李 程，李 歡，王 慧，高 佳，王國松，董軍興，潘 嵩，劉克修

(國家海洋信息中心，天津 300171)

1509號臺風(fēng)燦鴻期間“朱家尖-嵊山”高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)分析

李 程，李 歡，王 慧，高 佳*，王國松，董軍興，潘 嵩，劉克修

(國家海洋信息中心，天津 300171)

2007年在朱家尖和嵊山布設(shè)了小型陣變頻高頻地波雷達(dá)，對共同覆蓋范圍內(nèi)的舟山海域進(jìn)行風(fēng)、浪、流的業(yè)務(wù)化探測。2015年7月11日，1509號臺風(fēng)燦鴻在朱家尖沿海登陸，之后繼續(xù)向北偏東方向移動，臺風(fēng)中心經(jīng)過高頻地波雷達(dá)探測海域。本文將臺風(fēng)期間高頻地波雷達(dá)的探測數(shù)據(jù)分別與定點(diǎn)浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)和ASCAT衛(wèi)星遙感大面積風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，高頻地波雷達(dá)在臺風(fēng)期間較好地反映了舟山海域流場特征和風(fēng)場分布情況，高頻地波雷達(dá)的探測數(shù)據(jù)精度滿足指標(biāo)要求，驗(yàn)證了高頻地波雷達(dá)在復(fù)雜海況條件下具有合格的探測性能。

高頻地波雷達(dá);臺風(fēng);衛(wèi)星遙感;風(fēng)場

0 引言

高頻地波雷達(dá)[1](又稱為高頻表面波雷達(dá))利用垂直極化的高頻(3～30 MHz)電磁波在海洋表面繞射傳播衰減小的特點(diǎn)，能超視距探測風(fēng)場、浪場、流場等海洋動力學(xué)參數(shù)和海上低速移動目標(biāo)[2]。與傳統(tǒng)海洋探測設(shè)備相比，高頻地波雷達(dá)具有覆蓋面廣、實(shí)時(shí)性好、全天候、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。變頻高頻地波雷達(dá)同時(shí)工作在多個(gè)頻段的多個(gè)頻率點(diǎn)上，一次回波所包含的海洋動力學(xué)參數(shù)信息大大增加，可反演得到更準(zhǔn)確的海洋動力學(xué)參數(shù)，可以同時(shí)兼顧探測距離遠(yuǎn)、探測精度高等指標(biāo)要求。此外，通過數(shù)據(jù)融合，變頻雷達(dá)具有很強(qiáng)的在不同頻率之間的自校正能力，具有強(qiáng)的抗外部電磁干擾能力，探測性能更加穩(wěn)定[3]。

2015年第9號臺風(fēng)“燦鴻”于6月30日20時(shí)在西北太平洋洋面上生成，之后向西北方向移動，最強(qiáng)達(dá)超強(qiáng)臺風(fēng)級；11日16時(shí)40分前后以強(qiáng)臺風(fēng)級在浙江省舟山市朱家尖鎮(zhèn)沿海登陸；登陸后“燦鴻”向北偏東方向移動，經(jīng)過我國黃海海域并向朝鮮半島靠近，強(qiáng)度逐漸減弱。此次臺風(fēng)中心軌跡恰好經(jīng)過了比測海域，“朱家尖-嵊山”地波雷達(dá)在極端海況條件下獲取了臺風(fēng)經(jīng)過期間寶貴的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。本文將臺風(fēng)期間地波雷達(dá)獲取的部分探測數(shù)據(jù)與定點(diǎn)浮標(biāo)數(shù)據(jù)以及ASCAT衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了對比分析，對“朱家尖-嵊山”地波雷達(dá)站雷達(dá)水文要素的探測準(zhǔn)確度進(jìn)行討論，準(zhǔn)確評價(jià)雷達(dá)的性能。

