tidal_current_introduction

Report
NRCEST
國立交通大學土木工程學系
中華民國102年3月21日
Equipment: ADCP
ADCP: Acoustic Doppler
Current Profilers
 Multi-layers (Three
or ten Layers)
2
Data Acquisition
Velocity : knot(0.51m/s)
Azimuth: the current flows to that direction
wind or wave comes from that direction
3
NRCEST
第34屆海洋工程研討會
決定實測近岸水流
主方向的探討
張憲國、莊文傑、劉勁成
國立交通大學土木工程系所
中華民國101年11月23日
近岸水流主方向
Data analysis methods in physical oceangraphy:
Emery and Thomson (1998) p.325-327
分散圖 (scatter plot):
5
近岸水流主方向
6
近岸水流主方向
7
近岸水流主方向
Wiegel (2005) :風吹流(wind driven current)、波浪
流(wave induced current)、潮流(tidal current)及洋
流(ocean current) 等
(uE (ti ), uN (ti ))
分散圖 (scatter plot):
協變矩陣(covariance matrix)及求
出特徵值方法(Freeland et al.,
1975; Preisendorfer , 1988)
臺北港2009年整年實測水流之分散圖
 n

  2(u E (ti )  u E )(u N (ti )  u N ) 
1

 p  tan1  n i 1
n

2
2
2 
(
u
(
t
)

u
)
(
u
(
t
)

u
)
 E i


R
N i
N
i 1
 i 1

8
近岸水流主方向
臺中港2009年整年實測水流之分散圖
9
水流主方向的判定方法
1.重心法(centroid of scatter plot);
2.最小力矩法(minimum inertia
moment about main axes)
3.最大方向分布(maximum
probability density of directional
distribution)。
10
重心法
群集分析(cluster analysis):
Kmeans分群法
重心位置
1 n j
(u E , u N )  (  uE (ti ),
n i 1
j
j
1 n j
uN (ti )) ,

n i 1
圖1臺北港2009年整年實測水流之分散圖
11
j  1,2
重心法
前1/3大流速
大流速只出現在某
小範圍之角度上,
而小流速則較均勻
出現在各方位上。
因此大流速的流速
資料更能清楚分群
,且每群之重心可
清楚表示流速之主
方向。
12
最小慣性矩法
設兩分區水流
的主方向如圖
中之虛線,則
逐時之水流速
度對此主軸取
慣性矩,即流
速垂直於主軸
距離為力臂
13
最大方向分布
將流速在各方向分
布計算出其出現機
率,在流速出現較
多地方向定義為主
方向
非參數化機率密度
函數---Ksdensity
臺北港實測水流之方向機率分布圖
14
臺中港水流的主方向
圖6臺中港流速之分散圖
圖8方向機率分布圖
15
臺北港及臺中港的水流主方向
地點
臺北
臺中
速度
重心法
最小力矩
方向分布
一
二
一
二
一
二
低速
61
233
64
231
65
224
中速
56
242
59
239
58
234
高速
55
241
56
239
57
236
總速
58
238
57
239
61
239
低速
345
273
58
189
67
183
中速
6
243
38
210
38
211
高速
15
243
32
228
38
223
總速
41
221
34
226
39
219
臺北港:本文三種方
法獲得之結果發現
水流主方向都相近
,相差約2-3度,兩
主方向差180度
臺中港:最小力矩法
及方向分布法兩種
決定水流主方向相
近,但與重心法所
得 約 有 40 至 50 度 之
差異。二個主方向
之夾角並非180度。
16
Harmonic Analysis for tidal current
M


V(t )  u  U i cos(i t   i )  i v  Vi cos(i t   i )
i 1
i 1


M
 Vector (two-dimensional variables)
 E&N or (L&N) components
 Harmonic Analysis for Ui and Vi
17
Rotary component spectra
 Emery and Thomson (1998) p.427-431)
18
Rotary component spectra
19
Rotary component spectra
20
Rotary component spectra
21
Rotary component spectra
22
Rotary component spectra
Major axis
Minor axis


LM  A  A

Lm  A  A

Tilting angle   (   )
1
2
Flatness

Lm
e 1
LM
23

Evaluation
RMSE
1 N
2
 y(ti )  Y (ti )

