论文专区▏海洋波浪观测技术综述
【编者按】波浪观测是海洋观测的主要内容之一。其观测手段众多，主要有人工测波、仪器测波和遥感反演测波等方式。观测者需要根据实际情况选择适合的观测方法才能获得理想的观测资料。本文将从实际应用出发对这些测波方法的原理、特点和典型设备等进行介绍，在此基础上对比各自的性能参数，分析优缺点和在应用中常见的问题，并针对这些问题提出几点建议：需要加紧研制观测仪器和配套设施，完善相关标准，并制定观测设备安全保护机制，以提高国内波浪观测的技术水平。本文发表在《海洋测绘》2016年第2期上，现编发给朋友们阅读了解。周庆伟，男，1981出生，山东菏泽人，工程师，国家海洋技术中心，主要从事海洋调查和海域使用勘测研究。
文/周庆伟 张松 武贺 汪小勇 杜敏 白杨 孟洁
波浪是海水运动的形式之一，是水质点周期振动引起的水面起伏现象。当水体受外力作用时水质点离开平衡位置往复运动，并向一定方向传播，此种运动被称为波动。海洋里的波动可根据其不同的性质以及特点进行分类：按水深与波长之比可分为短波和长波；按波形的传播分为行波和驻波；按波动发生的位置分为表面波、内波和边缘波；按成因分为风浪、涌浪、地震波和潮波等[1]。波浪是物理海洋学研究的重要内容之一，是海洋预报、防灾减灾、海洋工程和航海安全等领域重要的输入参数之一。
波浪观测手段多种多样，按照测量方法可以分为：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。国内很多学者都对这些观测手段的原理和国内外现状进行了研究[2,3]。
⒈ 人工测波
人工观测波浪是最为传统的波浪观测技术，采用秒表、望远镜等辅助器材，几乎全人工观测波浪要素。《海洋调查规范》和《海滨观测规范》中明确的规定了目测波高、波周期、波向和波型的方法。使用光学测波仪进行波浪观测实际上也是人工观测，主要由望远镜瞄准机构、俯仰微调机构、方位指示机构、调平机构和浮筒等组成。其原理是通过望远镜观测海上的浮筒，根据目镜上的刻度观测波浪特性。
人工波浪观测是20世纪波浪观测的主要手段之一，观测者经良好训练后获取的波浪数据具有较好可信度。但不管是纯人工目测波浪还是借助光学测波仪进行的波浪观测都受光照和恶劣天气影响，无法连续观测波浪，而且观测结果具有一定的主观性，存在一定的人为误差。随着海洋观测技术的发展，人工波浪测量将逐渐退出历史舞台，但人工观测仍可作为仪器测量的比对资料。
⒉ 仪器测波
⑴测波杆测波
测波杆也是一种传统波浪观测技术，主要有电阻式和电容式等不同类型。按其形式可分为测波杆式和垂线式，其基本原理是记录海平面变化时导线电阻或电容的变化量进行波浪测量。国家海洋技术中心研制的“水文遥测系统”中负责波浪观测的垂线测波仪就是电容垂线测波传感器[4]。
测波杆结构简单、分辨率高、响应快，能够连续观测波浪数据。但需要安装在岸壁或是水中固定构筑物上，无法应用于开阔水域的波浪观测，而且风浪产生的泡沫、海上漂浮的污物和传感器的腐蚀都会造成测量的误差，需要经常维护和标定。
⑵压力式测波
压力式测波仪是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。较早使用的压力传感器主要是弹簧式或气囊式，随着技术的发展目前主要使用测量准确度较高的压电传感器。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公司生产的浪潮仪和国产压力式波潮仪等[5]。
表面波的作用随深度衰减，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是很困难的问题[6]。压力式测波仪记录的转换以低阶浅水理论的结果为基础。在上世纪70年代应用过程中，不少研究者通过测量试验表明在有效波高＜4m时对转换公式稍加订正即可获得较好的观测数据[7]，但近四十年除了一些经验系数的变化外尚无新的转换理论出现，有关的研究文献也较少。
