SZF2-1A型多參數(shù)波浪試驗(yàn)浮標(biāo)波浪要素海上比測(cè)試驗(yàn)與初步分析

劉建國(guó)，周輝云，王曉亮，2*，齊安翔，徐晶晶

（1.國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上?！?00081；2.中國(guó)海洋大學(xué)　環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東　青島　266100）

SZF2-1A型多參數(shù)波浪試驗(yàn)浮標(biāo)波浪要素海上比測(cè)試驗(yàn)與初步分析

劉建國(guó)1，周輝云1，王曉亮1，2*，齊安翔1，徐晶晶1

（1.國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海200081；2.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100）

通過(guò)海上比測(cè)試驗(yàn)，對(duì)新研制的SZF2-1A型多參數(shù)波浪試驗(yàn)浮標(biāo)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性、波浪傳感器測(cè)量準(zhǔn)確性進(jìn)行全面客觀評(píng)價(jià)。采用MARKⅡ波浪騎士的測(cè)量數(shù)據(jù)作為參比，結(jié)果表明，試驗(yàn)浮標(biāo)與波浪騎士所測(cè)數(shù)據(jù)具有良好的一致性：兩種儀器間最大波高相關(guān)系數(shù)為0.96，均方根誤差為0.33 m，有效波高相關(guān)系數(shù)為0.99，均方根誤差為0.13 m，相對(duì)誤差為6.0%，平均波高相關(guān)系數(shù)為0.98，均方根誤差為0.088 m，相對(duì)誤差為6.2%；兩種儀器所測(cè)有效波高、平均波高對(duì)應(yīng)周期的一致性比較好，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.86和0.87；兩種儀器所測(cè)波向相關(guān)系數(shù)為0.77。總體上得出結(jié)論：試驗(yàn)浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，波浪傳感器測(cè)量準(zhǔn)確可靠。

SZF浮標(biāo)；比測(cè)試驗(yàn)；相關(guān)性

海浪是發(fā)生在海洋表面的一種波動(dòng)現(xiàn)象，也是海洋監(jiān)測(cè)要素中最重要且最復(fù)雜的一種自然現(xiàn)象之一，在航海運(yùn)輸、漁業(yè)捕撈、礦物勘探、海洋能源、海洋工程和國(guó)防等諸多領(lǐng)域?qū)τ诎踩a(chǎn)都產(chǎn)生重要影響。因此，準(zhǔn)確地對(duì)海洋波浪進(jìn)行觀測(cè)和預(yù)報(bào)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際需求。而長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)近岸海域波浪觀測(cè)站位偏少，獲取手段單一，特別是在高海況情況下，數(shù)據(jù)獲取困難，實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不能滿足上述各應(yīng)用領(lǐng)域的工作需求，而海洋浮標(biāo)則可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

海洋浮標(biāo)是一種無(wú)人值守的自動(dòng)海洋觀測(cè)站，可為海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、海洋科學(xué)研究以及海洋資源的開(kāi)發(fā)提供大量實(shí)時(shí)信息［1］。目前國(guó)外廣泛使用的波浪浮標(biāo)主要有荷蘭datawell公司的波浪騎士［2］、加拿大AXYS公司的波浪浮標(biāo)［3］等。

近年來(lái)，在國(guó)家海洋公益專項(xiàng)以及其它重要科研計(jì)劃和專項(xiàng)任務(wù)的推動(dòng)下，我國(guó)在浮標(biāo)研制及使用方面獲得了長(zhǎng)足發(fā)展［4］，許多單位在以往工作基礎(chǔ)上［5-6］不斷改進(jìn)浮標(biāo)性能，研制新型浮標(biāo)。本文的比測(cè)對(duì)象“SZF2-1A型多參數(shù)波浪浮標(biāo)”（以下稱“3 m浮標(biāo)”）便是其中的代表之一。

