陳磊,徐漢文,吳澤強

(1.中國科學(xué)院海洋研究所，山東青島266071；2.國家海洋局汕尾海洋環(huán)境監(jiān)測站，廣東汕尾516600)

1 引言

目前國內(nèi)有關(guān)業(yè)務(wù)部門已安裝數(shù)十臺WaMoS II波浪（表面流）監(jiān)測系統(tǒng)，用于風(fēng)暴潮的預(yù)警、海洋災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)以及海浪監(jiān)測。WaMoS II 波浪監(jiān)測系統(tǒng)是目前基于X 波段雷達測量海浪技術(shù)較為成熟的系統(tǒng)，系統(tǒng)使用X 波段雷達測量海面的回波信號，數(shù)據(jù)處理單元通過對一組雷達回波信號的處理，解算波浪及表面流參數(shù)信息。系統(tǒng)能夠?qū)崟r測量給定海域內(nèi)的有效波高、波浪周期、波浪方向及表面流速、流向等海洋狀態(tài)參數(shù)；同時可以根據(jù)測量結(jié)果區(qū)分風(fēng)浪與涌浪，系統(tǒng)的監(jiān)測由于不受觀測時間及觀測空間的限制，具有廣泛的適用性。此外，根據(jù)波譜參數(shù)，WaMoS II 系統(tǒng)的觀測結(jié)果還可以用于反演海表面高度[1-2]。

WaMoS II 測波雷達是一款較為成熟的波浪觀測儀器，其生產(chǎn)廠家OceanWaves 公司利用2001—2008年期間6 臺WaMoS II 測波雷達多年的觀測數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，其中3 臺位于海上平臺、1臺位于岸站，兩臺為船載，統(tǒng)計結(jié)果表明6 臺WaMoS II測波雷達觀測結(jié)果穩(wěn)定、可靠，其有效波高、波峰周期、波向的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為10%、5%、±10U[3]。在應(yīng)用方面，WaMoS II 已被應(yīng)用于ADOPT DSS（Decision Support Systems）模式，為其提供海況信息[4]。其作為衛(wèi)星遙感技術(shù)的輔助，在最大波浪監(jiān)測計劃中（MaxWave project），也發(fā)揮了重要作用[5]。

國外已開展了大量關(guān)于WaMoS II 測波雷達和浮標(biāo)觀測對比的工作。最早，Katrin Hessner（1999）通過分析3 個不同站位獲取的WaMoS II 和浮標(biāo)的波浪數(shù)據(jù)得出：三個站位的有效波高相關(guān)系數(shù)分別為：0.89，0.85，0.71[6]；其次，Jur Vogelzang 等（2000）通過分析對比荷蘭佩滕區(qū)域獲取的WaMoS II 和浮標(biāo)的波浪數(shù)據(jù)，得出：兩者有效波高、波峰周期、波向的相關(guān)系數(shù)為0.87，0.74，0.96，WaMoS II 測得有效波高、波峰周期、波向的精度分別為30 cm（20%）、0.6 s（10%）、9°（3%）[7]；再次，REICHERT,K 等（2007）通過分析對比德國Sylt 島嶼獲取的Wa-MoS II的波高、波峰周期、波向數(shù)據(jù)和同步的波浪浮標(biāo)的數(shù)據(jù)，證明了兩種傳感器測量的數(shù)據(jù)具有很高的相關(guān)性[8]；在上述研究工作之后，Katrin Hessner 等（2007）分析了2005年9月美國DUCK 地區(qū)的Wa-MoS II 和波浪騎士浮標(biāo)的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明兩種傳感器測得的波周期和波向有很好的一致性，并使用當(dāng)?shù)仫L(fēng)速數(shù)據(jù)對有效波高進行了校正，兩者測量的有效波高數(shù)據(jù)的均方根誤差為0.26m，偏差為0.05 m，相關(guān)系數(shù)為0.92[9]。

到目前為止，國內(nèi)對WaMoS II觀測的波浪數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)的對比分析還很少。馬衛(wèi)民等（2011）于2007年和2008年4月進行了兩次海上試驗，對Wa-MoS II系統(tǒng)的斜率、偏加參數(shù)進行過手動調(diào)整，參數(shù)調(diào)整后的WaMoS II的有效波高觀測值更準(zhǔn)確，和實際觀測的有效波高的相關(guān)系數(shù)為0.75，均方根誤差為0.32[10]。實際上，WaMoS II 系統(tǒng)的SNR、斜率、偏加參數(shù)均可通過對比分析通過軟件進行計算，從而在WaMosII系統(tǒng)內(nèi)修改以校準(zhǔn)有效波高值。本文利用2012年6—7月大萬山海洋環(huán)境監(jiān)測中心站使用測波雷達獲取的南海海域的波浪及海流數(shù)據(jù)，與SZF 波浪浮標(biāo)和SLC9-2 型直讀式海流計同步測量的波浪、海流數(shù)據(jù)進行了對比分析。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)域