压力式测波仪安装在水下或海底，避免了海面大风浪对观测系统的破坏。可全天候、全天时连续观测。但常用于浅水区，一般只进行波高和波周期的观测，无法进行波向观测。并且受海水滤波作用的影响，波动压力沿水深衰减严重，不能准确的测量周期短、波高小的波浪数据，压力转换后得到的特征波高需要乘以1.0～1.52的系数才能与实测特征波高一致[2,8]。很多厂家给出的波高测量准确度都是在特定条件下测得的，或是只给出压力测量准确度，而不给出波高测量的准确度。要使压力式测波仪在测量中取得较好效果，在水运工程采用压力式测波技术时传感器的入水深度要不大于工程需量测的最小波周期对应波长的l/3；生产厂家建议传感器安装的位置是水下5m～15m。有学者对深海压力测波[7]和压力式测量短波[8]进行了研究，取得了较好的结果。
⑶声学式测波
声学测波仪可以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。国家海洋技术中心生产的SBA3-2型声学测波仪和山东省科学院海洋仪器仪表研究所生产的LPB1-2型岸用声学测波仪[9]就是一种坐底式声学测波仪。SBY2-1型声学式波浪仪[10]是气介式声学测波仪的一种。
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水下测波法中较为先进和常用的一种方式。如挪威Nortek公司生产的AWAC（AcousticWave and Current）坐底式ADCP和美国TRDI公司生产的声学多普勒海流剖面/波浪测量仪既是利用此种方法进行精确测量波浪的一种设备，可获得波浪频率谱和波浪方向谱[11]。
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。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。坐底式声学测波仪的工作水深一般为1.5m～50 m[12]。单一的坐底式声学测波仪仅能输出波高和波周期特征参数，而集成声学测波、声学多普勒测流和压力测波功能为一体的声学多普勒海流剖面/波浪测量仪能够输出波浪频谱和波向谱等参数。
气介式声学测波仪一般安装在海岸和固定平台上，需要探出一定距离以远离岸壁和障碍物。其测量准确度一般，但相对于坐底式声学测波仪更易安装、操作和维护，可实时分析数据。一般只能输出波高和波周期特征参数，波浪破碎而产生的飞溅以及大雨会对测量准确度造成较大的影响。
⑷重力式测波
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。根据安装的传感器不同可简单划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公司生产的波浪骑士和加拿大AXYS公司生产的测波浮标，国内也有多家科研院所研制此类型的浮标，如国家海洋技术中心[13]、中国海洋大学[14]和山东省科学院海洋仪器仪表研究所等。
重力加速度测波浮标是指安装在浮标内部的加速度传感器或重力传感器随着海面变化采集运动参数，进而计算出波浪特征参数。重力式浮标测波仪具有测量准确度高、操作简单、易于维护、通信方式灵活等优点，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。但也存在一些不足之处：通过锚系固定的浮标在强流和大风的影响下容易造成走锚或是浮标被压入水下，使用弹力锚系或是多段锚系与小浮球结合的方式也会影响浮标在海面的起伏运动，以影响测量准确度；恶劣海况发生时可能会导致锚系断裂、设备丢失；在特定波浪作用下浮标可能发生共振，降低波浪数据的质量；容易被过往的船只干扰和碰撞；内部的罗盘等传感器容易受到金属壳体的干扰。