然而，海洋浮標(biāo)要求系統(tǒng)不間斷地長(zhǎng)年在惡劣的海洋環(huán)境中工作。所以，就要求系統(tǒng)必須具備高穩(wěn)定性，包括系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行不出故障或極少出故障，且測(cè)量數(shù)據(jù)的可信度要高。因此，在投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行前，為客觀評(píng)價(jià)3 m浮標(biāo)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其測(cè)波性能，國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心首先在上海蘆潮港海域開(kāi)展了為期10個(gè)月的浮標(biāo)海上連續(xù)工作穩(wěn)定性試驗(yàn)，而后選擇在海況更加惡劣的象山海域，同波浪騎士進(jìn)行了波浪要素比測(cè)試驗(yàn)。

本文介紹了3 m浮標(biāo)與波浪騎士的比測(cè)方法，并對(duì)比測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一致性和相關(guān)性分析。旨在解決兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是檢驗(yàn)3 m浮標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，再就是驗(yàn)證浮標(biāo)測(cè)波數(shù)據(jù)的可信度。

1　工作穩(wěn)定性試驗(yàn)

于2011年5月—2012年2月將3 m浮標(biāo)布放在上海臨港新城東港區(qū)碼頭鄰近海域，距蘆潮港海洋站約1 nmile，站位經(jīng)緯度為121°49.82′E、30° 49.57′N，水深10 m左右，布放時(shí)間10個(gè)月，期間歷經(jīng)201109號(hào)“梅花”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（臺(tái)風(fēng)中心位置：125.6°E，43.8°N）。

2　波浪要素比測(cè)試驗(yàn)

2.1比測(cè)方法

2.1.1站位設(shè)置比測(cè)試驗(yàn)于2012年3月13日12:00-17日8:00在浙江象山海域進(jìn)行，比測(cè)站位經(jīng)緯度為122°16.93′E、28°52.64′N，位于漁山列島東部海域2 nmile處（圖1），距象山港30 nmile，水深37 m。該海域底質(zhì)為淤泥質(zhì)，主風(fēng)向?yàn)闁|北、偏東和東南。浮標(biāo)布放站位避開(kāi)了漁船流網(wǎng)捕撈和航行主要通道。比測(cè)期間，13-15日為東到東南風(fēng)風(fēng)向，16-17日轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)為主，海況3～5級(jí)。

圖1　比測(cè)站位位置

2.1.2比測(cè)設(shè)備及技術(shù)指標(biāo)比測(cè)試驗(yàn)對(duì)象為3 m浮標(biāo)；作為基準(zhǔn)的比測(cè)設(shè)備原則上選擇在國(guó)內(nèi)外使用率和知名度較高的波浪浮標(biāo)，其相應(yīng)參數(shù)測(cè)量范圍與準(zhǔn)確度通常要高于3 m浮標(biāo)（至少等于），基于此，本次比測(cè)試驗(yàn)選擇荷蘭datavell公司生產(chǎn)的MARKⅡ波浪騎士。儀器指標(biāo)參見(jiàn)表1。

表1　比測(cè)儀器及技術(shù)指標(biāo)

2.1.3比測(cè)設(shè)備布放方式3 m浮標(biāo)的錨系采用組合式，自上而下分別由錨鏈、托底錨鏈和澆鑄水泥塊3部分構(gòu)成。為避免錨鏈自重對(duì)浮標(biāo)隨波性的影響，在錨鏈的適當(dāng)位置加裝具備一定浮力的浮球，將錨鏈拉起。

由于海洋環(huán)境中的風(fēng)、浪、流對(duì)系泊中的3 m浮標(biāo)和波浪騎士的作用，如果兩者之間的系纜類型和長(zhǎng)度選定不當(dāng)，很可能影響儀器隨波性，甚至造成相撞。本比測(cè)中波浪騎士通過(guò)20 m零浮力纜繩系泊于3 m浮標(biāo)（圖2～圖3）。

