中国沿岸海洋站自动测波仪器测波特征分析

刘首华，范文静，王慧，刘克修，岳心阳

（国家海洋信息中心，天津300171）

中国沿岸海洋站自动测波仪器测波特征分析

刘首华，范文静，王慧，刘克修，岳心阳

（国家海洋信息中心，天津300171）

选取我国沿岸18个海洋观测站，对SBF3-1、SBF3-2、LPB1-2、SZF型自动测波仪器与目测、岸用测波仪两种非自动测波方式的海浪观测参数进行了比较分析。研究发现，与非自动测波方式相比，SBF3-1型浮标观测波高无明显变化，观测周期具有显著变大的特点；SBF3-2型浮标观测波高多数情况下具有变小的特点，观测周期保持不变或趋于变大；LPB1-2型声学测波仪观测波高有微弱变大的特点，观测周期无明显变化或微弱变大；SZF型浮标观测波高和观测周期既存在明显变大的情况，也存在明显变小或变化不明显的情况，无明显共性观测特点。

海浪；海浪观测；测波仪器；SBF；LPB；SZF

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。海浪与海洋安全密切相关，在海洋防灾减灾、海洋工程等领域都有着重要应用。早在第二次世界大战期间就有了针对海浪的定量化观测，Sverdrup等（1947）采用压力传感器和目测方式观测海浪序列，并引入了有效波高、周期等海浪统计参数（富永政英，1984）。20世纪60年代，重力加速度计在海浪观测中的使用推进了海浪观测的发展。1983年荷兰Datawell公司研发了可以观测波向的WAVECTM，使海浪观测更加全面（Kashino，2011）。近二十年来，海浪观测技术不断发展和进步，尤其是海洋遥感技术大幅度拓展了海浪观测能力。目前海浪观测仪器按工作原理可分为视距测式、测波杆式、压力式、声学式、重力式和遥感测波仪等类型。关于海浪观测国内外都有较为全面的介绍（左其华，2008；周庆伟等，2016；Swail et al，2009；Liu，2013）。

我国近海海浪业务化观测主要有近岸海洋站观测和近海锚系浮标观测两种方式，其中部分近岸海洋站观测始于20世纪60年代，已形成了长达50多年的观测序列。目前（截止2016年10月）国家海洋局在全国近岸设有55个海浪观测站点。各海洋站早期海浪观测以目测或岸用测波仪观测（统称为非自动观测方式）为主，近十年来逐步引入自动测波仪器替代非自动观测方式。自动测波仪器主要有小型重力浮标和声学测波仪两类，其中使用小型重力浮标的站点35个，使用声学测波仪的站点5个。自动观测替代非自动观测确保了数据的全天候获取，也节省了大量人力物力，但仪器的更换和替代容易引起数据均一性的改变，会对气候变化研究和海洋工程设计标准等产生一定的影响。为较为全面地了解自动测波仪器的海浪观测特点以及观测方式更换前后海浪观测数据的均一性和稳定性，现选取数据代表性较好的小长山（自动测波仪器型号：SBF3－1）、老虎滩（SBF3－1）、温州（SBF3－1）、秦皇岛（SBF3－2）、小麦岛（SBF3－2）、北隍城（SBF3－2）、成山头（SBF3－2）、龙口（SBF3－2）、滨海（SBF3－2）、葫芦岛（LPB1－2）、日照（LPB1－2）、塘沽（LPB1－2）、南麂（SZF）、大陈（SZF）、遮浪（SZF）、珠海（SZF）、东方（SZF）、莺歌海（SZF）共18个海洋观测站，其中使用SBF3型浮标仪器的站点9个，使用LPB型声学仪器的站点3个，使用SZF型浮标仪器的站点6个，通过比对自动观测方式与非自动观测方式的波高、周期观测结果来评估自动测波仪器的观测特点。

1 仪器介绍

（1）SBF3型波浪浮标（山东省科学院海洋仪器仪表研究所，2009a）

SBF3型波浪浮标主要用于观测波高和波向，分为SBF3－1型和SBF3－2型。两种型号浮标所载传感器基本一致，主要区别在于浮标外壳体的材料（孙金伟等，2012）。输出参数有：最大波高及对应周期，1/10波高及对应周期，有效波高及对应周期，平均波高及对应周期和主波向等。

