基于三种测波方法的实测数据对比分析

周庆伟，封 哲，汪小勇，蔡晓晴，齐占辉，白 杨

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.河北省环境监测中心站，河北 石家庄 050030）

基于三种测波方法的实测数据对比分析

周庆伟1，封 哲2，汪小勇1，蔡晓晴1，齐占辉1，白 杨1

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.河北省环境监测中心站，河北 石家庄 050030）

近海海洋工程波浪观测中较为广泛使用的测波方法主要包括压力式测波、声学测波和重力式测波等。三种观测方法各有优势，需根据历史资料、地理环境和任务目的设计合理的观测形式，可以选择一种或多种形式组合的形式，以达到最佳的观测效果。使用GPS测波浮标、AWAC声学海流/波浪测量仪和TWR-2050压力式波潮仪的实测资料进行了对比分析，结果显示，测波浮标与AWAC所测数据相关性较一致；TWR压力波潮仪与AWAC测量的波高趋势基本一致，但周期短、波高小的海域和时间段测量准确度较差。

GPS测波浮标；压力测波；声学海流/波浪测量仪；波浪观测

随着全球气候的变化、沿海城市的防灾减灾需求和海洋开发利用形势，海浪的监测自20世纪40年代起受到广泛重视，波高、波周期、波传播的方向等参数是海洋工程、海洋预报、防灾减灾和航海安全等领域重要的输入参数之一。近海波浪观测一般主要针对风浪和涌浪，按照观测方法可以分为：人工观测法、仪器测量法和遥感反演法。人工观测法可分为人工目测法和光学测波仪观测法；仪器测量法可分为测杆测波法、压力式测波法、声学式测波法、重力式测波法和激光式测波法；遥感反演法可分为雷达测波、卫星测波和摄影照相测波，或是分为X波段雷达测波、高频地波雷达测波、合成孔径（SAR）雷达测波、卫星高度计测波和摄影照相测波等[1]。

近海海洋工程波浪观测中较为广泛使用的测波方法主要包括压力式测波、声学测波和重力式测波等。在观测要素、数据精度、仪器设备安全、观测成本等方面各有特点，需要根据不同的任务需求和海域环境进行观测方案的设计优化，尤其是针对我国近海海域必须考虑到沿海渔民生产对观测设备造成的影响。本文将对这三种测波方法进行比较，并根据现场实测数据的比测分析总结存在的问题。

1 三种常用测波方法的特点

压力式测波、声学测波和重力式测波由于测量原理的不同有各自不同优缺点和适用范围。

1.1 压力测波

压力式测波仪是较早使用的一种仪器观测波浪的方法，依靠安装在海底的压力传感器记录波浪引起的动压变化，从而测量波高和波周期的一种仪器。但是水下引力波是随着深度衰减的，水层的过滤作用是非线性的且随频率而异，故如何准确地将水下测到的波压力变化换算为水面的波高或波谱存在困难[2]。目前国内应用较多的压力式测波仪是加拿大RBR公司生产的压力式波潮仪、美国InterOcean公司生产的浪潮仪、美国SBEBird公司生产的SBE26波潮仪和国产压力式波潮仪等[3-4]。

压力式测波仪安装在水下，体积小、观测时间长、易于布放。所依托的观测系统结构简单，无需使用常平架，使用简单的坐底装置或是浅标系统即可实现观测，也可以安装在人工渔礁、石油平台、岸边、桥墩等位置，可全天候、全天时连续观测，避免了海面大风浪和渔业生产对观测系统的破坏，观测成本较低。因波动压力沿水深衰减严重，该方式常用于浅水区进行波高和波周期的观测，无法进行波向观测，但可以通过阵列观测进行波向的分析[5]，深海测量时也应将设备安装在离水面不远的位置[6]。压力式测波不能准确测量周期短、波高小的波浪数据。有学者针对海表面波和压力波的关系进行了深入研究，对修正因子进行了修正和比测验证，但并不是所有频率的波都可以使用修正因子[7]。事实上修正因子并没有准确的表达公式，均为经验公式，但一致认为修正因子是受深度（观测所在深度）和周期（或波长）的影响。

