謝波濤，高大魯，雷方輝，王俊勤

(1.中海油研究總院，北京 100080； 2.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

隨著海洋油氣業(yè)的發(fā)展，油氣勘探和開發(fā)、石油平臺設(shè)計、海底輸油管道敷設(shè)、平臺拖航定位等海洋石油工程的建設(shè)，迫切需要提供作業(yè)海區(qū)的海洋環(huán)境實時數(shù)據(jù)和專項預(yù)報[1]。為獲取海面波浪信息，基于加速度測量的浮標測波技術(shù)一致是應(yīng)用較為廣泛的波浪測量技術(shù)，其測量結(jié)果的可靠性也在過去幾十年里的應(yīng)用中得到了很好的驗證。雖然測得的波浪參數(shù)準確性較高，但由于波浪浮標的安全性較差，容易丟失，使用浮標獲取長時間序列的波浪數(shù)據(jù)在實際應(yīng)用中較難實現(xiàn)。

雷達測波[2]是近幾年剛剛興起的波浪遙測技術(shù)，由于設(shè)備安裝在平臺上，不接觸海水，安全性好，可以很好地滿足海洋工程對波浪測量長期性、連續(xù)性和穩(wěn)定性的要求。但由于遙感設(shè)備在水深較大的海域安裝條件有限，我國之前尚未有遙感測波儀器與浮標關(guān)于測波性能的系統(tǒng)測試與比較。

為了解海上固定平臺測波雷達的觀測性能，課題2011年在我國南海番禺30-1(簡稱PY30-1)油田開展了遙感實驗設(shè)備與浮標的比測試驗，對兩種實驗設(shè)備獲取的波浪數(shù)據(jù)進行了分析、比較。

1 站點位置及實驗設(shè)備

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[3]。通過現(xiàn)場比測可以得到被驗儀器設(shè)備所采集數(shù)據(jù)的可靠性，并且通過分析被檢儀器與“基準”儀器數(shù)據(jù)偏差的原因，可對儀器設(shè)計制造等環(huán)節(jié)提供有價值的參考。

圖1 C波段測波雷達各部件構(gòu)成Fig.1 The composing of C-band wave observation radar

海洋石油平臺作為海洋的觀測平臺，具有高可靠性——固定基礎(chǔ)、穩(wěn)定供電、可靠的數(shù)據(jù)存儲和傳輸保障。課題觀測設(shè)備所在的PY30-1平臺海域水深200 m，試驗所用遙感測波儀器為挪威MIROS公司的SM-050測波雷達構(gòu)成，該測波雷達使用多普勒方法，通過對海面覆蓋的短波脈沖和接收回波的波長控制，來排除其他無用的反射波等，從而計算波浪的高度；在北海和墨西哥石油平臺上均有大量應(yīng)用。該系統(tǒng)由C波發(fā)射器、數(shù)據(jù)接口單元、工控機、顯示設(shè)備等組成(圖1)。

該設(shè)備有著以下幾個優(yōu)點：1)目前唯一使用雙軌跡多普勒法測量海浪和利用微波雙頻率法測量海流的傳感器，其測量方法比傳統(tǒng)的測量方法上得出的結(jié)果要更為精確；2)由于該測波雷達使用的觀測頻段為C波，其抗衰能力減要高于其他波段，更適合環(huán)境較為惡劣的海上長期觀測。

圖2為現(xiàn)場的安裝照片及設(shè)備的工作界面。安裝位置在PY30-1平臺上甲板1號、2號救生艇甲板護欄外側(cè)；安裝高度41 m，面向東南，符合測波雷達安裝要求(8～100 m)。

圖2 測波雷達安裝位置及工作界面Fig.2 The installation position and working interface of the wave observation radar

本試驗在距離平臺2 km、面向測波雷達的水域布放一套荷蘭生產(chǎn)的波浪騎士測波浮標，其測量結(jié)果在自容式儲存的同時，通過短波通信實時傳輸?shù)狡脚_基岸站上進行儲存。利用該測量結(jié)果可以對測波雷達的測量結(jié)果進行對比、分析研究，提高測波雷達的測量精度。表1為測波雷達與波浪浮標系統(tǒng)各性能指標。

