基于三種測(cè)波方法的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

周慶偉，封 哲，汪小勇，蔡曉晴，齊占輝，白 楊

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.河北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，河北 石家莊 050030）

基于三種測(cè)波方法的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

周慶偉1，封 哲2，汪小勇1，蔡曉晴1，齊占輝1，白 楊1

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.河北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，河北 石家莊 050030）

近海海洋工程波浪觀測(cè)中較為廣泛使用的測(cè)波方法主要包括壓力式測(cè)波、聲學(xué)測(cè)波和重力式測(cè)波等。三種觀測(cè)方法各有優(yōu)勢(shì)，需根據(jù)歷史資料、地理環(huán)境和任務(wù)目的設(shè)計(jì)合理的觀測(cè)形式，可以選擇一種或多種形式組合的形式，以達(dá)到最佳的觀測(cè)效果。使用GPS測(cè)波浮標(biāo)、AWAC聲學(xué)海流/波浪測(cè)量?jī)x和TWR-2050壓力式波潮儀的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果顯示，測(cè)波浮標(biāo)與AWAC所測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性較一致；TWR壓力波潮儀與AWAC測(cè)量的波高趨勢(shì)基本一致，但周期短、波高小的海域和時(shí)間段測(cè)量準(zhǔn)確度較差。

GPS測(cè)波浮標(biāo)；壓力測(cè)波；聲學(xué)海流/波浪測(cè)量?jī)x；波浪觀測(cè)

隨著全球氣候的變化、沿海城市的防災(zāi)減災(zāi)需求和海洋開發(fā)利用形勢(shì)，海浪的監(jiān)測(cè)自20世紀(jì)40年代起受到廣泛重視，波高、波周期、波傳播的方向等參數(shù)是海洋工程、海洋預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)和航海安全等領(lǐng)域重要的輸入?yún)?shù)之一。近海波浪觀測(cè)一般主要針對(duì)風(fēng)浪和涌浪，按照觀測(cè)方法可以分為：人工觀測(cè)法、儀器測(cè)量法和遙感反演法。人工觀測(cè)法可分為人工目測(cè)法和光學(xué)測(cè)波儀觀測(cè)法；儀器測(cè)量法可分為測(cè)桿測(cè)波法、壓力式測(cè)波法、聲學(xué)式測(cè)波法、重力式測(cè)波法和激光式測(cè)波法；遙感反演法可分為雷達(dá)測(cè)波、衛(wèi)星測(cè)波和攝影照相測(cè)波，或是分為X波段雷達(dá)測(cè)波、高頻地波雷達(dá)測(cè)波、合成孔徑（SAR）雷達(dá)測(cè)波、衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)波和攝影照相測(cè)波等[1]。

近海海洋工程波浪觀測(cè)中較為廣泛使用的測(cè)波方法主要包括壓力式測(cè)波、聲學(xué)測(cè)波和重力式測(cè)波等。在觀測(cè)要素、數(shù)據(jù)精度、儀器設(shè)備安全、觀測(cè)成本等方面各有特點(diǎn)，需要根據(jù)不同的任務(wù)需求和海域環(huán)境進(jìn)行觀測(cè)方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化，尤其是針對(duì)我國(guó)近海海域必須考慮到沿海漁民生產(chǎn)對(duì)觀測(cè)設(shè)備造成的影響。本文將對(duì)這三種測(cè)波方法進(jìn)行比較，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比測(cè)分析總結(jié)存在的問(wèn)題。

1 三種常用測(cè)波方法的特點(diǎn)

壓力式測(cè)波、聲學(xué)測(cè)波和重力式測(cè)波由于測(cè)量原理的不同有各自不同優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。

1.1 壓力測(cè)波

壓力式測(cè)波儀是較早使用的一種儀器觀測(cè)波浪的方法，依靠安裝在海底的壓力傳感器記錄波浪引起的動(dòng)壓變化，從而測(cè)量波高和波周期的一種儀器。但是水下引力波是隨著深度衰減的，水層的過(guò)濾作用是非線性的且隨頻率而異，故如何準(zhǔn)確地將水下測(cè)到的波壓力變化換算為水面的波高或波譜存在困難[2]。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的壓力式測(cè)波儀是加拿大RBR公司生產(chǎn)的壓力式波潮儀、美國(guó)InterOcean公司生產(chǎn)的浪潮儀、美國(guó)SBEBird公司生產(chǎn)的SBE26波潮儀和國(guó)產(chǎn)壓力式波潮儀等[3-4]。

