陳三江，陳 坤,3*，賀仕昌，梁海燕，車志偉，陳巧弟，王浩展，陳川波

（1.國家海洋局三沙海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，海南 海口 570311；2. 國家海洋局海口海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，海南 ?？?570311；3. 自然資源部海洋環(huán)境探測技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510310）

波浪觀測是海洋觀測的主要內(nèi)容之一[1]。我國是海洋大國、航海大國，有著300多萬km2的藍(lán)色國土。隨著海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海上活動(dòng)日益增多，人們開始重新認(rèn)識(shí)海洋，隨之對(duì)水文觀測預(yù)報(bào)及其規(guī)律認(rèn)知的需求也越來越迫切，尤其是波浪觀測預(yù)報(bào)及其規(guī)律特征的研究。

海洋監(jiān)測是認(rèn)識(shí)海洋、研究海洋、開發(fā)利用海洋的基礎(chǔ)。波浪蘊(yùn)含著巨大的能量，它能使船舶傾覆，對(duì)海上作業(yè)危害很大，對(duì)海岸防護(hù)、港口碼頭等有很大的破壞作用[2]；波浪是近海水體運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿χ?，影響近岸沉積物的運(yùn)輸，侵蝕海岸，進(jìn)一步造成海灘后退、地勢較低的地區(qū)被淹沒，并引起海水倒灌以及地面下沉[3]，對(duì)海岸設(shè)施安全構(gòu)成了極大的威脅；同時(shí)河口鹽度提高，加快土壤鹽漬化，導(dǎo)致近岸生態(tài)環(huán)境受到破壞[4]，使沿海地區(qū)的農(nóng)業(yè)受到影響。而一些極端的天氣現(xiàn)象如臺(tái)風(fēng)引發(fā)的巨浪狂濤等則會(huì)造成人員傷亡與巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

波浪是海水運(yùn)動(dòng)的形式之一，是水質(zhì)點(diǎn)周期振動(dòng)引起的水面起伏現(xiàn)象。當(dāng)水體受外力作用時(shí)水質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并向一定方向傳播，此種運(yùn)動(dòng)被稱為波動(dòng)。海洋里的波動(dòng)可根據(jù)其不同的性質(zhì)及特點(diǎn)進(jìn)行分類：按水深與波長之比可分為短波和長波；按波形的傳播分為行波和駐波；按波動(dòng)發(fā)生的位置分為表面波、內(nèi)波和邊緣波；按成因分為風(fēng)浪、涌浪、地震波和潮波等[5]。在眾多的海洋觀測要素中，波浪是最重要且最復(fù)雜的一種海洋水文要素，也是物理海洋學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，是海洋預(yù)報(bào)、海洋工程建設(shè)、防災(zāi)減災(zāi)、海洋權(quán)益維護(hù)和航海安全等領(lǐng)域重要的輸入?yún)?shù)之一。

1 波浪簡述

1. 1 波浪要素

波浪的大小和形狀是用波浪要素來說明的。波浪的基本要素有：波峰、波頂、波谷、波底、波高、波長、周期、波速、波向線和波峰線等。波峰是波浪周期性運(yùn)動(dòng)的高處部分，其最高處稱為波頂；波谷是波浪周期性運(yùn)動(dòng)的低處部分，其最低處稱為波底；波高是波峰到波谷之間的垂直距離，波高的單位為m，波高的準(zhǔn)確度等級(jí)分為兩級(jí)：一級(jí)最大允許誤差為觀測值的±10%，二級(jí)最大允許誤差為觀測值的±15%；波長是兩個(gè)波峰之間的水平距離，波周期的單位為s，波周期的最大允許誤差±0.5 s；波向的單位為（°），波向的準(zhǔn)確度等級(jí)分為兩級(jí)：一級(jí)最大允許誤差為±5°，二級(jí)最大允許誤差為±10°。波向又稱浪向，是指波浪傳來的方向，通常分16個(gè)方位，分別以符號(hào)N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNW表示，與氣象上表示風(fēng)向方位的符號(hào)有相同的意義[6]。