1 浮標(biāo)數(shù)據(jù)對比

本文中小型陣變頻高頻地波雷達(dá)是由2個(gè)中程高頻地波雷達(dá)站——朱家尖的泗眺(29.8931°N,122.4275°E)和嵊山(30.7019°N,122.8358°E)雷達(dá)站組成的同步探測系統(tǒng)，2部雷達(dá)相距約100 km，由于雷達(dá)站地形的限制，雷達(dá)輻射視場角分別為90°和120°。雷達(dá)覆蓋海域在舟山群島以東偏南海域，雷達(dá)設(shè)定為10 min掃描一次，最大探測范圍為29.10°～31.15°N，122.45°～124.55°E，經(jīng)緯向分辨率均為0.05°。在比測海域內(nèi)布放了1個(gè)3 m綜合浮標(biāo)(30.500 9°N,123.042 2°E)，距離嵊山地波雷達(dá)站約30 km。浮標(biāo)集成海流、海浪、風(fēng)等要素觀測，浮標(biāo)站位對定點(diǎn)海域海流、波浪、風(fēng)向和風(fēng)速等要素進(jìn)行了3個(gè)月的海上對比觀測。圖1為地波雷達(dá)位置、浮標(biāo)位置和燦鴻臺風(fēng)路徑分布示意圖。

圖1 地波雷達(dá)和浮標(biāo)位置以及臺風(fēng)路徑分布示意圖Fig.1 Locations of radar and buoy and track of Typhoon Chan-hom

1.1 海流數(shù)據(jù)對比

浮標(biāo)利用其攜帶的工作頻率為1 MHz的ADCP監(jiān)測該海域的海流剖面，本文取浮標(biāo)3.1 m深度的海流數(shù)據(jù)與地波雷達(dá)觀測的表層流結(jié)果進(jìn)行對比，選取1個(gè)潮周期(25 h)的對比結(jié)果進(jìn)行分析。

圖2是地波雷達(dá)徑向流與浮標(biāo)ADCP測得的流速、流向分解為徑向流的對比結(jié)果。從對比結(jié)果上看，兩部雷達(dá)的徑向流分別與ADCP的徑向流結(jié)果一致性較好，雷達(dá)觀測海流的精度能夠滿足測量指標(biāo)要求，真實(shí)地反映了站位所在海域的海流特征，平均絕對誤差、均方根和相關(guān)系數(shù)等參數(shù)均在合理范圍內(nèi)。相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.97和0.89，各項(xiàng)指標(biāo)誤差分析見表1。其中，嵊山雷達(dá)站的對比結(jié)果要優(yōu)于朱家尖雷達(dá)站的對比結(jié)果，原因是浮標(biāo)離嵊山站的距離較近，且與嵊山雷達(dá)站法向夾角更小?？梢姕y點(diǎn)距離雷達(dá)越近雷達(dá)資料質(zhì)量越好，測點(diǎn)與雷達(dá)法向夾角越小雷達(dá)資料質(zhì)量越好[4]。

圖2 徑向流對比Fig.2 Radial flow comparison

表1 徑向流數(shù)據(jù)比對結(jié)果Tab.1 Radial flow comparison results

圖3是地波雷達(dá)合成矢量流與浮標(biāo) ADCP測得的矢量流流速、流向的對比結(jié)果。從對比結(jié)果上看，雷達(dá)合成矢量流與ADCP實(shí)測海流流速、流向的一致性都比較好。矢量流的各項(xiàng)指標(biāo)誤差分析見表2。其中，流向的對比結(jié)果顯示出明顯的往復(fù)運(yùn)動規(guī)律，符合該海域海流往復(fù)流的特征。

圖3 矢量流對比Fig.3 Vector flow comparison

表2 矢量流數(shù)據(jù)比對結(jié)果Tab.2 Vector flow comparison results

1.2 風(fēng)場數(shù)據(jù)對比

海面風(fēng)是海洋表面運(yùn)動的主要?jiǎng)恿碓?，是波浪形成的直接動力，是海洋工程、海上航運(yùn)等海上活動的前提。在海洋動力學(xué)過程中，通過調(diào)節(jié)海-氣之間的熱量、水汽和物質(zhì)交換影響著氣候[5]。

