王靜，文嘯，劉春霞，黃健，呂衛(wèi)華

（1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點(diǎn)實(shí)驗室，廣東廣州510275；2.上海市水文總站，上海200232；3.廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東廣州510080；4.廣東省茂名市氣象局，廣東茂名525000）

基于X波段雷達(dá)的臺風(fēng)浪觀測分析

王靜1，文嘯2，劉春霞3，黃健3，呂衛(wèi)華4

（1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點(diǎn)實(shí)驗室，廣東廣州510275；2.上海市水文總站，上海200232；3.廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東廣州510080；4.廣東省茂名市氣象局，廣東茂名525000）

對比分析了博賀海洋氣象觀測站2008年7月11日—10月8日期間X波段雷達(dá)WaMoSII和浮標(biāo)觀測的三個臺風(fēng)過程的波浪資料，結(jié)果表明：在臺風(fēng)登陸前后的高海況下，兩種資料的有效波高和平均波向的大小和變化趨勢均吻合較好，并且有效波高的相對差異小于平均波向，而在臺風(fēng)來臨的前期和后期消退階段，有效波高和平均波向的大小有一定的差異，但其變化趨勢仍具有較好的一致性。

X波段雷達(dá)；波浪；臺風(fēng)；浮標(biāo)

1 引言

隨著人類涉?；顒拥牟粩嘣龆啵藗儗Ｑ髣恿Νh(huán)境要素信息的快速、實(shí)時獲取有著越來越高的要求，從而推動了海洋遙感觀測技術(shù)的快速發(fā)展，其中X波段雷達(dá)以其穩(wěn)定、實(shí)時、便捷的特點(diǎn)成為近海和機(jī)動海區(qū)海面狀況，包括海浪、海流和海面風(fēng)場等要素監(jiān)測的重要手段，也是近年來海洋遙感的一個重要研究方向。近幾十年來，海洋學(xué)者在關(guān)于X波段雷達(dá)反演海浪場、海流場和海面風(fēng)場的理論和實(shí)踐方面取得了諸多進(jìn)展[1-7]，并已開發(fā)出商業(yè)產(chǎn)品，如挪威的WAVEX[8]和德國的WaMoSⅡ[9]都已投入到業(yè)務(wù)化的海洋監(jiān)測中。

由德國GKSS實(shí)驗室開發(fā)研制的WaMoSⅡ系統(tǒng)是一套基于航海雷達(dá)的海浪監(jiān)測系統(tǒng)，二十多年來，已廣泛應(yīng)用于世界各地的波浪監(jiān)測工作，然而，因使用的雷達(dá)天線不同，觀測海域的環(huán)境特征不同，雷達(dá)安裝及參數(shù)設(shè)置不同等各類因素影響，X波段雷達(dá)觀測波浪的反演方法和觀測精度也不盡相同，歐美等國進(jìn)行了大量的應(yīng)用研究[10-15]。而國內(nèi)由于起步較晚，且限于浮標(biāo)資料的缺乏，關(guān)于WaMoSⅡ系統(tǒng)的應(yīng)用研究一直較少。2008年，中國氣象局博賀海洋氣象觀測站引進(jìn)了海浪監(jiān)測系統(tǒng)WaMoSⅡ，同時觀測站還投放了一波浪浮標(biāo)（型號SBF3-1）。本文將對WaMoSⅡ獲得的三個熱帶氣旋影響下的波浪（以下簡稱“臺風(fēng)浪”）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為開展X波段雷達(dá)在該海域的業(yè)務(wù)化波浪監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)及處理

中國氣象局博賀海洋氣象觀測站位于廣東省電白縣電城鎮(zhèn)北山村的海岸邊，所在海岸的海岸線大致呈東北-西南走向（見圖1）。2008年7月，觀測站引進(jìn)了海浪監(jiān)測系統(tǒng)WaMoSⅡ，雷達(dá)采用XN 20 AF型天線，天線收發(fā)器功率為12 kW，采樣頻率為2.5 s，空間分辨率為7.5 m，觀測距離為216—2160 m。整個觀測海域水深較淺，均在8—25 m之間。7月11日，完成雷達(dá)系統(tǒng)安裝并開始觀測海面風(fēng)、浪等要素。

