中國沿岸海洋站自動測波儀器測波特征分析

劉首華，范文靜，王慧，劉克修，岳心陽

（國家海洋信息中心，天津300171）

中國沿岸海洋站自動測波儀器測波特征分析

劉首華，范文靜，王慧，劉克修，岳心陽

（國家海洋信息中心，天津300171）

選取我國沿岸18個海洋觀測站，對SBF3-1、SBF3-2、LPB1-2、SZF型自動測波儀器與目測、岸用測波儀兩種非自動測波方式的海浪觀測參數(shù)進行了比較分析。研究發(fā)現(xiàn)，與非自動測波方式相比，SBF3-1型浮標觀測波高無明顯變化，觀測周期具有顯著變大的特點；SBF3-2型浮標觀測波高多數(shù)情況下具有變小的特點，觀測周期保持不變或趨于變大；LPB1-2型聲學測波儀觀測波高有微弱變大的特點，觀測周期無明顯變化或微弱變大；SZF型浮標觀測波高和觀測周期既存在明顯變大的情況，也存在明顯變小或變化不明顯的情況，無明顯共性觀測特點。

海浪；海浪觀測；測波儀器；SBF；LPB；SZF

海浪是發(fā)生在海洋表面的動力現(xiàn)象，是人類最早關(guān)注和研究的海洋現(xiàn)象之一。海浪與海洋安全密切相關(guān)，在海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋工程等領(lǐng)域都有著重要應(yīng)用。早在第二次世界大戰(zhàn)期間就有了針對海浪的定量化觀測，Sverdrup等（1947）采用壓力傳感器和目測方式觀測海浪序列，并引入了有效波高、周期等海浪統(tǒng)計參數(shù)（富永政英，1984）。20世紀60年代，重力加速度計在海浪觀測中的使用推進了海浪觀測的發(fā)展。1983年荷蘭Datawell公司研發(fā)了可以觀測波向的WAVECTM，使海浪觀測更加全面（Kashino，2011）。近二十年來，海浪觀測技術(shù)不斷發(fā)展和進步，尤其是海洋遙感技術(shù)大幅度拓展了海浪觀測能力。目前海浪觀測儀器按工作原理可分為視距測式、測波桿式、壓力式、聲學式、重力式和遙感測波儀等類型。關(guān)于海浪觀測國內(nèi)外都有較為全面的介紹（左其華，2008；周慶偉等，2016；Swail et al，2009；Liu，2013）。

我國近海海浪業(yè)務(wù)化觀測主要有近岸海洋站觀測和近海錨系浮標觀測兩種方式，其中部分近岸海洋站觀測始于20世紀60年代，已形成了長達50多年的觀測序列。目前（截止2016年10月）國家海洋局在全國近岸設(shè)有55個海浪觀測站點。各海洋站早期海浪觀測以目測或岸用測波儀觀測（統(tǒng)稱為非自動觀測方式）為主，近十年來逐步引入自動測波儀器替代非自動觀測方式。自動測波儀器主要有小型重力浮標和聲學測波儀兩類，其中使用小型重力浮標的站點35個，使用聲學測波儀的站點5個。自動觀測替代非自動觀測確保了數(shù)據(jù)的全天候獲取，也節(jié)省了大量人力物力，但儀器的更換和替代容易引起數(shù)據(jù)均一性的改變，會對氣候變化研究和海洋工程設(shè)計標準等產(chǎn)生一定的影響。為較為全面地了解自動測波儀器的海浪觀測特點以及觀測方式更換前后海浪觀測數(shù)據(jù)的均一性和穩(wěn)定性，現(xiàn)選取數(shù)據(jù)代表性較好的小長山（自動測波儀器型號：SBF3－1）、老虎灘（SBF3－1）、溫州（SBF3－1）、秦皇島（SBF3－2）、小麥島（SBF3－2）、北隍城（SBF3－2）、成山頭（SBF3－2）、龍口（SBF3－2）、濱海（SBF3－2）、葫蘆島（LPB1－2）、日照（LPB1－2）、塘沽（LPB1－2）、南麂（SZF）、大陳（SZF）、遮浪（SZF）、珠海（SZF）、東方（SZF）、鶯歌海（SZF）共18個海洋觀測站，其中使用SBF3型浮標儀器的站點9個，使用LPB型聲學儀器的站點3個，使用SZF型浮標儀器的站點6個，通過比對自動觀測方式與非自動觀測方式的波高、周期觀測結(jié)果來評估自動測波儀器的觀測特點。

1 儀器介紹

（1）SBF3型波浪浮標（山東省科學院海洋儀器儀表研究所，2009a）

SBF3型波浪浮標主要用于觀測波高和波向，分為SBF3－1型和SBF3－2型。兩種型號浮標所載傳感器基本一致，主要區(qū)別在于浮標外殼體的材料（孫金偉等，2012）。輸出參數(shù)有：最大波高及對應(yīng)周期，1/10波高及對應(yīng)周期，有效波高及對應(yīng)周期，平均波高及對應(yīng)周期和主波向等。