壓力式測(cè)波儀安裝在水下，體積小、觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、易于布放。所依托的觀測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需使用常平架，使用簡(jiǎn)單的坐底裝置或是淺標(biāo)系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)觀測(cè)，也可以安裝在人工漁礁、石油平臺(tái)、岸邊、橋墩等位置，可全天候、全天時(shí)連續(xù)觀測(cè)，避免了海面大風(fēng)浪和漁業(yè)生產(chǎn)對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的破壞，觀測(cè)成本較低。因波動(dòng)壓力沿水深衰減嚴(yán)重，該方式常用于淺水區(qū)進(jìn)行波高和波周期的觀測(cè)，無(wú)法進(jìn)行波向觀測(cè)，但可以通過(guò)陣列觀測(cè)進(jìn)行波向的分析[5]，深海測(cè)量時(shí)也應(yīng)將設(shè)備安裝在離水面不遠(yuǎn)的位置[6]。壓力式測(cè)波不能準(zhǔn)確測(cè)量周期短、波高小的波浪數(shù)據(jù)。有學(xué)者針對(duì)海表面波和壓力波的關(guān)系進(jìn)行了深入研究，對(duì)修正因子進(jìn)行了修正和比測(cè)驗(yàn)證，但并不是所有頻率的波都可以使用修正因子[7]。事實(shí)上修正因子并沒(méi)有準(zhǔn)確的表達(dá)公式，均為經(jīng)驗(yàn)公式，但一致認(rèn)為修正因子是受深度（觀測(cè)所在深度）和周期（或波長(zhǎng)）的影響。

1.2 聲學(xué)測(cè)波

聲學(xué)測(cè)波儀分為水下聲學(xué)測(cè)波儀（坐底式）和水上聲學(xué)測(cè)波儀（氣介式），其原理相同，都是利用回聲測(cè)距原理進(jìn)行波浪觀測(cè)。水下聲學(xué)測(cè)波儀與壓力式傳感器和聲學(xué)多普勒海流計(jì)相結(jié)合的技術(shù)是目前波浪觀測(cè)中較為先進(jìn)和常用的一種方式。如挪威Nortek公司生產(chǎn)的AWAC（Acoustic Wave and Current，國(guó)內(nèi)稱浪龍）坐底式ADCP和美國(guó)TRDI公司生產(chǎn)的聲學(xué)多普勒海流剖面/波浪測(cè)量?jī)x，都能夠輸出波浪頻譜和波向譜等參數(shù)[8]。目前國(guó)內(nèi)較為常用的坐底聲學(xué)測(cè)波設(shè)備是浪龍，其良好的波浪測(cè)量性能主要?dú)w功于表面聲跟蹤測(cè)量方式（AST），表面聲跟蹤是指使用浪龍中心垂向聲學(xué)傳感器測(cè)量波高，可基本覆蓋風(fēng)浪波段[9]。

坐底式聲學(xué)測(cè)波儀安裝在水下或是海底，避免了海面大風(fēng)浪對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的破壞，具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，適合在惡劣海況下長(zhǎng)期觀測(cè)。但氣候和波況惡劣時(shí)在水汽交界處因受浪花和氣泡的干擾，測(cè)量破碎波的準(zhǔn)確度受到較大影響。坐底式聲學(xué)測(cè)波儀工作水深一般為1.5～50 m[10]，可通過(guò)聲學(xué)釋放器或是拖錨法進(jìn)行回收，使用防拖掛的觀測(cè)系統(tǒng)[11]，海表面無(wú)需設(shè)置明顯標(biāo)志物，有效減少了對(duì)漁業(yè)作業(yè)的影響，長(zhǎng)期觀測(cè)成本相對(duì)較低。

1.3 重力式測(cè)波浮標(biāo)

重力式波浪觀測(cè)儀器主要是指放置在水面隨波浪上下起伏的浮標(biāo)，可分為重力加速度測(cè)波浮標(biāo)和GPS測(cè)波浮標(biāo)。典型的儀器設(shè)備有荷蘭Datawell的波浪騎士和加拿大AXYS公司生產(chǎn)的測(cè)波浮標(biāo)，國(guó)內(nèi)也有多此類型的浮標(biāo)，如中國(guó)海洋大學(xué)[12]、山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所研制的測(cè)波浮標(biāo)和國(guó)家海洋技術(shù)中心的SBF7-1型、SBY6-1型測(cè)波浮標(biāo)等。