1. 2 波型分類

風(fēng)浪（Wind Wave，F(xiàn)）：受風(fēng)力的直接作用，波峰較尖，波峰線較短，背風(fēng)面比向風(fēng)面陡，波峰上常有浪花和飛沫。涌浪（Swell，U）：受慣性力作用傳播，外形圓滑，波峰線較長，波向明顯，波陡較小?；旌侠耍∕ixed Wave，F(xiàn)U）按主導(dǎo)地位分3類：（1）FU風(fēng)浪涌浪同時(shí)存在，風(fēng)浪波高和涌浪波高相差不大；（2）F/U風(fēng)浪涌浪同時(shí)存在，風(fēng)浪波高明顯大于涌浪波高；（3）U/F風(fēng)浪涌浪同時(shí)存在，風(fēng)浪波高明顯小于涌浪波高。

2 鶯歌海洋站波浪特征分析

2. 1 研究背景意義

鶯歌海站是我國建站較早的海洋觀測站，是海南省主要的海洋觀測站之一。鶯歌海洋站位于海南省樂東縣鶯歌海鎮(zhèn)鶯歌咀附近。西、南面環(huán)海，面臨北部灣，與越南隔海相望，北靠我國南方最大的海鹽生產(chǎn)基地——鶯歌海鹽場，如圖1所示。鶯歌海地處低緯度，屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，該海區(qū)受季風(fēng)氣候的影響，近海海浪具有明顯的季節(jié)性變化特征。鶯歌海站波浪自動(dòng)化觀測設(shè)備是SZF型波浪浮標(biāo)、該浮標(biāo)布放在觀測場地SW方向，距離觀測場地約1 km。SZF型浮標(biāo)采用重力加速度原理進(jìn)行波浪測量，利用波高傾斜一體化傳感器和方位傳感器得到波高、周期、波向等參數(shù)；采樣長度：每個(gè)測量參數(shù)每次的采樣長度均為2 048個(gè)點(diǎn)；測量波高范圍為0.3 ～20 m的波浪，誤差小于10%；波浪周期的測量范圍為2 s到20 s，誤差為0.5 s；采樣間隔可調(diào)0.25 s，0.5 s，0.125 s等[2]；工作方式設(shè)定為采樣間隔0.5 s，定時(shí)3 h。本文對(duì)鶯歌海站建站以來的一線觀測原始數(shù)據(jù)（2002年5月之前為人工觀測，2002年5月之后為波浪浮標(biāo)自動(dòng)化觀測）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、研究，了解其規(guī)律特征，為鶯歌海附近海域波浪的預(yù)報(bào)提供參考，為國家掌握該區(qū)域的水文氣象特征提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

圖1 鶯歌海站位置示意圖

該區(qū)域經(jīng)常遭受臺(tái)風(fēng)等海洋災(zāi)害的影響，尤其隨著海洋開發(fā)活動(dòng)的日趨頻繁，影響也愈發(fā)嚴(yán)重。為了能夠更好地掌握該海區(qū)的海洋環(huán)境特性，提高海區(qū)波浪預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和海洋災(zāi)害預(yù)警能力，加強(qiáng)海洋監(jiān)測，研究瓊西南海域海浪的變化規(guī)律就顯得十分必要。波浪觀測數(shù)據(jù)的分析研究是海洋水文工作的基礎(chǔ)，對(duì)于掌握波浪特征，了解海洋水文環(huán)境，提高沿海人民及港口的災(zāi)害防范能力，減少極端災(zāi)害對(duì)海洋工程、漁業(yè)生產(chǎn)、海洋運(yùn)輸、沿海港口的損失，保障沿海港口、碼頭生產(chǎn)作業(yè)和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，促進(jìn)海洋漁業(yè)發(fā)展和海洋環(huán)境保護(hù)方面具有現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，海浪蘊(yùn)含巨大能量，可以用于波浪發(fā)電。由此可見，研究掌握波浪規(guī)律特征意義重大。

