劉建國，周輝云，王曉亮，2*，齊安翔，徐晶晶

（1.國家海洋局東海預(yù)報中心，上?！?00081；2.中國海洋大學(xué)　環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東　青島　266100）

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

劉建國1，周輝云1，王曉亮1，2*，齊安翔1，徐晶晶1

（1.國家海洋局東海預(yù)報中心，上海200081；2.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100）

通過海上比測試驗，對新研制的SZF2-1A型多參數(shù)波浪試驗浮標(biāo)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性、波浪傳感器測量準(zhǔn)確性進(jìn)行全面客觀評價。采用MARKⅡ波浪騎士的測量數(shù)據(jù)作為參比，結(jié)果表明，試驗浮標(biāo)與波浪騎士所測數(shù)據(jù)具有良好的一致性：兩種儀器間最大波高相關(guān)系數(shù)為0.96，均方根誤差為0.33 m，有效波高相關(guān)系數(shù)為0.99，均方根誤差為0.13 m，相對誤差為6.0%，平均波高相關(guān)系數(shù)為0.98，均方根誤差為0.088 m，相對誤差為6.2%；兩種儀器所測有效波高、平均波高對應(yīng)周期的一致性比較好，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.86和0.87；兩種儀器所測波向相關(guān)系數(shù)為0.77。總體上得出結(jié)論：試驗浮標(biāo)運行狀態(tài)穩(wěn)定，波浪傳感器測量準(zhǔn)確可靠。

SZF浮標(biāo)；比測試驗；相關(guān)性

海浪是發(fā)生在海洋表面的一種波動現(xiàn)象，也是海洋監(jiān)測要素中最重要且最復(fù)雜的一種自然現(xiàn)象之一，在航海運輸、漁業(yè)捕撈、礦物勘探、海洋能源、海洋工程和國防等諸多領(lǐng)域?qū)τ诎踩a(chǎn)都產(chǎn)生重要影響。因此，準(zhǔn)確地對海洋波浪進(jìn)行觀測和預(yù)報具有重要的現(xiàn)實意義和實際需求。而長期以來，我國近岸海域波浪觀測站位偏少，獲取手段單一，特別是在高海況情況下，數(shù)據(jù)獲取困難，實測波浪數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不能滿足上述各應(yīng)用領(lǐng)域的工作需求，而海洋浮標(biāo)則可以很好地解決這個問題。

海洋浮標(biāo)是一種無人值守的自動海洋觀測站，可為海洋環(huán)境預(yù)報、海洋科學(xué)研究以及海洋資源的開發(fā)提供大量實時信息［1］。目前國外廣泛使用的波浪浮標(biāo)主要有荷蘭datawell公司的波浪騎士［2］、加拿大AXYS公司的波浪浮標(biāo)［3］等。

近年來，在國家海洋公益專項以及其它重要科研計劃和專項任務(wù)的推動下，我國在浮標(biāo)研制及使用方面獲得了長足發(fā)展［4］，許多單位在以往工作基礎(chǔ)上［5-6］不斷改進(jìn)浮標(biāo)性能，研制新型浮標(biāo)。本文的比測對象“SZF2-1A型多參數(shù)波浪浮標(biāo)”（以下稱“3 m浮標(biāo)”）便是其中的代表之一。

然而，海洋浮標(biāo)要求系統(tǒng)不間斷地長年在惡劣的海洋環(huán)境中工作。所以，就要求系統(tǒng)必須具備高穩(wěn)定性，包括系統(tǒng)長期運行不出故障或極少出故障，且測量數(shù)據(jù)的可信度要高。因此，在投入業(yè)務(wù)化運行前，為客觀評價3 m浮標(biāo)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其測波性能，國家海洋局東海預(yù)報中心首先在上海蘆潮港海域開展了為期10個月的浮標(biāo)海上連續(xù)工作穩(wěn)定性試驗，而后選擇在海況更加惡劣的象山海域，同波浪騎士進(jìn)行了波浪要素比測試驗。

本文介紹了3 m浮標(biāo)與波浪騎士的比測方法，并對比測試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了一致性和相關(guān)性分析。旨在解決兩個方面的問題：一是檢驗3 m浮標(biāo)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，再就是驗證浮標(biāo)測波數(shù)據(jù)的可信度。

1　工作穩(wěn)定性試驗

于2011年5月—2012年2月將3 m浮標(biāo)布放在上海臨港新城東港區(qū)碼頭鄰近海域，距蘆潮港海洋站約1 nmile，站位經(jīng)緯度為121°49.82′E、30° 49.57′N，水深10 m左右，布放時間10個月，期間歷經(jīng)201109號“梅花”超強(qiáng)臺風(fēng)（臺風(fēng)中心位置：125.6°E，43.8°N）。

