波浪浮标数据比测评估

常怡婷，康建军，姚世强，邬海强，李林奇，邵 毅，吴亚楠

（国家海洋技术中心，天津 300112）

海浪是发生在海洋表面的动力现象，是人类最早关注和研究的海洋现象之一[1]。海浪的观测与研究，不仅与海洋国防安全密切相关，在海洋预报、防灾减灾、海上运输、海洋工程等领域都有着重要应用[2]。波浪观测仪器的稳定性、可靠性直接影响了观测数据的有效性、准确性和完整性，进而影响预报模式、科学研究和海洋海岸工程设计的科学性和合理性。为此，波浪观测仪器需进行室内实验室测试和室外海上测试，但目前进入海洋预报等业务化系统的波浪观测仪器一般只通过了实验室计量检定，缺乏室外海上测试评价，还需付出较大努力对数据连续性和一致性进行订正，使其符合海洋预报、科学研究和海洋工程应用的需求[3]。因此，开展波浪观测仪器比测试验测试具有重要的意义。

现场自动测波仪器主要有重力式测波浮标、GPS测波浮标及声学测波仪等。相对于其他观测仪器，浮标测波是通过记录浮标的随波运动反映水面的波动，因其机动性强、不受水深地域海况限制、结构坚固可做长期监测、费用相对较低等优点，是海洋波动观测的重要工具[4]。目前，我国大部分海洋站已具备海浪监测和预报能力[5]，用于业务化运行的现场自动测波仪器主要为重力式测波浮标、声学测波仪，其中使用小型重力浮标的站点35个，占比87.5%（截至2016年底）。为考核波浪浮标的稳定性、可靠性、环境适应性，考查观测数据的一致性、有效性和完整性，亟需开展波浪浮标实验室比测和海上比测，验证测量数据的准确性。

本文对国内主流波浪浮标与波浪骑士进行了实验室与海上实际海况的数据比测，利用测量结果分析了我国波浪浮标测量数据质量。

1 比测方案

所谓比测，是指在规定条件下，对相同准确度等级的同种计量基准、标准或工作计量器具之间的量值进行的比较。此次比测工作将分为实验室比测和海上比测两部分。

1.1 实验室比测

为了测量不同形式浮标在各个环境条件下的六自由度运动，本文设计实施了实验室比测方案。实验地点为交通运输部天津水运工程科学研究院（天科院）大比尺波浪水槽。水槽长456 m，宽5 m，试验段深8～12 m，其最大造波能力为3.5 m，造波周期2～10 s，最大造流能力20 m/s。本次试验设计水深7.0 m，采用上部放水5.0 m，底部挖坑2.0 m的方式进行试验，具体试验设计组次如表1所示。为验证浮标的稳定性，IC0.2-1.0-5和IC0.6-1.0-5为重复性试验，每组分别进行3次。

表1 不规则波+水流试验组次

参加实验室比测的浮标及传感器具体见表2。其中，水位传感器为天科院水槽配置的标准计量仪器。荷兰DATAWELL生产的波浪骑士是目前国际上公认测量波浪技术最成熟的波浪浮标，DWRMKIII为其代表性型号。

表2 实验室比测参试仪器

1.2 海上比测

在海上试验中，选择波浪骑士作为标准波浪比测仪器，与被比测波浪浮标布放在同一海上测量现场进行同步测量比测。实验地点为大万山岛南部海域，当地波浪代表性较好，水深28 m左右，底质较为平坦。结合水深地形和现场勘察情况，具体在大万山岛南部选择500 m×500 m的开阔海域作为比测试验区域。参与海上比测浮标及数据时段如表3所示。

表3 海上比测参试仪器及数据时段

1.3 比测仪器

1.3.1 DWR-MKIII型波浪浮标

该浮标利用悬浮于液体中的三轴加速度传感器测量波浪，经过滤波积分方法统计得到波浪的波高、波周期等特征值，并利用方向谱方法计算波浪主波向、谱峰周期等要素。

表4 DWR-MKIII型波浪浮标技术指标

1.3.2 SBF6-1型波浪浮标

该浮标是通过感应载体在水中的沉浮运动，测量载体的垂向加速度。经过二次数字积分和滤波等方法计算水体波高和波周期。同时，利用三维电子罗盘测量载体的倾斜和方向，结合波形数据，提取下跨零点处的载体倾斜方向，作为单个波的波向，并统计得到波浪特征值。该浮标为国家海洋技术中心自主研发的新一代重力式波浪浮标，具有重量轻、体积小、电量足、测量精度高、范围广、可以实现双向通讯等优点。

表5 SBF6-1型波浪浮标技术指标

1.3.3 SBF3-2型波浪浮标

该浮标采用重力方式测量波浪，利用浮标内置成正交指向的三轴加速度传感器，采用先进的数字积分算法，可真实反映出载体随海面波浪的升沉运动，并适用于多种类型浮标测量波向。

