不同時間間隔的波浪觀測數據對其統計結果的影響*

陸卓翔，喬光全

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230)

由于波浪觀測工作受當地海區自然條件和觀測條件限制，觀測方法的不同導致獲取的波浪數據的時間間隔不一，分析不同時間間隔的波浪數據對其統計結果的影響是十分必要的。人工觀測是海洋站和早期觀測獲取波浪數據最主要的方法[1]；隨著觀測技術的發展由儀器代替了人工觀測[2]，但由于以前電池續航短導致儀器獲取觀測數據的間隔較長，直至現代，才得到時間間隔較短的觀測數據。

工程設計中，對工程海域波況進行分析，通常使用的是海洋站一年或多年的實測資料，或使用測波儀器獲取海域的逐時一年的觀測數據；對于設計波浪通常使用的是臺風浪數值后報或海洋站的長期觀測資料。在工程設計前期，通常使用規范[3]推薦的設計波浪，而規范中的設計波浪是用海洋站的長期觀測統計出來的設計波浪值，這些數據多由人工觀測獲取，這種方法通常是在白天進行且時間間隔較長。通過分析不同時間間隔的波浪數據得到不同的統計特征，它們之間的一致性和差異性將影響工程設計波浪要素的取值，因此對上述一致性和差異性的探討分析是十分必要的，本文根據大埕灣的實測波浪，分析3種不同時間間隔對波浪統計成果的影響。

1 實測數據來源

實測數據采用2017年3月1日—2018年2月28日連續1年，在潮州大埕灣近岸測波點(W1)得到的定點每小時連續測波資料[4]。觀測位置見圖1，測點處實測水深為12.6 m。觀測采用的儀器為DATAWELL MARK Ⅲ型波浪騎士測波浮標，該儀器屬于重力式測波儀，是荷蘭DATAWELL公司生產的波浪測量儀器，測量精度和準確度高，是當今世界上最好的海洋測波儀器之一。經儀器自帶軟件處理后，可統計得出每30 min的波高、周期特征值及波向等數據[5]。岸站接收儀可實時接收數據，并監控測波儀器狀態。

圖1 波浪測站位置

2 數據分析方法

為避免不同觀測儀器或人員本身的目測誤差，獲取的波浪資料均出自同一組觀測數據。對逐時觀測資料依據不同的時間間隔分別截取數據1和數據2，測量數據為近代測波儀的原數據，截取的數據1和2分別代表早期測波儀和人工目測法數據。不同的數據序列提取時段見表1。

表1 不同的波浪數據類別測波間隔時間

在3組數據中分別提取20組產生最大波高的連續波列進行最大有效波高及對應的波周期進行分析，對比不同時間間隔下波向和波浪特征值的差異。

3 結果分析

3.1 波況分析

數據1和2的波況和波浪玫瑰圖見表2和圖2。可以看出，本海區全年波浪方向集中在SE(常浪向)、ESE(次常浪向)、SSE和 S 方向，這4個方向波浪的年分布頻率分別為 48.11%、19.59%、15.89%和 15.51%，占全年波浪的 99.09%。受西南側南澳島及西北面大陸的掩蔽影響，SSW-W-N 向浪僅占全年的 0.68%，東側由于東山島嶼的阻礙，N-E向浪也較少，僅占全年的 0.23%。

根據表2可以看出，3種不同的時間間隔統計出來的波向頻率基本相同，各波向頻率統計差異不到1%，平均波高均是45 cm，因此都能較好地反映測量海區的波浪分布情況，所以數據1和2的統計結果，仍能較好地代表當地實際波況。

圖2波浪玫瑰圖

表2 不同數據序列的波況

3.2 數據統計

從2017年3月1日—2018年2月28日的波浪觀測數據中，根據波浪大小挑選20個最大的連續波統計分析3組數據的最大有效波高和對應的波周期，并分析其差別。

3.2.1大浪的有效波高

表3為測量數據與數據1、2之間最大有效波高的對比。可以看出，測量數據與數據1之間最大波高相差28 cm，最大相對誤差為11.4%，平均值相差3.6 cm，平均相對誤差為1.6%；測量數據與數據2之間最大波高相差28 cm，最大相對誤差為9%，平均值相差10 cm，平均相對誤差為5%。

表3 測量數據與數據1、2的最大有效波高對比

續表3

編號測量數據最大有效波高∕cm數據1數據2最大有效波高∕cm絕對誤差∕cm相對誤差∕%最大有效波高∕cm絕對誤差∕cm相對誤差∕%1021721700199188.3112042040019683.91219819621.019263.01319619242.0185115.61419218931.6182105.21518918542.118094.81618818263.2178105.31718518052.717694.91817917810.617273.919171176-5-2.9159127.020158176-18-11.415800最大值32732728-11.4327289.0平均值218.9215.33.61.6208.110.95.0

3.2.2波周期

表4為最大有效波高對應的波周期。可以看出，測量數據與數據1的最大波周期差為4.5 s，最大相對誤差為54.9%，平均值為0.37 s，平均相對誤差4.4%；測量數據與數據2的最大波周期差為3.2 s，最大相對誤差為78.1%，平均值為0.24 s，平均相對誤差2.8%。

表4 測量數據與數據1、2的有效波周期對比

3.3 相關性分析

3.3.1大浪的有效波高

數據1和2有效波高的線性擬合圖見圖3。可以看出，數據1與測量數據有效波高的相關系數R為0.980 7，具有較好的相關性；數據2與測量數據有效波高的相關系數R為0.984 9，具有較強的相關性。時間間隔較長的波高可由圖中的兩個擬合公式進行計算得出。

圖3 數據1和2有效波高的線性擬合

3.3.2大浪的有效波周期

數據1和2有效波周期的線性擬合圖見圖4。可以看出，數據1與實測數據有效波周期的相關系數R為0.507 1；數據2與實測數據有效波周期的相關系數R為0.619 9。結果表明，數據1、2與實測數據有效波周期的相關性較差。

圖4 數據1和2有效波周期的線性擬合

綜上所述，不同時間間隔的波浪觀測資料的波高差異較小，大浪波高差異在11.4%以內，相關性較好；但波周期相差較大，大浪的有效波周期差異在78.1%以內，相關性較差。

4 結論

1)3種不同時間間隔的波浪數據都能反映測量海域的全年波況。

2)數據1和2的最大有效波高與觀測數據的相關性較好，可以用線性擬合公式進行換算，得到的波高值具有較高的精確度。

3)不同時間間隔數據的波浪周期的線性相關性差，但最大有效周期的平均值相差不大。

4)本文的3種觀測波浪的方法并不是針對觀測方法不同而比較，是比較時間間隔不同的波浪觀測數據，對波高、波周期等進行分析，但是因為觀測站點具有一定局限性，僅適合被測量的海域，對于其他海域位置的不同時間間隔的波浪數據的關系需要做進一步分析。