風(fēng)傳感器安裝于浮標(biāo)頂部，整點(diǎn)開始測量，半小時(shí)觀測1次。風(fēng)傳感器(YOUNG 05103)每3 s采集1次，作為瞬時(shí)風(fēng)速和相應(yīng)風(fēng)向，連續(xù)采樣10 min，計(jì)算風(fēng)速和風(fēng)向的平均值，作為該10 min結(jié)束時(shí)刻的平均風(fēng)速和相應(yīng)風(fēng)向。風(fēng)的對比起止時(shí)間為2015年6月16日1時(shí)30分至2015年8月11日23時(shí)30分。地波雷達(dá)理論獲得樣本數(shù)應(yīng)為8 170組，而實(shí)際獲得的樣本數(shù)為8 041組，數(shù)據(jù)獲取率為98.4%。

圖4是地波雷達(dá)風(fēng)速與浮標(biāo)測得風(fēng)速的對比結(jié)果。從對比結(jié)果上看，地波雷達(dá)完整地獲取了臺風(fēng)經(jīng)過比測海域期間的風(fēng)速變化趨勢，特別是2015年7月9日7:00至2015年7月12日2:30的風(fēng)速先增大后減小的變化過程。在比測時(shí)間序列中，測量風(fēng)速最大值為18.5 m/s,平均絕對誤差為1.6 m/s,而在比測時(shí)間序列里，出現(xiàn)這么大風(fēng)速的次數(shù)不多，因此均方根風(fēng)速3.26 m/s誤差指數(shù)基本滿足地波雷達(dá)性能指標(biāo)要求(表3)。這個(gè)誤差結(jié)果一定程度上反映了雷達(dá)具有較好的風(fēng)速探測能力。

圖5是地波雷達(dá)風(fēng)向與浮標(biāo)測得風(fēng)向的對比結(jié)果。從對比結(jié)果上看，地波雷達(dá)風(fēng)向觀測的結(jié)果與浮標(biāo)觀測結(jié)果一致性較好，尤其是雷達(dá)結(jié)果能較好地反映臺風(fēng)登陸時(shí)間段的海面風(fēng)向變化的全過程。

根據(jù)地波雷達(dá)探測理論，7.5～8.5 M頻段的地波雷達(dá)適合于探測5 m/s以上的風(fēng)場[6]。為了得到更好的對比結(jié)果，我們對風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，從浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)中篩選出當(dāng)風(fēng)速大于5 m/s時(shí)對應(yīng)的風(fēng)向進(jìn)行比對，如圖6所示。當(dāng)風(fēng)速大于5 m/s時(shí)，風(fēng)向的均方根小于總體風(fēng)向的均方根，說明風(fēng)速越大，雷達(dá)探測的結(jié)果越好。浮標(biāo)位于臺風(fēng)路徑的東側(cè)，臺風(fēng)到達(dá)之前，浮標(biāo)處的主風(fēng)向?yàn)楸毕颍?dāng)臺風(fēng)經(jīng)過比測海域在朱家尖登陸時(shí)，主風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅狈较颍?dāng)臺風(fēng)繼續(xù)北上，浮標(biāo)處的主風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南向。很好地符合了北半球發(fā)生臺風(fēng)時(shí)位于臺風(fēng)路徑東側(cè)的觀測點(diǎn)風(fēng)向轉(zhuǎn)變特征。從圖6中可以看到，地波雷達(dá)的風(fēng)向變化趨勢要滯后于浮標(biāo)觀測的風(fēng)向變化，這是由于浮標(biāo)通過傳感器直接觀測獲得風(fēng)向數(shù)據(jù)，而地波雷達(dá)則需要通過對海洋散射回波反演獲得風(fēng)向數(shù)據(jù)，反演探測機(jī)制需要一定的時(shí)間，因此會有時(shí)間上的滯后。