同年7—10月，觀測站在附近海域投放了一波浪浮標(biāo)（型號為SBF3-1），以獲取同期的波浪觀測資料。浮標(biāo)距觀測站距離約1.5 km（見圖1），所在位置水深大約為15 m。

圖1 博賀海洋氣象觀測站及其浮標(biāo)地理位置示意圖

浮標(biāo)數(shù)據(jù)時間跨度為2008年7月1日—10月8日，每隔3 h一個觀測值；雷達(dá)數(shù)據(jù)時間跨度為2008年7月11日—10月31日，由于在此時期內(nèi)雷達(dá)尚處于調(diào)試階段，觀測時間長度從2—10 min不等，觀測間隔從2 min—3 h不等。由于觀測期間正是臺風(fēng)多發(fā)季節(jié)，觀測海域前后共受到5個熱帶氣旋的影響，圖2在浮標(biāo)觀測的有效波高時間序列上標(biāo)出了影響觀測海域的熱帶氣旋名稱、登陸地點(diǎn)和登陸時間。

圖2 浮標(biāo)觀測資料

當(dāng)有效波高小于0.5 m時，雷達(dá)接收到的海面回波信息攜帶的噪聲太多，因而無法提取海浪參數(shù)，此時，雷達(dá)觀測失效，因此去除所有有效波高小于0.5 m的觀測值。由于浮標(biāo)和雷達(dá)的觀測間隔不同，對比時，以浮標(biāo)資料的觀測時間為基準(zhǔn)，取鄰近半小時內(nèi)的雷達(dá)觀測平均值作為雷達(dá)觀測的有效波高值，從而獲得準(zhǔn)同步的雷達(dá)和浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)。

經(jīng)過上述處理，雷達(dá)和浮標(biāo)兩組資料有兩個時間段同步性較好，一個是8月5—10日，正是熱帶風(fēng)暴“北冕”在陽江登陸前后，另一個時間段是9月30日—10月5日，為熱帶風(fēng)暴“米克拉”和“海高斯”影響前后，因此，本文將對這兩個時間段的雷達(dá)和浮標(biāo)觀測的有效波高和波向資料進(jìn)行對比，以分析雷達(dá)觀測到的臺風(fēng)浪特點(diǎn)。

3 結(jié)果和分析

3.1 “北冕”期間雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)分析

2008年第9號熱帶風(fēng)暴“北冕”于8月5日上午在南海北部生成，6日加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，晚上19點(diǎn)45分在廣東省陽西縣溪頭鎮(zhèn)沿海登陸，其中心附近最大風(fēng)力有10級（25 m/s）；登陸后減弱為熱帶風(fēng)暴?！氨泵帷痹诖┻^雷州半島后，7日凌晨進(jìn)入北部灣海面，并一路西行經(jīng)廣西進(jìn)入越南。

圖3是“北冕”期間浮標(biāo)與雷達(dá)準(zhǔn)同步觀測的有效波高數(shù)據(jù)對比圖。從兩者的準(zhǔn)同步時間序列圖3a可看出，兩種資料所描述的有效波高變化趨勢是一致的：8月6日晚“北冕”在廣東省陽江市陽西縣登陸后，一路西行，開始影響觀測海域，浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的有效波高均急速增大，于7日達(dá)到最大值；之后“北冕”對觀測站海域的影響開始衰減，浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的有效波高開始降低；至10日，有效波高回落至“北冕”影響之前的水平。

圖3 “北冕”期間浮標(biāo)與雷達(dá)準(zhǔn)同步觀測的有效波高對比

對比雷達(dá)和浮標(biāo)的資料（見圖3a）可見：在7日當(dāng)天，“北冕”對該觀測海域影響最大，此時有效波高也達(dá)到最大，在此高海況下，浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的有效波高在變化趨勢上一致性較好，大小也吻合較好。而隨著“北冕”逐漸西行遠(yuǎn)離，浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的有效波高值相差較大，多數(shù)情況下，雷達(dá)觀測值大于浮標(biāo)觀測值，且雷達(dá)的觀測值波動幅度明顯大于浮標(biāo)觀測值。