2　波浪要素比測試驗

2.1比測方法

2.1.1站位設(shè)置比測試驗于2012年3月13日12:00-17日8:00在浙江象山海域進(jìn)行，比測站位經(jīng)緯度為122°16.93′E、28°52.64′N，位于漁山列島東部海域2 nmile處（圖1），距象山港30 nmile，水深37 m。該海域底質(zhì)為淤泥質(zhì)，主風(fēng)向為東北、偏東和東南。浮標(biāo)布放站位避開了漁船流網(wǎng)捕撈和航行主要通道。比測期間，13-15日為東到東南風(fēng)風(fēng)向，16-17日轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)為主，海況3～5級。

圖1　比測站位位置

2.1.2比測設(shè)備及技術(shù)指標(biāo)比測試驗對象為3 m浮標(biāo)；作為基準(zhǔn)的比測設(shè)備原則上選擇在國內(nèi)外使用率和知名度較高的波浪浮標(biāo)，其相應(yīng)參數(shù)測量范圍與準(zhǔn)確度通常要高于3 m浮標(biāo)（至少等于），基于此，本次比測試驗選擇荷蘭datavell公司生產(chǎn)的MARKⅡ波浪騎士。儀器指標(biāo)參見表1。

表1　比測儀器及技術(shù)指標(biāo)

2.1.3比測設(shè)備布放方式3 m浮標(biāo)的錨系采用組合式，自上而下分別由錨鏈、托底錨鏈和澆鑄水泥塊3部分構(gòu)成。為避免錨鏈自重對浮標(biāo)隨波性的影響，在錨鏈的適當(dāng)位置加裝具備一定浮力的浮球，將錨鏈拉起。

由于海洋環(huán)境中的風(fēng)、浪、流對系泊中的3 m浮標(biāo)和波浪騎士的作用，如果兩者之間的系纜類型和長度選定不當(dāng)，很可能影響儀器隨波性，甚至造成相撞。本比測中波浪騎士通過20 m零浮力纜繩系泊于3 m浮標(biāo)（圖2～圖3）。

2.2數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計

2.2.1數(shù)據(jù)來源波浪騎士于每小時整點獲取1組數(shù)據(jù)，包括該時次最大波高及周期、平均波高及周期、1/10波高及周期、有效波高（1/3波高）及周期和波向等參數(shù)，3 m浮標(biāo)每30 min輸出一次數(shù)據(jù)，因此比較分析時，選取其整點輸出數(shù)據(jù)與波浪騎士測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對（表2）。

3 m浮標(biāo)比測數(shù)據(jù)均經(jīng)過審核，其中3月13日17:00點有效波高達(dá)到4 m，高于前后時刻的有效波高0.77 m和0.78 m，明顯異常，在分析過程中作為異常值予以剔除。

圖2　3 m浮標(biāo)與波浪騎士比測圖

圖3　3 m浮標(biāo)與波浪騎士布放示意圖

表2　比測數(shù)據(jù)

2.2.2統(tǒng)計方法比測時，波浪要素為最大波高及周期、平均波高及周期、1/10波高及周期、1/3波高及周期和波向等。比測分析統(tǒng)計參數(shù)有相對誤差、均方根差值、相關(guān)系數(shù)等。

式中：xi表示3 m浮標(biāo)測量結(jié)果；yi為比測值，即波浪騎士測量結(jié)果；n為樣本個數(shù)。

相對誤差反映了3 m浮標(biāo)與波浪騎士測量值差別程度的大小；均方根差值反映3 m浮標(biāo)測量值偏離比測值程度的大小，均方根差值越小，說明3 m浮標(biāo)測量值與比測值吻合程度越好，反之越差；相關(guān)系數(shù)是表明3 m浮標(biāo)測量值和比測值變化關(guān)聯(lián)程度的系數(shù)，其值在0～1之間，表明兩值呈正相關(guān)關(guān)系，值越大，相關(guān)性越好，其值在0～-1之間，表明兩值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，值越小，負(fù)相關(guān)性越好，0表示兩值沒有任何相關(guān)性。

2.3結(jié)果與分析

2.3.1穩(wěn)定性試驗分析從海上試驗的情況和獲得的連續(xù)資料分析，3 m浮標(biāo)各項工作性能穩(wěn)定、可靠，給出了與安裝在固定平臺上的CZY1型自動化觀測系統(tǒng)相似的波浪數(shù)據(jù)。這期間的8月5日-9日，1109號超強(qiáng)臺風(fēng)“梅花”影響東海海域，3 m浮標(biāo)風(fēng)、浪實測值同步反映了“梅花”臺風(fēng)影響該海域的風(fēng)浪變化過程（圖4），實測整點最大風(fēng)速為16.6 m/s（極大風(fēng)速為22.7 m/s），最大波高為2.08 m。

