測波浮標(biāo)與ADCP的現(xiàn)場對比試驗研究

黃 駿，宗 濤，陳文煒，張 寧，孫 權(quán)

(1. 中國船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200011；2. 中船重工（上海）節(jié)能技術(shù)發(fā)展有限公司，上海 200011；3. 江蘇新時代造船有限公司，江蘇 靖江 214500)

測波浮標(biāo)與ADCP的現(xiàn)場對比試驗研究

黃 駿1，宗 濤1，陳文煒1，張 寧2，孫 權(quán)3

(1. 中國船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200011；2. 中船重工（上海）節(jié)能技術(shù)發(fā)展有限公司，上海 200011；3. 江蘇新時代造船有限公司，江蘇 靖江 214500)

波浪測量對于海洋研究具有極其重要的意義。當(dāng)前運用最廣泛的海洋波浪測量裝備有“波浪騎士”和聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）。本文針對這2種測量裝置，開展對比測試試驗，對所測得的有義波高、平均跨零周期和譜峰波向等測試數(shù)據(jù)進行對比，分析驗證2種測量裝備的特點、適用性和準(zhǔn)確度。

波浪測量；測波浮標(biāo)；ADCP；試驗對比

0 引 言

波浪作為海洋環(huán)境參數(shù)之一，在海洋環(huán)境研究中具有重要的意義。而波浪測量裝置的精確性和穩(wěn)定性，直接關(guān)系到波浪測量結(jié)果的精確度和可信度。當(dāng)前運用最廣泛的海洋波浪測量裝備有“波浪騎士”和聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）。兩者的波浪測量原理不同，適用場合也不同。測波浮標(biāo)利用安裝在浮標(biāo)內(nèi)部的傳感器隨著海面變化采集運動參數(shù)，進而計算出波浪特征參數(shù)；ADCP采用將傳感器布放于海底的形式，通過聲學(xué)多普勒原理分析水流、跟蹤波面，進而解算浪高、浪向等波浪參數(shù)。

為分析驗證這2種裝備的特點、適用性和準(zhǔn)確度，在青島附近海域利用DWR-MKIII測波浮標(biāo)和諾泰克600K AWAC聲學(xué)多普勒流速剖面儀開展對比測試試驗，對所獲得的波浪測試數(shù)據(jù)進行對比分析。試驗證明，兩者測得的波浪特性差異較小，符合特定環(huán)境的波浪測量所需。

1 測波浮標(biāo)和ADCP的波浪測試原理

1.1 測波浮標(biāo)的原理

測波浮標(biāo)是指放置在水面隨波浪上下起伏的錨系浮標(biāo)，通過安裝在浮標(biāo)內(nèi)部的加速度傳感器或重力傳感器采集浮標(biāo)隨海面變化的運動參數(shù)，進而計算出波浪特征參數(shù)（如波高、周期和方向）。典型的儀器設(shè)備有荷蘭Datawell公司生產(chǎn)的“波浪騎士”和加拿大AXYS公司生產(chǎn)的測波浮標(biāo)，我國國家海洋技術(shù)中心、中國海洋大學(xué)、山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所等單位也研制了此類型的浮標(biāo)。

測波浮標(biāo)的優(yōu)點是測量準(zhǔn)確度高、操作簡單、易于維護、通信方式靈活，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。但也存在一些不足之處：浮標(biāo)通過錨系固定，在強流和大風(fēng)的影響下容易造成走錨或是浮標(biāo)被壓入水下，使用彈力錨系或是多段錨系與小浮球結(jié)合的方式也會影響浮標(biāo)在海面的起伏運動，從而影響測量準(zhǔn)確度；惡劣海況發(fā)生時可能會導(dǎo)致錨系斷裂、設(shè)備丟失；在特定波浪作用下浮標(biāo)可能發(fā)生共振，降低波浪測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量；浮標(biāo)漂浮在海上，容易被過往的船只干擾和碰撞；內(nèi)部的羅盤等傳感器容易受到金屬殼體的干擾等[1]。