重力式浮標(biāo)測(cè)波儀具有通信方式靈活、測(cè)量準(zhǔn)確度高、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)，還可以通過(guò)加載衛(wèi)星定位和報(bào)警系統(tǒng)提高其安全性[1]。但也存在一些不足之處：強(qiáng)流和大風(fēng)會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確度；惡劣海況可能會(huì)導(dǎo)致錨系斷裂、走錨，導(dǎo)致設(shè)備損毀、丟失；在特定波浪作用下可能發(fā)生共振，降低波浪數(shù)據(jù)的質(zhì)量；內(nèi)部的羅盤等傳感器易受到金屬殼體的干擾[13]；海面上的浮標(biāo)容易被過(guò)往船只干擾、碰撞或盜竊[1]；相對(duì)水下波浪觀測(cè)系統(tǒng)其風(fēng)險(xiǎn)和觀測(cè)成本較高。GPS測(cè)波浮標(biāo)除了具有波浪浮標(biāo)本身的缺陷外，在海浪較高時(shí)還存在信號(hào)不穩(wěn)定、無(wú)法接收足夠多衛(wèi)星信號(hào)的缺點(diǎn)，而且獲取的數(shù)據(jù)容易被國(guó)外機(jī)構(gòu)竊取[14]。

2 三種常用測(cè)波設(shè)備的比較

2.1 AWAC與GPS測(cè)波浮標(biāo)比測(cè)

以挪威Nortek公司生產(chǎn)的AWAC和國(guó)家海洋技術(shù)中心生產(chǎn)的SBF7-1A型為例，比較兩種設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)。

（1）GPS測(cè)波浮標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)：

波浪高度：測(cè)量范圍0.2～20 m，測(cè)量準(zhǔn)確度± (0.2+5%×測(cè)量值)m；波浪周期：測(cè)量范圍2.0～20 s，測(cè)量準(zhǔn)確度±0.5 s；波浪方向：測(cè)量范圍0°～360°，測(cè)量準(zhǔn)確度±10°。

（2）“浪龍”600 kHz AWAC主要技術(shù)指標(biāo)：

聲學(xué)(AST)、壓力兩種波浪測(cè)量方式；波浪采樣率：2 Hz；波浪采樣數(shù)：512，1 024，1 200，2 048或2 400；波高精度：小于測(cè)量值的1%；波高分辨率：1 cm；波向精度：2°；波向分辨率：0.1°；測(cè)波周期：0.5～30 s。

2015年2-3月國(guó)家海洋技術(shù)中心于茂名對(duì)SBF7-1A型GPS測(cè)波浮標(biāo)和“浪龍”600 kHzAWAC進(jìn)行了比測(cè)試驗(yàn)，比測(cè)海域坐標(biāo)為39.136 40°N，117.109 68°E，水深為14～17 m左右。圖1～圖3分別給出平均波高、平均周期和波向的比對(duì)情況。

由圖可以看出，GPS測(cè)波浮標(biāo)和AWAC比測(cè)結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)較好，平均波高相關(guān)系數(shù)0.973 1，平均周期相關(guān)系數(shù)0.918 4，波向相關(guān)系數(shù)0.893 3。

2.2 壓力測(cè)波與AWAC比測(cè)

現(xiàn)以RBR公司生產(chǎn)的TWR-2050波潮儀為例代表壓力式測(cè)波設(shè)備，該儀器是一款非常小巧的自容式測(cè)量水溫、波浪和潮位的海洋儀器。精度高，體積小(長(zhǎng)285 mm，直徑38 mm)，可方便地安裝于各種物體上，如海底、碼頭、錨系，廣泛應(yīng)用于海洋研究，港口、大壩監(jiān)測(cè)等。當(dāng)測(cè)量波浪時(shí)，脈沖頻率有1 Hz，2 Hz和4 Hz 3種，儀器采集512，1 024或2 048組數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算波浪。主要技術(shù)指標(biāo)：溫度測(cè)量范圍：-5～+35℃；溫度測(cè)量精度：±0.002℃；壓力測(cè)量范圍：0～10/25/60/100 m(可選)；壓力測(cè)量精度：0.05%。下面對(duì) TWR-2050波潮儀和 600 kHz AWAC進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量對(duì)比分析。

圖1 平均波高對(duì)比

圖2 平均周期對(duì)比

圖3 波向?qū)Ρ?/p>

2.2.1 10 m以淺水深比測(cè) 2015年5月22日-6月26日進(jìn)行了大港濱海濕地海洋特別保護(hù)區(qū)附近海域波浪要素的測(cè)量，觀測(cè)海域?yàn)椋?8.47°N，117.79°E，水深6～9 m左右。使用600 kHz的“浪龍”（AWAC）和TWR-2050進(jìn)行比測(cè)。兩種設(shè)備都是設(shè)置采樣頻率1 Hz，采樣間隔1 h，采集1 024個(gè)數(shù)據(jù)。圖4為10 m水深以淺時(shí)兩種設(shè)備的1/10波高對(duì)比圖。

