波浪浮標數(shù)據(jù)比測評估

常怡婷，康建軍，姚世強，鄔海強，李林奇，邵 毅，吳亞楠

（國家海洋技術中心，天津 300112）

海浪是發(fā)生在海洋表面的動力現(xiàn)象，是人類最早關注和研究的海洋現(xiàn)象之一[1]。海浪的觀測與研究，不僅與海洋國防安全密切相關，在海洋預報、防災減災、海上運輸、海洋工程等領域都有著重要應用[2]。波浪觀測儀器的穩(wěn)定性、可靠性直接影響了觀測數(shù)據(jù)的有效性、準確性和完整性，進而影響預報模式、科學研究和海洋海岸工程設計的科學性和合理性。為此，波浪觀測儀器需進行室內實驗室測試和室外海上測試，但目前進入海洋預報等業(yè)務化系統(tǒng)的波浪觀測儀器一般只通過了實驗室計量檢定，缺乏室外海上測試評價，還需付出較大努力對數(shù)據(jù)連續(xù)性和一致性進行訂正，使其符合海洋預報、科學研究和海洋工程應用的需求[3]。因此，開展波浪觀測儀器比測試驗測試具有重要的意義。

現(xiàn)場自動測波儀器主要有重力式測波浮標、GPS測波浮標及聲學測波儀等。相對于其他觀測儀器，浮標測波是通過記錄浮標的隨波運動反映水面的波動，因其機動性強、不受水深地域海況限制、結構堅固可做長期監(jiān)測、費用相對較低等優(yōu)點，是海洋波動觀測的重要工具[4]。目前，我國大部分海洋站已具備海浪監(jiān)測和預報能力[5]，用于業(yè)務化運行的現(xiàn)場自動測波儀器主要為重力式測波浮標、聲學測波儀，其中使用小型重力浮標的站點35個，占比87.5%（截至2016年底）。為考核波浪浮標的穩(wěn)定性、可靠性、環(huán)境適應性，考查觀測數(shù)據(jù)的一致性、有效性和完整性，亟需開展波浪浮標實驗室比測和海上比測，驗證測量數(shù)據(jù)的準確性。

本文對國內主流波浪浮標與波浪騎士進行了實驗室與海上實際海況的數(shù)據(jù)比測，利用測量結果分析了我國波浪浮標測量數(shù)據(jù)質量。

1 比測方案

所謂比測，是指在規(guī)定條件下，對相同準確度等級的同種計量基準、標準或工作計量器具之間的量值進行的比較。此次比測工作將分為實驗室比測和海上比測兩部分。

1.1 實驗室比測

為了測量不同形式浮標在各個環(huán)境條件下的六自由度運動，本文設計實施了實驗室比測方案。實驗地點為交通運輸部天津水運工程科學研究院（天科院）大比尺波浪水槽。水槽長456 m，寬5 m，試驗段深8～12 m，其最大造波能力為3.5 m，造波周期2～10 s，最大造流能力20 m/s。本次試驗設計水深7.0 m，采用上部放水5.0 m，底部挖坑2.0 m的方式進行試驗，具體試驗設計組次如表1所示。為驗證浮標的穩(wěn)定性，IC0.2-1.0-5和IC0.6-1.0-5為重復性試驗，每組分別進行3次。

表1 不規(guī)則波+水流試驗組次

參加實驗室比測的浮標及傳感器具體見表2。其中，水位傳感器為天科院水槽配置的標準計量儀器。荷蘭DATAWELL生產(chǎn)的波浪騎士是目前國際上公認測量波浪技術最成熟的波浪浮標，DWRMKIII為其代表性型號。

表2 實驗室比測參試儀器

1.2 海上比測

在海上試驗中，選擇波浪騎士作為標準波浪比測儀器，與被比測波浪浮標布放在同一海上測量現(xiàn)場進行同步測量比測。實驗地點為大萬山島南部海域，當?shù)夭ɡ舜硇暂^好，水深28 m左右，底質較為平坦。結合水深地形和現(xiàn)場勘察情況，具體在大萬山島南部選擇500 m×500 m的開闊海域作為比測試驗區(qū)域。參與海上比測浮標及數(shù)據(jù)時段如表3所示。