表1 實驗設(shè)備各性能指標Table 1 The performance indices of the test equipment

2 不同實驗設(shè)備對比測試研究

C波段測波雷達的觀測的波浪要素包括：有效波高、有效周期等要素。 由圖3、圖4可見，測波雷達數(shù)據(jù)起伏、趨勢、大小均與波浪騎士數(shù)據(jù)保持一致，表明C波段雷達在波高測量方面較為準確、可靠。

圖3 測波雷達與波浪騎士有效波高實測數(shù)據(jù)曲線Fig.3 The curves of significant wave heights observed at C-band with wave observation radar and waverider buoy

圖4 測波雷達與波浪騎士有效波高數(shù)據(jù)散點圖Fig.4 The scatter diagram of significant wave heights observed with wave observation radar and waverider buoy

圖5顯示了2011年P(guān)Y海區(qū)夏季(4-10月)有效波高同步數(shù)據(jù)，其中包括了2011年強“納莎”臺風(fēng)的波浪情況；圖6為2011年P(guān)Y海區(qū)冬季(11-4月)有效波高同步數(shù)據(jù)。由圖5、圖6可見，波浪浮標與測波雷達在南海海況較為惡劣的臺風(fēng)期間及冬季風(fēng)期間工作狀態(tài)良好，其觀測到的極端海況下的海高也保持較好的一致性與準確性。

圖5 測波雷達與波浪騎士夏季同步有效波高數(shù)據(jù)對比Fig.5 Comparison of synchronous significant wave heights observed with wave observation radar and waverider buoy in summer

圖6 測波雷達與波浪騎士冬季同步有效波高數(shù)據(jù)對比Fig.6 Comparison of synchronous significant wave heights observed with wave observation radar and waverider buoy in winter

圖7 測波雷達與波浪騎士最大波高數(shù)據(jù)對比Fig.7 Comparison of maximal wave heights observed with wave observation radar and waverider

由圖7可知，當(dāng)波浪<1 m時，C波段測波雷達數(shù)據(jù)會有少量畸變，出現(xiàn)較為劇烈的峰值。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)當(dāng)海況較好時，石油平臺附件會有作業(yè)船、補給船長時間游弋，此時雷達會將照射在船上，造成測波誤差。因此在處理的時候，應(yīng)合理判斷，剔除異常數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的準確性。

由圖8可見，測波雷達與波浪騎士波周期數(shù)據(jù)的一致性也較好。但C波段測波雷達任有部分譜峰周期數(shù)據(jù)偏大(Tp>15s)。經(jīng)檢查，此類數(shù)據(jù)點為波高畸變同步數(shù)據(jù)，因此可判斷為噪聲。除去此類噪點，兩套設(shè)備波浪周期的一致性也較好。

圖8 測波雷達與波浪騎士波周期數(shù)據(jù)對比Fig.8 Comparison of wave periods observed with wave observation radar and waverider buoy

由表2可知，波高相關(guān)系數(shù)在96%～98%之間，表明測波雷達對波高的測量比較準確，數(shù)據(jù)可用性較強；周期的相關(guān)系數(shù)超過87%，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，可廣泛開展相關(guān)應(yīng)用研究。

表2 測波雷達與波浪騎士波浪要素的相關(guān)系數(shù)Table 2 The correlation coefficients of wave elements observed with wave observation radar and waverider buoy

3 結(jié) 論

通過對測波雷達和波浪騎士的海上比測試驗結(jié)果可知，兩種設(shè)備有效波高的相關(guān)系數(shù)在96.8%，最大波高的相關(guān)系數(shù)更是達到98.57%，對波高的測量準確度非常高，表明測波雷達的波浪數(shù)據(jù)質(zhì)量非常可靠，可以用來替代波浪騎士所測的波浪高度數(shù)據(jù)。此外，海上石油平臺上有可靠的結(jié)構(gòu)支撐、穩(wěn)定的電源供給、便捷的通訊傳輸，可作為海上遙感測波理想的依托平臺。

參考文獻：

[1] 趙維三,李希玲.海洋監(jiān)測儀器的現(xiàn)場校準和比測[J].氣象水文海洋儀器,2004,(1):52-54.

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