2.2數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

2.2.1數(shù)據(jù)來(lái)源波浪騎士于每小時(shí)整點(diǎn)獲取1組數(shù)據(jù)，包括該時(shí)次最大波高及周期、平均波高及周期、1/10波高及周期、有效波高（1/3波高）及周期和波向等參數(shù)，3 m浮標(biāo)每30 min輸出一次數(shù)據(jù)，因此比較分析時(shí)，選取其整點(diǎn)輸出數(shù)據(jù)與波浪騎士測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)（表2）。

3 m浮標(biāo)比測(cè)數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)審核，其中3月13日17:00點(diǎn)有效波高達(dá)到4 m，高于前后時(shí)刻的有效波高0.77 m和0.78 m，明顯異常，在分析過(guò)程中作為異常值予以剔除。

圖2　3 m浮標(biāo)與波浪騎士比測(cè)圖

圖3　3 m浮標(biāo)與波浪騎士布放示意圖

表2　比測(cè)數(shù)據(jù)

2.2.2統(tǒng)計(jì)方法比測(cè)時(shí)，波浪要素為最大波高及周期、平均波高及周期、1/10波高及周期、1/3波高及周期和波向等。比測(cè)分析統(tǒng)計(jì)參數(shù)有相對(duì)誤差、均方根差值、相關(guān)系數(shù)等。

式中：xi表示3 m浮標(biāo)測(cè)量結(jié)果；yi為比測(cè)值，即波浪騎士測(cè)量結(jié)果；n為樣本個(gè)數(shù)。

相對(duì)誤差反映了3 m浮標(biāo)與波浪騎士測(cè)量值差別程度的大??；均方根差值反映3 m浮標(biāo)測(cè)量值偏離比測(cè)值程度的大小，均方根差值越小，說(shuō)明3 m浮標(biāo)測(cè)量值與比測(cè)值吻合程度越好，反之越差；相關(guān)系數(shù)是表明3 m浮標(biāo)測(cè)量值和比測(cè)值變化關(guān)聯(lián)程度的系數(shù)，其值在0～1之間，表明兩值呈正相關(guān)關(guān)系，值越大，相關(guān)性越好，其值在0～-1之間，表明兩值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，值越小，負(fù)相關(guān)性越好，0表示兩值沒(méi)有任何相關(guān)性。

2.3結(jié)果與分析

2.3.1穩(wěn)定性試驗(yàn)分析從海上試驗(yàn)的情況和獲得的連續(xù)資料分析，3 m浮標(biāo)各項(xiàng)工作性能穩(wěn)定、可靠，給出了與安裝在固定平臺(tái)上的CZY1型自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)相似的波浪數(shù)據(jù)。這期間的8月5日-9日，1109號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“梅花”影響東海海域，3 m浮標(biāo)風(fēng)、浪實(shí)測(cè)值同步反映了“梅花”臺(tái)風(fēng)影響該海域的風(fēng)浪變化過(guò)程（圖4），實(shí)測(cè)整點(diǎn)最大風(fēng)速為16.6 m/s（極大風(fēng)速為22.7 m/s），最大波高為2.08 m。

2.3.2波浪比測(cè)結(jié)果分析3 m浮標(biāo)觀測(cè)的最大波高、有效波高及對(duì)應(yīng)的周期、波向等波浪要素與波浪騎士比對(duì)分析結(jié)果如圖5～圖8，相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖4　梅花臺(tái)風(fēng)期間3 m多參數(shù)波浪浮標(biāo)風(fēng)浪實(shí)況圖

圖5　3 m浮標(biāo)和波浪騎士最大波高比對(duì)圖

圖6　3 m浮標(biāo)和波浪騎士最大波周期比對(duì)圖

圖7　3 m浮標(biāo)和波浪騎士有效波高比對(duì)圖

圖8　3 m浮標(biāo)和波浪騎士有效波周期比對(duì)圖

表3　象山海域波浪比對(duì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看到，3 m浮標(biāo)和波浪騎士最大波高相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96，均方根誤差為0.33 m，這與最大波高統(tǒng)計(jì)隨機(jī)性強(qiáng)有關(guān)；有效波高測(cè)量值均方根差值為0.13 m，相對(duì)誤差為6.0%，相關(guān)系數(shù)為0.99，兩測(cè)量值之間具有非常高的吻合程度，從圖7可以看出，3 m浮標(biāo)測(cè)量的波高比波浪騎士略小，但兩者之間的差值均在3 m浮標(biāo)準(zhǔn)確度的技術(shù)指標(biāo)即±（0.3+5%×測(cè)量值）范圍之內(nèi)。