SBF3型波浪浮标波高测量范围为0.2～25 m，准确度为±（0.1+5%H），H为实测波高。周期测量范围为2～30 s，测量准确度为±0.25 s，分辨率为0.1 s。波向测量范围为0～360°，测量准确度为±10°，分辨率为1°。可以看出SBF3型浮标的理论设计波高的最小测量值为0.2 m，周期的最小测量值为2 s，分辨率和准确度的技术指标均比较高。

（2）LPB1－2型声学测波仪（山东省科学院海洋仪器仪表研究所，2009b）

LPB1－2型声学测波仪是一种广泛应用于海洋、江河、湖泊等测量波浪和水位的自动测量系统，在海洋站、港口、航道安全、石油平台和台风浪预报等领域广泛使用。主要工作原理是由固定在海底的水声换能器向海面垂直发射一束超声脉冲，根据声波到达水面的时间不同反演波面变化情况。

LPB1－2型声学测波仪主要用于测量波高和波周期，不能观测波向。在技术指标上声学测波仪与SBF3型波浪浮标相差不大。波高测量范围为0～20 m，测量准确度≤±2%，分辨率为0.01 m。周期测量范围为大于等于2 s，测量准确度为±0.25 s。测量点水深要求为1.5～50 m。

（3）SZF型波浪浮标（唐原广等，2008）

SZF型波浪浮标的观测原理与SBF3型波浪浮标相同。主要依靠垂直加速度计和倾斜传感器来反演波高、周期和波向参数。在技术指标上SZF型波浪浮标与SBF3型波浪浮标稍有差异，但大体一致。波高测量范围为0.3～20 m，测量准确度为±（0.3+5%H），H为实测波高。周期测量范围为3～20 s，测量准确度为±0.5 s。波向测量范围为0～360°，测量准确度为±10°。

2 观测比对情况

海浪谱是描述海浪内部结构及研究海浪运动演化的重要物理量。目前国际定点海浪观测（如美国国家数据浮标中心NDBC）大部分都能反演出海浪谱数据，可以比较准确的了解海浪的频谱及能量传播特征。美国近岸技术联合会（Alliance for Coastal Technologies）提出了评估波浪传感器观测能力的“First－5”标准（Alliance for Coastal Technologies，2007，2012），“First－5”为波浪传感器观测的5个重要参数因子，涉及谱能量及低阶波谱因子。该标准目前是国际波浪传感器测波能力评估及不同测波仪器比对的主要依据。

受观测仪器及数据传输能力的限制，目前我国近岸海浪观测均以海浪统计参数为主，如最大波高、1/10波高、有效波高、平均波高、平均周期等。兼以早期非自动观测方式主要获取最大波高、1/10波高和平均周期3个参数，因此仅选取最大波高、1/10波高和平均周期3个海浪参数进行比对分析。在比对分析中，主要采用2种手段，一种是通过海浪参数月均值的时间变化曲线直观分析更换观测方式前后数据变化态势，另一种是通过计算更换观测方式前后海浪参数在各区间出现频率的大小分析数据的统计差别。

取各观测站2016年10月之前的数据进行分析（由于部分观测站后期观测方式或观测仪器又有变更，此种情况仅取二次变更之前数据分析），绘制了最大波高、1/10波高和平均周期的月均值时间变化曲线（由于非自动观测方式存在大量0值，其出现频率远超自动观测方式，为更合理的比较两种观测方式统计特征的区别，故舍弃0值）。另对启用自动测波仪前后的数据分别进行了统计，统计各级波高、周期的出现频率。波高区间取（0，6]或（0，8]，周期区间取（0，10]或（0，12]（波高超过6 m和周期超过10 s的样本所占比例极少，对统计影响可忽略不计）。