2012年6月期間在大萬山附近海域進行了Wa-MoS II 測波雷達和SZF 浮標(biāo)、SLC9-2 型直讀式海流計對比觀測實驗。本次實驗中WaMosII測波雷達數(shù)據(jù)是整個觀測區(qū)域表面所有點數(shù)據(jù)的平均值，浮標(biāo)和海流計的數(shù)據(jù)均在雷達觀測區(qū)域內(nèi)的同一點采集。其中，測波雷達采樣間隔為2 min，所用數(shù)據(jù)為每20 min 的均值結(jié)果，浮標(biāo)數(shù)據(jù)時間間隔為3 h，海流計數(shù)據(jù)時間間隔則為1 h。選取測波雷達每3 h間隔的整點數(shù)據(jù)用于與SZF遙測波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)進行同步對比，選取測波雷達每小時間隔的整點數(shù)據(jù)用于與海流計數(shù)據(jù)進行同步對比。于16—22日共獲取28組同步的測波雷達和SZF遙測波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)（每日的8：00—17：00）。28—29日期間，共采集到25組同步的測波雷達和海流計數(shù)據(jù)（28日觀測時間為8：00—23：00，29日觀測時間為0：00—8：00）。Wa-MoS II 測波雷達以及波浪浮標(biāo)、海流計的布放位置位于廣東大萬山附近，見圖1。

圖1 研究區(qū)域與儀器布放位置圖

2.2 測量方法

2.2.1 WaMoS II測波雷達

利用WaMoS II 測波雷達進行表面波浪和海流數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)的有效測量距離通常為100—2000 m。有效波高、波峰周期的測量范圍分別為：0.5—14 m、4—20 s，分辨率分別為：0.1 m和0.1 s；流速和流向的測量范圍分別為：0—40 m/s、0°—360°，分辨率分別為：0.001 m/s 和1°。采樣間隔為3 nm。本次實驗中，要求最大誤差的容許范圍：有效波高、波峰周期、表面流流速、流向誤差的極值(△X)max＜3σ(均方差)，相關(guān)系數(shù)大于0.9。

2.2.2 波浪及海流數(shù)據(jù)

本次實驗測量中，WaMoS II測波雷達測量的有效波高、波周期、流速、流向的范圍分別為：0.7—4.1 m、5.9—11.4 s、0.09—0.28 m/s、188°—258°。SZF 波浪浮標(biāo)測量的有效波高、波周期測量的范圍為：1.1—3.5 m 和7.5—11.5 s；SLC9-2 型直讀式海流計測量的流速、流向的范圍為：0.11—0.31 m/s、177°—250°。

其中，WaMoS II 測波雷達和浮標(biāo)測量的波高、周期的對比結(jié)果見圖2。

WaMoS II測波雷達和海流計測量的流速、流向的對比結(jié)果見圖3。

圖2 有效波高和波峰周期對比結(jié)果

圖3 海表面流速和流向?qū)Ρ冉Y(jié)果

3 大萬山數(shù)據(jù)對比分析

3.1 波浪參數(shù)對比結(jié)果

將WaMoS II 測波雷達和浮標(biāo)同步測量的28 組有效波高、波周期數(shù)據(jù)按時間先后排序，利用相關(guān)系數(shù)、平均相對誤差等參數(shù)進行精度評估，其定義如下：

相關(guān)系數(shù)：線性Pearson相關(guān)系數(shù)R2。

平均相對誤差計算公式為：

均方差的計算公式為：

式（2）中，σ 和μ 分別表示均方差、平均值。xi表示W(wǎng)aMoS II測波雷達每次的測量值。

本次實驗中測波雷達和浮標(biāo)測量的有效波高、波峰周期數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)分別為：R2= 0.71、R2= 0.38,APD=23.3%、12.5%。結(jié)果見圖4。

圖4 WaMoS II與SZF浮標(biāo)對比散點圖(實線為1:1線)

圖5 WaMoS II與SLC9-2海流計對比散點圖(實線為1:1)

3.2 海流數(shù)據(jù)對比結(jié)果

利用2012年6月22—28日雷達測量的數(shù)據(jù)和同步的海流計的數(shù)據(jù)進行了對比分析，共計25組有效數(shù)據(jù)，流速和流向的對比結(jié)果見圖5，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.83、0.89。平均相對誤差分別為14.5 %、4.1%。

3.3 對比結(jié)果分析

根據(jù)此次對比結(jié)果可見，WaMoS II系統(tǒng)觀測的表面流數(shù)據(jù)與海流計觀測結(jié)果有較好的一致性，相關(guān)性可達0.8以上。而有效波高的觀測值與波浪浮標(biāo)對比相關(guān)性只為0.71，波峰周期相關(guān)性更低，僅為0.38。此次WaMoS II 系統(tǒng)波浪觀測結(jié)果與波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)相關(guān)性較低主要有三方面原因：（1）WaMoS II系統(tