基于粒子系统的海洋现象过程模拟方法及系统与流程

本发明涉及海洋数值模拟的，尤其涉及基于粒子系统的海洋现象过程模拟方法及系统。

背景技术：

1、在海洋污染追踪、溢油扩散预测、海洋塑料垃圾富集分析以及浮游生物赤潮演化等海洋现象过程模拟领域，准确预测海洋表面物质的运动轨迹与聚集形态至关重要。传统的海洋现象模拟方法主要依赖于拉格朗日粒子系统模型，并引入相干结构理论来描述海洋中涡旋、锋面等对粒子的聚集和裂解作用，从而宏观呈现出特定的海洋现象。然而，现有基于粒子系统的模拟技术在处理复杂海洋动力学过程时存在显著缺陷：第一，在计算驱动粒子运动的等效刚度或扩散系数时，需要人工设定多个经验权重系数（如波浪梯度、密度梯度、辐聚项的权重），这些人工系数无法自适应不同海域和时空变化的动力学环境；第二，在定义控制粒子聚集寿命的相干时间（记忆时间）时，通常依赖于有限时间李雅普诺夫指数ftle，这需要人为设定固定的积分时间窗口，缺乏物理自洽性；第三，在识别相干主导模式与惯性主导模式的切换，以及粒子聚集与裂解的触发时，现有方法多采用硬性的经验阈值，导致粒子系统在复杂海况下容易出现非物理的突变，泛化能力差，无法真实还原海洋现象的演化过程。

2、目前，公开号为cn118797896a的中国发明专利公开了一种数字化海洋环境仿真系统构建方法，包括：步骤1、采集海洋环境数据，构建基本海洋场景；步骤2、采集海洋地形数据，构建海底陆地模型并加入基本海洋场景中；步骤3、采集潜航器数据和海洋生物数据，分别构建潜航器模型和海洋生物模型并加入基本海洋场景中；步骤4、根据潜航器的运动姿态，模拟潜航器的编队控制、追逐对抗以及移动尾迹波并加入潜航器模型中；步骤5、模拟海洋生物的运动形态和行为，以及水流对海洋生物的影响情况并加入海洋生物模型中，完成海洋环境仿真系统的构建。该发明能够精确模拟海洋中的物理现象和生物行为，实现对海洋环境更为真实和细致的模拟。但是现有海洋现象模拟方法中，通常采用全局固定的经验扩散系数，在亚中尺度锋面处极易产生过度扩散现象，无法真实还原物质的带状富集；依赖固定积分时间窗的ftle方法容易产生幽灵涡旋与时间滞后伪影，无法精准捕捉短寿命的瞬态流场结构；忽略宏观漂浮物的惯性迟滞，导致在复杂波况下出现严重的惯性过冲轨迹误差；采用缺乏物理依据的几何距离阈值来强制判定粒子的聚集与裂解，导致模拟结果出现非物理的刚性聚集或虚假碎裂。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：现有基于粒子系统的海洋现象模拟方法中，通常采用全局固定的经验扩散系数，在亚中尺度锋面处极易产生过度扩散现象，无法真实还原物质的带状富集；依赖固定积分时间窗的ftle方法容易产生幽灵涡旋与时间滞后伪影，无法精准捕捉短寿命的瞬态流场结构；忽略宏观漂浮物的惯性迟滞，导致在复杂波况下出现严重的惯性过冲轨迹误差；采用缺乏物理依据的几何距离阈值来强制判定粒子的聚集与裂解，导致模拟结果出现非物理的刚性聚集或虚假碎裂。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于粒子系统的海洋现象过程模拟方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：获取多源海洋环境数据，基于稀疏回归与能量一致性泛函极小化，求解最优权重以生成等效刚度场；

4、步骤s2：基于粒子团的二维最优输运距离的对数增长率，计算局部相干时间，并基于局部线性稳定性分析识别相干主导模式与惯性主导模式；

5、步骤s3：基于局部耗散响应近似构建粒子速度修正方程，粒子速度修正方程包括粒子的记忆斯托克斯漂流速度与有效输运速度；

6、步骤s4：基于相干场做功与相对动能的能量平衡关系，构建能量平衡判定规则判断粒子的聚集状态，根据有效输运速度和聚集状态更新粒子位置，输出最终的粒子输运轨迹，用于呈现海洋现象过程。

7、优选地，所述步骤s1包括以下子步骤：

8、步骤s11：获取目标海域的多源海洋环境数据，所述多源海洋环境数据包括表面流场速度、海水密度、有效波高、波浪周期数据和海岸线几何数据，基于所述表面流场速度，计算流体微团的物质导数；