GPS测波浮标测量原理是通过GPS接收机测量载波相位变化率而测定GPS信号的多普勒频偏，从而计算出GPS接收机的运动速度。国内很多研究者对GPS测波浮标进行了研究[15-17]，取得了显著地成果。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[18]。
另外，在船只左右两舷各安装一个加速度计和一个压力传感器进行波浪测量的方法也属于重力式波浪观测的一种，可称为船载重力测波法、船舷测波法或船载波浪测量法。船载重力测波法只需按要求对船只进行简单改装即可实现波浪观测，可以随时测量大洋的波浪，但须在停船或是航速不超过2kn时使用。长波测量效果较好，但是短波测量存在一定误差；而且需要在船上布置一些小孔进行波浪测量，这对船只安全有较大影响。有学者对基于DSP的加速度式船舶走航式波浪测量系统进行了有关研究[19]，但是国内应用此方法进行波浪观测较少。
⑸激光式测波
激光测波是利用激光测距原理测量波高、波周期参数，一般应用在岸基、石油平台和飞机上。美国Schwartz Electro Optics公司研制了用于石油平台上的激光海浪测量装置，国内也进行了船基激光法波浪测量仪器的研究[20]。激光测距技术成熟，具有测距准确度高、不受黑夜天气影响、可连续记录波浪变化信息的特点。但受台风、风暴潮、海冰等灾害性天气影响较大，长期观测时海上的高温、高湿和高盐环境对仪器光学传感器造成的影响也是必须考虑的因素。国内对于这种测量方式设备的研制和应用较少。
3 遥感反演测波
⑴雷达式测波
雷达测波的基本工作原理是：雷达发射机通过天线向空间某一方向辐射电磁波，遇到目标物后发生反射，该反射回波被接收处理，提取该物体的相关信息[21]。主要可以分为X波段雷达、高频地波雷达和合成孔径雷达（SAR）[22]。德国OceanWaves公司生产的波浪监测系统是国内应用较多的一种海浪与表层流监测系统。国内武汉七星电器有限公司正在进行X波段雷达的研发，目前已经经过海上试验比测。武汉大学研制的高频地波雷达已经应用在我国沿海的业务化监测中。
X波段雷达一般分为岸基和船基雷达，不仅可用于监视海上移动目标，而且也可以用来进行海浪和海流的测量，其原理是当X波段雷达波入射到海面时，那些与雷达波长相当的、由风引起的毛细波产生布拉格散射，同时又被较长的重力波调制，形成雷达回波[23]。X波段雷达工作频率一般为：8.20GH～12.50GH，主要由一台标准的X波段雷达、一台模拟数码转换设备、一台计算机和存储设备以及一套相应的数据处理软件组成。X波段雷达不管是岸基式还是船载式都可以有效获取附近几海里范围内的波浪信息，相对于其他形式的雷达安装较简单，但有效波高测量的准确度还较差[24]。
高频地波雷达也可分为岸基和船基雷达，工作频率一般为：3MHz～30MHz，高频地波雷达系统由四个分系统组成：发射系统、接收系统、信号处理系统以及辅助系统。测量范围较广，最大探测距离大约在15km～400km之间。配置窄波束雷达相控阵式天线的地波雷达具有测量海洋要素多、测量准确度较高、空间分辨率较高的特点，但要使用庞大的相控阵天线和较高的发射功率，因此占地面积较大、移动十分困难，雷达站造价较高，而且相控阵天线容易受到台风等恶劣天气的破坏。配置宽波束雷达单元鞭状天线的地波雷达具有移动性好、管理方便等的特点，但其角度分辨率和测量准确度却差于窄波束雷达。
SAR可以搭载卫星或航天器为平台进行观测，是一种高分辨率的脉冲-多普勒成像雷达，是一种主动式微波成像雷达，其分辨率为几米到几十米的数量级[25]。具有观测全球波浪方向谱的潜力，可提供波浪形态信息。然而，SAR图像推导波浪信息较为复杂，应用区域有限，测量准确度较差。
⑵卫星高度计测波
卫星高度计是利用卫星遥感技术进行测量海面高度、有效波高和海面风速等基本参数。我国发射的HY-2海洋卫星装有雷达高度计、微波辐射计和微波散射计，能够监测和探测海面高度、风速、浪场等环境参数[26]，HY-2A与Jason-2卫星的雷达高度计有效波高对比分析结果，有效波高的均方根误差为19cm[27]。
