基于三種測波方法的實測數(shù)據(jù)對比分析

周慶偉，封 哲，汪小勇，蔡曉晴，齊占輝，白 楊

（1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.河北省環(huán)境監(jiān)測中心站，河北 石家莊 050030）

基于三種測波方法的實測數(shù)據(jù)對比分析

周慶偉1，封 哲2，汪小勇1，蔡曉晴1，齊占輝1，白 楊1

（1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.河北省環(huán)境監(jiān)測中心站，河北 石家莊 050030）

近海海洋工程波浪觀測中較為廣泛使用的測波方法主要包括壓力式測波、聲學測波和重力式測波等。三種觀測方法各有優(yōu)勢，需根據(jù)歷史資料、地理環(huán)境和任務目的設計合理的觀測形式，可以選擇一種或多種形式組合的形式，以達到最佳的觀測效果。使用GPS測波浮標、AWAC聲學海流/波浪測量儀和TWR-2050壓力式波潮儀的實測資料進行了對比分析，結(jié)果顯示，測波浮標與AWAC所測數(shù)據(jù)相關性較一致；TWR壓力波潮儀與AWAC測量的波高趨勢基本一致，但周期短、波高小的海域和時間段測量準確度較差。

GPS測波浮標；壓力測波；聲學海流/波浪測量儀；波浪觀測

隨著全球氣候的變化、沿海城市的防災減災需求和海洋開發(fā)利用形勢，海浪的監(jiān)測自20世紀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、海洋預報、防災減災和航海安全等領域重要的輸入?yún)?shù)之一。近海波浪觀測一般主要針對風浪和涌浪，按照觀測方法可以分為：人工觀測法、儀器測量法和遙感反演法。人工觀測法可分為人工目測法和光學測波儀觀測法；儀器測量法可分為測桿測波法、壓力式測波法、聲學式測波法、重力式測波法和激光式測波法；遙感反演法可分為雷達測波、衛(wèi)星測波和攝影照相測波，或是分為X波段雷達測波、高頻地波雷達測波、合成孔徑（SAR）雷達測波、衛(wèi)星高度計測波和攝影照相測波等[1]。

近海海洋工程波浪觀測中較為廣泛使用的測波方法主要包括壓力式測波、聲學測波和重力式測波等。在觀測要素、數(shù)據(jù)精度、儀器設備安全、觀測成本等方面各有特點，需要根據(jù)不同的任務需求和海域環(huán)境進行觀測方案的設計優(yōu)化，尤其是針對我國近海海域必須考慮到沿海漁民生產(chǎn)對觀測設備造成的影響。本文將對這三種測波方法進行比較，并根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的比測分析總結(jié)存在的問題。

1 三種常用測波方法的特點

壓力式測波、聲學測波和重力式測波由于測量原理的不同有各自不同優(yōu)缺點和適用范圍。

1.1 壓力測波

壓力式測波儀是較早使用的一種儀器觀測波浪的方法，依靠安裝在海底的壓力傳感器記錄波浪引起的動壓變化，從而測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，水層的過濾作用是非線性的且隨頻率而異，故如何準確地將水下測到的波壓力變化換算為水面的波高或波譜存在困難[2]。目前國內(nèi)應用較多的壓力式測波儀是加拿大RBR公司生產(chǎn)的壓力式波潮儀、美國InterOcean公司生產(chǎn)的浪潮儀、美國SBEBird公司生產(chǎn)的SBE26波潮儀和國產(chǎn)壓力式波潮儀等[3-4]。

壓力式測波儀安裝在水下，體積小、觀測時間長、易于布放。所依托的觀測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無需使用常平架，使用簡單的坐底裝置或是淺標系統(tǒng)即可實現(xiàn)觀測，也可以安裝在人工漁礁、石油平臺、岸邊、橋墩等位置，可全天候、全天時連續(xù)觀測，避免了海面大風浪和漁業(yè)生產(chǎn)對觀測系統(tǒng)的破壞，觀測成本較低。因波動壓力沿水深衰減嚴重，該方式常用于淺水區(qū)進行波高和波周期的觀測，無法進行波向觀測，但可以通過陣列觀測進行波向的分析[5]，深海測量時也應將設備安裝在離水面不遠的位置[6]。壓力式測波不能準確測量周期短、波高小的波浪數(shù)據(jù)。有學者針對海表面波和壓力波的關系進行了深入研究，對修正因子進行了修正和比測驗證，但并不是所有頻率的波都可以使用修正因子[7]。事實上修正因子并沒有準確的表達公式，均為經(jīng)驗公式，但一致認為修正因子是受深度（觀測所在深度）和周期（或波長）的影響。

1.2 聲學測波

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

坐底式聲學測波儀安裝在水下或是海底，避免了海面大風浪對觀測系統(tǒng)的破壞，具有測量準確度高、操作簡單的特點，適合在惡劣海況下長期觀測。但氣候和波況惡劣時在水汽交界處因受浪花和氣泡的干擾，測量破碎波的準確度受到較大影響。坐底式聲學測波儀工作水深一般為1.5～50 m[10]，可通過聲學釋放器或是拖錨法進行回收，使用防拖掛的觀測系統(tǒng)[11]，海表面無需設置明顯標志物，有效減少了對漁業(yè)作業(yè)的影響，長期觀測成本相對較低。