SBF3型波浪浮標波高測量范圍為0.2～25 m，準確度為±（0.1+5%H），H為實測波高。周期測量范圍為2～30 s，測量準確度為±0.25 s，分辨率為0.1 s。波向測量范圍為0～360°，測量準確度為±10°，分辨率為1°?？梢钥闯鯯BF3型浮標的理論設(shè)計波高的最小測量值為0.2 m，周期的最小測量值為2 s，分辨率和準確度的技術(shù)指標均比較高。

（2）LPB1－2型聲學測波儀（山東省科學院海洋儀器儀表研究所，2009b）

LPB1－2型聲學測波儀是一種廣泛應(yīng)用于海洋、江河、湖泊等測量波浪和水位的自動測量系統(tǒng)，在海洋站、港口、航道安全、石油平臺和臺風浪預(yù)報等領(lǐng)域廣泛使用。主要工作原理是由固定在海底的水聲換能器向海面垂直發(fā)射一束超聲脈沖，根據(jù)聲波到達水面的時間不同反演波面變化情況。

LPB1－2型聲學測波儀主要用于測量波高和波周期，不能觀測波向。在技術(shù)指標上聲學測波儀與SBF3型波浪浮標相差不大。波高測量范圍為0～20 m，測量準確度≤±2%，分辨率為0.01 m。周期測量范圍為大于等于2 s，測量準確度為±0.25 s。測量點水深要求為1.5～50 m。

（3）SZF型波浪浮標（唐原廣等，2008）

SZF型波浪浮標的觀測原理與SBF3型波浪浮標相同。主要依靠垂直加速度計和傾斜傳感器來反演波高、周期和波向參數(shù)。在技術(shù)指標上SZF型波浪浮標與SBF3型波浪浮標稍有差異，但大體一致。波高測量范圍為0.3～20 m，測量準確度為±（0.3+5%H），H為實測波高。周期測量范圍為3～20 s，測量準確度為±0.5 s。波向測量范圍為0～360°，測量準確度為±10°。

2 觀測比對情況

海浪譜是描述海浪內(nèi)部結(jié)構(gòu)及研究海浪運動演化的重要物理量。目前國際定點海浪觀測（如美國國家數(shù)據(jù)浮標中心NDBC）大部分都能反演出海浪譜數(shù)據(jù)，可以比較準確的了解海浪的頻譜及能量傳播特征。美國近岸技術(shù)聯(lián)合會（Alliance for Coastal Technologies）提出了評估波浪傳感器觀測能力的“First－5”標準（Alliance for Coastal Technologies，2007，2012），“First－5”為波浪傳感器觀測的5個重要參數(shù)因子，涉及譜能量及低階波譜因子。該標準目前是國際波浪傳感器測波能力評估及不同測波儀器比對的主要依據(jù)。

受觀測儀器及數(shù)據(jù)傳輸能力的限制，目前我國近岸海浪觀測均以海浪統(tǒng)計參數(shù)為主，如最大波高、1/10波高、有效波高、平均波高、平均周期等。兼以早期非自動觀測方式主要獲取最大波高、1/10波高和平均周期3個參數(shù)，因此僅選取最大波高、1/10波高和平均周期3個海浪參數(shù)進行比對分析。在比對分析中，主要采用2種手段，一種是通過海浪參數(shù)月均值的時間變化曲線直觀分析更換觀測方式前后數(shù)據(jù)變化態(tài)勢，另一種是通過計算更換觀測方式前后海浪參數(shù)在各區(qū)間出現(xiàn)頻率的大小分析數(shù)據(jù)的統(tǒng)計差別。

取各觀測站2016年10月之前的數(shù)據(jù)進行分析（由于部分觀測站后期觀測方式或觀測儀器又有變更，此種情況僅取二次變更之前數(shù)據(jù)分析），繪制了最大波高、1/10波高和平均周期的月均值時間變化曲線（由于非自動觀測方式存在大量0值，其出現(xiàn)頻率遠超自動觀測方式，為更合理的比較兩種觀測方式統(tǒng)計特征的區(qū)別，故舍棄0值）。另對啟用自動測波儀前后的數(shù)據(jù)分別進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計各級波高、周期的出現(xiàn)頻率。波高區(qū)間?。?，6]或（0，8]，周期區(qū)間?。?，10]或（0，12]（波高超過6 m和周期超過10 s的樣本所占比例極少，對統(tǒng)計影響可忽略不計）。

