青島近岸的浪級標(biāo)注影像

徐騰，蔡靖澤，李銳，候放，蘇博，徐瑞，高志一，于福江

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081；2.國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東青島266061）

1 引言

浪級是海浪預(yù)報(bào)中描述海浪強(qiáng)度的常用術(shù)語。按有效波高可將海浪強(qiáng)度分為0～9級共10個級別，依次為無浪、微浪、小浪、輕浪、中浪、大浪、巨浪、狂浪、狂濤和怒濤[1]。公眾在讀到海浪預(yù)報(bào)和警報(bào)中的浪級術(shù)語時，一般無法將浪級和浪高數(shù)字與實(shí)際的大浪場景聯(lián)系起來，未能將預(yù)警報(bào)信息有效傳達(dá)給公眾。其他發(fā)達(dá)國家很早就發(fā)現(xiàn)了這個問題，并開展科普工作以幫助公眾更好地理解預(yù)報(bào)信息[2-3]。英國氣象局在1905年就根據(jù)蒲福風(fēng)浪等級繪制了標(biāo)示浪級的卡通宣傳品，并在進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時代后發(fā)布了蒲福風(fēng)力等級表以及蒲福風(fēng)力等級手稿[4-5]等史料。這些資料不僅被維基百科（見圖1）和百度百科等網(wǎng)絡(luò)百科全書引用，也在國內(nèi)海洋防災(zāi)減災(zāi)宣傳活動中被引用。然而，這些資料的宣傳效果并不理想[6]。一方面因?yàn)閲庥跋褓Y料是以風(fēng)級而不是浪級為線索整理的，另一方面是國內(nèi)公眾對外國影像拍攝環(huán)境不熟悉無法產(chǎn)生情景帶入感，因此為公眾制作國內(nèi)近岸環(huán)境的浪級標(biāo)注影像十分必要。近幾年我國積極建立海洋立體化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系[7]，已有很多海洋站實(shí)現(xiàn)了同步的現(xiàn)場器測和視頻觀測[8]，完全具備系統(tǒng)捕捉近岸海域影像并對其進(jìn)行浪級標(biāo)注的條件[9]。本文利用小麥島海洋站2019—2020年的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)對其鄰近的澳門路海域海浪同步視頻進(jìn)行了等級標(biāo)注，得到了該海域微浪—大浪5個等級的海浪視頻影像資料。該工作是發(fā)展我國海浪等級標(biāo)注影像產(chǎn)品的有益嘗試，可為其他近岸海域開展類似工作提供參考。

圖1 0～12級風(fēng)級照片（引自：維基百科）

2 實(shí)驗(yàn)條件

2.1 站點(diǎn)選擇

本文實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在山東省青島市市南區(qū)近岸海域。實(shí)驗(yàn)依托全國海洋觀測網(wǎng)進(jìn)行。視頻站和器測站分別位于澳門路和小麥島海洋站。澳門路穿越音樂廣場和五四廣場，毗鄰?qiáng)W林匹克帆船中心，是青島著名旅游勝地，城市景觀豐富，人車流量逐年增大，但因其地理位置較易受到海浪災(zāi)害影響，近年來常發(fā)生海浪災(zāi)害事故[10]。視頻站觀測視野內(nèi)為澳門路主景區(qū)及主要受災(zāi)岸段，預(yù)期該處的影像將具有較好的宣教意義。小麥島海洋站是歷史悠久的代表性站點(diǎn)[11]，此處不再贅述其觀測能力。兩點(diǎn)間的海域直線距離4.6 km。

2.2 澳門路與小麥島波高關(guān)系

我們采用國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心渤黃海精細(xì)化海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式近2 a有效波高的模擬結(jié)果，分析澳門路和小麥島兩站點(diǎn)間的波高關(guān)系。該模式采用三角網(wǎng)格劃分區(qū)域，近岸網(wǎng)格平均分辨率為500 m。與近3 a的渤黃海浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)對比，對于1 m以上的觀測有效波高，模式24 h的預(yù)報(bào)相對誤差低于23%。

提取2018年8月—2020年7月海浪模式24 h預(yù)報(bào)產(chǎn)品中澳門路和小麥島近海的有效波高數(shù)據(jù)，并對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到澳門路近海的有效波高Hsaml和小麥島波浪觀測位置的有效波高Hsxmd的關(guān)系為：Hsaml=0．996 2 Hsxmd+0．002 5。將模式數(shù)據(jù)中的小麥島有效波高代入上述公式，得到推算后的澳門路近海有效波高，并與模式數(shù)據(jù)中的澳門路近海有效波高比較（見圖2）。推算數(shù)據(jù)較模式數(shù)據(jù)的相對誤差為3.98%，平均偏差為0，均方根誤差為3.64 cm，相關(guān)性為99.68%，說明基于上述關(guān)系利用小麥島有效波高推算得到的澳門路有效波高與實(shí)際值非常接近?？紤]到澳門路附近無海浪觀測條件，在實(shí)際應(yīng)用中，可基于上述推算關(guān)系并利用小麥島觀測有效波高來推算澳門路近海有效波高。