1.2 ADCP的測波原理

ADCP是用陣列法計算波浪的設(shè)備，即波浪儀將靠近水面的3～4個波束方向的3層單元的流速作為陣列，通過這些單元的軌道流速反演得出波浪的波高和波向等要素[2]。

陣列法的海浪方向譜反演算法有最大似然法（MLM）、擴展本征矢（EEV）法和貝葉斯方向譜估計法（BDM）等。最大似然法是波浪方向譜分析中最常用的方法，具有計算速度快、計算結(jié)果穩(wěn)定、對噪音不敏感等特點，且具有一定的數(shù)值精度；但當(dāng)儀器陣列距離反射面較近時，其方向分辨率會受到一定影響。擴展本征矢法能夠得到能量分布更加集中于主波向的方向譜，但其適用范圍有待進一步論證。貝葉斯法能夠使能量在方向上的分布更平滑，獲得更加可靠、精度更高的方向譜，前提是陣列元素個數(shù)不小于4，交叉譜質(zhì)量較好且儀器布放深度不宜過大；但主要問題是計算時間長。美國RDI公司和挪威Nortek公司的ADCP波浪數(shù)據(jù)反演都使用的是最大似然法[3]。

使用ADCP測波浪是目前精度較高、應(yīng)用較廣泛的一種海浪測量手段。利用ADCP測量結(jié)果反演波浪方向譜包括流速反演和波面高度反演2種方法，其中波面高度反演由于直接測量波面變化，不需要任何中間轉(zhuǎn)換，也不需要考慮洋流影響，而且水氣界面聲波反射強度明顯比水質(zhì)點大，因此測量數(shù)據(jù)精確度較高，與雷達測波儀相比，測量精度與測量范圍均有一定優(yōu)勢。

2 對比試驗的地點和測試設(shè)備

本次研究共進行2次對比測試，試驗過程中使用的設(shè)備為新購置的Datawell公司的DWR-MKIII測波浮標(biāo)“波浪騎士”和Nortek公司的600K AWAC聲學(xué)多普勒流速剖面儀“浪龍”，如圖1所示。

圖 1 對比試驗用測試設(shè)備Fig. 1 Test equipments used for comparative test

第1次試驗于2017年4月20日在青島附近海域（36°3′6.34″N，120°17′36.71″E）進行。測試地點如圖2所示。以“波浪騎士”為基準(zhǔn)，與“浪龍”進行對比試驗。“浪龍”布放在水深約8 m海底；“波浪騎士”部署在“浪龍”斜上方50 m附近處，通過船舶錨定。

圖 2 第1次試驗測試地點Fig. 2 The location of the first test

第2次試驗于2017年5月10日在青島附近海域（36°2′39.95″N 120°17′38.65″E）進行。測試地點如圖3所示。同樣以“波浪騎士”為基準(zhǔn)，與“浪龍”進行對比試驗?！袄她垺辈挤旁谒罴s16 m海底；“波浪騎士”部署在“浪龍”斜上方，以“浪龍”的支架作為錨。對比試驗過程中，“波浪騎士”與“浪龍”的測量結(jié)果在自容式存儲的同時，通過短波通信實時傳輸?shù)桨墩旧线M行存儲。利用試驗結(jié)果可以對兩者的測量結(jié)果進行對比分析研究，以分析驗證2種測量方法的精度、特點和適用性。表1為“波浪騎士”與“浪龍”的性能指標(biāo)。

圖 3 第2次試驗測試地點Fig. 3 The location of the second test

3 2種測波方法的對比測試研究

分別對2次試驗中2種測試設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進行記錄，所測得的時域內(nèi)有義波高、平均跨零周期和譜峰波向等測試數(shù)據(jù)進行對比。

