SZF2-1A型多参数波浪试验浮标波浪要素海上比测试验与初步分析

刘建国，周辉云，王晓亮，2*，齐安翔，徐晶晶

（1.国家海洋局东海预报中心，上海　200081；2.中国海洋大学　环境科学与工程学院，山东　青岛　266100）

SZF2-1A型多参数波浪试验浮标波浪要素海上比测试验与初步分析

刘建国1，周辉云1，王晓亮1，2*，齐安翔1，徐晶晶1

（1.国家海洋局东海预报中心，上海200081；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100）

通过海上比测试验，对新研制的SZF2-1A型多参数波浪试验浮标系统的工作稳定性、波浪传感器测量准确性进行全面客观评价。采用MARKⅡ波浪骑士的测量数据作为参比，结果表明，试验浮标与波浪骑士所测数据具有良好的一致性：两种仪器间最大波高相关系数为0.96，均方根误差为0.33 m，有效波高相关系数为0.99，均方根误差为0.13 m，相对误差为6.0%，平均波高相关系数为0.98，均方根误差为0.088 m，相对误差为6.2%；两种仪器所测有效波高、平均波高对应周期的一致性比较好，相关系数分别达到0.86和0.87；两种仪器所测波向相关系数为0.77。总体上得出结论：试验浮标运行状态稳定，波浪传感器测量准确可靠。

SZF浮标；比测试验；相关性

海浪是发生在海洋表面的一种波动现象，也是海洋监测要素中最重要且最复杂的一种自然现象之一，在航海运输、渔业捕捞、矿物勘探、海洋能源、海洋工程和国防等诸多领域对于安全生产都产生重要影响。因此，准确地对海洋波浪进行观测和预报具有重要的现实意义和实际需求。而长期以来，我国近岸海域波浪观测站位偏少，获取手段单一，特别是在高海况情况下，数据获取困难，实测波浪数据远不能满足上述各应用领域的工作需求，而海洋浮标则可以很好地解决这个问题。

海洋浮标是一种无人值守的自动海洋观测站，可为海洋环境预报、海洋科学研究以及海洋资源的开发提供大量实时信息［1］。目前国外广泛使用的波浪浮标主要有荷兰datawell公司的波浪骑士［2］、加拿大AXYS公司的波浪浮标［3］等。

近年来，在国家海洋公益专项以及其它重要科研计划和专项任务的推动下，我国在浮标研制及使用方面获得了长足发展［4］，许多单位在以往工作基础上［5-6］不断改进浮标性能，研制新型浮标。本文的比测对象“SZF2-1A型多参数波浪浮标”（以下称“3 m浮标”）便是其中的代表之一。

然而，海洋浮标要求系统不间断地长年在恶劣的海洋环境中工作。所以，就要求系统必须具备高稳定性，包括系统长期运行不出故障或极少出故障，且测量数据的可信度要高。因此，在投入业务化运行前，为客观评价3 m浮标系统的稳定性及其测波性能，国家海洋局东海预报中心首先在上海芦潮港海域开展了为期10个月的浮标海上连续工作稳定性试验，而后选择在海况更加恶劣的象山海域，同波浪骑士进行了波浪要素比测试验。

本文介绍了3 m浮标与波浪骑士的比测方法，并对比测试验数据进行了一致性和相关性分析。旨在解决两个方面的问题：一是检验3 m浮标系统运行的稳定性，再就是验证浮标测波数据的可信度。

1　工作稳定性试验

于2011年5月—2012年2月将3 m浮标布放在上海临港新城东港区码头邻近海域，距芦潮港海洋站约1 nmile，站位经纬度为121°49.82′E、30° 49.57′N，水深10 m左右，布放时间10个月，期间历经201109号“梅花”超强台风（台风中心位置：125.6°E，43.8°N）。

2　波浪要素比测试验

2.1比测方法

2.1.1站位设置比测试验于2012年3月13日12:00-17日8:00在浙江象山海域进行，比测站位经纬度为122°16.93′E、28°52.64′N，位于渔山列岛东部海域2 nmile处（图1），距象山港30 nmile，水深37 m。该海域底质为淤泥质，主风向为东北、偏东和东南。浮标布放站位避开了渔船流网捕捞和航行主要通道。比测期间，13-15日为东到东南风风向，16-17日转为偏北风为主，海况3～5级。

图1　比测站位位置

2.1.2比测设备及技术指标比测试验对象为3 m浮标；作为基准的比测设备原则上选择在国内外使用率和知名度较高的波浪浮标，其相应参数测量范围与准确度通常要高于3 m浮标（至少等于），基于此，本次比测试验选择荷兰datavell公司生产的MARKⅡ波浪骑士。仪器指标参见表1。

