青島近岸的浪級標注影像

徐騰，蔡靖澤，李銳，候放，蘇博，徐瑞，高志一，于福江

（1.國家海洋環境預報中心，北京100081；2.國家海洋局北海預報中心，山東青島266061）

1 引言

浪級是海浪預報中描述海浪強度的常用術語。按有效波高可將海浪強度分為0～9級共10個級別，依次為無浪、微浪、小浪、輕浪、中浪、大浪、巨浪、狂浪、狂濤和怒濤[1]。公眾在讀到海浪預報和警報中的浪級術語時，一般無法將浪級和浪高數字與實際的大浪場景聯系起來，未能將預警報信息有效傳達給公眾。其他發達國家很早就發現了這個問題，并開展科普工作以幫助公眾更好地理解預報信息[2-3]。英國氣象局在1905年就根據蒲福風浪等級繪制了標示浪級的卡通宣傳品，并在進入網絡時代后發布了蒲福風力等級表以及蒲福風力等級手稿[4-5]等史料。這些資料不僅被維基百科（見圖1）和百度百科等網絡百科全書引用，也在國內海洋防災減災宣傳活動中被引用。然而，這些資料的宣傳效果并不理想[6]。一方面因為國外影像資料是以風級而不是浪級為線索整理的，另一方面是國內公眾對外國影像拍攝環境不熟悉無法產生情景帶入感，因此為公眾制作國內近岸環境的浪級標注影像十分必要。近幾年我國積極建立海洋立體化監測網絡體系[7]，已有很多海洋站實現了同步的現場器測和視頻觀測[8]，完全具備系統捕捉近岸海域影像并對其進行浪級標注的條件[9]。本文利用小麥島海洋站2019—2020年的現場觀測數據對其鄰近的澳門路海域海浪同步視頻進行了等級標注，得到了該海域微浪—大浪5個等級的海浪視頻影像資料。該工作是發展我國海浪等級標注影像產品的有益嘗試，可為其他近岸海域開展類似工作提供參考。

圖1 0～12級風級照片（引自：維基百科）

2 實驗條件

2.1 站點選擇

本文實驗地點選在山東省青島市市南區近岸海域。實驗依托全國海洋觀測網進行。視頻站和器測站分別位于澳門路和小麥島海洋站。澳門路穿越音樂廣場和五四廣場，毗鄰奧林匹克帆船中心，是青島著名旅游勝地，城市景觀豐富，人車流量逐年增大，但因其地理位置較易受到海浪災害影響，近年來常發生海浪災害事故[10]。視頻站觀測視野內為澳門路主景區及主要受災岸段，預期該處的影像將具有較好的宣教意義。小麥島海洋站是歷史悠久的代表性站點[11]，此處不再贅述其觀測能力。兩點間的海域直線距離4.6 km。

2.2 澳門路與小麥島波高關系

我們采用國家海洋局北海預報中心渤黃海精細化海浪數值預報模式近2 a有效波高的模擬結果，分析澳門路和小麥島兩站點間的波高關系。該模式采用三角網格劃分區域，近岸網格平均分辨率為500 m。與近3 a的渤黃海浮標觀測數據對比，對于1 m以上的觀測有效波高，模式24 h的預報相對誤差低于23%。

提取2018年8月—2020年7月海浪模式24 h預報產品中澳門路和小麥島近海的有效波高數據，并對兩組數據進行回歸分析，得到澳門路近海的有效波高Hsaml和小麥島波浪觀測位置的有效波高Hsxmd的關系為：Hsaml=0．996 2 Hsxmd+0．002 5。將模式數據中的小麥島有效波高代入上述公式，得到推算后的澳門路近海有效波高，并與模式數據中的澳門路近海有效波高比較（見圖2）。推算數據較模式數據的相對誤差為3.98%，平均偏差為0，均方根誤差為3.64 cm，相關性為99.68%，說明基于上述關系利用小麥島有效波高推算得到的澳門路有效波高與實際值非常接近?？紤]到澳門路附近無海浪觀測條件，在實際應用中，可基于上述推算關系并利用小麥島觀測有效波高來推算澳門路近海有效波高。