表6 SBF3-2型波浪浮标技术指标

1.3.4 SZF型波浪浮标

该浮标测量波高的垂直加速度计安装在垂直摆的摆盒内，提供“垂直运动”测量环境，采用重力加速度原理测量波高、波周期，并配合倾斜传感器进行波向测量。

表7 SZF型波浪浮标技术指标

1.3.5 SBF7-1型GPS测波浮标

不同于上述重力测波浮标，该浮标通过GPS采集浮标的运动状态来解算波浪的波高、波周期和波向。

表8 SBF7-1型波浪浮标技术指标

2 比测数据分析

2.1 实验室比测数据

2.1.1 DWR-MKIII型波浪浮标

DWR-MKIII型波浪浮标有效波高误差范围[-0.05 m，0]，有效波周期误差范围[-0.06 s，0.25 s]（图1、图2、表9），均在其标定误差范围内。最小误差为0，波高误差整体在0.01 m量级，波周期误差在0.1 s量级，该浮标的实验室测量效果较好。同时，重复性实验的结果变化不大，浮标的稳定性较高。

图1 DWR-MKIII型波浪浮标与标准数据有效波高对比图

图2 DWR-MKIII型波浪浮标与标准数据有效波周期对比图

表9 DWR-MKIII型波浪浮标不规则波比测数据

2.1.2 SBF6-1型波浪浮标

SBF6-1型波浪浮标有效波高误差范围[-0.08 m，0.02 m]，波周期的误差范围为[-0.07 s，0.25 s]（图3、图4、表10）。结合重复性实验结果，该浮标实验室测量数据准确性、稳定性几乎与波浪骑士相当。

表10 SBF6-1型波浪浮标不规则波比测数据

图3 SBF6-1型波浪浮标与标准数据有效波高对比图

图4 SBF6-1型波浪浮标与标准数据有效波周期对比图

2.2 海上比测数据

整体上看，5种浮标测量的有效波高、有效波周期变化趋势较为一致（图5）。DWR-MKIII型波浪浮标主波向没有整体规律，本文未做展示。

图5 各浮标有效波高和有效波周期变化曲线

比较各浮标与DWR-MKIII型波浪浮标的偏差（浮标测量数据DWR-MKIII数据）发现，SBF6-1型波浪浮标与SBF3-2型波浪浮标测量的有效波高数据与DWR-MKIII型波浪浮标数据较为一致，SBF7-1型波浪浮标、SZF型波浪浮标有效波高数据偏小；SBF6-1型波浪浮标与SBF3-2型波浪浮标有效波周期略小，SBF7-1型波浪浮标有效波周期数据偏大，SZF型波浪浮标对短周期波浪的测量值偏小，对长周期波浪测量值偏大。

2.2.1 SBF6-1型波浪浮标与DWR-MKIII型波浪浮标数据比测结果

SBF6-1型波浪浮标有效波高、波周期测量值比DWR-MKIII型波浪浮标测量值略有偏小。波高、波周期平均偏差-0.06 cm、-0.2 s，其偏差满足正态分布，峰值极值在[-0.08 m，0 m]、[-0.2 s，+0.1 s]范围内（图6），95%置信区间分别为[-0.23 m，+0.11 m]、[-0.97 s，+0.567 s]。波高、波周期均方根误差为0.108 m、0.440 s；相关系数分别为0.96、0.82。SBF6-1型波浪浮标测量数据准确性较高。

图6 SBF6-1型波浪浮标有效波高、波周期与DWR-MKIII型波浪浮标对比图

2.2.2 SBF3-2型波浪浮标与DWR-MKIII型波浪浮标数据比测结果

SBF3-2型波浪浮标有效波高、波周期测量值比DWR-MKIII型波浪浮标测量值略有偏小。波高、波周期平均偏差-0.05 m、-0.2 s，其偏差满足正态分布，峰值极值在[-0.08 m，0 m]、[-0.3 s，+0.2 s]范围内（图7），95%置信区间分别为[-0.25 m，0.15 m]、[-0.91 s，+0.52 s]。波高、波周期均方根误差0.113 m、0.416 s；相关系数分别为0.94、0.84。与SBF6-1型波浪浮标相比，波周期测量准确度更好，波高测量准确度略差于SBF6-1型波浪浮标。

图7 SBF3-2型波浪浮标有效波高、波周期与DWR-MKIII型波浪浮标对比图

2.2.3 SBF7-1型波浪浮标与DWR-MKIII型波浪浮标数据比测结果

SBF7-1型波浪浮标有效波高测量值比DWRMKIII型波浪浮标测量值偏小，有效波周期测量值偏大。波高、波周期平均偏差-0.12 m，0.26 s，其偏差满足正态分布，峰值极值在[-0.15 m，0 m]、[0 s，+0.4 s]范围内（图8），95%置信区间分别为[-0.34 m，+0.10 m]、[-0.50 s，+1.03 s]。波高、波周期均方根误差0.165 m、0.475 s，相关系数分别为0.94、0.75。波高波周期测量准确性低于前两种浮标。