N i1
RMSE 
R2(determination of coefficient)
N
R2  1 
  y(t )  Y (t )
2
i 1
N
i
i
  y(t )  y 
2
i
i 1
24
Main components of tides and tidal current
Taipei Harbor
M2
S2
50
50
+
0
-25
-50
-50
+
25
un(cm/s)
un(cm/s)
25
0
-25
-25
0
25
-50
-50
50
-25
N2
50
50
+
-
25
un(cm/s)
25
un(cm/s)
25
K1
50
0
-25
-50
-50
0
0
-25
-25
0
25
ue(cm/s)
50
25
-50
-50
-25
0
25
ue(cm/s)
50
Main compinents of tides and tidal current
KaoHsiung Harbor
K1
M2
50
50
-
0
-25
-50
-50
-
25
un(cm/s)
un(cm/s)
25
0
-25
-25
0
25
-50
-50
50
-25
O1
50
50
-
-
25
un(cm/s)
25
un(cm/s)
25
S2
50
0
-25
-50
-50
0
0
-25
-25
0
25
ue(cm/s)
-50
-50
50
26
-25
0
25
ue(cm/s)
50
Astronomical tides
20
1
15
0.95
10
0.9
5
0.85
0
TP
TC
AP
KH
HL
SA
KL
R2
RMSE(cm)
tide
0.8
Numerically simulated tides for Taipei and Anping harbor
27
U-component of tidal current
1
20
0.8
15
0.6
10
0.4
5
0.2
R2
RMSE(cm/s)
U-component
25
0
TP
TC
AP
KH
28
HL
SA
KL
0
V-component of tidal current
1
20
0.8
15
0.6
10
0.4
5
0.2
R2
RMSE(cm/s)
V-Component
25
0
TP
TC
AP
29
KH
HL
SA
KL
0
Main components of tides and tidal current
St.
TP
TC
AP
KH
HL
SA
KL
T&C
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Tide
M2
K1
O1
S2
N2
P1
K2
Q1
Ssa
ν2
Cur.
M2
S2
N2
K1
K2
Sa
M4
Msf
O1
ν2
Tide
M2
S2
N2
K1
O1
K2
Sa
L2
ν2
μ2
Cur.
Sa
Ssa
M2
K1
Mm
Msf
O1
S2
Mf
P1
Tide
M2
K1
O1
S2
P1
N2
Q1
Ssa
K2
Sa
Cur.
M2
S2
Sa
K1
N2
S1
O1
ψ1
Ssa
K2
Tide
K1
M2
O1
Sa
S2
Ssa
P1
N2
Q1
K2
Cur.
K1
M2
O1
S2
Sa
P1
ψ1
N2
S1
Ssa
Tide
M2
S2
Sa
K1
O1
N2
K2
P1
Ssa
Q1
Cur.
M2
S1
Sa
K1
S2
M4
Ms4
K2
ν2
O1
Tide
M2
K1
O1
S2
Sa
N2
P1
K2
Q1
μ2
Cur.
M2
Sa
S2
K1
O1
S1
K2
M4
Msf
N2
Tide
M2
K1
O1
Sa
P1
N2
S2
Q1
μ2
K2
Cur.
M2
S2
N2
Sa
μ2
M4
Ssa
Op2
L2
Mks2
30
Main components of tides
tide-W
100
TP
TC
AP
KH
80
Ramp
60
40
20
0
0
2
4
6
No
31
8
10
Main components of tides and tidal current
current-W
100
80
Ramp
60
40
20
0
0
2
4
6
No
32
8
10
Main components of tides and tidal current
tilt-W
90
60
o
( )
30
0
-30
-60
-90
0
2
4
6
No
33
8
10
Main components of tides and tidal current
flat-W
1
0.8
e
0.6
0.4
0.2
0
0
2
4
6
No
34
8
10
Main components of tides and tidal current
tide-E
100
HL
SA
KL
80
Ramp
60
40
20
0
0
2
4
6
No
35
8
10
Main components of tidal current
current-E
100
80
Ramp
60
40
20
0
0
2
4
6
No
36
8
10
Main components of tidal current
tilt-E
90
60
o
( )
30
0
-30
-60
-90
0
2
4
6
No
37
8
10
Main components of tidal current
flat-E
1
0.8
e
0.6
0.4
0.2
0
0
2
4
6
No
38
8
10

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