9、步骤s12：在计算域内释放虚拟粒子，利用先导粒子追踪算法在预设短时间窗口内对所述虚拟粒子进行轨迹积分，统计所述计算域内各个网格节点上的虚拟粒子数量，计算得到初步的粒子浓度场；

10、步骤s13：提取影响海洋粒子输运的原始物理特征，所述原始物理特征包括波浪梯度特征、密度梯度特征和斯托克斯辐聚特征，引入统一的特征力密度尺度参数对所述原始物理特征进行无量纲化处理，并按列执行标准化处理得到标准化特征矩阵；

11、步骤s14：定义等效刚度场为所述标准化特征矩阵中各列特征的线性组合，构建能量一致性泛函，基于稀疏回归求解最优权重与生成等效刚度场。

12、优选地，所述步骤s12包括以下子步骤：

13、步骤s121：获取目标海域的二维空间范围，将所述二维空间范围离散化为欧拉网格，获取所有网格节点的空间坐标集合；

14、在计算域内按预设的初始空间密度均匀释放虚拟粒子，赋予每个虚拟粒子唯一的索引编号，并记录每个虚拟粒子的初始空间坐标与初始质量，获取虚拟粒子集合；

15、步骤s122：设定先导追踪的预设短时间窗口，基于表面流场速度，采用四阶龙格库塔数值积分算法，在预设短时间窗口内对所有虚拟粒子的运动轨迹进行积分，获取每个虚拟粒子在积分结束时刻的末端空间坐标；

16、步骤s123：遍历欧拉网格的所有网格节点，利用平滑核函数将积分结束时刻的虚拟粒子质量映射至相邻的网格节点上，计算得到各个网格节点上的初步粒子浓度场。

17、优选地，所述步骤s14包括：

18、等效刚度场的数学表达式为：

19、；

20、其中，为等效刚度场，为待求的非负权重向量，、和为非负权重，、和为标准化特征矩阵中的无量纲特征；

21、构建能量一致性泛函，其数学表达式为：

22、；

23、其中，为能量一致性泛函，为计算域，为动量残差项，表示由等效刚度场驱动的粒子浓度扩散通量散度，与流体微团实际惯性力之间的平方误差，为l1正则化项，为正则化系数，为权重向量的l1范数；

24、基于稀疏回归求解最优权重与生成等效刚度场具体包括：

25、将所述能量一致性泛函的极小化问题转化为带有非负约束的凸优化问题，其数学表达式为：

26、；

27、；

28、其中，为最优的非负权重向量，函数表示取且最小时的值，、和分别为需要代入等效刚度场公式的最优非负权重；

29、利用凸优化算法求解上述方程，得到最优的权重向量，将所述最优的权重向量代入等效刚度场公式，生成最终的等效刚度场。

30、优选地，所述步骤s2包括以下子步骤：

31、步骤s21：在计算域的初始位置处初始化第一粒子团与第二粒子团，所述第一粒子团与第二粒子团在空间上相邻，基于所述表面流场速度对所述第一粒子团与第二粒子团进行时间演化，获取所述第一粒子团与第二粒子团在时间t的概率测度分布；

32、步骤s22：计算所述第一粒子团与第二粒子团在演化过程中的二维最优输运距离，在局部时间窗内计算所述二维最优输运距离的对数增长率；

33、步骤s23：计算所述对数增长率的逆尺度并定义为局部相干时间，构建相干张量演化方程，在局部平衡态邻域对相干张量演化方程进行线性化处理，得到局部线性算子，对所述局部线性算子进行特征值分解，提取所有特征值中具有最大实部的最大特征值；

34、步骤s24：当所述最大特征值的实部小于零时，表明扰动随时间衰减、结构稳定，判定当前区域为相干主导模式；

35、当所述最大特征值的实部大于或等于零时，表明扰动随时间增长、结构易破碎，判定当前区域为惯性主导模式。

36、优选地，所述步骤s23具体包括：

37、局部相干时间的数学表达式为：

38、；

39、其中，为初始位置处的局部相干时间，为预设的最小增长率下限，为对数增长率；

40、构建相干张量演化方程，并在局部平衡态邻域对所述相干张量演化方程进行线性化处理，得到线性扰动方程：

41、；

42、其中，为偏导数算子，为相干张量的扰动量，为在初始位置处冻结背景场系数后得到的局部线性算子；

43、对所述局部线性算子进行特征值分解，提取其所有特征值，并获取具有最大实部的最大特征值。

44、优选地，所述步骤s3包括以下子步骤：

45、步骤s31：获取目标粒子的物理属性参数，计算粒子的响应时间，所述响应时间为粒子质量与有效阻尼系数的比值；

46、步骤s32：根据等效刚度场与局部相干时间，基于局部耗散响应近似理论，计算粒子的记忆斯托克斯漂流速度；

47、步骤s33：构建基于空间距离的近岸激活函数，根据步骤s24输出的模式识别结果，计算相干诱导速度，将表面流场速度、记忆斯托克斯漂流速度和受近岸激活函数调制的相干诱导速度进行矢量相加，得到粒子的有效输运速度。