從風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ瓤傮w上看，實(shí)測的風(fēng)速值要小于雷達(dá)的測量值，平均絕對誤差、均方根誤差指數(shù)基本滿足地波雷達(dá)性能指標(biāo)要求；地波雷達(dá)風(fēng)向基本能反映真實(shí)風(fēng)向的變化過程，基本滿足地波雷達(dá)性能指標(biāo)要求。各項(xiàng)指標(biāo)誤差分析見表3。

圖4 風(fēng)速對比Fig.4 Wind speed comparison

圖5 風(fēng)向?qū)Ρ菷ig.5 Wind direction comparison

圖6 風(fēng)速大于5 m/s時(shí)的風(fēng)向?qū)Ρ菷ig.6 Wind direction comparison when wind speed is greater than 5 m/s

表3 風(fēng)要素?cái)?shù)據(jù)比對結(jié)果Tab.3 Radial wind comparison results

2 ASCAT衛(wèi)星風(fēng)場數(shù)據(jù)對比

浮標(biāo)數(shù)據(jù)是對高頻地波雷達(dá)定點(diǎn)探測性能的檢驗(yàn)，由于浮標(biāo)定點(diǎn)觀測具有覆蓋范圍小和空間分辨率低的局限性，有必要利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對地波雷達(dá)風(fēng)場空間分布情況進(jìn)行進(jìn)一步的對比分析。

ASCAT衛(wèi)星于2007年5月開始正式運(yùn)行工作至今，ASCAT攜帶的散射探測儀是一種微波雷達(dá)，微波信號通過水面粗糙度來反演風(fēng)速和風(fēng)向[7]。空間分辨率為25 km，衛(wèi)星高度820 km，周期101 min，重復(fù)軌道周期為29 d，風(fēng)速測量精度為2 m/s，風(fēng)速測量范圍為4～24 m/s，風(fēng)向測量精度為20°，風(fēng)向測量范圍為0～360°。本文采用的ASCAT衛(wèi)星風(fēng)場資料來源于NOAA的衛(wèi)星應(yīng)用和研究中心發(fā)布的三級產(chǎn)品。通過資料查詢和篩選，選取2015年7月11日20:40的衛(wèi)星沿軌風(fēng)場數(shù)據(jù)作為參照對地波雷達(dá)探測風(fēng)場結(jié)構(gòu)的能力進(jìn)行檢驗(yàn)，如圖7所示。箭頭方向?yàn)轱L(fēng)的去向，風(fēng)速的大小通過顏色來表示。

圖8為2015年7月11日20:40的2部地波雷達(dá)站共同覆蓋海域合成的反演風(fēng)場分布圖。通過對比圖7和圖8的同一時(shí)刻大面積風(fēng)場數(shù)據(jù)可知，地波雷達(dá)的反演結(jié)果與衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)空間分布情況基本吻合，風(fēng)速大小和風(fēng)向的一致性很高，很好地獲取了臺風(fēng)期間共同覆蓋海域內(nèi)的風(fēng)場分布特征，地波雷達(dá)經(jīng)受了復(fù)雜海況條件的考驗(yàn)，具備在極端天氣條件下的探測能力。

圖7 2015-07-11T20:40 ASCAT 風(fēng)場分布Fig.7 ASCAT wind distribution at 20:40, on 11 July, 2015

圖8 2015-07-11T20:40地波雷達(dá)風(fēng)場分布Fig.8 Wind distribution observed by radar at 20:40, on 11 July, 2015

3 小結(jié)

本文分析了1509號燦鴻臺風(fēng)期間“朱家尖-嵊山”地波雷達(dá)的部分探測數(shù)據(jù)，先后將地波雷達(dá)數(shù)據(jù)與浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)、ASCAT衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析?？傮w上看，地波雷達(dá)完整地獲取了臺風(fēng)期間雷達(dá)探測共同覆蓋海域的流場、風(fēng)場的結(jié)構(gòu)和變化特征，海流的探測精度和對風(fēng)的反演能力都滿足測量指標(biāo)要求。證明高頻地波雷達(dá)在復(fù)雜海況條件下具有合格的探測性能。