表3 海上比測參試儀器及數(shù)據(jù)時段

1.3 比測儀器

1.3.1 DWR-MKIII型波浪浮標

該浮標利用懸浮于液體中的三軸加速度傳感器測量波浪，經(jīng)過濾波積分方法統(tǒng)計得到波浪的波高、波周期等特征值，并利用方向譜方法計算波浪主波向、譜峰周期等要素。

表4 DWR-MKIII型波浪浮標技術指標

1.3.2 SBF6-1型波浪浮標

該浮標是通過感應載體在水中的沉浮運動，測量載體的垂向加速度。經(jīng)過二次數(shù)字積分和濾波等方法計算水體波高和波周期。同時，利用三維電子羅盤測量載體的傾斜和方向，結合波形數(shù)據(jù)，提取下跨零點處的載體傾斜方向，作為單個波的波向，并統(tǒng)計得到波浪特征值。該浮標為國家海洋技術中心自主研發(fā)的新一代重力式波浪浮標，具有重量輕、體積小、電量足、測量精度高、范圍廣、可以實現(xiàn)雙向通訊等優(yōu)點。

表5 SBF6-1型波浪浮標技術指標

1.3.3 SBF3-2型波浪浮標

該浮標采用重力方式測量波浪，利用浮標內置成正交指向的三軸加速度傳感器，采用先進的數(shù)字積分算法，可真實反映出載體隨海面波浪的升沉運動，并適用于多種類型浮標測量波向。

表6 SBF3-2型波浪浮標技術指標

1.3.4 SZF型波浪浮標

該浮標測量波高的垂直加速度計安裝在垂直擺的擺盒內，提供“垂直運動”測量環(huán)境，采用重力加速度原理測量波高、波周期，并配合傾斜傳感器進行波向測量。

表7 SZF型波浪浮標技術指標

1.3.5 SBF7-1型GPS測波浮標

不同于上述重力測波浮標，該浮標通過GPS采集浮標的運動狀態(tài)來解算波浪的波高、波周期和波向。

表8 SBF7-1型波浪浮標技術指標

2 比測數(shù)據(jù)分析

2.1 實驗室比測數(shù)據(jù)

2.1.1 DWR-MKIII型波浪浮標

DWR-MKIII型波浪浮標有效波高誤差范圍[-0.05 m，0]，有效波周期誤差范圍[-0.06 s，0.25 s]（圖1、圖2、表9），均在其標定誤差范圍內。最小誤差為0，波高誤差整體在0.01 m量級，波周期誤差在0.1 s量級，該浮標的實驗室測量效果較好。同時，重復性實驗的結果變化不大，浮標的穩(wěn)定性較高。

圖1 DWR-MKIII型波浪浮標與標準數(shù)據(jù)有效波高對比圖

圖2 DWR-MKIII型波浪浮標與標準數(shù)據(jù)有效波周期對比圖

表9 DWR-MKIII型波浪浮標不規(guī)則波比測數(shù)據(jù)

2.1.2 SBF6-1型波浪浮標

SBF6-1型波浪浮標有效波高誤差范圍[-0.08 m，0.02 m]，波周期的誤差范圍為[-0.07 s，0.25 s]（圖3、圖4、表10）。結合重復性實驗結果，該浮標實驗室測量數(shù)據(jù)準確性、穩(wěn)定性幾乎與波浪騎士相當。

表10 SBF6-1型波浪浮標不規(guī)則波比測數(shù)據(jù)

圖3 SBF6-1型波浪浮標與標準數(shù)據(jù)有效波高對比圖

圖4 SBF6-1型波浪浮標與標準數(shù)據(jù)有效波周期對比圖

2.2 海上比測數(shù)據(jù)