48、优选地，所述步骤s4包括以下子步骤：

49、步骤s41：在计算域内遍历任意两个相邻的第一粒子与第二粒子，计算所述第一粒子与第二粒子的折合质量和相对动能；

50、步骤s42：沿所述第一粒子到第二粒子的空间连线进行线积分，计算相干场对第一粒子与第二粒子的做功，得到相干场做功；

51、步骤s43：获取当前海域网格的局部耗散能量，将相对动能与局部耗散能量相加得到分离能量阈值，根据能量平衡判定规则判断第一粒子与第二粒子的聚集状态，根据有效输运速度和聚集状态更新粒子位置，输出最终的粒子输运轨迹，用于呈现海洋现象过程。

52、优选地，所述步骤s43具体包括：

53、利用等效刚度场与粒子间距计算局部耗散能量，其数学表达式为：

54、；

55、其中，为局部耗散能量，代表环境湍流扩散对粒子聚集产生的能量损耗壁垒，为空间连线中点处的等效刚度场，为第一粒子的空间坐标与第二粒子的空间坐标的欧氏距离；

56、将相对动能与局部耗散能量相加，得到分离能量阈值；

57、能量平衡判定规则具体包括：

58、当相干场做功严格大于分离能量阈值时，判定第一粒子与第二粒子发生聚集；

59、当相干场做功不大于所述分离能量阈值时，判定第一粒子与第二粒子维持分散状态，若所述第一粒子与第二粒子在上一时间步原为聚集状态，则判定当前时刻发生裂解；

60、基于有效输运速度，利用数值积分算法对所有粒子的空间坐标进行时间步进更新，在更新过程中，对判定为发生聚集的粒子对执行坐标合并与质量累加操作，对判定为发生裂解的粒子团执行坐标分离与质量拆分操作；

61、循环执行时间步进更新直至达到预设的模拟总时长，输出最终的粒子输运轨迹数据，以呈现海洋现象过程。

62、一种基于粒子系统的海洋现象过程模拟系统，该系统用于执行基于粒子系统的海洋现象过程模拟方法，包括基础场重构模块、模式识别模块、动力学速度修正模块和能量平衡演化模块：

63、所述基础场重构模块，用于获取多源海洋环境数据，基于稀疏回归与能量一致性泛函极小化，求解最优权重以生成等效刚度场；

64、所述模式识别模块，用于基于粒子团的二维最优输运距离的对数增长率，计算局部相干时间，并基于局部线性稳定性分析识别相干主导模式与惯性主导模式；

65、所述动力学速度修正模块，用于基于局部耗散响应近似构建粒子速度修正方程，粒子速度修正方程包括粒子的记忆斯托克斯漂流速度与有效输运速度；

66、所述能量平衡演化模块，用于基于相干场做功与相对动能的能量平衡关系，构建能量平衡判定规则判断粒子的聚集状态，根据有效输运速度和聚集状态更新粒子位置，输出最终的粒子输运轨迹，用于呈现海洋现象过程。

67、本发明的有益效果：本发明通过构建能量一致性泛函并利用稀疏回归（lasso）求解，实现了等效刚度场的变分自洽估计。彻底摒弃了传统粒子系统模拟中人工设定波浪、密度等梯度权重的做法，使模型能够从实际的海洋动力学残差中自动学习主导物理机制，显著提升了模型在不同海域的自适应能力和物理可解释性。

68、本发明引入二维最优输运（ot）距离来定义局部相干时间，并利用局部线性稳定性分析（计算局部线性算子的最大特征值）来识别相干主导模式。这一改进消除了传统ftle方法对固定时间窗口的依赖，以及weissenberg数硬阈值切换带来的非物理突变，使得相干结构的识别更加严谨、平滑且符合流体力学稳定性理论。

69、本发明在粒子动力学演化阶段，基于局部耗散响应近似推导了记忆斯托克斯漂流速度，并基于相干场做功与相对动能的平衡关系构建了聚集判定条件。这种基于能量和做功的物理充分判据，替代了传统方法中缺乏物理依据的自由能差值阈值和有效温度参数，实现了粒子聚集与裂解的自发、自洽触发，大幅提高了极端海况下海洋现象（如溢油聚集、赤潮扩散）演变过程预测的准确性和鲁棒性。