通過對比浮標(biāo)、衛(wèi)星遙感和地波雷達(dá)三種海洋調(diào)查方法，闡明了地波雷達(dá)觀測相對其他兩種方法具備的優(yōu)勢：浮標(biāo)只能在常態(tài)海況條件限制的前提下，對固定點(diǎn)進(jìn)行海洋動力參數(shù)的觀測，且不能滿足實(shí)際中小尺度海洋觀測的要求，空間覆蓋范圍小，抗損壞能力弱。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有采樣頻率高、覆蓋范圍廣的優(yōu)點(diǎn)[8]，但是缺點(diǎn)也十分明顯。由于衛(wèi)星具有軌道和周期的限制，不能對某一特定海域進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)的觀測，并且由于衛(wèi)星的不穩(wěn)定會出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的情況；另外，ASCAT衛(wèi)星的風(fēng)速測量有效數(shù)據(jù)要小于24 m/s，當(dāng)臺風(fēng)足夠強(qiáng)的時(shí)候衛(wèi)星測量精度會有所降低。綜上所述，高頻地波雷達(dá)具備在復(fù)雜海況條件下對海洋動力參數(shù)進(jìn)行大面積、實(shí)時(shí)、長期的觀測能力，是實(shí)現(xiàn)海洋在“面”的層面上實(shí)時(shí)監(jiān)測的基本工具，可以彌補(bǔ)我國常規(guī)海洋監(jiān)測儀器能力不足，提高我國周邊海域海洋環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測的能力。

致謝 感謝武漢大學(xué)陳澤宗教授團(tuán)隊(duì)在雷達(dá)數(shù)據(jù)方面提供的支持，感謝國家海洋局東海預(yù)報(bào)中心在浮標(biāo)數(shù)據(jù)處理方面提供的支持。

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Data analysis of High Frequency Surface Wave Radar at Zhujiajian-Shengshan during Typhoon Chan-hom

LI Cheng, LI Huan, WANG Hui, GAO Jia*, WANG Guo-song, DONG Jun-xing, PAN Song, LIU Ke-xiu

(NationalMarineDataandInformationService,Tianjin300171,China)

High Frequency Surface Wave Radar(HFSWR) with small circular array was deployed in Zhujiajian and Shengshan to detect the winds, waves, and currents in the overlapping area in 2007. No. 1509 Typhoon Chan-hom landed in the coastal areas of Jujiajian, and then moved north by east, passing the HFSWR detection area. The HFSWR inversed results were compared to anchored buoy observed data and the large area wind data from ASCAT satellite remote sensing respectively. The results of comparison indicate that HFSWR data basically reflect the real distribution of wind and current at Zhoushan area during Typhoon Chan-hom, showing the HFSWR’s applicability in detecting the winds and currents under high sea state conditions.

HFSWR; typhoon; satellite remote sensing; wind

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.005.

2016-05-27

2016-01-11

國家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目資助(201505018-2，201205032)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(41206013，41376014)；國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(2014BAB12B02)；天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(14ZCZDSF00012)

李程(1988-)，男，天津市人，助理工程師，主要從事業(yè)務(wù)化海洋學(xué)、海平面影響調(diào)查評估研究。E-mail：licheng_ouc@163.com

*通訊作者：高佳(1984-)，男，工程師，主要從事海洋數(shù)值預(yù)報(bào)研究。E-mail：gaojia109@163.com

P714

A

1001-909X(2017)01-0041-06

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.005

李程，李歡，王慧，等.1509號臺風(fēng)燦鴻期間“朱家尖-嵊山”高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)分析[J].海洋學(xué)研究,2017,35(1):41-46,

LI Cheng, LI Huan, WANG Hui, et al. Data analysis of High Frequency Surface Wave Radar at Zhujiajian-Shengshan during Typhoon Chan-hom[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(1):41-46, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.005.