图8 SBF7-1型波浪浮标有效波高、波周期与DWR-MKIII型波浪浮标对比图

2.2.4 SZF型波浪浮标与DWR-MKIII型波浪浮标数据比测结果

在测量时段内（后期浮标故障无法正常使用），SZF型波浪浮标有效波高、波周期测量值比DWRMKIII型波浪浮标测量值偏小。其偏差满足正态分布，峰值极值在[-0.1 m，0 m]，[-0.5 s，+0.4 s]范围内（图9），95%置信区间分别为[-0.27 m，+0.13 m]、[-1.36 s，+1.52 s]。

图9 SZF型波浪浮标有效波高、波周期与DWR-MKIII型波浪浮标对比图

2.3 数据分析

通过对国内外主流的波浪浮标实验室、实际海况海浪观测资料进行分析，对各浮标的有效波高和有效波周期进行了对比，给出了各浮标与标准数据间的差距。具体分析如下。

实验室比测中，DWR-MKIII与SBF6-1型波浪浮标数据与波浪槽内标准传感器数据误差较小，波高最大误差分别为5 cm、8 cm，最小误差仅为0、1 cm；波周期最大误差均为0.24 s，最小误差仅为0.02 s、0.01 s，全部在其标称的误差范围内，准确度较高。同时，在设计波高1 m、波周期5 s的重复性实验中，两种浮标的波高、波周期测量结果变化在3%、4%以内，系统稳定性较强。

实海况比测实验中，SBF6-1型、SBF3-2型波浪浮标波高、波周期较标准浮标（DWR-MKIII）略偏小。从波高的偏差分布来看，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这两种波浪浮标的随波性在大浪时不如标准浮标，两种浮标的随波性与锚系配置可能是将来浮标研制的重点。两种浮标相比，SBF6-1型波浪浮标波高测量偏差更集中于0，其均方根误差更小，与标准浮标的趋势变化更一致，测量效果更佳。两种浮标对于波周期小于5 s的波浪测量效果最佳，偏差多在0.1 s以内。两种浮标相比，SBF3-2型波浪浮标波周期测量偏差更集中于0，其均方根误差更小，与标准浮标的变化趋势更一致，测量效果更好。

SBF7-1型波浪浮标的波高误差较标准浮标偏小，且误差的分布随波高的增大有逐渐增大的趋势。其对波高的测量效果略差于SBF6-1型、SBF3-2型波浪浮标。其周期偏差大部分数据更集中于0，且测量0.5 m左右波浪的波周期偏差更小，但另有部分数据偏差较大，整体而言，造成其均方根误差增大，与标准数据一致性减弱。三种浮标中，SBF7-1型波浪浮标体积最小，相比其他两种浮标随波性更好，但正由于其体积小，大浪时，更容易被海浪淹没，其在大浪时误差较大的原因可能由于某些时段浮标没入水中，GPS数据接收不完整，影响计算结果导致数据出现偏差。

SBF6-1、SBF3-2、SBF7-1型波浪浮标均在小波浪时（波高小于0.4 m）的波周期偏差较大，分析偏差产生的原因可能是由于波高较小时，海况较为平静，波浪场空间分布有差异，浮标测得的波浪周期受到位置影响显著，由于两只波浪浮标并没有精确地位于同一点上，造成了波周期的数据偏差。现有的SZF型波浪浮标测量波周期无上述特点，其测量周期在小波浪时偏小，在大波浪时偏大。

3 结 论

通过对比分析国内外主流波浪浮标实验室、实际海况下海浪的观测资料，得到如下研究结论。

（1）参加实验室比测的DWR-MKIII与SBF6-1型波浪浮标数据准确性、系统稳定性相当。二者测量误差较小，波高在0.01 m量级，波周期在0.1 s量级。

（2）参加海上比测的浮标波高、波周期总体趋势一致。选取DWR-MKIII数据作为标准的统计分析表明，SBF6-1与SBF3-2型波浪浮标测量效果最好，波高、波周期均与标准数据最为一致，SBF6-1型波浪浮标的波高测量准确性更高，SBF3-2型的波周期测量准确性更高。波高偏差主要集中在8 cm以内，波周期偏差主要集中在0.4 s以内。

从分析结果看出，我国研发生产的波浪浮标在波高和波周期的测量效果上不逊色于国际上最著名的波浪骑士。实验室测量精度几乎与之相当，实际海况的测量一致性也较高。不足之处在于波浪谱等参数的缺失，这也是未来我国波浪浮标的发展方向之一。