2.1 SBF3型仪器

2.1.1 SBF3－1

采用SFB3－1仪器观测的站点共有3个，分别是小长山、老虎滩和温州，下面重点介绍小长山海洋站情况。

小长山海洋站位于黄海北部。该站从1963年1月开始进行海浪观测，早期以非自动观测方式为主，后期使用SBF3－1型自动测波仪。从最大波高、1/10波高月均值时间变化曲线看（图1（a）、（c）），两者均值变化曲线特征相似。自动观测方式波高总体均值略小于非自动观测方式（相比2002年之前，2002－2006年时间段波高均值有明显变小趋势。周期与波高的大小变化一般具有强正相关性，但2002－2006年时间段的周期均值相比2002年之前无明显变化，因此该时间段的波高及周期均值变化特征有待深入分析）。

海浪参数虽然在局域时间内具有强随机性，但在长时间内具有统计稳定性。某固定站点海浪参数在周边地形地貌不变的情况下，其主要致变因子为海洋气候，统计特征变化也比较缓慢。基于此，将统计观测方式变更前后各级波高、周期的出现频率，比较两者的区别。常见的波高统计分布理论模型有线性窄谱下的瑞利分布（Longuet－Higgins，1965），非线性的韦布分布（Forristall，1978；吴克俭等，1996；徐德伦等，2011）等。两种分布方式的波高概率密度均在峰值右侧快速变小。从小长山统计结果看，各级波高的最大出现频率区间为0～0.5 m，且出现频率在该峰值右侧快速变小，与瑞利或韦布分布的分布形态相近（图1（b）、（d）；表1）。观测方式更换前后，各级最大波高、1/10波高的出现频率接近，且分布特征类似，这表明非自动观测方式与自动观测方式在波高观测上基本一致。

平均周期月均值的变化曲线在观测方式更换前后有明显区别（图1（e））。自动观测方式平均周期值明显高于非自动观测方式平均周期值。由于SBF3－1型仪器不能观测2 s以下周期（山东省科学院海洋仪器仪表研究所，2009a），可能导致其月均值及整体均值均高于非自动观测方式。从各级平均周期出现频率分布图看（图1（f）），两种观测方式的分布形态具有明显差别。自动观测方式各级周期的最高出现频率区间在3.5～4 s，非自动观测方式各级周期的最高出现频率区间在3～3.5 s，两者最高出现频率区间不一致，且自动观测方式在6 s以上大周期的出现频率明显高于非自动观测方式（图1（e）；表2）。非自动观测方式各级周期出现频率分布图更接近周期统计分布理论曲线形态（文圣常等，1984；黄培基等，1995）。

小长山平均周期月均值在仪器更换后明显变大，且各级周期出现频率分布形态具有较大区别，出现频率峰值对应区间有明显偏差，因此可以判定两种观测方式在周期观测上存在较大的区别。

采用同样的方式对老虎滩和温州海洋站的海浪观测情况进行了分析（表1，表2）。

老虎滩、温州海洋站分别位于黄海北部、东海西部，两站均在后期引入SBF3－1型自动测波仪。两观测站的两种观测方式的差别与小长山站的情况接近。

老虎滩海洋站两种观测方式各级最大波高、1/10波高出现频率统计特征接近（表1）。更换自动观测仪器后波高总体均值微弱变小，平均周期总体均值明显变大（表9）。各级平均周期出现频率差别较大，自动观测方式各级平均周期的高频率区集中在3.5～4.5 s，非自动观测方式各级平均周期的高频率区在2～3.5 s（表2）。

图1 小长山海洋站海浪参数统计分析结果

表1 非自动观测方式与SBF3-1仪器观测各级波高出现频率

表2 非自动观测方式与SBF3-1仪器观测各级平均周期出现频率

温州海洋站两种观测方式各级最大波高、1/10波高出现频率统计特征相似（表1）。更换自动观测仪器后最大波高总体均值微弱变小，1/10波高总体均值明显变大，平均周期总体均值明显变大（表9）。自动观测方式各级1/10波高高频率区在0.5～1 m，非自动观测方式在0～0.5 m（表2）。各级平均周期出现频率差别较大，自动观测方式各级平均周期的高频率区集中在4～5 s，非自动观测方式各级平均周期的高频率区在3.5～4.5 s（表2）。