1.2 声学测波

声学测波仪分为水下声学测波仪（坐底式）和水上声学测波仪（气介式），其原理相同，都是利用回声测距原理进行波浪观测。水下声学测波仪与压力式传感器和声学多普勒海流计相结合的技术是目前波浪观测中较为先进和常用的一种方式。如挪威Nortek公司生产的AWAC（Acoustic Wave and Current，国内称浪龙）坐底式ADCP和美国TRDI公司生产的声学多普勒海流剖面/波浪测量仪，都能够输出波浪频谱和波向谱等参数[8]。目前国内较为常用的坐底声学测波设备是浪龙，其良好的波浪测量性能主要归功于表面声跟踪测量方式（AST），表面声跟踪是指使用浪龙中心垂向声学传感器测量波高，可基本覆盖风浪波段[9]。

坐底式声学测波仪安装在水下或是海底，避免了海面大风浪对观测系统的破坏，具有测量准确度高、操作简单的特点，适合在恶劣海况下长期观测。但气候和波况恶劣时在水汽交界处因受浪花和气泡的干扰，测量破碎波的准确度受到较大影响。坐底式声学测波仪工作水深一般为1.5～50 m[10]，可通过声学释放器或是拖锚法进行回收，使用防拖挂的观测系统[11]，海表面无需设置明显标志物，有效减少了对渔业作业的影响，长期观测成本相对较低。

1.3 重力式测波浮标

重力式波浪观测仪器主要是指放置在水面随波浪上下起伏的浮标，可分为重力加速度测波浮标和GPS测波浮标。典型的仪器设备有荷兰Datawell的波浪骑士和加拿大AXYS公司生产的测波浮标，国内也有多此类型的浮标，如中国海洋大学[12]、山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制的测波浮标和国家海洋技术中心的SBF7-1型、SBY6-1型测波浮标等。

重力式浮标测波仪具有通信方式灵活、测量准确度高、易于维护等优点，可长期连续观测，还可以通过加载卫星定位和报警系统提高其安全性[1]。但也存在一些不足之处：强流和大风会影响测量准确度；恶劣海况可能会导致锚系断裂、走锚，导致设备损毁、丢失；在特定波浪作用下可能发生共振，降低波浪数据的质量；内部的罗盘等传感器易受到金属壳体的干扰[13]；海面上的浮标容易被过往船只干扰、碰撞或盗窃[1]；相对水下波浪观测系统其风险和观测成本较高。GPS测波浮标除了具有波浪浮标本身的缺陷外，在海浪较高时还存在信号不稳定、无法接收足够多卫星信号的缺点，而且获取的数据容易被国外机构窃取[14]。

2 三种常用测波设备的比较

2.1 AWAC与GPS测波浮标比测

以挪威Nortek公司生产的AWAC和国家海洋技术中心生产的SBF7-1A型为例，比较两种设备的主要技术指标。

（1）GPS测波浮标主要技术指标：

波浪高度：测量范围0.2～20 m，测量准确度± (0.2+5%×测量值)m；波浪周期：测量范围2.0～20 s，测量准确度±0.5 s；波浪方向：测量范围0°～360°，测量准确度±10°。

（2）“浪龙”600 kHz AWAC主要技术指标：

声学(AST)、压力两种波浪测量方式；波浪采样率：2 Hz；波浪采样数：512，1 024，1 200，2 048或2 400；波高精度：小于测量值的1%；波高分辨率：1 cm；波向精度：2°；波向分辨率：0.1°；测波周期：0.5～30 s。

2015年2-3月国家海洋技术中心于茂名对SBF7-1A型GPS测波浮标和“浪龙”600 kHzAWAC进行了比测试验，比测海域坐标为39.136 40°N，117.109 68°E，水深为14～17 m左右。图1～图3分别给出平均波高、平均周期和波向的比对情况。

由图可以看出，GPS测波浮标和AWAC比测结果显示相关系数较好，平均波高相关系数0.973 1，平均周期相关系数0.918 4，波向相关系数0.893 3。

2.2 压力测波与AWAC比测

现以RBR公司生产的TWR-2050波潮仪为例代表压力式测波设备，该仪器是一款非常小巧的自容式测量水温、波浪和潮位的海洋仪器。精度高，体积小(长285 mm，直径38 mm)，可方便地安装于各种物体上，如海底、码头、锚系，广泛应用于海洋研究，港口、大坝监测等。当测量波浪时，脉冲频率有1 Hz，2 Hz和4 Hz 3种，仪器采集512，1 024或2 048组数据来计算波浪。主要技术指标：温度测量范围：-5～+35℃；温度测量精度：±0.002℃；压力测量范围：0～10/25/60/100 m(可选)；压力测量精度：0.05%。下面对 TWR-2050波潮仪和 600 kHz AWAC进行现场测量对比分析。