2.1 SBF3型儀器

2.1.1 SBF3－1

采用SFB3－1儀器觀測的站點共有3個，分別是小長山、老虎灘和溫州，下面重點介紹小長山海洋站情況。

小長山海洋站位于黃海北部。該站從1963年1月開始進行海浪觀測，早期以非自動觀測方式為主，后期使用SBF3－1型自動測波儀。從最大波高、1/10波高月均值時間變化曲線看（圖1（a）、（c）），兩者均值變化曲線特征相似。自動觀測方式波高總體均值略小于非自動觀測方式（相比2002年之前，2002－2006年時間段波高均值有明顯變小趨勢。周期與波高的大小變化一般具有強正相關(guān)性，但2002－2006年時間段的周期均值相比2002年之前無明顯變化，因此該時間段的波高及周期均值變化特征有待深入分析）。

海浪參數(shù)雖然在局域時間內(nèi)具有強隨機性，但在長時間內(nèi)具有統(tǒng)計穩(wěn)定性。某固定站點海浪參數(shù)在周邊地形地貌不變的情況下，其主要致變因子為海洋氣候，統(tǒng)計特征變化也比較緩慢?；诖耍瑢⒔y(tǒng)計觀測方式變更前后各級波高、周期的出現(xiàn)頻率，比較兩者的區(qū)別。常見的波高統(tǒng)計分布理論模型有線性窄譜下的瑞利分布（Longuet－Higgins，1965），非線性的韋布分布（Forristall，1978；吳克儉等，1996；徐德倫等，2011）等。兩種分布方式的波高概率密度均在峰值右側(cè)快速變小。從小長山統(tǒng)計結(jié)果看，各級波高的最大出現(xiàn)頻率區(qū)間為0～0.5 m，且出現(xiàn)頻率在該峰值右側(cè)快速變小，與瑞利或韋布分布的分布形態(tài)相近（圖1（b）、（d）；表1）。觀測方式更換前后，各級最大波高、1/10波高的出現(xiàn)頻率接近，且分布特征類似，這表明非自動觀測方式與自動觀測方式在波高觀測上基本一致。

平均周期月均值的變化曲線在觀測方式更換前后有明顯區(qū)別（圖1（e））。自動觀測方式平均周期值明顯高于非自動觀測方式平均周期值。由于SBF3－1型儀器不能觀測2 s以下周期（山東省科學院海洋儀器儀表研究所，2009a），可能導致其月均值及整體均值均高于非自動觀測方式。從各級平均周期出現(xiàn)頻率分布圖看（圖1（f）），兩種觀測方式的分布形態(tài)具有明顯差別。自動觀測方式各級周期的最高出現(xiàn)頻率區(qū)間在3.5～4 s，非自動觀測方式各級周期的最高出現(xiàn)頻率區(qū)間在3～3.5 s，兩者最高出現(xiàn)頻率區(qū)間不一致，且自動觀測方式在6 s以上大周期的出現(xiàn)頻率明顯高于非自動觀測方式（圖1（e）；表2）。非自動觀測方式各級周期出現(xiàn)頻率分布圖更接近周期統(tǒng)計分布理論曲線形態(tài)（文圣常等，1984；黃培基等，1995）。

小長山平均周期月均值在儀器更換后明顯變大，且各級周期出現(xiàn)頻率分布形態(tài)具有較大區(qū)別，出現(xiàn)頻率峰值對應(yīng)區(qū)間有明顯偏差，因此可以判定兩種觀測方式在周期觀測上存在較大的區(qū)別。

采用同樣的方式對老虎灘和溫州海洋站的海浪觀測情況進行了分析（表1，表2）。

老虎灘、溫州海洋站分別位于黃海北部、東海西部，兩站均在后期引入SBF3－1型自動測波儀。兩觀測站的兩種觀測方式的差別與小長山站的情況接近。

老虎灘海洋站兩種觀測方式各級最大波高、1/10波高出現(xiàn)頻率統(tǒng)計特征接近（表1）。更換自動觀測儀器后波高總體均值微弱變小，平均周期總體均值明顯變大（表9）。各級平均周期出現(xiàn)頻率差別較大，自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)集中在3.5～4.5 s，非自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)在2～3.5 s（表2）。

圖1 小長山海洋站海浪參數(shù)統(tǒng)計分析結(jié)果

表1 非自動觀測方式與SBF3-1儀器觀測各級波高出現(xiàn)頻率

表2 非自動觀測方式與SBF3-1儀器觀測各級平均周期出現(xiàn)頻率

溫州海洋站兩種觀測方式各級最大波高、1/10波高出現(xiàn)頻率統(tǒng)計特征相似（表1）。更換自動觀測儀器后最大波高總體均值微弱變小，1/10波高總體均值明顯變大，平均周期總體均值明顯變大（表9）。自動觀測方式各級1/10波高高頻率區(qū)在0.5～1 m，非自動觀測方式在0～0.5 m（表2）。各級平均周期出現(xiàn)頻率差別較大，自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)集中在4～5 s，非自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)在3.5～4.5 s（表2）。

