史波高+风速
    晋卿岛站 0.047 0.977 1 历史波高
    0.048 0.976 1 历史波高+风速
    华夏暗沙站 0.147 0.988 2 历史波高
    0.157 0.986 1 历史波高+风速
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    表  4  两种输入因素不同站位模型超参数

    Tab.  4  Two input factors with different station model hyperparameters

    站位 层数 学习率 隐藏层 迭代次数 输入因数
    七连屿站 4 0.001 80 143 历史波高
    4 0.003 93 132 历史波高+风速
    甘泉岛站 3 0.041 73 193 历史波高
    2 0.063 75 112 历史波高+风速
    晋卿岛站 3 0.041 73 193 历史波高
    3 0.041 73 193 历史波高+风速
    华夏暗沙站 3 0.041 73 193 历史波高
    3 0.041 73 193 历史波高+风速
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    表  5  最优模型预测结果统计

    Tab.  5  Statistics of optimal model prediction results

    最优模型 输入因素 七连屿 甘泉岛 晋卿岛 华夏暗沙
    RMSE/m PCC RMSE/m PCC RMSE/m PCC RMSE/m PCC
    七连屿数据(训练) 单因素 0.066 0.968 0.059 0.978 0.056 0.964 0.177 0.979
    双因素 0.066 0.969 0.059 0.980 0.055 0.966 0.183 0.979
    甘泉岛数据(训练) 单因素 0.090 0.941 0.046 0.987 0.047 0.975 0.560 0.885
    双因素 0.090 0.944 0.044 0.988 0.051 0.974 0.531 0.908
    晋卿岛数据(训练) 单因素 0.080 0.953 0.046 0.987 0.046 0.976 0.395 0.950
    双因素 0.085 0.948 0.046 0.988 0.046 0.975 0.492 0.926
    华夏暗沙数据(训练) 单因素 0.143 0.94 0.102 0.978 0.158 0.931 0.143 0.986
    双因素 0.167 0.949 0.121 0.986 0.158 0.969 0.151 0.984
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    表  6  不同预测法评价指标对比

    Tab.  6  Comparison of evaluation metrics among different prediction methods

    模型 预报时序/h 七连屿站 甘泉岛站 晋卿岛站 华夏暗沙站
    NMAE NRMSE PCC NMAE NRMSE PCC NMAE NRMSE PCC NMAE NRMSE PCC
    RF+单 1 0.009 0.015 0.968 0.015 0.026 0.987 0.014 0.019 0.975 0.016 0.025 0.984
    3 0.012 0.021 0.938 0.028 0.044 0.961 0.018 0.026 0.938 0.025 0.035 0.968
    6 0.015 0.027 0.895 0.04 0.062 0.922 0.024 0.035 0.89 0.033 0.046 0.943
    12 0.021 0.038 0.779 0.056 0.086 0.846 0.031 0.044 0.811 0.046 0.064 0.889
    24 0.029 0.054 0.527 0.076 0.116 0.713 0.04 0.057 0.667 0.066 0.091 0.767
    RF+双 1 0.009 0.015 0.969 0.016 0.025 0.988 0.011 0.016 0.977 0.016 0.025 0.984
    3 0.012 0.021 0.940 0.028 0.041 0.968 0.018 0.026 0.937 0.026 0.035 0.967
    6 0.016 0.027 0.900 0.038 0.054 0.946 0.025 0.035 0.888 0.035 0.046 0.945
    12 0.023 0.037 0.795 0.049 0.068 0.919 0.031 0.044 0.818 0.045 0.059 0.906
    24 0.032 0.054 0.555 0.061 0.083 0.889 0.038 0.054 0.736 0.055 0.071 0.860
    DM+单 1 0.009 0.015 0.968 0.015 0.026 0.987 0.014 0.019 0.975 0.016 0.025 0.984
    3 0.013 0.022 0.929 0.028 0.044 0.961 0.018 0.026 0.939 0.025 0.036 0.966
    6 0.015 0.027 0.897 0.039 0.061 0.923 0.023 0.034 0.891 0.033 0.046 0.943
    12 0.019 0.035 0.813 0.054 0.084 0.852 0.029 0.043 0.823 0.046 0.063 0.891
    24 0.027 0.049 0.597 0.074 0.110 0.728 0.037 0.054 0.704 0.064 0.087 0.776
    DM+双 1 0.009 0.015 0.969 0.016 0.025 0.988 0.011 0.016 0.977 0.016 0.025 0.984
    3 0.014 0.022 0.935 0.027 0.04 0.969 0.018 0.026 0.938 0.024 0.033 0.971
    6 0.017 0.026 0.905 0.035 0.052 0.945 0.022 0.032 0.905 0.030 0.040 0.957
    12 0.023 0.037 0.8 0.047 0.07 0.898 0.028 0.041 0.842 0.039 0.052 0.926
    24 0.030 0.048 0.614 0.065 0.098 0.788 0.036 0.053 0.718 0.054 0.073 0.847
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    表  7  不同数据集输入因素的模型权重强度对比

    Tab.  7  Comparison of model weight intensity of input factors across different datasets

    数据集 风速 历史波高 历史波高相对风速
    的优势(历史波高
    均值/风速均值)
    平均权
    重强度
    模型间
    标准差
    平均权
    重强度
    模型间
    标准差
    Q站 0.197 0.078 0.339 0.125 1.72
    G站 0.188 0.065 0.216 0.103 1.14
    J站 0.149 0.052 0.323 0.111 2.17
    H站 0.193 0.059 0.262 0.125 1.36
      注:平均权重强度指1~24 h预报模型的权重绝对值均值(单模型内先平均,再取24个模型的均值);模型间标准差反映24个模型权重强度的波动程度。
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-08-25
  • 修回日期:  2025-11-13
  • 网络出版日期:  2025-11-22
  • 刊出日期:  2025-12-31

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