2. 2 波浪測量系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

早期的波浪觀測方法是目測法，用目視直接觀測波浪波高、周期等信息[7]。隨著海洋技術(shù)的發(fā)展和測量技術(shù)的進(jìn)步，各種前沿觀測方法和尖端設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，觀測儀器種類的日趨多樣標(biāo)志著波浪觀測逐漸進(jìn)入了一個(gè)新的階段。目前常見的波浪觀測儀器有資料浮標(biāo)、水壓式波浪計(jì)、重力式測波儀、遙感測波儀以及聲學(xué)式測波儀等。其中，重力式測波儀是目前較通用的一種測波儀器，在我國也是使用最多的一種測波儀器[8]。各種不同的測波儀器按照測量方法可分為：人工觀測法、儀器測量法和遙感反演法[1]。

目前國內(nèi)外經(jīng)常使用的波浪浮標(biāo)大多是基于加速度傳感器和GPS傳感器的波浪浮標(biāo)[9]。波浪浮標(biāo)在海洋的任何氣象和海域情況下都可以采集海洋環(huán)境不同的水文要素信息，因此浮標(biāo)經(jīng)常被海洋工作者們喻為“海洋自動(dòng)觀測站”[10]。

2.2.1 國外測波系統(tǒng)現(xiàn)狀 發(fā)達(dá)國家的海洋監(jiān)測歷史長達(dá)百年以上。當(dāng)前全球領(lǐng)先水平的測波儀器有：SBE26型壓力式測波儀、RADAC WAVE GUIDE型遙測式測波儀、挪威 Nortek公司 的AWAC（Acoustic Wave and Current）坐 底式ADCP[7]、波浪浮標(biāo)有加拿大AXYS公司的TRIAXYS系列測波浮標(biāo)、英國 ValePort公司的730D方向浮標(biāo)和美國ENDECO/YSI公司的1156型波浪跟蹤浮標(biāo)等，而荷蘭Datawell公司的波浪騎士浮標(biāo)[11]Directional Waverider buoy（DWR）即Datawell DWR-MkⅢ以其優(yōu)良的可靠性、穩(wěn)定性為世界所公認(rèn)。此外，還有滑翔器、動(dòng)物遙測系統(tǒng)等是具有很大潛力的新興現(xiàn)代化海洋監(jiān)測技術(shù)。美國在20世紀(jì)80年代就建立了全國永久性的海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)。同期，挪威和德國等國也相繼建立了自己的觀測系統(tǒng)。通過多學(xué)科的努力，經(jīng)過幾十年的積累、沉淀，發(fā)展至今技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。像美國、日本、澳大利亞、英國等發(fā)達(dá)國家在本國鄰近海域建立了其關(guān)鍵海域符合本國利益的浮標(biāo)監(jiān)測網(wǎng)?？傊l(fā)達(dá)國家的海洋觀測系統(tǒng)正朝著高效率、全覆蓋、數(shù)字化、全球化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展[12]。