表1　比测仪器及技术指标

2.1.3比测设备布放方式3 m浮标的锚系采用组合式，自上而下分别由锚链、托底锚链和浇铸水泥块3部分构成。为避免锚链自重对浮标随波性的影响，在锚链的适当位置加装具备一定浮力的浮球，将锚链拉起。

由于海洋环境中的风、浪、流对系泊中的3 m浮标和波浪骑士的作用，如果两者之间的系缆类型和长度选定不当，很可能影响仪器随波性，甚至造成相撞。本比测中波浪骑士通过20 m零浮力缆绳系泊于3 m浮标（图2～图3）。

2.2数据处理与统计

2.2.1数据来源波浪骑士于每小时整点获取1组数据，包括该时次最大波高及周期、平均波高及周期、1/10波高及周期、有效波高（1/3波高）及周期和波向等参数，3 m浮标每30 min输出一次数据，因此比较分析时，选取其整点输出数据与波浪骑士测量数据进行比对（表2）。

3 m浮标比测数据均经过审核，其中3月13日17:00点有效波高达到4 m，高于前后时刻的有效波高0.77 m和0.78 m，明显异常，在分析过程中作为异常值予以剔除。

图2　3 m浮标与波浪骑士比测图

图3　3 m浮标与波浪骑士布放示意图

表2　比测数据

2.2.2统计方法比测时，波浪要素为最大波高及周期、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。比测分析统计参数有相对误差、均方根差值、相关系数等。

式中：xi表示3 m浮标测量结果；yi为比测值，即波浪骑士测量结果；n为样本个数。

相对误差反映了3 m浮标与波浪骑士测量值差别程度的大小；均方根差值反映3 m浮标测量值偏离比测值程度的大小，均方根差值越小，说明3 m浮标测量值与比测值吻合程度越好，反之越差；相关系数是表明3 m浮标测量值和比测值变化关联程度的系数，其值在0～1之间，表明两值呈正相关关系，值越大，相关性越好，其值在0～-1之间，表明两值呈负相关关系，值越小，负相关性越好，0表示两值没有任何相关性。

2.3结果与分析

2.3.1稳定性试验分析从海上试验的情况和获得的连续资料分析，3 m浮标各项工作性能稳定、可靠，给出了与安装在固定平台上的CZY1型自动化观测系统相似的波浪数据。这期间的8月5日-9日，1109号超强台风“梅花”影响东海海域，3 m浮标风、浪实测值同步反映了“梅花”台风影响该海域的风浪变化过程（图4），实测整点最大风速为16.6 m/s（极大风速为22.7 m/s），最大波高为2.08 m。

2.3.2波浪比测结果分析3 m浮标观测的最大波高、有效波高及对应的周期、波向等波浪要素与波浪骑士比对分析结果如图5～图8，相关参数统计分析结果见表3。

图4　梅花台风期间3 m多参数波浪浮标风浪实况图

图5　3 m浮标和波浪骑士最大波高比对图

图6　3 m浮标和波浪骑士最大波周期比对图

图7　3 m浮标和波浪骑士有效波高比对图

图8　3 m浮标和波浪骑士有效波周期比对图

表3　象山海域波浪比对参数统计

由统计结果可以看到，3 m浮标和波浪骑士最大波高相关系数达到0.96，均方根误差为0.33 m，这与最大波高统计随机性强有关；有效波高测量值均方根差值为0.13 m，相对误差为6.0%，相关系数为0.99，两测量值之间具有非常高的吻合程度，从图7可以看出，3 m浮标测量的波高比波浪骑士略小，但两者之间的差值均在3 m浮标准确度的技术指标即±（0.3+5%×测量值）范围之内。

比测结果显示，两组仪器所测有效波高周期均方根差值为0.56 s，相关系数为0.86，一致性比较好。波向相关系数为0.77，比波高和周期略差。

3　结论

比测结果表明：3 m浮标和波浪骑士波高测量值之间具有非常高的一致性，波高所对应的周期一致性也比较好，所测波向相关系数为0.77。

比测期间3 m浮标供电电源稳定，数据传输通畅，工作状态正常，综合比测前稳定性试验结果表明，该试验浮标系统运行稳定，测波传感器测量性能可靠。

［1］张莹.SZF型波浪浮标数据采集、处理与无线传输系统［D］.青岛:中国海洋大学，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，刘世萱，等.海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势［J］.仪器仪表学报，2014，35（11）:2401-2414.

［5］唐原广，周金元，李思维.3m多参数波浪浮标的研制［J］.气象水文海洋仪器，2013，2:2-5.

［6］陈天福.关于我国海洋资料浮标工程若干问题的探索［J］.海洋技术，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

刘建国（1983-），男，工程师，主要从事海洋环境监测工作。

王晓亮（1977-），男，高级工程师，主要从事海洋环境观测与监测工作。E-mail:wangxiaoliang@eastsea.gov.cn