表 1 試驗測試設(shè)備的性能指標(biāo)Tab. 1 Specification of the test equipments

3.1 第1次對比試驗的結(jié)果

表2及圖4～圖6分別給出了該次試驗“波浪騎士”與“浪龍”測得的有義波高、平均跨零周期和譜峰浪向的對比結(jié)果。可以看到，有義波高的對比結(jié)果較好，最大相對差值僅11.11%，考慮到實測波高僅0.3 m左右，意味著兩者波高僅差4 cm。平均跨零周期的結(jié)果也較為理想，相對差值在15%以內(nèi)，絕對差值在0.5 s以內(nèi)。但譜峰浪向兩者差別較大，尤其是ADCP“浪龍”的測試結(jié)果，譜峰浪向發(fā)生較大的振蕩?？紤]到ADCP的浪向是通過流向進行計算得到的，分析原因應(yīng)該是ADCP布置得過于靠近岸邊，岸邊海流受海岸影響較大，導(dǎo)致浪向計算不準(zhǔn)確。

表 2 第1次試驗結(jié)果對比Tab. 2 Comparison of results of the first test

圖 4 第1次試驗有義波高對比Fig. 4 Comparison of significant wave height of the first test

圖 5 試驗1平均跨零周期對比Fig. 5 Comparison of zero-crossing period of the first test

3.2 第2次對比試驗結(jié)果

表3及圖7～圖9分別給出了該次試驗“波浪騎士”與“浪龍”測得的有義波高、平均跨零周期和譜峰浪向的對比結(jié)果?？梢钥吹?，該次海試結(jié)果較為理想，有義波高最大相對差值僅8.52%，平均跨零周期的最大差值約為0.5 s，譜峰浪向在14:00前都較為接近。

圖 6 試驗1譜峰浪向?qū)Ρ菷ig. 6 Comparison of wave direction of the first test

3.2 對比試驗結(jié)果分析

對2次試驗結(jié)果進行對比分析，可以得出如下結(jié)論：

1）2種裝備對有義波高的測量結(jié)果較為吻合，相對差值較小，試驗中最大相對差11.11%，換算成絕對值，最大差值僅在4 cm左右。

2）對于平均跨零周期的測量，2次測量結(jié)果均比較相近，相差在15%以內(nèi)，絕對值最大相差約0.5 s。

3）對于譜峰浪向的測量結(jié)果，2次測量結(jié)果相差較大。在第1次試驗中，“波浪騎士”測值曲線平緩，ADCP（“浪龍”）測值曲線有振蕩趨勢；在第2次試驗中，測量結(jié)果比較相近，最大相差在30%以內(nèi)?？紤]到ADCP測量浪向是通過對流向進行計算得到的，第1次試驗測點與海岸距離較小，海流受海岸影響大，致使流場更為復(fù)雜，導(dǎo)致ADCP對浪向的計算結(jié)果精度下降。而浮標(biāo)法中，浮標(biāo)位于水面，直接測量波浪數(shù)據(jù)，基本不受水下流場影響。

表 3 第2次試驗結(jié)果對比Tab. 3 Comparison of results of the second test

圖 7 第2次試驗有義波高對比Fig. 7 Comparison of significant wave height of the second test

圖 8 第2次試驗平均跨零周期對比Fig. 8 Comparison of zero-crossing period of the second test

圖 9 第2次試驗譜峰浪向?qū)Ρ菷ig. 9 Comparison of wave direction of the second test

4 結(jié) 語

通過本次試驗研究發(fā)現(xiàn)，“波浪騎士”與ADCP（“浪龍”）對有義波高和平均跨零周期的測量結(jié)果相近，精度基本相同。對于譜峰浪向測量，ADCP法在對近岸海域測量時，受海岸對流場作用的影響，導(dǎo)致測量失準(zhǔn)；當(dāng)ADCP遠離岸線時，所得浪向與“波浪騎士”較為相符。也就是說，對于有限水深測浪，ADCP受地形影響較大，尤其是浪向測量結(jié)果受地形影響較大。而“波浪騎士”是浮標(biāo)式設(shè)備，會隨波浪在測點附近移動，這可能帶來一定的誤差，但受水下流場的干擾小。此外，“波浪騎士”和A DCP不同的測量原理也可能為兩者結(jié)果帶來誤差?？傮w來看，在相對開闊海域，2種裝備對波浪特征測量精度相近，也驗證了ADCP測量波浪的有效性。

[1]周慶偉, 張松, 武賀, 等. 海洋波浪觀測技術(shù)綜述[J]. 海洋測繪,2016, 36(2): 39-44.ZHOU Qing-wei, ZHANG Song, WU He, et al. Reviews of observation technology ocean waves[J]. Hydrographic Surveying and Charting, 2016, 36 (2): 39-44.