图2 小麦岛海浪站海浪参数统计分析结果，具体说明同图1

表3 非自动观测方式与SBF3-2仪器观测各级波高出现频率

表4 非自动观测方式与SBF3-2仪器观测各级平均周期出现频率

2.1.2 SBF3－2

采用SFB3－2型仪器观测的站点共有6个，分别是秦皇岛、小麦岛、北隍城、成山头、龙口和滨海，下面重点介绍小麦岛海洋站情况。

小麦岛海洋站位于青岛胶州湾附近。该站从1960年1月开始进行海浪观测，早期以非自动观测方式为主，后期使用SBF3－2型自动测波仪。从最大波高、1/10波高月均值时间变化曲线看（图2（a）、（c）），两者均值变化曲线特征相似。1990－1993年及1996－1997年时间段波高月均值明显较大。从观测方式变更前后波高总体均值的变化来看，自动观测方式小于非自动观测方式。自动观测方式在0～0.5 m波级区间的出现频率高于非自动观测方式，在其他波级区间均低于非自动观测方式（图2（b）、（d）；表3）。

图3 小麦岛海洋站平均周期月均值功率谱分析结果

平均周期月均值的变化曲线在观测方式更换前后变化微弱（图2（e）），总体均值变化不明显。从各级平均周期出现频率分布图看（图2（f）），两种观测方式的分布形态在峰值区间右侧相似，在峰值区间左侧存在一定区别。两种观测方式各级周期的最高出现频率区间均在3.5～4 s。自动观测方式在出现频率峰值左侧的分布态势变化性强，小周期值出现频率明显小于非自动观测方式。对小麦岛两种不同观测方式的平均周期月均值分别作了功率谱分析（图3）。非自动观测方式（图3（a）、（b））的主要特征周期为12个月（1年）和317.5个月，且特点比较明显。317.5个月变化周期可能对应数据的低频漂移。年变化周期则对应中国近海季风影响。自动观测方式（图3（c））的主要特征周期为1年，也反映了中国近海海浪受季风影响的特点（孙湘平，2006；刘首华等，2015）。两种观测方式均能较好的体现海浪特征参数的季节性变化特征。

图4 日照海洋站海浪参数统计分析结果，具体说明同图1

从小麦岛站的分析结果看，与非自动观测方式相比，自动观测方式在波高观测上变化不大，有微弱变小趋势；在平均周期观测上，两者差别不大。

采用类似的方式对秦皇岛、北隍城、成山头、龙口和滨海海洋站的海浪观测情况进行了分析（表3，表4）。

秦皇岛海洋站两种观测方式各级最大波高、1/10波高出现频率统计特征有一定差别（表3）。自动观测方式在0～0.5 m波级区间的出现频率显著高于非自动观测方式，在其它波级区间均低于非自动观测方式，波高总体均值小于非自动观测方式（表9）。各级平均周期出现频率差别较大，自动观测方式各级平均周期的高频率区集中在3～4 s，非自动观测方式各级平均周期的高频率区在2～3.5 s（表4），自动观测方式平均周期总体均值明显较大（表9）。

北隍城海洋站自动观测方式在0～0.5 m波级区间的出现频率显著高于非自动观测方式，在其他波级区间均低于非自动观测方式（表3），波高总体均值小于非自动观测方式（表9）。两种观测方式各级平均周期的出现频率在峰值区间右侧变化相似，最高频率区间均在3～4.5 s。自动观测方式各级平均周期出现频率在峰值区间左侧快速变小，小周期出现频率明显低于非自动观测方式（表4）。

成山头海洋站自动观测方式在0～0.5 m波级区间的出现频率显著高于非自动观测方式，在其他波级区间均低于非自动观测方式（表3），波高总体均值小于非自动观测方式（表9）。自动观测方式各级平均周期的高频率区集中在3.5～5 s，非自动观测方式各级平均周期的高频率区在3～4.5 s，自动观测方式在小周期出现频率上明显低于非自动观测方式（表4）。自动观测方式平均周期总体均值稍高于非自动观测方式（表9）。

龙口海洋站自动观测方式在0～0.5 m波级区间的出现频率显著高于非自动观测方式（如自动观测方式最大波高出现频率为65.5%，非自动观测方式最大波高出现频率仅为27.3%），在其他波级区间出现频率均低于非自动观测方式（表3），波高总体均值小于非自动观测方式（表9）。两种观测方式各级平均周期的高频率区均集中在3～4.5 s，自动观测方式在小周期出现频率上明显低于非自动观测方式（表4）。