图1 平均波高对比

图2 平均周期对比

图3 波向对比

2.2.1 10 m以浅水深比测 2015年5月22日-6月26日进行了大港滨海湿地海洋特别保护区附近海域波浪要素的测量，观测海域为：38.47°N，117.79°E，水深6～9 m左右。使用600 kHz的“浪龙”（AWAC）和TWR-2050进行比测。两种设备都是设置采样频率1 Hz，采样间隔1 h，采集1 024个数据。图4为10 m水深以浅时两种设备的1/10波高对比图。

2.2.2 20 m水深比测 2015年4月26日-8月26日进行了舟山葫芦岛海域波浪要素的测量，观测海域：30.036°N，122.418°E，水深24～27 m左右。使用600 kHz的“浪龙”（AWAC）和TWR-2050进行了比测。两种设备都是设置采样频率1 Hz，采样间隔1 h，采集1 024个数据。8月2日观测系统因渔民作业导致观测系统位置移动，直到8月7日才恢复正常观测，水深为17 m左右，观测系统正好获取了2015年13号台风“苏迪罗”对观测海域影响的数据，故选取8月7日-26日的数据进行对比。图5为20 m水深以浅时两种设备的1/10波高对比图。

两台设备在不同水深条件下的比测结果显示，在波高大于0.5 m时相关性较好，所测波高趋势基本一致；波高小于0.5 m时相关性较差，尤其是0.2 m以内时，TWR-2050所测数据基本无法反应表面波的真实情况。

图4 10 m水深以浅时的1/10波高对比

图5 20 m水深以浅时的1/10波高对比

3 总结

通过三种常用测量方法的对比和现场观测数据的初步分析，得出以下结论：

（1）GPS波浪浮标和AWAC声学海流/波浪测量系统能够很好地反映观测海域的波高、波周期和波向等特征参数，但观测成本相对较高、安全风险较大；

（2）压力式波潮仪观测设备成本低、风险小，针对大周期、大波高的海域或时间段数据可靠性好，但是压力波会随着深度迅速衰减，因此在短周期、小波高的海域或时间段，压力式波潮仪测量效果不明显，同时压力传感器长期测量时也会因淤泥、泥沙或是污损生物的影响造成测量精度下降，而且单一的压力测波设备无法进行波向的测量；

（3）在进行近海工程波浪观测时需要根据历史资料和任务目的设计合理的观测形式，可以选择一种或是多种形式组合的形式，以达到最佳观测效果。

本文的三次现场波浪观测并不是针对仪器设备的比测测试而设计，但因观测时间短、手段单一，而且缺少其他水文气象要素的观测，因此比测分析不够全面，有待于后期更多的实测资料进行分析和验证。

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Comparison and Analysis of the Measured Data Based on Three Wave Measurement Methods

ZHOU Qing-wei1,FENG Zhe2,WANG Xiao-yong1,CAI Xiao-qing1,QI Zhan-hui1,BAI Yang1
1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China; 2.Hebei Environmental Monitoring Center,Shijiazhuang 050030,Hebei Province,China

The wave measuring methods widely used in wave observation for offshore engineering mainly include acoustic,pressure-type,and gravity measuring means,which have different and respective advantages.Based on the difference of historical data,geographical environments,and task objectives,more than one method can be used in order to achieve the optimal measuring effectiveness.In this paper,comparative analysis is carried out with the observations obtained by the GPS wave buoy,AWAC/ADCP and wave-tide gauge TWR-2050,and the result conclusion shows that the correlation is good between the wave buoy and AWAC,that the temporal trend of wave height from wave-tide gauge is agreeable to that of AWAC,but it has lower precision of observation in specific wave conditions with short period and small magnitude.

GPS wave buoy;pressure-type wave measurement;AWAC/ADCP;wave observation

P714

A

1003-2029（2017）03-0045-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.009

2017-03-25

财政部海洋可再生能源专项资金资助项目(GHME2014ZC01；GHME2016ZC04)；天津市自然科学基金资助项目(16JCYBJC 20600)；中国科学院海洋环流与波动重点实验室开放研究基金项目（KLOCW1606）。

周庆伟（1981-），男，工程师，研究方向为海洋能调查与评估以及标准化工作。E-mail:zhouqingwei_815@163.com