圖2 澳門路有效波高模式結果和推算結果對比（逐時數據，數據范圍：2018年8月1日—2020年7月31日）

2.3 視頻資料獲取

視頻觀測點位于澳門路沿岸一低層建筑物的樓頂，距海面高度約25 m，距岸最近距離約155 m。拍攝區域為不規則扇形，澳門路可見長度約650 m，遠端可見奧運會帆船比賽碼頭。視頻觀測系統由視頻采集設備、通信網絡和主控服務器構成，其中，視頻采集設備為1部帶云臺的網絡攝像機，具體拍攝參數如下：傳感器分辨率200萬像素；實際拍攝時通常設定變焦為1.5～5倍；拍攝幀率為15幀/s，最大關鍵幀間隔75幀；考慮逆光反光等因素，視頻采集亮度降低約15%。通信網絡為虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN），視頻以流媒體形式傳輸，單路視頻帶寬1.5 Mbps，傳輸編解碼協議為H.264。主控服務器接收視頻流并生成視頻產品，存儲格式MP4，視頻文件分辨率720 P，視頻流編碼率約920 kbps。

3 標注程序和結果

本文將2009—2020年澳門路海域海浪實況視頻與小麥島海洋站實況數據同步，由于近10 a中該地區近岸的最大有效波高僅為3.6 m，因此我們初步篩選出常見的微浪—大浪級別約2 600 min的海況視頻資料，若未來有更大等級的觀測值另行補充。

將該視頻資料經過4輪人工核驗和逐次對比，共整理出46 min約670幀備選圖像，按照以下要求進行篩選：（1）圖片視程清晰，包括能見度高、攝像機鏡頭無臟污和受雨水影響??；（2）波浪特征明顯且肉眼易識別，包括能夠符合該浪級顯著特征，并與其他浪級有較明顯區別，且受海面反光等不利因素影響小等。經過反復對比，擇優遴選出表現力最佳的5個浪級典型圖片（見圖3）。

當澳門路附近無明顯氣壓梯度差時，在西北風的影響下，海浪等級呈現圖3a所示的微浪，有效波高0.1 m，肉眼可見一絲波紋；當澳門路處于鞍形場[12]氣壓區內，風速較小且風向多變，海浪等級呈現圖3b所示的小浪，有效波高0.4 m，波浪很小，波峰開始破裂，浪花呈玻璃色；當澳門路受冷空氣影響后在高壓控制下吹偏東風時，海浪等級呈現圖3c所示的輕浪，有效波高1.2 m，波峰不高但開始破裂，有些區域可形成白色浪花；當澳門路處于2019年9號臺風“利奇馬”后部，氣壓梯度差約為6 hPa，吹西南風時，海浪等級呈現圖3d所示的中浪，有效波高2.0 m，可看出明顯的波浪形狀，白色浪花隨處可見；當澳門路處于臺風“利奇馬”前部，氣壓梯度差約為8 hPa，吹東南風的向岸浪時，海浪等級呈現圖3e所示的大浪，有效波高3.1 m，海面出現高大的波峰，浪花占據波峰很大面積，風開始切削波峰上的浪花。

圖3 不同浪級影像實況

4 結論

標注浪級的海浪影像資料（視頻或照片）有助于人們了解預報術語所描述的實際景象。國內海洋防災減災宣傳中經常引用國外的浪級標注影像，試圖幫助公眾更好地理解海浪預報信息，而宣傳效果并不如人意。其中一個原因是國外產品以風級而不是浪級為線索制作，另一原因是公眾對外國場景不熟悉，因此為公眾制作我國近岸海域的浪級標注影像十分必要。

本文利用小麥島海洋站2019—2020年的器測海浪數據對鄰近的澳門路海域同步視頻進行浪級標注，首次得到了該海域微浪—大浪5個等級的海浪視頻影像資料。受資料樣本數量限制，本文工作雖未考慮天文潮的影響但為制作自主海浪等級標注影像產品進行了有益嘗試，證明了依托全國海洋觀測網為其他近岸海域開展類似工作具有可行性。