2.2.2 國內(nèi)測波系統(tǒng)現(xiàn)狀 相對(duì)發(fā)達(dá)國家而言，我國的波浪測量技術(shù)研究起步較晚，從20世紀(jì)60年代開始才逐步進(jìn)行深入的探索和研究，其發(fā)展歷程大致可分為4個(gè)階段。1965—1975年是我國波浪測量技術(shù)的探索和起步階段。1975—1985年是積累沉淀階段，即研究實(shí)驗(yàn)階段；我國在本階段的測波技術(shù)取得了較大的發(fā)展和進(jìn)步；1985—1990年是我國波浪測量技術(shù)的實(shí)用化階段，此階段我國的測波技術(shù)得到了快速發(fā)展和應(yīng)用；1990年至今是我國人工觀測和自動(dòng)化觀測實(shí)質(zhì)上的分水嶺，也是我國測波技術(shù)獲得長足發(fā)展的階段。本階段測波手段越來越多樣化，測量參數(shù)不斷增多，測量精度也得到了顯著提高，在監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測產(chǎn)品等方面與海洋發(fā)達(dá)國家的差距在逐漸縮小。經(jīng)過海洋戰(zhàn)線幾代人的不懈奮斗，波浪測量技術(shù)取得了長足進(jìn)步，并建成了由海洋觀測站、海洋調(diào)查船、海洋浮標(biāo)、雷達(dá)觀測站、飛機(jī)（無人機(jī)）和遙感衛(wèi)星等組成的覆蓋渤海、黃海、東海和南海較為系統(tǒng)、完善的海洋臺(tái)站立體觀測網(wǎng)[13]。

國內(nèi)目前在用測波系統(tǒng)中，較為成熟的有中國海洋大學(xué)研制生產(chǎn)的SZF型波浪浮標(biāo)、中山市探海儀器公司研發(fā)的OSB系列測波浮標(biāo)以及山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所研制的SBF3-2型波浪浮標(biāo)等。其中SZF型波浪方向浮標(biāo)是其中的代表性產(chǎn)品，以其優(yōu)異的穩(wěn)定性和可靠性被廣泛應(yīng)用在我國的海洋監(jiān)測臺(tái)站[14]。

近年來，在國家的大力支持下國內(nèi)很多高校、研究所相繼開展了加速度式波浪傳感器的研制工作，取得了豐碩成果，其中在基于捷聯(lián)式“數(shù)字穩(wěn)定平臺(tái)”、數(shù)值積分、PC機(jī)平臺(tái)波浪譜后處理軟件等方面取得了很好的研究進(jìn)展；如中國科學(xué)院南海海洋研究所開發(fā)的DWS19-1/2微型慣性波浪傳感器，傳感器核心硬件采用國產(chǎn)工業(yè)級(jí)9軸慣導(dǎo)器件、核心算法采用數(shù)學(xué)姿態(tài)解算方法、數(shù)字式姿態(tài)補(bǔ)償算法、頻域數(shù)值積分算法等，使波浪傳感器體積更小、方便安裝和攜帶；使系統(tǒng)測量精度、可靠性、自適應(yīng)性更高。

2. 3 波高和海況特征

根據(jù)鶯歌海站資料，統(tǒng)計(jì)出全年各月十分之一波高，小于等于0.7 m的天數(shù)全年為228 d，如表1所示。全年各級(jí)海況出現(xiàn)的天數(shù)，如表2所示。

表1 全年十分之一波小于等于0.7 m的天數(shù)統(tǒng)計(jì)

表2 全年各級(jí)海況出現(xiàn)天數(shù)統(tǒng)計(jì)

2. 4 波型和波向特征

鶯歌海累年各季各向風(fēng)浪和涌浪頻率，如表3所示。波向玫瑰圖，如圖2所示。

波型特征：風(fēng)浪年總出現(xiàn)頻率為80%，涌浪年總出現(xiàn)頻率為41%，說明累年統(tǒng)計(jì)的年平均頻率，在該海域風(fēng)浪波型為主。

波向特征：風(fēng)浪的常浪向是SE，其頻率為19%，次常浪向是SSE，其頻率是12%，涌浪的常浪向是S，其頻率為14%，次常涌浪向是SSW，其頻率為7%。

2.4.1 各季風(fēng)浪常浪向 春季是SE向，頻率為35%，夏季是SE向，頻率為21%，秋和冬季是NNW向，其頻率分別為16%和15%。

2.4.2 各季涌浪常浪向 春季是S向，頻率為11%，夏季是S和SSW向，頻率均為10%，秋和冬季是S向，其頻率分別為16%和19%。

2.4.3 各季風(fēng)浪和涌浪之和統(tǒng)計(jì)特征 春季最大頻率是SSE，為18%；夏季是SE和SSE，頻率分別是19%和18%；秋季是S，頻率為20%，其次是NNW，頻率為17%；冬季是S，頻率為22%，其次是NNW，頻率為16%。