圖2 小麥島海浪站海浪參數(shù)統(tǒng)計分析結(jié)果，具體說明同圖1

表3 非自動觀測方式與SBF3-2儀器觀測各級波高出現(xiàn)頻率

表4 非自動觀測方式與SBF3-2儀器觀測各級平均周期出現(xiàn)頻率

2.1.2 SBF3－2

采用SFB3－2型儀器觀測的站點共有6個，分別是秦皇島、小麥島、北隍城、成山頭、龍口和濱海，下面重點介紹小麥島海洋站情況。

小麥島海洋站位于青島膠州灣附近。該站從1960年1月開始進行海浪觀測，早期以非自動觀測方式為主，后期使用SBF3－2型自動測波儀。從最大波高、1/10波高月均值時間變化曲線看（圖2（a）、（c）），兩者均值變化曲線特征相似。1990－1993年及1996－1997年時間段波高月均值明顯較大。從觀測方式變更前后波高總體均值的變化來看，自動觀測方式小于非自動觀測方式。自動觀測方式在0～0.5 m波級區(qū)間的出現(xiàn)頻率高于非自動觀測方式，在其他波級區(qū)間均低于非自動觀測方式（圖2（b）、（d）；表3）。

圖3 小麥島海洋站平均周期月均值功率譜分析結(jié)果

平均周期月均值的變化曲線在觀測方式更換前后變化微弱（圖2（e）），總體均值變化不明顯。從各級平均周期出現(xiàn)頻率分布圖看（圖2（f）），兩種觀測方式的分布形態(tài)在峰值區(qū)間右側(cè)相似，在峰值區(qū)間左側(cè)存在一定區(qū)別。兩種觀測方式各級周期的最高出現(xiàn)頻率區(qū)間均在3.5～4 s。自動觀測方式在出現(xiàn)頻率峰值左側(cè)的分布態(tài)勢變化性強，小周期值出現(xiàn)頻率明顯小于非自動觀測方式。對小麥島兩種不同觀測方式的平均周期月均值分別作了功率譜分析（圖3）。非自動觀測方式（圖3（a）、（b））的主要特征周期為12個月（1年）和317.5個月，且特點比較明顯。317.5個月變化周期可能對應(yīng)數(shù)據(jù)的低頻漂移。年變化周期則對應(yīng)中國近海季風影響。自動觀測方式（圖3（c））的主要特征周期為1年，也反映了中國近海海浪受季風影響的特點（孫湘平，2006；劉首華等，2015）。兩種觀測方式均能較好的體現(xiàn)海浪特征參數(shù)的季節(jié)性變化特征。

圖4 日照海洋站海浪參數(shù)統(tǒng)計分析結(jié)果，具體說明同圖1

從小麥島站的分析結(jié)果看，與非自動觀測方式相比，自動觀測方式在波高觀測上變化不大，有微弱變小趨勢；在平均周期觀測上，兩者差別不大。

采用類似的方式對秦皇島、北隍城、成山頭、龍口和濱海海洋站的海浪觀測情況進行了分析（表3，表4）。

秦皇島海洋站兩種觀測方式各級最大波高、1/10波高出現(xiàn)頻率統(tǒng)計特征有一定差別（表3）。自動觀測方式在0～0.5 m波級區(qū)間的出現(xiàn)頻率顯著高于非自動觀測方式，在其它波級區(qū)間均低于非自動觀測方式，波高總體均值小于非自動觀測方式（表9）。各級平均周期出現(xiàn)頻率差別較大，自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)集中在3～4 s，非自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)在2～3.5 s（表4），自動觀測方式平均周期總體均值明顯較大（表9）。

北隍城海洋站自動觀測方式在0～0.5 m波級區(qū)間的出現(xiàn)頻率顯著高于非自動觀測方式，在其他波級區(qū)間均低于非自動觀測方式（表3），波高總體均值小于非自動觀測方式（表9）。兩種觀測方式各級平均周期的出現(xiàn)頻率在峰值區(qū)間右側(cè)變化相似，最高頻率區(qū)間均在3～4.5 s。自動觀測方式各級平均周期出現(xiàn)頻率在峰值區(qū)間左側(cè)快速變小，小周期出現(xiàn)頻率明顯低于非自動觀測方式（表4）。

成山頭海洋站自動觀測方式在0～0.5 m波級區(qū)間的出現(xiàn)頻率顯著高于非自動觀測方式，在其他波級區(qū)間均低于非自動觀測方式（表3），波高總體均值小于非自動觀測方式（表9）。自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)集中在3.5～5 s，非自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)在3～4.5 s，自動觀測方式在小周期出現(xiàn)頻率上明顯低于非自動觀測方式（表4）。自動觀測方式平均周期總體均值稍高于非自動觀測方式（表9）。