卫星高度计测波技术完全不同于传统的测量技术，具有覆盖面积大、测量历时长、观测要素多的特点，有的还有全天候测量的能力。利用卫星遥感技术来研究海洋气象、海洋环境生态、海洋表面动力成为国际上一种基本手段[28]。但存在卫星轨道较高和重复周期较长所导致的空间分辨率低、测量准确度低、时间频度低等缺点。
⑶摄影照相测波
摄影照相测波有航空摄影测波法和激光照相测波法等，是利用光学多普勒原理进行照相扫面再进行分析，目前其应用较少，本文不做过多介绍。国内还有使用安装在岸边或平台的定时或实时照相设备进行台风、风暴潮等灾害气象监控的方法，但主要是用于防灾减灾，一般只能做定性分析，还无法对波浪的特征进行常规观测。
波浪观测存在多种方式，在观测前观测者应对不同类型的波浪观测方法的原理、技术指标、优缺点等主要性能参数有所了解，根据实际用途选择一种或是多种观测手段。表1将对各观测技术的特点进行对比说明，以供参考。
表１ 波浪观测方法对比表
对表1的几点说明：
⑴表格中给出的主要参数对比是基于目前较常用、较先进仪器设备的性能指标。
⑵坐底式声学（单一）是指只依靠声学换能器进行测波的仪器；坐底式声学（集成）是指集成了声学测波、压力式测波和ADCP的测波仪器。
⑶观测准确度是指波高测量准确度，在《海洋调查规范》将波高测量准确度划分为两个级别，中本文划分三个级别，较高（±5%）、一般（±10%）和较差（±15%），此测量准确度是指在实验室环境下仪器所能达到的准确度。
⑷产生误差的原因主要包括四个方面：测量装置、环境影响、测量方法、人员。
⑸观测成本主要是指仪器设备，不包括观测岸基、平台、船只、飞机等载体的费用，也不包含观测时产生的人工、运输、场地和海底通讯电缆等费用。本文将观测成本分为三个等级：较低（10W以下）、一般（10W～50W）和昂贵（50W以上），该等级的划分是基于目前国内应用较广的仪器设备价格。
⑹在数据采集方式主要分为直读式和自记式，直读仪器是指能直接读出被测量值或是倍数值的仪器；自记仪器是指能将被测量值自动记录下来的仪器[29]。
⑺观测连续性是指受本身观测技术、光照条件和除海冰外的大风、大浪、风暴潮、雾霾等灾害性气象影响而造成观测资料数据连续性或完整性出现问题的程度。按数据连续性程度本文分三个等级，分别为：较好、一般和较差。
⒈ 观测设备和观测资料的安全
近海海洋地理环境复杂、渔业生产范围广、渔民对海洋调查设备保护意识淡薄等原因造成了很多观测设备的损坏甚至是丢失。短期的波浪观测并不能很好的说明观测海域波浪的特性，而长期观测又存在很大的安全风险，尤其是抛放的浮标或是下水设备很容易被破坏，严重时造成设备和资料的丢失。因此波浪观测设备的安全保障是项目实施前必须要考虑的因素。目前我国使用的很多观测设备都是依靠进口，不仅价格昂贵而且还存在资料安全问题，这也是使用者需要考虑的问题。
⒉ 观测仪器设备的检定/校准
为了保证观测数据的质量，仪器设备应送法定计量单位进行设备检定/校准，不能检定/校准的应按合法化的方法进行自校准或互校。据了解，目前只有重力加速度式的测波浮标可以检定，检定装置是采用双环式桁架结构，通过模拟波浪的运动形式进行检定波浪参数[30]，但不能完全反应浮标真正的随波性。而其他观测设备还没有法定计量单位能够检定/校准，如压力式测波仪、声学测波仪和雷达测波仪等。国家海洋技术中心利用“波浪与海流测量仪器测试装置”[31]对声学测波仪进行实验室水槽测试取得了较好的结果，可以为声学测波仪、压力式水位计、声学矢量海流计等仪器提供良好的测试条件，但该方法不能完全反映实际海洋中的波浪运动，不属于仪器检定装置，但为声学式测波仪和压力式测波仪的检定提供了一种思路。总的来说，国内在使用波浪观测设备前都是根据单位制定的方法进行自校准或互校，即将不同原理的测波设备进行比测，对比测结果进行趋势上的分析。现在国内较为认可的是以MARKⅢ波浪骑士为基准对其他观测设备进行比测测试。
