灾害性海洋预警监测的中型波浪谱浮标

一、引言

灾害性海浪对海堤、海塘、海港及码头影响巨大，MOTUS波浪谱浮标系统能够观测海浪参数、风浪和涌浪参数，一维海浪谱和二维方向谱，对目前我国海浪预报、波浪谱研究、海洋工程设计和防护等具有重要意义。

MOTUS波浪谱浮标系统在世界上技术领先，在安全方面有显著优势。浮标体采用紫外线聚乙烯旋转一体式成型设计，已经在全球40多个国家使用和认可。浮标直径1.75米，顶部安装了航标灯，搭载Motus波浪传感器，同时，可根据客户需求搭载水文、气象和水质传感器，通过成熟的控制技术和通信技术，实现海洋要素实时监测和传输。

二、波浪谱浮标

随着我国经济的快速发展和综合国力的逐步提高,许多重要部门对海洋监测提出了更高的要求。波浪浮标是一种常用的海洋监测设备,具有无人值守、自动测量的优点,目前被广泛应用于各个海洋监测站。它可以定点、定时、连续、准确测量波高、周期、涌浪、海浪谱等波浪要素，同时可根据需求观测其他水文、气象和水质等要素。

MOTUS（拉丁语，意为移动）波浪谱浮标系统是以SB138P浮标体为载体，搭载Motus波浪传感器，可搭载波浪、水质、水文、气象等环境监测仪器和传感器，结合现代的控制技术、通讯技术等先进手段从而得到的一套完整的波浪谱观测系统。

MOTUS 浮标可以有效地监测各种水文和气象参数，同时可以扩展海流、水质等参数，上述数据可以由赛莱默分析仪器提供的数据管理系统控制和同步，该系统还具备双向控制和实时通信能力，监测数据可以通过 4G 通讯方式无线传输到远程服务器进行数据查看和分析，形成具有长期部署能力的低功率高效系统。

测量参数包括：

（1）观测时间、浮标位置、电池电压；

（2）平均波高、平均波周期、有效波高、有效波周期、十分之一波高、十分之一波周期、最大波高、最大波周期；主波向、平均波向、谱峰波向；一阶扩散、平均传播角度、长峰波参数；

（3）一维波浪谱，二维波浪方向谱；

可扩展的测量参数包括：

水质：水温、pH、电导率、盐度、溶解氧、浊度、叶绿素、蓝绿藻

海洋气象：气温、气压、湿度、风速、风向

海洋水文：流速、流向

2.1 浮标体

SB138P型浮标体为Tideland开发的一款高性能、低维护的浮标体，在全球40多个国家都有应用，它采用紫外线稳定聚乙烯旋转成型，整体坚固耐用、抗紫外氧化。浮标体搭载太阳能电池板，以及多种无线数传系统，形成多功能数据遥测浮标，已被证明是用于提供高准确性和可靠气象与海洋数据的卓越平台。

2.2 传感器

2.2.1 Motus 波浪传感器

Motus 波浪传感器是一款新型用于浮标的方向波传感器，具有浮标荷载补偿、传感器位置补偿、以及可通过连接外置罗盘防止浮标磁化对数据的影响等多种功能，实现在复杂情况下波浪参数的最优测量。

主要特点：

·波浪传感器带有用户可配置的传输函数以补偿对浮标频率响应功能。

·带有可配置补偿算法，用于当波浪传感器安装偏离中心位置时对偏移量进行补偿。

·配有内置固态9轴加速度计。

·采样频率：4Hz，每次观测4096样本。

·用户可配置不同的频率，用于区分风驱动的波和涌波。

·除了常规波浪参数，还可输出主波向、平均波向、谱峰波向；一阶扩散、平均传播角度、长峰波参数；

·波浪仪具有集成外部罗盘功能，当安装位置有金属类带磁性物质时，可通过采集外部罗盘数据对由于磁化造成的方向偏移进行补偿。

·可直接输出工程数据，方便集成。

·带有RS232输出，便于集成。

2.3 控制系统

系统以DL1000数据采集器为核心，指挥各传感器及外围设备的工作，并为系统提供数据采集，数据存储与下载，远程传输与维护，异常报警等功能。

系统支持远程自动下载采集器内存中的数据，用户无需进行手动操作，只需保持LoggerNet软件打开，系统会根据设置的时间自动将数据同步到客户端。

2.4 国内使用情况

2019年8月，中型MOTUS波浪谱浮标到达自然资源部南姜码头仓库；

2020年1月16日中型MOTUS波浪谱浮标布放于青岛小麦岛海域，开始连续运行，期间与周围的10米大型浮标、波浪骑士浮标以及1米直径的遥测波浪仪浮标进行了为期半个月的同步比测，比测结果良好。7月9日，进行项目验收，专家组一致同意通过验收。现浮标仍在原位继续测量。

2.5 结果分析

2.5.1 波高对比

从有效波高的对比来看，四种浮标有效波高趋势基本一致，有效波高的平均值均在 0.4m-0.5m 间，四种浮标有效波高标准差基本相同，从其他三种浮标与波浪骑士浮标的对比来看，MOTUS 波浪谱浮标有效波高与波浪骑士相关性最好，相关系数达到了 0.96，其次为遥测波浪仪浮标，最后为大浮标。

图 6 四种浮标有效波高的对比(左上子图中红色、蓝色、绿色、黑色实线分别代表大浮标、遥测仪、MOTUS 波浪谱浮标以及波浪骑士有效波高时间序列，其余三个子图分别为大浮标、遥测仪、MOTUS 波浪谱浮标与波浪骑士有效波高的差值序列)