龍口海洋站自動觀測方式在0～0.5 m波級區(qū)間的出現(xiàn)頻率顯著高于非自動觀測方式（如自動觀測方式最大波高出現(xiàn)頻率為65.5%，非自動觀測方式最大波高出現(xiàn)頻率僅為27.3%），在其他波級區(qū)間出現(xiàn)頻率均低于非自動觀測方式（表3），波高總體均值小于非自動觀測方式（表9）。兩種觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)均集中在3～4.5 s，自動觀測方式在小周期出現(xiàn)頻率上明顯低于非自動觀測方式（表4）。

濱海海洋站兩種觀測方式在0～1 m波級區(qū)間總的出現(xiàn)頻率相當。自動觀測方式在1.5 m以上波級上出現(xiàn)頻率稍高于非自動觀測方式（表3）。各級平均周期出現(xiàn)頻率差別較大，自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)集中在3～4.5 s，非自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)在2～3 s（表4），自動觀測方式平均周期總體均值明顯較大（表9）。

2.2 LPB1－2型儀器

采用LPB1－2型儀器觀測的站點共有3個，分別是葫蘆島、日照和塘沽，下面重點介紹日照海洋站情況。

日照海洋站位于山東半島西南部，面向黃海。該站從1960年8月開始進行海浪觀測，早期以非自動觀測方式為主，后期使用LPB1－2型自動測波儀。從最大波高、1/10波高月均值時間變化曲線看（圖4（a）、（c）），兩者均值變化曲線整體平穩(wěn)，局部有較大變動，如1/10波高在1998年8月后數(shù)值出現(xiàn)較大程度下降，具體原因尚待深入分析。局部時間段數(shù)據(jù)變化從整個時間段來看屬于正常擾動，因此不會對整體統(tǒng)計性質(zhì)產(chǎn)生大的影響。從觀測方式變更前后總體波高均值的變化來看，自動方式大于非自動觀測方式。非自動觀測方式在0～0.5 m波級區(qū)間的出現(xiàn)頻率高于自動觀測方式，在中間波級區(qū)間低于自動觀測方式，在大波級區(qū)間（如2.5 m以上）又高于自動觀測方式（圖4（b）、（d）；表5）。

表5 非自動觀測方式與LPB1-2儀器觀測各級波高出現(xiàn)頻率

表6 非自動觀測方式與LPB1-2儀器觀測各級平均周期出現(xiàn)頻率

平均周期月均值的變化曲線形態(tài)在觀測方式更換前后無明顯變化（圖4（e））。從各級平均周期出現(xiàn)頻率分布圖看（圖4（f）），兩種觀測方式的分布形態(tài)在出現(xiàn)頻率峰值區(qū)間右側(cè)比較相似，高出現(xiàn)頻率區(qū)間均在3～4.5 s。自動觀測方式在出現(xiàn)頻率峰值左側(cè)的分布態(tài)勢突變性強，小周期出現(xiàn)頻率遠小于非自動觀測方式。日照站平均周期月均值在觀測方式更換后變化微弱，且各級周期出現(xiàn)頻率分布形態(tài)相對接近，出現(xiàn)頻率峰值對應(yīng)區(qū)間一致，因此可以判定兩種觀測方式在周期觀測上基本一致。

采用類似的方式對葫蘆島和塘沽海洋站的海浪觀測情況進行了分析（表5，表6）。

葫蘆島海洋站自動觀測方式在0.5～1 m波級區(qū)間的出現(xiàn)頻率高于非自動觀測方式，在其它波級區(qū)間均低于非自動觀測方式，自動觀測方式波高總體均值高于非自動觀測方式（表9）。自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)集中在3～3.5 s，非自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)在2.5～3.5 s（表6）。自動觀測方式小周期出現(xiàn)頻率明顯低于非自動觀測方式，平均周期總體均值明顯較大（表9）。

塘沽海洋站非自動觀測方式在0～0.5 m波級區(qū)間的出現(xiàn)頻率高于自動觀測方式，在中間波級區(qū)間低于自動觀測方式，在大波級區(qū)間（如1.5 m以上）又高于自動觀測方式（表5）。自動觀測方式波高總體均值高于非自動觀測方式（表9）。兩種觀測方式各級平均周期的出現(xiàn)頻率分布特征差別較大（表6）。雖然高頻率區(qū)間均在2.5～3.5 s，但兩者最高頻率差值較大。自動觀測方式2.5 s以下周期出現(xiàn)頻率接近0，而非自動觀測方式為29.6%。

圖5 南麂海洋站海浪參數(shù)統(tǒng)計分析結(jié)果，具體說明同圖1

2.3 SZF型儀器

采用SZF儀器觀測的站點共有6個，分別是南麂、大陳、遮浪、珠海、東方和鶯歌海，下面重點介紹南麂海洋站情況。

南麂海洋站位于東海西部。該站從1960年1月開始進行海浪觀測，早期以非自動觀測方式為主，后期使用SZF型自動測波浮標。

從最大波高、1/10波高月均值時間變化曲線看（圖5（a）、（c）），兩者均有一定程度的上升趨勢。自動觀測方式在0～1.5 m波級區(qū)間的出現(xiàn)頻率低于非自動觀測方式，在其它波級區(qū)間出現(xiàn)頻率均高于非自動觀測方式（圖5（b）、（d）；表7），波高總體均值明顯大于非自動觀測方式。