比測(cè)結(jié)果顯示，兩組儀器所測(cè)有效波高周期均方根差值為0.56 s，相關(guān)系數(shù)為0.86，一致性比較好。波向相關(guān)系數(shù)為0.77，比波高和周期略差。

3　結(jié)論

比測(cè)結(jié)果表明：3 m浮標(biāo)和波浪騎士波高測(cè)量值之間具有非常高的一致性，波高所對(duì)應(yīng)的周期一致性也比較好，所測(cè)波向相關(guān)系數(shù)為0.77。

比測(cè)期間3 m浮標(biāo)供電電源穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸通暢，工作狀態(tài)正常，綜合比測(cè)前穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)浮標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)波傳感器測(cè)量性能可靠。

［1］張瑩.SZF型波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集、處理與無(wú)線傳輸系統(tǒng)［D］.青島:中國(guó)海洋大學(xué)，2010.

［2］VRIESJ J.Designinga GPS-based mini wave buoy［J］.International Ocean Systems，2007，11（3）:20.

［3］KASHINO Randolph.Current state of wave measuring technology from buoys［C］//Proceedings of Ocean Waves Workshop，NewOrleans，USA，2011:1.

［4］王波，李民，劉世萱，等.海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2014，35（11）:2401-2414.

［5］唐原廣，周金元，李思維.3m多參數(shù)波浪浮標(biāo)的研制［J］.氣象水文海洋儀器，2013，2:2-5.

［6］陳天福.關(guān)于我國(guó)海洋資料浮標(biāo)工程若干問(wèn)題的探索［J］.海洋技術(shù)，1998，17（1）:16-23.

Maritime Comparative Testing and Preliminary Analysis on the Wave Elements of the SZF2-1A Multi-Parameter Wave Test Buoy

LIU Jian-guo1，ZHOU Hui-yun1，WANG Xiao-liang1，2，QI An-xiang1，XU Jing-jing1
1.East China Sea Forecast Center，State Oceanic Administration，Shanghai 200081，China；
2.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，Shandong Province，China

The stability and measuring accuracy of the wave sensor are evaluated on the sea in an objective and comprehensive way for the newly developed SZF2-1A multi-parameter wave test buoy.Comparing with the measured data from the MARKⅡ wave buoy，it shows that the SZF2-1A buoy and MARKⅡ buoy have good consistency.The correlation coefficient of maximum wave height between the two wave buoys is 0.96，and the root mean square error is 0.33 m；the correlation coefficient of significant wave height is 0.99，the root mean square error is 0.13 m，and the relative error is 6.0%；the correlation coefficient of average wave height is 0.98，the root mean square error is 0.088 m，and the relative error is 6.2%.It is proved that the periods measured by the two wave buoys corresponding to significant wave height and average wave height have good consistency，with correlation coefficient being 0.86 and 0.87，respectively.The correlation coefficient of wave direction of the two models is 0.77.It is concluded that the SZF2-1A multi-parameter wave test buoy is stable in operation and the wave sensor on the SZF2-1A buoy is accurate and reliable in its measuring performance.

SZF buoy；comparative testing；correlation

P715.2

A

1003-2029（2016）03-0074-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.014

2015-12-03

劉建國(guó)（1983-），男，工程師，主要從事海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。

王曉亮（1977-），男，高級(jí)工程師，主要從事海洋環(huán)境觀測(cè)與監(jiān)測(cè)工作。E-mail:wangxiaoliang@eastsea.gov.cn