滨海海洋站两种观测方式在0～1 m波级区间总的出现频率相当。自动观测方式在1.5 m以上波级上出现频率稍高于非自动观测方式（表3）。各级平均周期出现频率差别较大，自动观测方式各级平均周期的高频率区集中在3～4.5 s，非自动观测方式各级平均周期的高频率区在2～3 s（表4），自动观测方式平均周期总体均值明显较大（表9）。

2.2 LPB1－2型仪器

采用LPB1－2型仪器观测的站点共有3个，分别是葫芦岛、日照和塘沽，下面重点介绍日照海洋站情况。

日照海洋站位于山东半岛西南部，面向黄海。该站从1960年8月开始进行海浪观测，早期以非自动观测方式为主，后期使用LPB1－2型自动测波仪。从最大波高、1/10波高月均值时间变化曲线看（图4（a）、（c）），两者均值变化曲线整体平稳，局部有较大变动，如1/10波高在1998年8月后数值出现较大程度下降，具体原因尚待深入分析。局部时间段数据变化从整个时间段来看属于正常扰动，因此不会对整体统计性质产生大的影响。从观测方式变更前后总体波高均值的变化来看，自动方式大于非自动观测方式。非自动观测方式在0～0.5 m波级区间的出现频率高于自动观测方式，在中间波级区间低于自动观测方式，在大波级区间（如2.5 m以上）又高于自动观测方式（图4（b）、（d）；表5）。

表5 非自动观测方式与LPB1-2仪器观测各级波高出现频率

表6 非自动观测方式与LPB1-2仪器观测各级平均周期出现频率

平均周期月均值的变化曲线形态在观测方式更换前后无明显变化（图4（e））。从各级平均周期出现频率分布图看（图4（f）），两种观测方式的分布形态在出现频率峰值区间右侧比较相似，高出现频率区间均在3～4.5 s。自动观测方式在出现频率峰值左侧的分布态势突变性强，小周期出现频率远小于非自动观测方式。日照站平均周期月均值在观测方式更换后变化微弱，且各级周期出现频率分布形态相对接近，出现频率峰值对应区间一致，因此可以判定两种观测方式在周期观测上基本一致。

采用类似的方式对葫芦岛和塘沽海洋站的海浪观测情况进行了分析（表5，表6）。

葫芦岛海洋站自动观测方式在0.5～1 m波级区间的出现频率高于非自动观测方式，在其它波级区间均低于非自动观测方式，自动观测方式波高总体均值高于非自动观测方式（表9）。自动观测方式各级平均周期的高频率区集中在3～3.5 s，非自动观测方式各级平均周期的高频率区在2.5～3.5 s（表6）。自动观测方式小周期出现频率明显低于非自动观测方式，平均周期总体均值明显较大（表9）。

塘沽海洋站非自动观测方式在0～0.5 m波级区间的出现频率高于自动观测方式，在中间波级区间低于自动观测方式，在大波级区间（如1.5 m以上）又高于自动观测方式（表5）。自动观测方式波高总体均值高于非自动观测方式（表9）。两种观测方式各级平均周期的出现频率分布特征差别较大（表6）。虽然高频率区间均在2.5～3.5 s，但两者最高频率差值较大。自动观测方式2.5 s以下周期出现频率接近0，而非自动观测方式为29.6%。

图5 南麂海洋站海浪参数统计分析结果，具体说明同图1

2.3 SZF型仪器

采用SZF仪器观测的站点共有6个，分别是南麂、大陈、遮浪、珠海、东方和莺歌海，下面重点介绍南麂海洋站情况。

南麂海洋站位于东海西部。该站从1960年1月开始进行海浪观测，早期以非自动观测方式为主，后期使用SZF型自动测波浮标。

从最大波高、1/10波高月均值时间变化曲线看（图5（a）、（c）），两者均有一定程度的上升趋势。自动观测方式在0～1.5 m波级区间的出现频率低于非自动观测方式，在其它波级区间出现频率均高于非自动观测方式（图5（b）、（d）；表7），波高总体均值明显大于非自动观测方式。

