浅谈波浪观测的方法与思考

浅谈波浪观测的方法与思考

陈三江

国家海洋局三沙海洋环境监测中心站，海南 海口 570311

摘 要：波浪观测是海洋观测的主要内容之一。随着海洋技术的进步，国内外对海洋要素的测量方法和手段日趋多样化。针对不同的观测方法，本文比较全面的总结了各观测方法的优缺点，并结合我国波浪观测技术现状提出几点思考。

关键词：波浪观测；方法；思考

引言

在众多的海洋观测要素中，波浪是最重要且最复杂的一种海洋水文要素，也是物理海洋学研究的重要内容之一，是海洋预报、海洋工程、防灾减灾、海洋权益维护和航海安全等领域重要的输入参数之一。我国是海洋大国、航海大国，拥有18000多千米的海岸线和将近300多万平方公里的蓝色国土。随着海洋经济的快速发展，人类的海上活动日益增多,世界各国开始重新认识海洋,加快了对海洋开发和利用的步伐。进入21世纪以来,世界各国都纷纷投入大量资金和人才加大对海洋的研究和开发。海洋发达国家都相继制定了新世纪海洋战略和实施计划，为了自身和共同的利益积极发展现代海洋监测技术。

1 波浪观测的意义

台风、风暴潮等自然灾害的出现势必会引起海上波浪参数的变化，海浪包含着巨大的能量,它能使船舶摇摆甚至造成沉船事故,它对海上作业危害很大,对海岸防护、港口码头等有很大的破坏作用,开展海洋波浪测量的研究与应用,可以有效监测海上的波浪信息,进行海况预报,从而有利于提高港口的灾害防范能力,有助于减少极端灾害条件下沿海港口的损失,为沿海港口、码头生产作业和人民生命财产的安全提供保障,为国家经济快速稳定增长创造条件,具有十分重要的意义。同时,它也可以用于波浪发电，由此可见,波浪观测与人们的生活是息息相关的,是非常必要的。^[1-2]

2 波浪测量方法及现状

海洋信息的获取依靠海洋监测。早期的波浪观测方法是目测法，用目视直接观测波浪波高、周期等信息^[3]。随着海洋技术的发展和测量技术的进步，各种前沿观测方法和尖端设备应运而生，观测仪器种类的日趋多样标志着波浪观测逐渐进入了一个新的阶段。目前常见的波浪观测仪器有资料浮标、水压式波浪计、重力式测波仪、遥感测波仪以及声学式测波仪等。其中，重力式测波仪是目前较通用的一种测波仪器，在我国也是使用最多的一种测波仪器^[4]。

这些测波方法根据不同的制作原理和特点都有自身的适用性和局限性，如目测法和光学测波仪测波都带有较强的主观性，对观测人员要求较高，而且不能在夜晚和恶劣天气的条件下进行连续观测；测波杆具有分辨率高、相应快、费用低、易于装配等优点，但是需要安装在海中的固定平台或者岸边固定设施上，且受客观环境影响较大，这就注定其发展空间有限；压力式测波测量原理较为简单、长周期波精度较好，但随着水深增加和波浪波长的减小，而成指数次衰减的特性决定其只能布放在水深相对较浅区域；声学测波法测量准确度高、操作简单的特点，但是同样面临着压力式测波仪适用范围的限制，即投放水深不能过深；气介式声学测波法相对于坐底式声学测波仪更易安装、操作和维护，观测方便，可实现定时自动测量并实时分析数据，但是需要和测波杆类似的安装环境，即安装海岸和固定平台上；重力式测波（浮标式测波）具有测量实时、长期、连续、准确性高、操作简单、易于维护、通信方式灵活等优点，但是对高频波浪响应较差，投放、回收难度大，费用较高，仪器易丢失；激光式测波具有测距准确度高、不受黑夜天气影响、可连续记录波浪变化信息的特点，但受高温、高盐、高湿度及台风等灾害性天气影响较大；雷达式测波可以分为X波段雷达、高频地波雷达和合成孔径雷达，以配置窄波束雷达相控阵式天线的地波雷达为例，具有测量海洋要素多、测量准确度较高、空间分辨率较高、可船载测量等特点，但占地面积较大、移动困难、造价较高，而且相控阵天线易受到台风等恶劣天气的破坏；卫星高度计测波具有覆盖面积大、测量历时长、观测要素多的特点，但存在空间分辨率低、测量准确度低、时间频度低等缺点；航空摄影式测波在有雾、云和黑夜条件下无法实施观测，并且成本较高目前应用较少^[3，5-6]。