整體上看，5種浮標測量的有效波高、有效波周期變化趨勢較為一致（圖5）。DWR-MKIII型波浪浮標主波向沒有整體規(guī)律，本文未做展示。

圖5 各浮標有效波高和有效波周期變化曲線

比較各浮標與DWR-MKIII型波浪浮標的偏差（浮標測量數(shù)據(jù)DWR-MKIII數(shù)據(jù)）發(fā)現(xiàn)，SBF6-1型波浪浮標與SBF3-2型波浪浮標測量的有效波高數(shù)據(jù)與DWR-MKIII型波浪浮標數(shù)據(jù)較為一致，SBF7-1型波浪浮標、SZF型波浪浮標有效波高數(shù)據(jù)偏??；SBF6-1型波浪浮標與SBF3-2型波浪浮標有效波周期略小，SBF7-1型波浪浮標有效波周期數(shù)據(jù)偏大，SZF型波浪浮標對短周期波浪的測量值偏小，對長周期波浪測量值偏大。

2.2.1 SBF6-1型波浪浮標與DWR-MKIII型波浪浮標數(shù)據(jù)比測結果

SBF6-1型波浪浮標有效波高、波周期測量值比DWR-MKIII型波浪浮標測量值略有偏小。波高、波周期平均偏差-0.06 cm、-0.2 s，其偏差滿足正態(tài)分布，峰值極值在[-0.08 m，0 m]、[-0.2 s，+0.1 s]范圍內（圖6），95%置信區(qū)間分別為[-0.23 m，+0.11 m]、[-0.97 s，+0.567 s]。波高、波周期均方根誤差為0.108 m、0.440 s；相關系數(shù)分別為0.96、0.82。SBF6-1型波浪浮標測量數(shù)據(jù)準確性較高。

圖6 SBF6-1型波浪浮標有效波高、波周期與DWR-MKIII型波浪浮標對比圖

2.2.2 SBF3-2型波浪浮標與DWR-MKIII型波浪浮標數(shù)據(jù)比測結果

SBF3-2型波浪浮標有效波高、波周期測量值比DWR-MKIII型波浪浮標測量值略有偏小。波高、波周期平均偏差-0.05 m、-0.2 s，其偏差滿足正態(tài)分布，峰值極值在[-0.08 m，0 m]、[-0.3 s，+0.2 s]范圍內（圖7），95%置信區(qū)間分別為[-0.25 m，0.15 m]、[-0.91 s，+0.52 s]。波高、波周期均方根誤差0.113 m、0.416 s；相關系數(shù)分別為0.94、0.84。與SBF6-1型波浪浮標相比，波周期測量準確度更好，波高測量準確度略差于SBF6-1型波浪浮標。

圖7 SBF3-2型波浪浮標有效波高、波周期與DWR-MKIII型波浪浮標對比圖

2.2.3 SBF7-1型波浪浮標與DWR-MKIII型波浪浮標數(shù)據(jù)比測結果

SBF7-1型波浪浮標有效波高測量值比DWRMKIII型波浪浮標測量值偏小，有效波周期測量值偏大。波高、波周期平均偏差-0.12 m，0.26 s，其偏差滿足正態(tài)分布，峰值極值在[-0.15 m，0 m]、[0 s，+0.4 s]范圍內（圖8），95%置信區(qū)間分別為[-0.34 m，+0.10 m]、[-0.50 s，+1.03 s]。波高、波周期均方根誤差0.165 m、0.475 s，相關系數(shù)分別為0.94、0.75。波高波周期測量準確性低于前兩種浮標。

圖8 SBF7-1型波浪浮標有效波高、波周期與DWR-MKIII型波浪浮標對比圖

2.2.4 SZF型波浪浮標與DWR-MKIII型波浪浮標數(shù)據(jù)比測結果

在測量時段內（后期浮標故障無法正常使用），SZF型波浪浮標有效波高、波周期測量值比DWRMKIII型波浪浮標測量值偏小。其偏差滿足正態(tài)分布，峰值極值在[-0.1 m，0 m]，[-0.5 s，+0.4 s]范圍內（圖9），95%置信區(qū)間分別為[-0.27 m，+0.13 m]、[-1.36 s，+1.52 s]。

圖9 SZF型波浪浮標有效波高、波周期與DWR-MKIII型波浪浮標對比圖

2.3 數(shù)據(jù)分析

通過對國內外主流的波浪浮標實驗室、實際海況海浪觀測資料進行分析，對各浮標的有效波高和有效波周期進行了對比，給出了各浮標與標準數(shù)據(jù)間的差距。具體分析如下。