平均周期月均值的變化曲線在觀測方式更換前后變化微弱（圖5（e）），總體均值變化不明顯。從各級平均周期出現(xiàn)頻率分布圖看（圖5（f）），兩種觀測方式的分布形態(tài)相似，各級周期的高出現(xiàn)頻率區(qū)間均在4～5.5 s。兩種觀測方式在小周期值和大周期值出現(xiàn)頻率上都比較接近。

南麂站平均周期月均值在觀測方式更換后變化微弱，且各級周期出現(xiàn)頻率分布形態(tài)相對接近，出現(xiàn)頻率峰值對應(yīng)區(qū)間一致，因此可以判定兩種觀測方式在周期觀測上基本一致。

采用類似的方式對大陳、遮浪、珠海、東方和鶯歌海海洋站的海浪觀測情況進行了分析（表7，表8）。

大陳海洋站非自動觀測方式最大波高在0～1.5m波級區(qū)間的出現(xiàn)頻率高于自動觀測方式，在其它波級區(qū)間均低于自動觀測方式（表7），波高總體均值小于自動觀測方式（表9）。非自動觀測方式1/10波高在0.5～2 m波級區(qū)間的出現(xiàn)頻率高于自動觀測方式，在其它波級區(qū)間出現(xiàn)頻率均低于自動觀測方式（表7）。各級平均周期出現(xiàn)頻率差別較大，自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)集中在4～5.5 s，非自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)在5.5～6.5 s（表8）。自動觀測方式平均周期總體均值明顯較?。ū?），在小周期的出現(xiàn)頻率低于非自動觀測方式。

表7 非自動觀測方式與SZF儀器觀測各級波高出現(xiàn)頻率

表8 非自動觀測方式與SZF儀器觀測各級平均周期出現(xiàn)頻率

遮浪海洋站非自動觀測方式最大波高和1/10波高在0～1.0 m波級區(qū)間出現(xiàn)頻率高于自動觀測方式，在其它波級區(qū)間出現(xiàn)頻率均低于自動觀測方式（表7），波高總體均值低于自動觀測方式（表9）。自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)集中在4～5 s，非自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)在4～4.5 s（表8）。自動觀測方式在小周期的出現(xiàn)頻率遠低于非自動觀測方式。

珠海海洋站自動觀測方式最大波高和1/10波高在0～0.5 m波級區(qū)間的出現(xiàn)頻率遠高于非自動觀測方式，在其它波級區(qū)間出現(xiàn)頻率均低于非自動觀測方式（表7），波高總體均值低于非自動觀測方式（表9）。自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)集中在2.5～3 s，非自動觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)在4.5～5 s（表8）。自動觀測方式平均周期整體均值低于非自動觀測方式。

東方海洋站自動觀測方式最大波高和1/10波高在0～0.5 m波級區(qū)間出現(xiàn)頻率均高于非自動觀測方式（表7）。兩種觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)均集中在3～3.5 s，自動觀測方式的小周期出現(xiàn)頻率低于非自動觀測方式（表8）。

鶯歌海海洋站兩種觀測方式各級波高出現(xiàn)頻率相對接近，非自動觀測方式在0～1 m波級區(qū)間出現(xiàn)頻率更高一些（表7）。兩種觀測方式各級平均周期的高頻率區(qū)均集中在3.5～4 s，自動觀測方式的小周期出現(xiàn)頻率低于非自動觀測方式（表8）。

雖然最近SZF儀器與MARKII波浪騎士的一些比對結(jié)果表明，SZF儀器與國外先進儀器在極端天氣過程下的觀測能力相當（劉建國等，2016），但是上面的分析顯示中國沿海SZF浮標測波特征不規(guī)律，在不同站點測波參數(shù)統(tǒng)計特征具有較大差別。

表9 自動觀測方式與非自動觀測方式綜合比對結(jié)果

2.4 結(jié)果

為說明非自動觀測方式與自動觀測方式的綜合性區(qū)別，給出了如下簡單量化準則判定觀測波高和周期的變化情況。

第一種方式為定義不同觀測方式總體均值變化情況：

定義兩種觀測方式變化量化值為Xvari，其中Automean為自動觀測方式的整體均值，Visualmean為非自動觀測方式的整體均值。

如果Xvari絕對值在[0，10%]區(qū)間，認為自動觀測方式相對非自動觀測方式無變化；如果在（10%，15%]區(qū)間，認為自動觀測方式相對非自動觀測方式有弱變化；如果絕對值大于15%，認為自動觀測方式相對非自動觀測方式有明顯變化。