圖2 澳門路有效波高模式結(jié)果和推算結(jié)果對比（逐時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)范圍：2018年8月1日—2020年7月31日）

2.3 視頻資料獲取

視頻觀測點(diǎn)位于澳門路沿岸一低層建筑物的樓頂，距海面高度約25 m，距岸最近距離約155 m。拍攝區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則扇形，澳門路可見長度約650 m，遠(yuǎn)端可見奧運(yùn)會帆船比賽碼頭。視頻觀測系統(tǒng)由視頻采集設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)和主控服務(wù)器構(gòu)成，其中，視頻采集設(shè)備為1部帶云臺的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，具體拍攝參數(shù)如下：傳感器分辨率200萬像素；實(shí)際拍攝時通常設(shè)定變焦為1.5～5倍；拍攝幀率為15幀/s，最大關(guān)鍵幀間隔75幀；考慮逆光反光等因素，視頻采集亮度降低約15%。通信網(wǎng)絡(luò)為虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network，VPN），視頻以流媒體形式傳輸，單路視頻帶寬1.5 Mbps，傳輸編解碼協(xié)議為H.264。主控服務(wù)器接收視頻流并生成視頻產(chǎn)品，存儲格式MP4，視頻文件分辨率720 P，視頻流編碼率約920 kbps。

3 標(biāo)注程序和結(jié)果

本文將2009—2020年澳門路海域海浪實(shí)況視頻與小麥島海洋站實(shí)況數(shù)據(jù)同步，由于近10 a中該地區(qū)近岸的最大有效波高僅為3.6 m，因此我們初步篩選出常見的微浪—大浪級別約2 600 min的海況視頻資料，若未來有更大等級的觀測值另行補(bǔ)充。

將該視頻資料經(jīng)過4輪人工核驗(yàn)和逐次對比，共整理出46 min約670幀備選圖像，按照以下要求進(jìn)行篩選：（1）圖片視程清晰，包括能見度高、攝像機(jī)鏡頭無臟污和受雨水影響?。唬?）波浪特征明顯且肉眼易識別，包括能夠符合該浪級顯著特征，并與其他浪級有較明顯區(qū)別，且受海面反光等不利因素影響小等。經(jīng)過反復(fù)對比，擇優(yōu)遴選出表現(xiàn)力最佳的5個浪級典型圖片（見圖3）。

當(dāng)澳門路附近無明顯氣壓梯度差時，在西北風(fēng)的影響下，海浪等級呈現(xiàn)圖3a所示的微浪，有效波高0.1 m，肉眼可見一絲波紋；當(dāng)澳門路處于鞍形場[12]氣壓區(qū)內(nèi)，風(fēng)速較小且風(fēng)向多變，海浪等級呈現(xiàn)圖3b所示的小浪，有效波高0.4 m，波浪很小，波峰開始破裂，浪花呈玻璃色；當(dāng)澳門路受冷空氣影響后在高壓控制下吹偏東風(fēng)時，海浪等級呈現(xiàn)圖3c所示的輕浪，有效波高1.2 m，波峰不高但開始破裂，有些區(qū)域可形成白色浪花；當(dāng)澳門路處于2019年9號臺風(fēng)“利奇馬”后部，氣壓梯度差約為6 hPa，吹西南風(fēng)時，海浪等級呈現(xiàn)圖3d所示的中浪，有效波高2.0 m，可看出明顯的波浪形狀，白色浪花隨處可見；當(dāng)澳門路處于臺風(fēng)“利奇馬”前部，氣壓梯度差約為8 hPa，吹東南風(fēng)的向岸浪時，海浪等級呈現(xiàn)圖3e所示的大浪，有效波高3.1 m，海面出現(xiàn)高大的波峰，浪花占據(jù)波峰很大面積，風(fēng)開始切削波峰上的浪花。

圖3 不同浪級影像實(shí)況

4 結(jié)論

標(biāo)注浪級的海浪影像資料（視頻或照片）有助于人們了解預(yù)報(bào)術(shù)語所描述的實(shí)際景象。國內(nèi)海洋防災(zāi)減災(zāi)宣傳中經(jīng)常引用國外的浪級標(biāo)注影像，試圖幫助公眾更好地理解海浪預(yù)報(bào)信息，而宣傳效果并不如人意。其中一個原因是國外產(chǎn)品以風(fēng)級而不是浪級為線索制作，另一原因是公眾對外國場景不熟悉，因此為公眾制作我國近岸海域的浪級標(biāo)注影像十分必要。

本文利用小麥島海洋站2019—2020年的器測海浪數(shù)據(jù)對鄰近的澳門路海域同步視頻進(jìn)行浪級標(biāo)注，首次得到了該海域微浪—大浪5個等級的海浪視頻影像資料。受資料樣本數(shù)量限制，本文工作雖未考慮天文潮的影響但為制作自主海浪等級標(biāo)注影像產(chǎn)品進(jìn)行了有益嘗試，證明了依托全國海洋觀測網(wǎng)為其他近岸海域開展類似工作具有可行性。