實驗室比測中，DWR-MKIII與SBF6-1型波浪浮標數(shù)據(jù)與波浪槽內標準傳感器數(shù)據(jù)誤差較小，波高最大誤差分別為5 cm、8 cm，最小誤差僅為0、1 cm；波周期最大誤差均為0.24 s，最小誤差僅為0.02 s、0.01 s，全部在其標稱的誤差范圍內，準確度較高。同時，在設計波高1 m、波周期5 s的重復性實驗中，兩種浮標的波高、波周期測量結果變化在3%、4%以內，系統(tǒng)穩(wěn)定性較強。

實海況比測實驗中，SBF6-1型、SBF3-2型波浪浮標波高、波周期較標準浮標（DWR-MKIII）略偏小。從波高的偏差分布來看，波高大于1 m的波浪偏差比波高小于1 m的波浪偏差略大，分析其原因可能由于這兩種波浪浮標的隨波性在大浪時不如標準浮標，兩種浮標的隨波性與錨系配置可能是將來浮標研制的重點。兩種浮標相比，SBF6-1型波浪浮標波高測量偏差更集中于0，其均方根誤差更小，與標準浮標的趨勢變化更一致，測量效果更佳。兩種浮標對于波周期小于5 s的波浪測量效果最佳，偏差多在0.1 s以內。兩種浮標相比，SBF3-2型波浪浮標波周期測量偏差更集中于0，其均方根誤差更小，與標準浮標的變化趨勢更一致，測量效果更好。

SBF7-1型波浪浮標的波高誤差較標準浮標偏小，且誤差的分布隨波高的增大有逐漸增大的趨勢。其對波高的測量效果略差于SBF6-1型、SBF3-2型波浪浮標。其周期偏差大部分數(shù)據(jù)更集中于0，且測量0.5 m左右波浪的波周期偏差更小，但另有部分數(shù)據(jù)偏差較大，整體而言，造成其均方根誤差增大，與標準數(shù)據(jù)一致性減弱。三種浮標中，SBF7-1型波浪浮標體積最小，相比其他兩種浮標隨波性更好，但正由于其體積小，大浪時，更容易被海浪淹沒，其在大浪時誤差較大的原因可能由于某些時段浮標沒入水中，GPS數(shù)據(jù)接收不完整，影響計算結果導致數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。

SBF6-1、SBF3-2、SBF7-1型波浪浮標均在小波浪時（波高小于0.4 m）的波周期偏差較大，分析偏差產(chǎn)生的原因可能是由于波高較小時，海況較為平靜，波浪場空間分布有差異，浮標測得的波浪周期受到位置影響顯著，由于兩只波浪浮標并沒有精確地位于同一點上，造成了波周期的數(shù)據(jù)偏差?，F(xiàn)有的SZF型波浪浮標測量波周期無上述特點，其測量周期在小波浪時偏小，在大波浪時偏大。

3 結 論

通過對比分析國內外主流波浪浮標實驗室、實際海況下海浪的觀測資料，得到如下研究結論。

（1）參加實驗室比測的DWR-MKIII與SBF6-1型波浪浮標數(shù)據(jù)準確性、系統(tǒng)穩(wěn)定性相當。二者測量誤差較小，波高在0.01 m量級，波周期在0.1 s量級。

（2）參加海上比測的浮標波高、波周期總體趨勢一致。選取DWR-MKIII數(shù)據(jù)作為標準的統(tǒng)計分析表明，SBF6-1與SBF3-2型波浪浮標測量效果最好，波高、波周期均與標準數(shù)據(jù)最為一致，SBF6-1型波浪浮標的波高測量準確性更高，SBF3-2型的波周期測量準確性更高。波高偏差主要集中在8 cm以內，波周期偏差主要集中在0.4 s以內。

從分析結果看出，我國研發(fā)生產(chǎn)的波浪浮標在波高和波周期的測量效果上不遜色于國際上最著名的波浪騎士。實驗室測量精度幾乎與之相當，實際海況的測量一致性也較高。不足之處在于波浪譜等參數(shù)的缺失，這也是未來我國波浪浮標的發(fā)展方向之一。