第二種方式為定義各級海浪參數(shù)高出現(xiàn)頻率區(qū)間之間的差值Yvari（即為高出現(xiàn)頻率區(qū)間的中值之差）：

如果Yvari絕對值在[0，0.5]區(qū)間，認為自動觀測方式相對非自動觀測方式無變化；如果在(0.5，1]區(qū)間，認為自動觀測方式相對非自動觀測方式有弱變化；如果絕對值大于1，認為自動觀測方式相對非自動觀測方式有明顯變化。

取兩種定義方式中變化性強的結(jié)果作為波高、周期變化的最終判定結(jié)果，給出如表9所示的綜合比對結(jié)果。

圖6 各站點自動觀測方式與非自動觀測方式海浪觀測綜合比對結(jié)果圖

3 總結(jié)

通過對18個海洋站的海浪觀測資料進行分析，比對了2種觀測方式最大波高、1/10波高和平均周期3個參數(shù)的數(shù)據(jù)，給出了各個海洋站海浪在兩種觀測方式上的異同（表9，圖6）。與非自動觀測方式相比，自動測波方式觀測波高顯著變大的站點有1個，微弱變大的有3個，波高變大的站點所占比例為22%；波高顯著變小的站點有6個，微弱變小的有1個，波高呈變小趨勢的站點所占比例為39%；波高大小保持一致的站點共有7個，所占比例為39%。周期顯著變大的站點共有6個，微弱變大的有2個，周期變大的站點所占比例為44%；周期明顯變小的站點有2個，所占比例為11%；周期保持一致的站點共有8個，所占比例為44%。由于自動觀測方式在小周期出現(xiàn)頻率上一般低于非自動觀測方式，大周期出現(xiàn)頻率較高，因此自動測波方式的周期總體均值一般不低于非自動觀測方式。

SBF3型儀器為重力加速度傳感器測波儀器，在0～0.5 m小波高出現(xiàn)頻率上一般大于非自動觀測方式，在大波高出現(xiàn)頻率上相對較低，從而造成了觀測波高整體均值一般不大于非自動觀測方式。同樣該型儀器在小周期出現(xiàn)頻率上一般小于非自動觀測方式，造成了觀測平均周期整體均值一般不小于非自動觀測方式。SBF3－1型波浪浮標共有3個，與非自動觀測方式相比，觀測波高均為不變，觀測周期均為顯著變大；SBF3－2型波浪浮標共有6個，與非自動觀測方式相比，觀測波高顯著變小的有4個，微弱變小的有1個，保持一致的有1個，觀測周期顯著變大的有2個，微弱變大的有1個，保持一致的有3個。

LPB1-2型測波儀在小波高和大波高出現(xiàn)頻率上均小于非自動觀測方式，在中間波高出現(xiàn)頻率上大于非自動觀測方式，在小周期出現(xiàn)頻率上均小于非自動觀測方式。LPB1-2型聲學測波儀共有3個，與非自動觀測方式相比，波高均呈微弱變大態(tài)勢，周期微弱變大1個，保持一致的有2個。

SZF型儀器也為重力加速度傳感器測波儀器，與非自動觀測方式相比，其觀測波高和周期共性特點不明顯。SZF型波浪浮標個數(shù)為6個，與非自動觀測方式相比，觀測波高顯著變大的有1個，顯著變小的有2個，保持一致的有3個，觀測周期顯著變大的有1個，顯著變小的有2個，保持一致的有3個。

由上可知，與非自動觀測方式相比，SBF3-1型浮標觀測波高保持不變，觀測周期具有顯著變大特點。SBF3-2型浮標觀測波高大多情況下具有變小的特點，觀測周期保持一致或趨于變大。LPB1-2型聲學測波儀觀測波高都有微弱變大特點，觀測周期變化較微弱。SZF型浮標觀測數(shù)據(jù)無明顯共性變化規(guī)律。

波高和周期連續(xù)性和均一性的改變會對科學研究和海洋工程相關(guān)工作帶來比較大的挑戰(zhàn)。在氣候變化研究中，數(shù)據(jù)的均一性對形成長期趨勢判斷具有至關(guān)重要的作用。在海洋工程應(yīng)用領(lǐng)域，波高和周期極值及統(tǒng)計特征的大幅度改變會顯著影響海洋工程設(shè)計標準。如波高的大幅度增加會顯著提高海洋工程的設(shè)計標準。對于已經(jīng)開工或建設(shè)完成的工程在進行設(shè)計標準復核時會產(chǎn)生工程設(shè)計標準需要大幅度提高的情況，對工程改進建設(shè)形成了比較大的挑戰(zhàn)。

從分析結(jié)果可以看出，許多站點在實施自動觀測后不僅觀測值出現(xiàn)整體性的明顯上升或下降，而且數(shù)據(jù)的統(tǒng)計規(guī)律也出現(xiàn)了較大的變化，且同一類型及不同類型的自動測波儀器的測波規(guī)律也呈現(xiàn)多樣性。因此需付出較大努力對數(shù)據(jù)進行連續(xù)性和均一性的訂正，使其符合科學研究和海洋工程應(yīng)用的要求。

致謝：感謝劉世萱和張樹剛對本文寫作提供的幫助。

Alliance for Coa stal Technologies,2007.Wave sensor technologies.Proceedings of Alliance for Coastal Technologies Workshop,St.Petersburg,Florida,March 2007.

