常怡婷，康建軍，姚世強(qiáng)，鄔海強(qiáng)，李林奇，邵 毅，吳亞楠

（國家海洋技術(shù)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(guān)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(guān)，在海洋預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)、海上運輸、海洋工程等領(lǐng)域都有著重要應(yīng)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(zhǔn)確性和完整性，進(jìn)而影響預(yù)報模式、科學(xué)研究和海洋海岸工程設(shè)計的科學(xué)性和合理性。為此，波浪觀測儀器需進(jìn)行室內(nèi)實驗室測試和室外海上測試，但目前進(jìn)入海洋預(yù)報等業(yè)務(wù)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(jìn)行訂正，使其符合海洋預(yù)報、科學(xué)研究和海洋工程應(yīng)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(biāo)、GPS測波浮標(biāo)及聲學(xué)測波儀等。相對于其他觀測儀器，浮標(biāo)測波是通過記錄浮標(biāo)的隨波運動反映水面的波動，因其機(jī)動性強(qiáng)、不受水深地域海況限制、結(jié)構(gòu)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(yù)報能力[5]，用于業(yè)務(wù)化運行的現(xiàn)場自動測波儀器主要為重力式測波浮標(biāo)、聲學(xué)測波儀，其中使用小型重力浮標(biāo)的站點35個，占比87.5%（截至2016年底）。為考核波浪浮標(biāo)的穩(wěn)定性、可靠性、環(huán)境適應(yīng)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(biāo)實驗室比測和海上比測，驗證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

本文對國內(nèi)主流波浪浮標(biāo)與波浪騎士進(jìn)行了實驗室與海上實際海況的數(shù)據(jù)比測，利用測量結(jié)果分析了我國波浪浮標(biāo)測量數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1 比測方案

所謂比測，是指在規(guī)定條件下，對相同準(zhǔn)確度等級的同種計量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)或工作計量器具之間的量值進(jìn)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(biāo)在各個環(huán)境條件下的六自由度運動，本文設(shè)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(xué)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(shè)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(jìn)行試驗，具體試驗設(shè)計組次如表1所示。為驗證浮標(biāo)的穩(wěn)定性，IC0.2-1.0-5和IC0.6-1.0-5為重復(fù)性試驗，每組分別進(jìn)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)計量儀器。荷蘭DATAWELL生產(chǎn)的波浪騎士是目前國際上公認(rèn)測量波浪技術(shù)最成熟的波浪浮標(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)波浪比測儀器，與被比測波浪浮標(biāo)布放在同一海上測量現(xiàn)場進(jìn)行同步測量比測。實驗地點為大萬山島南部海域，當(dāng)?shù)夭ɡ舜硇暂^好，水深28 m左右，底質(zhì)較為平坦。結(jié)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(biāo)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(biāo)

該浮標(biāo)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(biāo)技術(shù)指標(biāo)

1.3.2 SBF6-1型波浪浮標(biāo)

該浮標(biāo)是通過感應(yīng)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(jié)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(biāo)為國家海洋技術(shù)中心自主研發(fā)的新一代重力式波浪浮標(biāo)，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(biāo)技術(shù)指標(biāo)

1.3.3 SBF3-2型波浪浮標(biāo)

該浮標(biāo)采用重力方式測量波浪，利用浮標(biāo)內(nèi)置成正交指向的三軸加速度傳感器，采用先進(jìn)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(biāo)測量波向。

表6 SBF3-2型波浪浮標(biāo)技術(shù)指標(biāo)

1.3.4 SZF型波浪浮標(biāo)

該浮標(biāo)測量波高的垂直加速度計安裝在垂直擺的擺盒內(nèi)，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(jìn)行波向測量。

表7 SZF型波浪浮標(biāo)技術(shù)指標(biāo)

1.3.5 SBF7-1型GPS測波浮標(biāo)

不同于上述重力測波浮標(biāo)，該浮標(biāo)通過GPS采集浮標(biāo)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(biāo)技術(shù)指標(biāo)

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(biāo)

DWR-MKIII型波浪浮標(biāo)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(biāo)定誤差范圍內(nèi)。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(biāo)的實驗室測量效果較好。同時，重復(fù)性實驗的結(jié)果變化不大，浮標(biāo)的穩(wěn)定性較高。

圖1 DWR-MKIII型波浪浮標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)有效波高對比圖

圖2 DWR-MKIII型波浪浮標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)有效波周期對比圖

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

2.1.2 SBF6-1型波浪浮標(biāo)

SBF6-1型波浪浮標(biāo)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(jié)合重復(fù)性實驗結(jié)果，該浮標(biāo)實驗室測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性幾乎與波浪騎士相當(dāng)。

表10 SBF6-1型波浪浮標(biāo)不規(guī)則波比測數(shù)據(jù)

圖3 SBF6-1型波浪浮標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)有效波高對比圖

圖4 SBF6-1型波浪浮標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)主波向沒有整體規(guī)律，本文未做展示。