2.2.2 20 m水深比測(cè) 2015年4月26日-8月26日進(jìn)行了舟山葫蘆島海域波浪要素的測(cè)量，觀測(cè)海域：30.036°N，122.418°E，水深24～27 m左右。使用600 kHz的“浪龍”（AWAC）和TWR-2050進(jìn)行了比測(cè)。兩種設(shè)備都是設(shè)置采樣頻率1 Hz，采樣間隔1 h，采集1 024個(gè)數(shù)據(jù)。8月2日觀測(cè)系統(tǒng)因漁民作業(yè)導(dǎo)致觀測(cè)系統(tǒng)位置移動(dòng)，直到8月7日才恢復(fù)正常觀測(cè)，水深為17 m左右，觀測(cè)系統(tǒng)正好獲取了2015年13號(hào)臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”對(duì)觀測(cè)海域影響的數(shù)據(jù)，故選取8月7日-26日的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。圖5為20 m水深以淺時(shí)兩種設(shè)備的1/10波高對(duì)比圖。

兩臺(tái)設(shè)備在不同水深條件下的比測(cè)結(jié)果顯示，在波高大于0.5 m時(shí)相關(guān)性較好，所測(cè)波高趨勢(shì)基本一致；波高小于0.5 m時(shí)相關(guān)性較差，尤其是0.2 m以內(nèi)時(shí)，TWR-2050所測(cè)數(shù)據(jù)基本無(wú)法反應(yīng)表面波的真實(shí)情況。

圖4 10 m水深以淺時(shí)的1/10波高對(duì)比

圖5 20 m水深以淺時(shí)的1/10波高對(duì)比

3 總結(jié)

通過(guò)三種常用測(cè)量方法的對(duì)比和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的初步分析，得出以下結(jié)論：

（1）GPS波浪浮標(biāo)和AWAC聲學(xué)海流/波浪測(cè)量系統(tǒng)能夠很好地反映觀測(cè)海域的波高、波周期和波向等特征參數(shù)，但觀測(cè)成本相對(duì)較高、安全風(fēng)險(xiǎn)較大；

（2）壓力式波潮儀觀測(cè)設(shè)備成本低、風(fēng)險(xiǎn)小，針對(duì)大周期、大波高的海域或時(shí)間段數(shù)據(jù)可靠性好，但是壓力波會(huì)隨著深度迅速衰減，因此在短周期、小波高的海域或時(shí)間段，壓力式波潮儀測(cè)量效果不明顯，同時(shí)壓力傳感器長(zhǎng)期測(cè)量時(shí)也會(huì)因淤泥、泥沙或是污損生物的影響造成測(cè)量精度下降，而且單一的壓力測(cè)波設(shè)備無(wú)法進(jìn)行波向的測(cè)量；

（3）在進(jìn)行近海工程波浪觀測(cè)時(shí)需要根據(jù)歷史資料和任務(wù)目的設(shè)計(jì)合理的觀測(cè)形式，可以選擇一種或是多種形式組合的形式，以達(dá)到最佳觀測(cè)效果。

本文的三次現(xiàn)場(chǎng)波浪觀測(cè)并不是針對(duì)儀器設(shè)備的比測(cè)測(cè)試而設(shè)計(jì)，但因觀測(cè)時(shí)間短、手段單一，而且缺少其他水文氣象要素的觀測(cè)，因此比測(cè)分析不夠全面，有待于后期更多的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

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Comparison and Analysis of the Measured Data Based on Three Wave Measurement Methods

ZHOU Qing-wei1,FENG Zhe2,WANG Xiao-yong1,CAI Xiao-qing1,QI Zhan-hui1,BAI Yang1
1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China; 2.Hebei Environmental Monitoring Center,Shijiazhuang 050030,Hebei Province,China

The wave measuring methods widely used in wave observation for offshore engineering mainly include acoustic,pressure-type,and gravity measuring means,which have different and respective advantages.Based on the difference of historical data,geographical environments,and task objectives,more than one method can be used in order to achieve the optimal measuring effectiveness.In this paper,comparative analysis is carried out with the observations obtained by the GPS wave buoy,AWAC/ADCP and wave-tide gauge TWR-2050,and the result conclusion shows that the correlation is good between the wave buoy and AWAC,that the temporal trend of wave height from wave-tide gauge is agreeable to that of AWAC,but it has lower precision of observation in specific wave conditions with short period and small magnitude.

GPS wave buoy;pressure-type wave measurement;AWAC/ADCP;wave observation

P714

A

1003-2029（2017）03-0045-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.009

2017-03-25

財(cái)政部海洋可再生能源專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(GHME2014ZC01；GHME2016ZC04)；天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(16JCYBJC 20600)；中國(guó)科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金項(xiàng)目（KLOCW1606）。

周慶偉（1981-），男，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ竽苷{(diào)查與評(píng)估以及標(biāo)準(zhǔn)化工作。E-mail:zhouqingwei_815@163.com