平均周期月均值的变化曲线在观测方式更换前后变化微弱（图5（e）），总体均值变化不明显。从各级平均周期出现频率分布图看（图5（f）），两种观测方式的分布形态相似，各级周期的高出现频率区间均在4～5.5 s。两种观测方式在小周期值和大周期值出现频率上都比较接近。

南麂站平均周期月均值在观测方式更换后变化微弱，且各级周期出现频率分布形态相对接近，出现频率峰值对应区间一致，因此可以判定两种观测方式在周期观测上基本一致。

采用类似的方式对大陈、遮浪、珠海、东方和莺歌海海洋站的海浪观测情况进行了分析（表7，表8）。

大陈海洋站非自动观测方式最大波高在0～1.5m波级区间的出现频率高于自动观测方式，在其它波级区间均低于自动观测方式（表7），波高总体均值小于自动观测方式（表9）。非自动观测方式1/10波高在0.5～2 m波级区间的出现频率高于自动观测方式，在其它波级区间出现频率均低于自动观测方式（表7）。各级平均周期出现频率差别较大，自动观测方式各级平均周期的高频率区集中在4～5.5 s，非自动观测方式各级平均周期的高频率区在5.5～6.5 s（表8）。自动观测方式平均周期总体均值明显较小（表9），在小周期的出现频率低于非自动观测方式。

表7 非自动观测方式与SZF仪器观测各级波高出现频率

表8 非自动观测方式与SZF仪器观测各级平均周期出现频率

遮浪海洋站非自动观测方式最大波高和1/10波高在0～1.0 m波级区间出现频率高于自动观测方式，在其它波级区间出现频率均低于自动观测方式（表7），波高总体均值低于自动观测方式（表9）。自动观测方式各级平均周期的高频率区集中在4～5 s，非自动观测方式各级平均周期的高频率区在4～4.5 s（表8）。自动观测方式在小周期的出现频率远低于非自动观测方式。

珠海海洋站自动观测方式最大波高和1/10波高在0～0.5 m波级区间的出现频率远高于非自动观测方式，在其它波级区间出现频率均低于非自动观测方式（表7），波高总体均值低于非自动观测方式（表9）。自动观测方式各级平均周期的高频率区集中在2.5～3 s，非自动观测方式各级平均周期的高频率区在4.5～5 s（表8）。自动观测方式平均周期整体均值低于非自动观测方式。

东方海洋站自动观测方式最大波高和1/10波高在0～0.5 m波级区间出现频率均高于非自动观测方式（表7）。两种观测方式各级平均周期的高频率区均集中在3～3.5 s，自动观测方式的小周期出现频率低于非自动观测方式（表8）。

莺歌海海洋站两种观测方式各级波高出现频率相对接近，非自动观测方式在0～1 m波级区间出现频率更高一些（表7）。两种观测方式各级平均周期的高频率区均集中在3.5～4 s，自动观测方式的小周期出现频率低于非自动观测方式（表8）。

虽然最近SZF仪器与MARKII波浪骑士的一些比对结果表明，SZF仪器与国外先进仪器在极端天气过程下的观测能力相当（刘建国等，2016），但是上面的分析显示中国沿海SZF浮标测波特征不规律，在不同站点测波参数统计特征具有较大差别。

表9 自动观测方式与非自动观测方式综合比对结果

2.4 结果

为说明非自动观测方式与自动观测方式的综合性区别，给出了如下简单量化准则判定观测波高和周期的变化情况。

第一种方式为定义不同观测方式总体均值变化情况：

定义两种观测方式变化量化值为Xvari，其中Automean为自动观测方式的整体均值，Visualmean为非自动观测方式的整体均值。

如果Xvari绝对值在[0，10%]区间，认为自动观测方式相对非自动观测方式无变化；如果在（10%，15%]区间，认为自动观测方式相对非自动观测方式有弱变化；如果绝对值大于15%，认为自动观测方式相对非自动观测方式有明显变化。