1.3 重力式測波浮標

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

重力式浮標測波儀具有通信方式靈活、測量準確度高、易于維護等優(yōu)點，可長期連續(xù)觀測，還可以通過加載衛(wèi)星定位和報警系統(tǒng)提高其安全性[1]。但也存在一些不足之處：強流和大風會影響測量準確度；惡劣海況可能會導致錨系斷裂、走錨，導致設備損毀、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]；海面上的浮標容易被過往船只干擾、碰撞或盜竊[1]；相對水下波浪觀測系統(tǒng)其風險和觀測成本較高。GPS測波浮標除了具有波浪浮標本身的缺陷外，在海浪較高時還存在信號不穩(wěn)定、無法接收足夠多衛(wèi)星信號的缺點，而且獲取的數(shù)據(jù)容易被國外機構(gòu)竊取[14]。

2 三種常用測波設備的比較

2.1 AWAC與GPS測波浮標比測

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

（1）GPS測波浮標主要技術指標：

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

（2）“浪龍”600 kHz AWAC主要技術指標：

聲學(AST)、壓力兩種波浪測量方式；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：小于測量值的1%；波高分辨率：1 cm；波向精度：2°；波向分辨率：0.1°；測波周期：0.5～30 s。

2015年2-3月國家海洋技術中心于茂名對SBF7-1A型GPS測波浮標和“浪龍”600 kHzAWAC進行了比測試驗，比測海域坐標為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情況。

由圖可以看出，GPS測波浮標和AWAC比測結(jié)果顯示相關系數(shù)較好，平均波高相關系數(shù)0.973 1，平均周期相關系數(shù)0.918 4，波向相關系數(shù)0.893 3。

2.2 壓力測波與AWAC比測

現(xiàn)以RBR公司生產(chǎn)的TWR-2050波潮儀為例代表壓力式測波設備，該儀器是一款非常小巧的自容式測量水溫、波浪和潮位的海洋儀器。精度高，體積小(長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，廣泛應用于海洋研究，港口、大壩監(jiān)測等。當測量波浪時，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)來計算波浪。主要技術指標：溫度測量范圍：-5～+35℃；溫度測量精度：±0.002℃；壓力測量范圍：0～10/25/60/100 m(可選)；壓力測量精度：0.05%。下面對 TWR-2050波潮儀和 600 kHz AWAC進行現(xiàn)場測量對比分析。

圖1 平均波高對比

圖2 平均周期對比

圖3 波向?qū)Ρ?/p>

2.2.1 10 m以淺水深比測 2015年5月22日-6月26日進行了大港濱海濕地海洋特別保護區(qū)附近海域波浪要素的測量，觀測海域為：38.47°N，117.79°E，水深6～9 m左右。使用600 kHz的“浪龍”（AWAC）和TWR-2050進行比測。兩種設備都是設置采樣頻率1 Hz，采樣間隔1 h，采集1 024個數(shù)據(jù)。圖4為10 m水深以淺時兩種設備的1/10波高對比圖。

2.2.2 20 m水深比測 2015年4月26日-8月26日進行了舟山葫蘆島海域波浪要素的測量，觀測海域：30.036°N，122.418°E，水深24～27 m左右。使用600 kHz的“浪龍”（AWAC）和TWR-2050進行了比測。兩種設備都是設置采樣頻率1 Hz，采樣間隔1 h，采集1 024個數(shù)據(jù)。8月2日觀測系統(tǒng)因漁民作業(yè)導致觀測系統(tǒng)位置移動，直到8月7日才恢復正常觀測，水深為17 m左右，觀測系統(tǒng)正好獲取了2015年13號臺風“蘇迪羅”對觀測海域影響的數(shù)據(jù)，故選取8月7日-26日的數(shù)據(jù)進行對比。圖5為20 m水深以淺時兩種設備的1/10波高對比圖。

兩臺設備在不同水深條件下的比測結(jié)果顯示，在波高大于0.5 m時相關性較好，所測波高趨勢基本一致；波高小于0.5 m時相關性較差，尤其是0.2 m以內(nèi)時，TWR-2050所測數(shù)據(jù)基本無法反應表面波的真實情況。

圖4 10 m水深以淺時的1/10波高對比

圖5 20 m水深以淺時的1/10波高對比

3 總結(jié)

通過三種常用測量方法的對比和現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的初步分析，得出以下結(jié)論：

（1）GPS波浪浮標和AWAC聲學海流/波浪測量系統(tǒng)能夠很好地反映觀測海域的波高、波周期和波向等特征參數(shù)，但觀測成本相對較高、安全風險較大；

（2）壓力式波潮儀觀測設備成本低、風險小，針對大周期、大波高的海域或時間段數(shù)據(jù)可靠性好，但是壓力波會隨著深度迅速衰減，因此在短周期、小波高的海域或時間段，壓力式波潮儀測量效果不明顯，同時壓力傳感器長期測量時也會因淤泥、泥沙或是污損生物的影響造成測量精度下降，而且單一的壓力測波設備無法進行波向的測量；

（3）在進行近海工程波浪觀測時需要根據(jù)歷史資料和任務目的設計合理的觀測形式，可以選擇一種或是多種形式組合的形式，以達到最佳觀測效果。

本文的三次現(xiàn)場波浪觀測并不是針對儀器設備的比測測試而設計，但因觀測時間短、手段單一，而且缺少其他水文氣象要素的觀測，因此比測分析不夠全面，有待于后期更多的實測資料進行分析和驗證。

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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

財政部海洋可再生能源專項資金資助項目(GHME2014ZC01；GHME2016ZC04)；天津市自然科學基金資助項目(16JCYBJC 20600)；中國科學院海洋環(huán)流與波動重點實驗室開放研究基金項目（KLOCW1606）。

周慶偉（1981-），男，工程師，研究方向為海洋能調(diào)查與評估以及標準化工作。E-mail:zhouqingwei_815@163.com