表3 累年各季各向風(fēng)浪、涌浪頻率

圖2 波向玫瑰圖

2. 5 波高和波向特征

鶯歌海累年各向各級(jí)1/10大波波高分布，如表4所示。從鶯歌海站各向各級(jí)波高統(tǒng)計(jì)頻率看出：海浪常浪向S向，其頻率為18.2%，次常浪向是SE向，頻率為15%，此結(jié)果與表4中風(fēng)浪和涌浪頻率之和出現(xiàn)的常浪向基本一致。

表4 累年各向各級(jí)1/10大波波高分布

鶯歌海累年各向海浪要素統(tǒng)計(jì)值如表5所示。從表5鶯歌海多年統(tǒng)計(jì)的最大波高值看出：強(qiáng)浪向是SE，最大波高值9.0 m，次強(qiáng)浪向是S和SSW，它們的最大波高都是7.0 m。N和NE向的平均波高值最大為1.0 m，NNE和WSW向平均波高值次值為0.9 m。

表5 累年各向海浪要素統(tǒng)計(jì)值

鶯歌海站累年逐月波浪要素統(tǒng)計(jì)值，如表6所示。鶯歌海在8月的月平均波高值為最大，平均波高值為1.0 m，次值在7月，月平均波高分別為0.8 m；鶯歌海的月平均周期值變化范圍是3.8～4.3 s，一般為4.0 s；而最大波高的最大值出現(xiàn)在9月，其值是9.0 m，最大波高次值是7月和10月，其值為7.0 m；最大周期為9.1 s，次值為8.6 s。

表6 累年逐月波浪要素統(tǒng)計(jì)值

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

本文利用鶯歌海站多年的波浪實(shí)測資料，對(duì)其附近海域的波浪要素的基本特征、變化規(guī)律、風(fēng)與浪的相關(guān)規(guī)律進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)該海區(qū)海浪的規(guī)律特征如下。

（1）海區(qū)的波浪主要受季風(fēng)影響，以風(fēng)浪為主，風(fēng)浪占80%，涌浪占41%；東北季風(fēng)期風(fēng)浪向以NNW為主，涌浪以S為主；西南季風(fēng)期風(fēng)浪向以SE為主，涌浪以S和SW為主；風(fēng)浪和涌浪頻率之和出現(xiàn)的常浪向基本一致，最大的方位是SE和S。

（2）海區(qū)冬季的風(fēng)速比夏季明顯偏大，造成冬季的平均浪高比夏季大，冬季的風(fēng)浪周期亦比夏季大。四季均盛行偏南涌，冬季的大涌數(shù)量多，傳播范圍大，而4—5月出現(xiàn)的大涌數(shù)量最少，海況相對(duì)較好。

（3）海區(qū)各月的波高以輕浪為主，年平均波高為0.78 m，強(qiáng)浪向是SE,最大波高為9.0 m，年平均周期約4.0 s，最大周期為9.1 s，各向平均周期變化不大；月平均波高最大值出現(xiàn)在8月，其值為1.0 m，其它各季的季平均波高為0.7 m，而9月的月平均波高值最小，其值為0.6 m。

（4）該海區(qū)是熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，海區(qū)的波浪主要受季風(fēng)影響，季風(fēng)時(shí)期的風(fēng)向、風(fēng)浪傳播方向、涌浪傳播方向基本一致。

