SZF2-1A型多參數波浪試驗浮標波浪要素海上比測試驗與初步分析

劉建國，周輝云，王曉亮，2*，齊安翔，徐晶晶

（1.國家海洋局東海預報中心，上海　200081；2.中國海洋大學　環境科學與工程學院，山東　青島　266100）

SZF2-1A型多參數波浪試驗浮標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.國家海洋局東海預報中心，上海200081；2.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東青島266100）

通過海上比測試驗，對新研制的SZF2-1A型多參數波浪試驗浮標系統的工作穩定性、波浪傳感器測量準確性進行全面客觀評價。采用MARKⅡ波浪騎士的測量數據作為參比，結果表明，試驗浮標與波浪騎士所測數據具有良好的一致性：兩種儀器間最大波高相關系數為0.96，均方根誤差為0.33 m，有效波高相關系數為0.99，均方根誤差為0.13 m，相對誤差為6.0%，平均波高相關系數為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、平均波高對應周期的一致性比較好，相關系數分別達到0.86和0.87；兩種儀器所測波向相關系數為0.77。總體上得出結論：試驗浮標運行狀態穩定，波浪傳感器測量準確可靠。

SZF浮標；比測試驗；相關性

海浪是發生在海洋表面的一種波動現象，也是海洋監測要素中最重要且最復雜的一種自然現象之一，在航海運輸、漁業捕撈、礦物勘探、海洋能源、海洋工程和國防等諸多領域對于安全生產都產生重要影響。因此，準確地對海洋波浪進行觀測和預報具有重要的現實意義和實際需求。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，數據獲取困難，實測波浪數據遠不能滿足上述各應用領域的工作需求，而海洋浮標則可以很好地解決這個問題。

海洋浮標是一種無人值守的自動海洋觀測站，可為海洋環境預報、海洋科學研究以及海洋資源的開發提供大量實時信息［1］。目前國外廣泛使用的波浪浮標主要有荷蘭datawell公司的波浪騎士［2］、加拿大AXYS公司的波浪浮標［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的推動下，我國在浮標研制及使用方面獲得了長足發展［4］，許多單位在以往工作基礎上［5-6］不斷改進浮標性能，研制新型浮標。本文的比測對象“SZF2-1A型多參數波浪浮標”（以下稱“3 m浮標”）便是其中的代表之一。

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

本文介紹了3 m浮標與波浪騎士的比測方法，并對比測試驗數據進行了一致性和相關性分析。旨在解決兩個方面的問題：一是檢驗3 m浮標系統運行的穩定性，再就是驗證浮標測波數據的可信度。

1　工作穩定性試驗

于2011年5月—2012年2月將3 m浮標布放在上海臨港新城東港區碼頭鄰近海域，距蘆潮港海洋站約1 nmile，站位經緯度為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201109號“梅花”超強臺風（臺風中心位置：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在浙江象山海域進行，比測站位經緯度為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。該海域底質為淤泥質，主風向為東北、偏東和東南。浮標布放站位避開了漁船流網捕撈和航行主要通道。比測期間，13-15日為東到東南風風向，16-17日轉為偏北風為主，海況3～5級。

圖1　比測站位位置

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

表1　比測儀器及技術指標

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

由于海洋環境中的風、浪、流對系泊中的3 m浮標和波浪騎士的作用，如果兩者之間的系纜類型和長度選定不當，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（圖2～圖3）。

2.2數據處理與統計

2.2.1數據來源波浪騎士于每小時整點獲取1組數據，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，3 m浮標每30 min輸出一次數據，因此比較分析時，選取其整點輸出數據與波浪騎士測量數據進行比對（表2）。

3 m浮標比測數據均經過審核，其中3月13日17:00點有效波高達到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浮標與波浪騎士比測圖

圖3　3 m浮標與波浪騎士布放示意圖

表2　比測數據

2.2.2統計方法比測時，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。比測分析統計參數有相對誤差、均方根差值、相關系數等。

式中：xi表示3 m浮標測量結果；yi為比測值，即波浪騎士測量結果；n為樣本個數。

相對誤差反映了3 m浮標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浮標測量值與比測值吻合程度越好，反之越差；相關系數是表明3 m浮標測量值和比測值變化關聯程度的系數，其值在0～1之間，表明兩值呈正相關關系，值越大，相關性越好，其值在0～-1之間，表明兩值呈負相關關系，值越小，負相關性越好，0表示兩值沒有任何相關性。

2.3結果與分析

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

2.3.2波浪比測結果分析3 m浮標觀測的最大波高、有效波高及對應的周期、波向等波浪要素與波浪騎士比對分析結果如圖5～圖8，相關參數統計分析結果見表3。

圖4　梅花臺風期間3 m多參數波浪浮標風浪實況圖

圖5　3 m浮標和波浪騎士最大波高比對圖

圖6　3 m浮標和波浪騎士最大波周期比對圖

圖7　3 m浮標和波浪騎士有效波高比對圖

圖8　3 m浮標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統計

由統計結果可以看到，3 m浮標和波浪騎士最大波高相關系數達到0.96，均方根誤差為0.33 m，這與最大波高統計隨機性強有關；有效波高測量值均方根差值為0.13 m，相對誤差為6.0%，相關系數為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浮標準確度的技術指標即±（0.3+5%×測量值）范圍之內。

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

3　結論

比測結果表明：3 m浮標和波浪騎士波高測量值之間具有非常高的一致性，波高所對應的周期一致性也比較好，所測波向相關系數為0.77。

比測期間3 m浮標供電電源穩定，數據傳輸通暢，工作狀態正常，綜合比測前穩定性試驗結果表明，該試驗浮標系統運行穩定，測波傳感器測量性能可靠。

［1］張瑩.SZF型波浪浮標數據采集、處理與無線傳輸系統［D］.青島:中國海洋大學，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.海洋資料浮標觀測技術應用現狀及發展趨勢［J］.儀器儀表學報，2014，35（11）:2401-2414.

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

［6］陳天福.關于我國海洋資料浮標工程若干問題的探索［J］.海洋技術，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，主要從事海洋環境監測工作。

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