圖5 各浮標(biāo)有效波高和有效波周期變化曲線

比較各浮標(biāo)與DWR-MKIII型波浪浮標(biāo)的偏差（浮標(biāo)測量數(shù)據(jù)DWR-MKIII數(shù)據(jù)）發(fā)現(xiàn)，SBF6-1型波浪浮標(biāo)與SBF3-2型波浪浮標(biāo)測量的有效波高數(shù)據(jù)與DWR-MKIII型波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)較為一致，SBF7-1型波浪浮標(biāo)、SZF型波浪浮標(biāo)有效波高數(shù)據(jù)偏?。籗BF6-1型波浪浮標(biāo)與SBF3-2型波浪浮標(biāo)有效波周期略小，SBF7-1型波浪浮標(biāo)有效波周期數(shù)據(jù)偏大，SZF型波浪浮標(biāo)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(biāo)與DWR-MKIII型波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)比測結(jié)果

SBF6-1型波浪浮標(biāo)有效波高、波周期測量值比DWR-MKIII型波浪浮標(biāo)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(nèi)（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(guān)系數(shù)分別為0.96、0.82。SBF6-1型波浪浮標(biāo)測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高。

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

2.2.2 SBF3-2型波浪浮標(biāo)與DWR-MKIII型波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)比測結(jié)果

SBF3-2型波浪浮標(biāo)有效波高、波周期測量值比DWR-MKIII型波浪浮標(biāo)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(nèi)（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(guān)系數(shù)分別為0.94、0.84。與SBF6-1型波浪浮標(biāo)相比，波周期測量準(zhǔn)確度更好，波高測量準(zhǔn)確度略差于SBF6-1型波浪浮標(biāo)。

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

2.2.3 SBF7-1型波浪浮標(biāo)與DWR-MKIII型波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)比測結(jié)果

SBF7-1型波浪浮標(biāo)有效波高測量值比DWRMKIII型波浪浮標(biāo)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(nèi)（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(guān)系數(shù)分別為0.94、0.75。波高波周期測量準(zhǔn)確性低于前兩種浮標(biāo)。

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

2.2.4 SZF型波浪浮標(biāo)與DWR-MKIII型波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)比測結(jié)果

在測量時段內(nèi)（后期浮標(biāo)故障無法正常使用），SZF型波浪浮標(biāo)有效波高、波周期測量值比DWRMKIII型波浪浮標(biāo)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(nèi)（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(biāo)有效波高、波周期與DWR-MKIII型波浪浮標(biāo)對比圖

2.3 數(shù)據(jù)分析

通過對國內(nèi)外主流的波浪浮標(biāo)實驗室、實際海況海浪觀測資料進(jìn)行分析，對各浮標(biāo)的有效波高和有效波周期進(jìn)行了對比，給出了各浮標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)數(shù)據(jù)與波浪槽內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)稱的誤差范圍內(nèi)，準(zhǔn)確度較高。同時，在設(shè)計波高1 m、波周期5 s的重復(fù)性實驗中，兩種浮標(biāo)的波高、波周期測量結(jié)果變化在3%、4%以內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)。

實海況比測實驗中，SBF6-1型、SBF3-2型波浪浮標(biāo)波高、波周期較標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)（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(biāo)的隨波性在大浪時不如標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)，兩種浮標(biāo)的隨波性與錨系配置可能是將來浮標(biāo)研制的重點。兩種浮標(biāo)相比，SBF6-1型波浪浮標(biāo)波高測量偏差更集中于0，其均方根誤差更小，與標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)的趨勢變化更一致，測量效果更佳。兩種浮標(biāo)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(nèi)。兩種浮標(biāo)相比，SBF3-2型波浪浮標(biāo)波周期測量偏差更集中于0，其均方根誤差更小，與標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)的變化趨勢更一致，測量效果更好。

SBF7-1型波浪浮標(biāo)的波高誤差較標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)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(biāo)。其周期偏差大部分?jǐn)?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?jǐn)?shù)據(jù)偏差較大，整體而言，造成其均方根誤差增大，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)一致性減弱。三種浮標(biāo)中，SBF7-1型波浪浮標(biāo)體積最小，相比其他兩種浮標(biāo)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(biāo)沒入水中，GPS數(shù)據(jù)接收不完整，影響計算結(jié)果導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。

SBF6-1、SBF3-2、SBF7-1型波浪浮標(biāo)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(biāo)測得的波浪周期受到位置影響顯著，由于兩只波浪浮標(biāo)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(biāo)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(jié) 論

通過對比分析國內(nèi)外主流波浪浮標(biāo)實驗室、實際海況下海浪的觀測資料，得到如下研究結(jié)論。

（1）參加實驗室比測的DWR-MKIII與SBF6-1型波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、系統(tǒng)穩(wěn)定性相當(dāng)。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(biāo)波高、波周期總體趨勢一致。選取DWR-MKIII數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計分析表明，SBF6-1與SBF3-2型波浪浮標(biāo)測量效果最好，波高、波周期均與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)最為一致，SBF6-1型波浪浮標(biāo)的波高測量準(zhǔn)確性更高，SBF3-2型的波周期測量準(zhǔn)確性更高。波高偏差主要集中在8 cm以內(nèi)，波周期偏差主要集中在0.4 s以內(nèi)。

從分析結(jié)果看出，我國研發(fā)生產(chǎn)的波浪浮標(biāo)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(dāng)，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(biāo)的發(fā)展方向之一。