⒊ 防腐蚀和防污损生物附着
安装在水下和水面的波浪观测仪器本身具有较好的防腐蚀性，但长期观测时海洋污损生物会附着在传感器或是换能器表面，从而影响测量准确度，减少设备的使用寿命，在使用时必须采取防护措施以减少影响，生产厂商一般会提供防护方案供使用者参考。固定仪器的支架或浮标的水下部分也面临着海水腐蚀和海洋污损生物附着的问题，在设计时必须考虑全面，不然可能会造成严重的后果，比如因固定仪器的紧固螺栓材料较差，长时间受海水腐蚀而失效，可能会造成观测设备倾斜甚至掉落；在使用声学释放器或是定时释放器进行回收坐底观测系统时附着的污损生物会卡住浮球等关键释放机构，造成系统回收困难甚至是丢失。目前一般采用较多的方法为：配套装置使用防腐蚀性好的不锈钢材料加工；安装牺牲阳极进行阴极关键位置保护；在装置表面喷涂防腐蚀漆料等。
⒋ 其他问题
在波浪观测时观测者还需要根据项目要求考虑以下几点问题：站位如何选择；辅助观测要素有哪些；数据怎样处理；是否需要使用波浪数值模型等。国内已有相关标准对以上问题做了一定的规定，本文不做过多说明。
⒈ 研制波浪观测仪器和配套设施
波浪观测仪器和配套设施是保证资料准确可靠的根本。我国九五期间重大项目“国家863计划”对很多仪器设备的研制都提供了较多的资金支持，已经研制出一些波浪观测设备的样机或产品，有些仪器已经到达了国际同等水平。但由于管理体制、工业基础、经费等诸多方面的原因，很多科研成果仍然停留在样机或试制品阶段，没有形成具有市场竞争力的高技术商品。对于这种现状我国应从建立海洋装备试验场[32]、优化科技力量整合优势资源、加大科技投入与加强人才培养、制定有利于海洋装备技术发展的各项政策[33]等方面着手加快国产波浪观测设备的产品化进程，突破国外技术壁垒，提高波浪观测技术水平，保障观测资料安全。
⒉ 制定和完善相关标准
标准是保证观测数据一致性、可溯源性的基础。虽然国内已经出台了一些观测波浪技术和设备的标准，但是并不全面，还有很多设备没有形成统一的标准，而针对仪器的计量检定规范更是少之又少。目前现有的标准已经很难满足波浪观测的任务要求。因此亟需加快观测技术、观测设备和检定方法的标准化工作，尽快形成一系列具有操作性和适用性的标准，规范使用方法、统一技术要求、提高观测质量，以满足不同服务的要求。
⒊ 完善观测设备安全保护机制
观测设备的安全保护机制是观测能够顺利进行的必要保障条件。我国近海每年都会有抛放的波浪浮标或水下观测设备被人为破坏的事件发生，究其根本是因为我国海洋发展战略不够完善；相关涉海管理部门“重治理，轻预防”；国民受传统思想影响对于海洋的开发、保护等认识落后。想要改变这种现状，一是提高国民对于海洋的认识，以教育宣传为本、以发展海洋文化为手段，逐步提高沿海居民素质、唤醒海洋保护意识；二是完善海洋观测仪器保护机制，扩大保护范围，明确管理归口单位和职责，规范安全保障措施，制定奖惩制度；三是从政治因素和立法技术角度考虑，结合国外海洋立法模式的经验，逐步制定相关海洋法，做到“有法可依、执法必严、违法必究”。
目前，波浪观测方式多种多样，主要有人工测波、仪器测波和遥感反演测波等方式。在海洋预报、海洋工程和防灾减灾等任务中主要使用声学测波和重力式测波浮标等仪器进行观测；人工观测作为辅助观测方式在海洋环境监测台站仍然是常规观测的内容之一；遥感反演测波将是今后波浪观测技术的主要发展方向。我国波浪观测的手段、技术装备和观测站点的布设数量都相对落后于国外海洋大国，需要加紧研制波浪观测仪器和配套设施，制定和完善相关标准以及完善观测设备安全保护机制等方面着手提高国内波浪观测的技术水平，为海洋事业的发展提供强大的助力。
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