圖4是“北冕”期間浮標(biāo)與雷達(dá)準(zhǔn)同步觀測的平均波向?qū)Ρ葓D。圖上可看出，雷達(dá)和浮標(biāo)數(shù)據(jù)反映的平均波向變化趨勢大致一致，但又有較明顯的差異：在7日前后，即“北冕”登陸時的高海況下，浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的平均波向變化趨勢較為一致，而在臺風(fēng)影響之前和之后階段，浮標(biāo)觀測值與雷達(dá)觀測值差異較大。

圖4 “北冕”期間浮標(biāo)與雷達(dá)準(zhǔn)同步觀測的平均波向?qū)Ρ?/p>

表1和表2分別給出了“北冕”期間浮標(biāo)與雷達(dá)準(zhǔn)同步觀測有效波高和平均波向的參數(shù)統(tǒng)計。總體上雷達(dá)與浮標(biāo)觀測的有效波高的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.73，相對誤差為17.81%；而平均波向的相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)只有0.32，相對誤差為20.31%。

表1 “北冕”期間浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的有效波高的對比

表2 “北冕”期間浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的平均波向的對比

3.2 “米克拉”和“海高斯”期間雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)分析

由圖2可見，從9月24日到10月5日這段較短的時間內(nèi)，在南海海域共出現(xiàn)三個熱帶氣旋，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“黑格比”、熱帶風(fēng)暴“米克拉”和熱帶風(fēng)暴“海高斯”，但是由于雷達(dá)觀測時段的不連續(xù)，雷達(dá)和浮標(biāo)的準(zhǔn)同步數(shù)據(jù)只在“米克拉”和“海高斯”影響前后較好，因此下面我們將對該時段的雷達(dá)資料進(jìn)行分析。

2008年第16號熱帶風(fēng)暴“米克拉”29日上午在南海中部偏西海域生成，之后一路向西，29日晚間到30日凌晨掃過海南島南部海域，距三亞200多千米，30日上午10時左右在越南廣平省一帶沿海登陸后迅速減弱。第17號熱帶風(fēng)暴“海高斯”9月30日上午在菲律賓南部以東的西北太平洋洋面上生成，生成后持續(xù)向西北方向移動，10月3日22時15分在海南省文昌市龍樓鎮(zhèn)登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力有8級（18 m/s）。登陸后，“海高斯”減弱為熱帶低壓，4日17時10分在廣東省吳川市大山江鎮(zhèn)再次登陸，于翌日凌晨減弱為一低壓區(qū)并逐漸北上。

圖5給出了“海高斯”影響前后雷達(dá)和浮標(biāo)的有效波高同步數(shù)據(jù)對比圖，同步數(shù)據(jù)時間跨度為9月30日—10月6日，正好是觀測海域受到“米克拉”和“海高斯”影響的時段。整體來看，兩套數(shù)據(jù)的有效波高變化趨勢比較一致。但雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)要普遍大于浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)。

圖5 “米克拉”和“海高斯”期間浮標(biāo)與雷達(dá)準(zhǔn)同步觀測的有效波高對比

9月30日，“米克拉”位于海南島南部海域，距三亞200多千米，向西北方向移動，受其影響，觀測海域的雷達(dá)和浮標(biāo)數(shù)據(jù)都出現(xiàn)了有效波高的峰值，并隨“米克拉”西行移向越南而逐漸回落。隨后，“海高斯”開始生成，先于10月3日22時在海南文昌登陸，登陸后減弱為熱帶低壓，4日17時再次在廣東吳川登陸。在其不斷逼近的影響下，觀測海域浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的有效波高均逐漸增大，并于4日晚間達(dá)到最大，此時，“海高斯”對觀測場海域的影響達(dá)到最大，浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的有效波高數(shù)值吻合很好；此后，隨著“海高斯”登陸后強(qiáng)度的減弱，浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的有效波高開始快速降低，觀測數(shù)值也比較接近。表現(xiàn)出與“北冕”期間一致的特性，即在臺風(fēng)登陸時的高海況下，雷達(dá)和有效波高觀測的一致性較好，其他時間，雷達(dá)數(shù)據(jù)多大于浮標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖6是“黑格比”與“海高斯”期間浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的平均波向準(zhǔn)同步觀測的平均波向?qū)Ρ葓D。該圖也反映出與有效波高相同的變化特性：在“海高斯”登陸前后，10月4日夜間至6日凌晨，浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的平均波向數(shù)據(jù)吻合最好，而在其他時段，兩者趨勢一致，但大小有一定的差異。