第二种方式为定义各级海浪参数高出现频率区间之间的差值Yvari（即为高出现频率区间的中值之差）：

如果Yvari绝对值在[0，0.5]区间，认为自动观测方式相对非自动观测方式无变化；如果在(0.5，1]区间，认为自动观测方式相对非自动观测方式有弱变化；如果绝对值大于1，认为自动观测方式相对非自动观测方式有明显变化。

取两种定义方式中变化性强的结果作为波高、周期变化的最终判定结果，给出如表9所示的综合比对结果。

图6 各站点自动观测方式与非自动观测方式海浪观测综合比对结果图

3 总结

通过对18个海洋站的海浪观测资料进行分析，比对了2种观测方式最大波高、1/10波高和平均周期3个参数的数据，给出了各个海洋站海浪在两种观测方式上的异同（表9，图6）。与非自动观测方式相比，自动测波方式观测波高显著变大的站点有1个，微弱变大的有3个，波高变大的站点所占比例为22%；波高显著变小的站点有6个，微弱变小的有1个，波高呈变小趋势的站点所占比例为39%；波高大小保持一致的站点共有7个，所占比例为39%。周期显著变大的站点共有6个，微弱变大的有2个，周期变大的站点所占比例为44%；周期明显变小的站点有2个，所占比例为11%；周期保持一致的站点共有8个，所占比例为44%。由于自动观测方式在小周期出现频率上一般低于非自动观测方式，大周期出现频率较高，因此自动测波方式的周期总体均值一般不低于非自动观测方式。

SBF3型仪器为重力加速度传感器测波仪器，在0～0.5 m小波高出现频率上一般大于非自动观测方式，在大波高出现频率上相对较低，从而造成了观测波高整体均值一般不大于非自动观测方式。同样该型仪器在小周期出现频率上一般小于非自动观测方式，造成了观测平均周期整体均值一般不小于非自动观测方式。SBF3－1型波浪浮标共有3个，与非自动观测方式相比，观测波高均为不变，观测周期均为显著变大；SBF3－2型波浪浮标共有6个，与非自动观测方式相比，观测波高显著变小的有4个，微弱变小的有1个，保持一致的有1个，观测周期显著变大的有2个，微弱变大的有1个，保持一致的有3个。

LPB1-2型测波仪在小波高和大波高出现频率上均小于非自动观测方式，在中间波高出现频率上大于非自动观测方式，在小周期出现频率上均小于非自动观测方式。LPB1-2型声学测波仪共有3个，与非自动观测方式相比，波高均呈微弱变大态势，周期微弱变大1个，保持一致的有2个。

SZF型仪器也为重力加速度传感器测波仪器，与非自动观测方式相比，其观测波高和周期共性特点不明显。SZF型波浪浮标个数为6个，与非自动观测方式相比，观测波高显著变大的有1个，显著变小的有2个，保持一致的有3个，观测周期显著变大的有1个，显著变小的有2个，保持一致的有3个。

由上可知，与非自动观测方式相比，SBF3-1型浮标观测波高保持不变，观测周期具有显著变大特点。SBF3-2型浮标观测波高大多情况下具有变小的特点，观测周期保持一致或趋于变大。LPB1-2型声学测波仪观测波高都有微弱变大特点，观测周期变化较微弱。SZF型浮标观测数据无明显共性变化规律。

波高和周期连续性和均一性的改变会对科学研究和海洋工程相关工作带来比较大的挑战。在气候变化研究中，数据的均一性对形成长期趋势判断具有至关重要的作用。在海洋工程应用领域，波高和周期极值及统计特征的大幅度改变会显著影响海洋工程设计标准。如波高的大幅度增加会显著提高海洋工程的设计标准。对于已经开工或建设完成的工程在进行设计标准复核时会产生工程设计标准需要大幅度提高的情况，对工程改进建设形成了比较大的挑战。

从分析结果可以看出，许多站点在实施自动观测后不仅观测值出现整体性的明显上升或下降，而且数据的统计规律也出现了较大的变化，且同一类型及不同类型的自动测波仪器的测波规律也呈现多样性。因此需付出较大努力对数据进行连续性和均一性的订正，使其符合科学研究和海洋工程应用的要求。

致谢：感谢刘世萱和张树刚对本文写作提供的帮助。

Alliance for Coa stal Technologies,2007.Wave sensor technologies.Proceedings of Alliance for Coastal Technologies Workshop,St.Petersburg,Florida,March 2007.