3.2 建 議

上述規(guī)律特征對(duì)鶯歌海區(qū)生產(chǎn)生活具有一定的指導(dǎo)意義。由于本文所參考數(shù)據(jù)資料年份跨度大，其中早期人工目測波浪受光照和惡劣天氣等影響，無法連續(xù)觀測波浪，觀測結(jié)果存在一定的人為誤差；自動(dòng)化觀測儀器故障等造成數(shù)據(jù)失真甚至數(shù)據(jù)缺漏，致使個(gè)別時(shí)間段數(shù)據(jù)不完整；現(xiàn)運(yùn)行觀測浮標(biāo)唯一，對(duì)于效驗(yàn)數(shù)據(jù)反映整個(gè)測區(qū)真實(shí)情況存在一定的局限性；數(shù)據(jù)后處理暫缺少標(biāo)準(zhǔn)化成熟的輔助軟件。本文結(jié)論受上述多方面因素的影響致使分析成果存在一定的誤差。針對(duì)上述不足，結(jié)合我國波浪測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及國家和社會(huì)的發(fā)展需求提出幾點(diǎn)建議：

（1）優(yōu)化布局，增設(shè)觀測點(diǎn)位，提高數(shù)據(jù)觀測密度和監(jiān)測質(zhì)量。根據(jù)各地區(qū)業(yè)務(wù)實(shí)際需求在現(xiàn)有臺(tái)站觀測參數(shù)的基礎(chǔ)上合理規(guī)劃，使其新增參數(shù)具有明確的目標(biāo)性和應(yīng)用性，做到整體布局合理，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化。

（2）提升自主研發(fā)能力，提高新技術(shù)、新工藝在我國海洋波浪觀測裝備上的綜合應(yīng)用，以提高儀器設(shè)備的穩(wěn)定性及測量精度。

（3）開發(fā)統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的波浪數(shù)據(jù)處理分析軟件/平臺(tái)。方便人機(jī)高效互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大批量多源數(shù)據(jù)精細(xì)化、多維度、模型化集中處理分析。

（4）加強(qiáng)計(jì)量和標(biāo)定裝置的研究。波浪測量方法和手段日趨多樣化，但相關(guān)檢定計(jì)量發(fā)展較為緩慢，不能很好地滿足海洋水文儀器的檢定工作，因此，通過科學(xué)的測試檢定來確保測量儀器精度和所測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性是十分必要的[19]。

（5）加強(qiáng)全覆蓋、全要素、數(shù)字化、高效率、網(wǎng)絡(luò)化的立體觀測網(wǎng)建設(shè)。構(gòu)建太空—海上—水面—水下—岸基五位一體多種手段優(yōu)勢互補(bǔ)完整的立體觀測網(wǎng)。但國內(nèi)海洋儀器的智能化程度還不夠高，在便于操作、實(shí)時(shí)處理、綜合性觀測和智能采集等方面仍需改進(jìn)。

（6）建立一個(gè)適合我國海區(qū)特點(diǎn)的多維動(dòng)態(tài)波浪耦合模式。利用大量的原始數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)、改正已有較密的波浪觀測網(wǎng)的資料；建立一個(gè)高效穩(wěn)定實(shí)用的通信機(jī)制，是實(shí)現(xiàn)各子模式間數(shù)據(jù)傳遞和同步控制的前提；相對(duì)于非耦合模型，耦合模型能較真實(shí)地反映海浪相互作用的過程，并改善非耦合模型的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、誤差大的問題，且耦合模式在模擬和預(yù)報(bào)中的優(yōu)勢更加顯著；通過同化集合方法進(jìn)行耦合模式的集合預(yù)測，能更好地提高權(quán)重選取的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，且同化集合結(jié)果明顯優(yōu)于單個(gè)模式結(jié)果；數(shù)據(jù)同化分析模擬系統(tǒng)是多維耦合模式的重要組成部分，該系統(tǒng)將遙感和現(xiàn)場傳感器得到的實(shí)時(shí)或延時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而對(duì)海洋場分布和演變做出更準(zhǔn)確的估計(jì)，對(duì)于改善預(yù)報(bào)效果，提高水文氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)能力具有重要作用[15-18]。