从 1/10 波高的对比来看，四种浮标 1/10 波高趋势基本一致，1/10 波高的平均值均在 0.5m-0.6m 间，四种浮标 1/10 波高标准差基本相同，从其他三种浮标与波浪骑士浮标的对比来看，MOTUS 波浪谱浮标 1/10 波高与波浪骑士 1/10 波高相关相关系数达到了 0.9564，要高于遥测波浪仪浮标，高于大浮标。

图 7 四种浮标 1/10 波高的对比(左上子图中红色、蓝色、绿色、黑色实线分别代表大浮标、遥测仪、MOTUS 波浪谱浮标以及波浪骑士有效波高时间序列，其余三个子图分别为大浮标、遥测仪、MOTUS 波浪谱浮标与波浪骑士 1/10 波高的差值序列)

从最大波高的对比来看，四种浮标最大波高趋势基本一致，MOTUS 波浪谱浮标最大波高的平均值与波浪骑士浮标最为接近，且四种浮标最大波高的标准差基本接近，MOTUS 波浪谱浮标与波浪骑士浮标最大波高相关性最好，相关系数达到0.876，高于遥测仪浮标，高于大浮标。

图 8 四种浮标最大波高的对比(左上子图中红色、蓝色、绿色、黑色实线分别代表大浮标、遥测仪、MOTUS 波浪谱浮标以及波浪骑士有效波高时间序列，其余三个子图分别为大浮标、遥测仪、MOTUS 波浪谱浮标与波浪骑士最大波高的差值序列)

2.5.2 波周期对比

从最大波周期的对比来看，四种浮标最大波周期趋势基本一致，最大波周期的平均值均在 4-5s，且标准差也较为接近，从其他三种浮标与波浪骑士浮标的对比来看，MOTUS 波浪谱浮标与波浪骑士浮标最大波周期的相关系数要高于其他两种浮标，达到了 0.601，大浮标由于随波性较差，波周期变化起伏较大。

图 9 四种浮标最大波周期的对比(左上子图中红色、蓝色、绿色、黑色实线分别代表大浮标、遥测仪、MOTUS 波浪谱浮标以及波浪骑士最大波周期时间序列，其余三个子图分别为大浮标、遥测仪、MOTUS 波浪谱浮标与波浪骑士波周期对比，黑色实线为拟合曲线，公式见上表)

从 1/10 波周期的对比来看，四种浮标 1/10 波周期趋势基本一致，从其他三种浮标与波浪骑士浮标的对比来看，波浪遥测仪浮标与波浪骑士浮标最为接近，相关性最好，相关系数达到 0.7107，MOTUS 波浪谱浮标测得 1/10 波周期都要小于波浪骑士波周期，大浮标测得 1/10 波周期变化起伏较大。

图 10 四种浮标 1/10 波周期的对比(左上子图中红色、蓝色、绿色、黑色实线分别代表大浮标、遥测仪、MOTUS 波浪谱浮标以及波浪骑士 1/10 波周期时间序列，其余三个子图分别为大浮标、遥测仪、MOTUS 波浪谱浮标与波浪骑士波周期对比，黑色实线为拟合曲线，公式见上表)

从有效波周期的对比来看，四种浮标有效波周期趋势基本一致，从其他三种浮标与波浪骑士浮标的对比来看，波浪遥测仪浮标与波浪骑士浮标最为接近，相关性最好，相关系数达到 0.7226，MOTUS 波浪谱浮标测得有效波周期都要小于波浪骑士波周期，大浮标测得有效波周期变化起伏较大。

图 11 四种浮标有效波周期的对比(左上子图中红色、蓝色、绿色、黑色实线分别代表大浮标、遥测仪、MOTUS 波浪谱浮标以及波浪骑士有效波周期时间序列，其余三个子图分别为大浮标、遥测仪、MOTUS 波浪谱浮标与波浪骑士波周期对比，黑色实线为拟合曲线，公式见上表)

2.5.3 波向对比

1. MOTUS 波浪谱浮标与波浪骑士波峰向对比

图 12 给出了 MOTUS 波浪谱浮标与波浪骑士测得的波峰向对比结果。定义波峰向差绝对值在[160° 200°]之间时，两者测得波峰向完全相反，可以算得两者波峰向相反率为 0.6%；定义波向差绝对值在[0 20]之间时，两者测得波向完全相同，可以算得两者波峰向相同率为 62.5%。

图 12 MOTUS 波浪谱浮标与波浪骑士波峰向对比图，红点为波浪骑士波峰向值，黑点为 MOTUS 波浪谱浮标波峰向值，蓝点为波浪骑士与 MOTUS 波浪谱浮标波峰向差值

2. MOTUS 波浪谱浮标与大浮标平均波向对比

图 13 给出了大浮标与 MOTUS 波浪谱浮标测得的波向对比结果。定义波向差绝对值在[160° 200°]之间时，两者测得波向完全相反，可以算得两者波向相反率为 7.7%；定义波向差绝对值在[0 20°]之间时，两者测得波向完全相同，可以算得两者波向相同率为 27.5%。通过两种浮标与波浪骑士浮标波向的对比，可以看出 MOTUS 波浪谱浮标测得的波向要优于大浮标。

图 13 大浮标与 MOTUS 波浪谱浮标波向对比图，红点为大浮标波向值，黑点为MOTUS 波浪谱浮标波向值，蓝点为大浮标与 MOTUS 波浪谱浮标波向差值

END

科勘海洋

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