Alliance for Coastal Technologies,2012.Waves measurement systems test andevaluationprotocols.UniversityofMarylandCenterof Environmental Science,July 2012.

Forristall G Z,1978.On the statistical distribution of wave heights in a storm.J.Geophys.Res.,83(C5):2353-2358.

Kashino R,2011.Current state of wave measuring technology from buoys.Ocean Waves Workshop Proceedings of New Orleans,Nov.17,2011.

Liu P C,2013.Contemplating ocean wave measurements.Int.J.Geosci.,4:229-233,doi:10.4236/ijg.2013.41A019.

Longuet-Higgins M S,1975.On the joint distribution of the periods and amplitudes of sea waves.J.Geophys.Res.,80(18):2688-2694.

Sverdrup H U,Munk W H,1947.Wind sea and swell:theory of relations for forecasting.Hydrographic Office Publication.

Swail V,Jensen R,Lee B,et al,2009.Wave measurements,need and development for the next decade.Proceedings of OceanObs'09,Vol.2,Venice,September 2009,(Eds.:J.Hall,D.E.Harrison,and D.Stammer),ESA Publ.WPP-306,doi:10.5270/OceanObs09.cwp.87.

富永政英,1984.海洋波动.北京:科学出版社.

黄培基,陈雪英,胡泽建,1995.双峰谱型海浪的统计性质.海洋学报,17(6):1-8.

刘建国,周辉云,王晓亮,等,2016.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.海洋技术学报,35(3):74-77.

刘首华,杨忠良,岳心阳,等,2015.山东省周边海域波浪能资源评估.海洋学报,37(7):108-122.

山东省科学院海洋仪器仪表研究所,2009a.SBF3-1波浪浮标使用说明书.山东青岛.

山东省科学院海洋仪器仪表研究所,2009b.LPB1-2型声学测波仪使用说明书.山东青岛.

孙金伟,郑珊珊,范秀涛,等,2012.SBF3-2波浪浮标锚泊系统设计.山东科学,25(2):44-48.

孙湘平,2006.中国近海区域海洋.北京:海洋出版社.

唐原广,王金平,2008.SZF型波浪浮标系统.海洋技术学报,27(2):31-33.

文圣常,余宙文,1984.海浪理论与计算原理.北京:科学出版社.

吴克俭,孙孚,1996.最大熵原理与海浪波高的统计分布.海洋学报,18(3):21-26.

徐德伦,王莉萍,2011.海洋随机数据分析.北京:高等教育出版社.

周庆伟,张松,武贺,等,2016.海洋波浪观测技术综述.海洋测绘,36(2):39-44.

左其华,2008.现场波浪观测技术发展和应用.海洋工程,26(2):124-139.

Analysis of observational wave characteristics of automatic wave measuring instruments at China coastal stations

LIU Shou-hua,FAN Wen-jing,WANG Hui,LIU Ke-xiu,YUE Xin-yang

(National Marine Data and Information Service,Tianjin 300171,China)

By selecting 18 marine stations in offshore of China,intercomparison of wave data measured from visual instruments and automatic instruments were carried out.Compared with visual measurements,the mean wave heights of SBF3-1 are always similar with visual measuring wave heights.Nevertheless,the wave periods of SBF3-1 are always larger than visual measurements.In most cases,the mean wave heights of SBF3-2 are smaller than visual measurements,the wave periods of which are not less than visual measurements.The mean wave heights of LPB1-2 are slightly larger than visual measurements,the mean wave periods of which are consistent with visual measurements.There are no obvious common features for SZF.

ocean waves;wave measurement;wave instrument;SBF;LPB;SZF

P716+.22

A

1001－6932（2017）06-0618-13

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.06.003

2017-06-06；

2017-09-08

国家自然科学基金（41406032；41706020）。

刘首华，博士，副研究员。电子邮箱：huazai950@hotmail.com。

范文静，研究员。电子邮箱：13512936280@163.com。

袁泽轶）