Alliance for Coastal Technologies,2012.Waves measurement systems test andevaluationprotocols.UniversityofMarylandCenterof Environmental Science,July 2012.

Forristall G Z,1978.On the statistical distribution of wave heights in a storm.J.Geophys.Res.,83(C5):2353-2358.

Kashino R,2011.Current state of wave measuring technology from buoys.Ocean Waves Workshop Proceedings of New Orleans,Nov.17,2011.

Liu P C,2013.Contemplating ocean wave measurements.Int.J.Geosci.,4:229-233,doi:10.4236/ijg.2013.41A019.

Longuet-Higgins M S,1975.On the joint distribution of the periods and amplitudes of sea waves.J.Geophys.Res.,80(18):2688-2694.

Sverdrup H U,Munk W H,1947.Wind sea and swell:theory of relations for forecasting.Hydrographic Office Publication.

Swail V,Jensen R,Lee B,et al,2009.Wave measurements,need and development for the next decade.Proceedings of OceanObs'09,Vol.2,Venice,September 2009,(Eds.:J.Hall,D.E.Harrison,and D.Stammer),ESA Publ.WPP-306,doi:10.5270/OceanObs09.cwp.87.

富永政英,1984.海洋波動.北京:科學出版社.

黃培基,陳雪英,胡澤建,1995.雙峰譜型海浪的統(tǒng)計性質(zhì).海洋學報,17(6):1-8.

劉建國,周輝云,王曉亮,等,2016.SZF2-1A型多參數(shù)波浪試驗浮標波浪要素海上比測試驗與初步分析.海洋技術(shù)學報,35(3):74-77.

劉首華,楊忠良,岳心陽,等,2015.山東省周邊海域波浪能資源評估.海洋學報,37(7):108-122.

山東省科學院海洋儀器儀表研究所,2009a.SBF3-1波浪浮標使用說明書.山東青島.

山東省科學院海洋儀器儀表研究所,2009b.LPB1-2型聲學測波儀使用說明書.山東青島.

孫金偉,鄭珊珊,范秀濤,等,2012.SBF3-2波浪浮標錨泊系統(tǒng)設(shè)計.山東科學,25(2):44-48.

孫湘平,2006.中國近海區(qū)域海洋.北京:海洋出版社.

唐原廣,王金平,2008.SZF型波浪浮標系統(tǒng).海洋技術(shù)學報,27(2):31-33.

文圣常,余宙文,1984.海浪理論與計算原理.北京:科學出版社.

吳克儉,孫孚,1996.最大熵原理與海浪波高的統(tǒng)計分布.海洋學報,18(3):21-26.

徐德倫,王莉萍,2011.海洋隨機數(shù)據(jù)分析.北京:高等教育出版社.

周慶偉,張松,武賀,等,2016.海洋波浪觀測技術(shù)綜述.海洋測繪,36(2):39-44.

左其華,2008.現(xiàn)場波浪觀測技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用.海洋工程,26(2):124-139.

Analysis of observational wave characteristics of automatic wave measuring instruments at China coastal stations

LIU Shou-hua,FAN Wen-jing,WANG Hui,LIU Ke-xiu,YUE Xin-yang

(National Marine Data and Information Service,Tianjin 300171,China)

By selecting 18 marine stations in offshore of China,intercomparison of wave data measured from visual instruments and automatic instruments were carried out.Compared with visual measurements,the mean wave heights of SBF3-1 are always similar with visual measuring wave heights.Nevertheless,the wave periods of SBF3-1 are always larger than visual measurements.In most cases,the mean wave heights of SBF3-2 are smaller than visual measurements,the wave periods of which are not less than visual measurements.The mean wave heights of LPB1-2 are slightly larger than visual measurements,the mean wave periods of which are consistent with visual measurements.There are no obvious common features for SZF.

ocean waves;wave measurement;wave instrument;SBF;LPB;SZF

P716+.22

A

1001－6932（2017）06-0618-13

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.06.003

2017-06-06；

2017-09-08

國家自然科學基金（41406032；41706020）。

劉首華，博士，副研究員。電子郵箱：huazai950@hotmail.com。

范文靜，研究員。電子郵箱：13512936280@163.com。

袁澤軼）