圖6 “米克拉”和“海高斯”期間浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的平均波向?qū)Ρ?/p>

表3和表4分別為“米克拉”和“海高斯”期間浮標(biāo)與雷達(dá)準(zhǔn)同步觀測的有效波高和平均波向的參數(shù)統(tǒng)計，結(jié)果表明此期間雷達(dá)和浮標(biāo)數(shù)據(jù)總體上相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.77和0.79。

表3 “米克拉”和“海高斯”期間浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的有效波高的對比

表4 “海高斯”期間浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的平均波向的對比

4 結(jié)論和討論

從上述三個臺風(fēng)過程中雷達(dá)和浮標(biāo)觀測資料的對比結(jié)果可以看出：在臺風(fēng)登陸前后時的高海況下，兩種資料的有效波高和平均波向的大小和變化趨勢均吻合較好，而在臺風(fēng)來臨的前期和后期消退階段，有效波高和平均波向的變化趨勢一致性較好，大小上有一定差異，對有效波高來說，雷達(dá)觀測值普遍略大于浮標(biāo)觀測值。

統(tǒng)計分析結(jié)果表明：浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的有效波高偏差在誤差允許范圍內(nèi)（偏差小于0.5 m），且浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的有效波高的相關(guān)性較好，說明雷達(dá)在此海域觀測有效波高有較好的適用性，特別對高海況下的有效波高觀測結(jié)果較好。

由于浮標(biāo)是對一個定點(diǎn)海域的波浪進(jìn)行觀測，而雷達(dá)是對一定面積的海域進(jìn)行觀測，從而反演出該區(qū)域的海浪變化，兩種不同的觀測手段必然造成兩種觀測數(shù)據(jù)之間存在系統(tǒng)差異[16]；此外，本文使用的雷達(dá)數(shù)據(jù)還處于雷達(dá)調(diào)試階段，雷達(dá)參數(shù)的設(shè)置對于觀測結(jié)果也有一定影響，因此造成兩種觀測數(shù)據(jù)之間存在一定的差異，特別是平均波向的相關(guān)性較差，這需要對雷達(dá)做更多的試驗分析和進(jìn)一步的調(diào)試，從而提高觀測的準(zhǔn)確性。

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Wave observation during tropical cyclones based on the X-band radar

WANG Jing1，WEN Xiao2，LIU Chun-xia3，HUANG Jian3，LV Wei-hua4

(1.Guangdong Key Laboratory for Urbanization and Geo-simulation,School of Geography and Planning,Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，China;2.Shanghai Hydrology Station,Shanghai,200232,China；3.Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology,China Meteorological Administration,Guangzhou 510080,China;4.Maoming Meteorological Bureau,Maoming 525000,China)

Based on the wave data parameters derived from the X-band radar WaMoS II(Wave Monitoring System)and the in-situ buoy wave data of Bohe Marine Meteorological Observing Station from 11thJuly to 8thOctober,2008,the comparison between two data sets during the period of the three tropical cyclones is given.The results show that：the significant wave height(SWH)and the mean wave direction(MWD)from the radar measurements are in good agreement with that from the buoy measurements in the processes of the SWH and the MWD sharp increasing.However，with the conformity in the tendency,there is difference in the value between two data sets before the tropical cyclones coming and after their landing.

X-band radar,wave,typhoon(tropical cyclone),buoy

book=279,ebook=279

P714

：A

：1003-0239（2012）05-0059-06

2012-07-31

公益性行業(yè)（氣象）科研專項“南海熱帶云團(tuán)活動及其強(qiáng)風(fēng)的監(jiān)測和預(yù)報技術(shù)”（GYHY201106036）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2011CB013701）

王靜(1966-)，女，副教授，主要從事海洋遙感應(yīng)用研究。E-mail:jwang@scsio.ac.cn