目前国内外经常使用的波浪浮标大多是基于加速度传感器和GPS传感器的波浪浮标^[7]。波浪浮标是一种小型浮标测量系统，无人值守，可以长期、自动、定点、定时、全天候的对海浪高度、波浪传播方向、波浪周期、功率谱和方向谱等水文要素进行遥测。波浪浮标在海洋的任何气象和海域情况下都可以采集海洋环境不同的水文要素信息，因此浮标经常被海洋工作者们比喻成为“海洋自动观测站”^[8]。

3我国波浪观测存在的问题及思考

我国的海洋科学研究起步较晚，虽然经过海洋战线几代人的不懈奋斗，波浪测量技术取得了长足的进步，但是在波浪观测技术、监测产品等方面，与海洋发达国家相比仍然存在着一定的差距，还难以满足国家发展的需求。结合我国波浪观测技术发展现状和未来发展的需求提出几点建议。

3.1 重视教育，培养海洋人才

尽管海洋观测系统向着高效率、全覆盖、数字化、全球化、网络化的方向发展，但其核心仍是人才。海洋教育已成为很多国家和地区海洋发展战略的重要组成部分，因此我国应将海洋教育作为海洋观测发展战略的一部分。在正规教育方面应以大中小学，特别是内陆非沿海城市的中小学教育作为海洋教育的主体，对海洋知识进行普及，规划开设相应的海洋课程并采取一定的政策、资金等激励措施，鼓励政府、教育、科研和业务化等部门多方参与。在非正规教育方面应采取全民参与和终身教育的战略，扩大海洋知识宣传的形式和力度，提高全社会的海洋知识整体水平，让海洋观测的重要性在全民的观念中根深蒂固，间接加速海洋观测仪器设备的产业化和不断创新^[9]。

3.2加强产品质量控制和新技术在波浪测量上的应用融合

从我国自主生产的波浪测量仪器设备与国外生产的波浪测量仪器设备对比中,不难看出,经过几十年的努力,我国的波浪浮标技术水平同世界先进水平已经很接近,但是还有一定的差距。就某一项指标而言,某些国产仪器设备的技术水平已达到世界先进水平,但在综合质量和整体技术水平上还存在一定差距。因此，加强新技术、新科技、新材料在波浪测量上的融合应用,同时注重产品质量和生产工艺,才能逐渐缩短与国外的差距。

3.3在政策上大力支持、扶持国产设备的研发和使用

我国的岛屿和港湾众多,观测设备的需求空间很大。发展具有我国自主知识产权的器件和设备是加强海洋建设的一项重要任务。多年以来,我国的测波仪器设备大部分依靠进口,进口仪器设备在一定程度上解决了观测设备的不足和急需,从技术上提供了参考和借鉴,对我国测波仪器设备的发展起到一定的作用。但是,进口设备在使用上存在许多的问题，并随着时间的推移被逐渐显现出来：第一,进口设备的价格比国产设备的价格昂贵，在目前海洋事业经费有限的情况下,价格的昂贵必然限制数量的发展；第二,进口设备受运输、手续等因素影响,订购周期长,影响使用；第三,进口设备在维修上有很多不便,若聘请外国专家来维修,时间长,费用高,不能在短时间内恢复使用；鉴于上述几点原因,进口波浪浮标不宜作为主要观测设备在大范围内使用。目前,国产设备在技术上已趋于成熟,且价格便宜,维修方便,在使用的过程中可以不断升级、改进,因此,在政策上应大力支持、扶持国产设备的发展和使用。

4结束语

海洋波浪测量方法和手段日趋多样化，涉及学科众多，如材料科学、微机电、物理、无线电等，从材料、设计、加工、传感到控制、应用均需进一步深入研究。本文根据各海浪测量方法的原理和特点分析其优缺点，着重分析了其中几种测量方法的技术难点，最后结合我国近海岸海浪的特点使用具有我国自主知识产权的器件设备来研发具有中国特色的波浪测量系统是我们科技工作者不断努力的方向。

参考文献：

1. 张莹.SZF型波浪浮标数据采集、处理与无线传输系统[D].中国海洋大学,2010.

[2]侯小康.基于RTK技术的海洋波浪测量系统研究[D].天津理工大学,2018.

[3]章家保,蔡辉,陈加银等.当前海洋波浪测量的技术特点和实测分析[J].海洋技术学报,2015,34(4):33-37.