[2]章家保, 蔡輝, 陳加銀, 等. 當(dāng)前海洋波浪測量的技術(shù)特點和實測分析[J]. 海洋技術(shù)學(xué)報, 2015, 34(4): 33-37.ZHANG Jia-bao, CAI Hui, CHEN Jia-yin, et al. Current status of ocean wave measuring technologies: features and case analysis[J]. Journal of Ocean Technology, 2015, 34(4): 33-37.

[3]李晨, 吳建波, 高超, 等. 用于多普勒流速剖面儀測波浪的方向譜反演算法研究[J]. 電子與信息學(xué)報, 2012, 34(10):2482-2488.LI Chen, WU Jian-bo, GAO Chao, et al. Research on inversion algorithms of directional spectrum used in wave measurement of acoustic doppler current profiler[J]. Journal of Electronics amp;Information Technology, 2012, 34(10): 2482-2488.

[4]王波, 李民, 劉世萱, 等. 海洋資料浮標(biāo)觀測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 儀器儀表學(xué)報, 2014, (11): 2401-2414.WANG Bo, LI Min, LIU Shi-xuan, et al. Current status and trend of ocean data buoy observation technology applications[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2014, 35(11):2401-2414.

[5]劉建國, 周輝云, 王曉亮, 等. SZF2-1A型多參數(shù)波浪試驗浮標(biāo)波浪要素海上比測試驗與初步分析[J]. 海洋技術(shù)學(xué)報,2016, 35(2): 74-77.LIU Jian-guo, ZHOU Hui-yun, WANG Xiao-liang, et al.Maritime comparative testing and preliminary analysis on the wave elements of the SZF2-1A multi-parameter wave test buoy[J]. Journal of Ocean Technology, 2016, 35(2): 74-77.

[6]DE VRIES J J, WALDRON J, CUNNINGHAM V. Field tests of the new datawell DWR-G GPS wave buoy [J]. Sea Technology, 2003(12): 101-103.

[7]鄭威, 張殿倫, 孫大軍. 坐底式ADCP測量方向譜的數(shù)據(jù)處理及軟件研究[J]. 船舶力學(xué), 2013, 17(10): 1140-1146.ZHENG Wei, ZHANG Dian-lun, SUN Da-jun. Research on data processing and software of upward-looking ADCP wave directional spectrum estimation [J]. Journal of Ship Mechanics,2013, 17(10): 1140-1146.

[8]WORK P A. Nearshore directional wave measurements by surface-following buoy and acoustic Doppler current profiler[J]. Ocean Engineering, 2008, 35: 727-737.

Comparative test research on wave buoy and ADCP

HUANG Jun1, ZONG Tao1, CHEN Wen-wei1, ZHANG Ning2, SUN Quan3
(1. Shanghai Branch, China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China;2. CSIC Shanghai Marine Energy Saving Technology Development Co., Ltd., Shanghai 200011, China;3. New Times Shipbuilding Co., Ltd., Jinjiang 214500, China)

Wave measurement is of vital importance for marine research. Wave buoy and Acoustic doppler current profiler (ADCP) are the most widely used wave measurement equipments. Comparative test on the two equipments are carried out, the measured data such as significant wave height, zero-crossing period and wave direction are compared, and the features, applicability and accuracy are analyzed and validated.

wave measurement；wave buoy；ADCP；comparative test

X834

A

1672-7649(2017)11-0127-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.024

2017-06-19；

2017-07-13

黃駿(1989-)，男，助理工程師，主要從事實船性能試驗及技術(shù)開發(fā)等方面的研究工作。