2.3.2波浪比測結(jié)果分析3 m浮標(biāo)觀測的最大波高、有效波高及對應(yīng)的周期、波向等波浪要素與波浪騎士比對分析結(jié)果如圖5～圖8，相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計分析結(jié)果見表3。

圖4　梅花臺風(fēng)期間3 m多參數(shù)波浪浮標(biāo)風(fēng)浪實況圖

圖5　3 m浮標(biāo)和波浪騎士最大波高比對圖

圖6　3 m浮標(biāo)和波浪騎士最大波周期比對圖

圖7　3 m浮標(biāo)和波浪騎士有效波高比對圖

圖8　3 m浮標(biāo)和波浪騎士有效波周期比對圖

表3　象山海域波浪比對參數(shù)統(tǒng)計

由統(tǒng)計結(jié)果可以看到，3 m浮標(biāo)和波浪騎士最大波高相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96，均方根誤差為0.33 m，這與最大波高統(tǒng)計隨機(jī)性強(qiáng)有關(guān)；有效波高測量值均方根差值為0.13 m，相對誤差為6.0%，相關(guān)系數(shù)為0.99，兩測量值之間具有非常高的吻合程度，從圖7可以看出，3 m浮標(biāo)測量的波高比波浪騎士略小，但兩者之間的差值均在3 m浮標(biāo)準(zhǔn)確度的技術(shù)指標(biāo)即±（0.3+5%×測量值）范圍之內(nèi)。

比測結(jié)果顯示，兩組儀器所測有效波高周期均方根差值為0.56 s，相關(guān)系數(shù)為0.86，一致性比較好。波向相關(guān)系數(shù)為0.77，比波高和周期略差。

3　結(jié)論

比測結(jié)果表明：3 m浮標(biāo)和波浪騎士波高測量值之間具有非常高的一致性，波高所對應(yīng)的周期一致性也比較好，所測波向相關(guān)系數(shù)為0.77。

比測期間3 m浮標(biāo)供電電源穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸通暢，工作狀態(tài)正常，綜合比測前穩(wěn)定性試驗結(jié)果表明，該試驗浮標(biāo)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，測波傳感器測量性能可靠。

［1］張瑩.SZF型波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集、處理與無線傳輸系統(tǒng)［D］.青島:中國海洋大學(xué)，2010.

［2］VRIESJ J.Designinga GPS-based mini wave buoy［J］.International Ocean Systems，2007，11（3）:20.

［3］KASHINO Randolph.Current state of wave measuring technology from buoys［C］//Proceedings of Ocean Waves Workshop，NewOrleans，USA，2011:1.

［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，2014，35（11）:2401-2414.

［5］唐原廣，周金元，李思維.3m多參數(shù)波浪浮標(biāo)的研制［J］.氣象水文海洋儀器，2013，2:2-5.

［6］陳天福.關(guān)于我國海洋資料浮標(biāo)工程若干問題的探索［J］.海洋技術(shù)，1998，17（1）:16-23.

Maritime Comparative Testing and Preliminary Analysis on the Wave Elements of the SZF2-1A Multi-Parameter Wave Test Buoy

LIU Jian-guo1，ZHOU Hui-yun1，WANG Xiao-liang1，2，QI An-xiang1，XU Jing-jing1
1.East China Sea Forecast Center，State Oceanic Administration，Shanghai 200081，China；
2.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，Shandong Province，China

The stability and measuring accuracy of the wave sensor are evaluated on the sea in an objective and comprehensive way for the newly developed SZF2-1A multi-parameter wave test buoy.Comparing with the measured data from the MARKⅡ wave buoy，it shows that the SZF2-1A buoy and MARKⅡ buoy have good consistency.The correlation coefficient of maximum wave height between the two wave buoys is 0.96，and the root mean square error is 0.33 m；the correlation coefficient of significant wave height is 0.99，the root mean square error is 0.13 m，and the relative error is 6.0%；the correlation coefficient of average wave height is 0.98，the root mean square error is 0.088 m，and the relative error is 6.2%.It is proved that the periods measured by the two wave buoys corresponding to significant wave height and average wave height have good consistency，with correlation coefficient being 0.86 and 0.87，respectively.The correlation coefficient of wave direction of the two models is 0.77.It is concluded that the SZF2-1A multi-parameter wave test buoy is stable in operation and the wave sensor on the SZF2-1A buoy is accurate and reliable in its measuring performance.

SZF buoy；comparative testing；correlation

P715.2

A

1003-2029（2016）03-0074-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.014

2015-12-03

劉建國（1983-），男，工程師，主要從事海洋環(huán)境監(jiān)測工作。

王曉亮（1977-），男，高級工程師，主要從事海洋環(huán)境觀測與監(jiān)測工作。E-mail:wangxiaoliang@eastsea.gov.cn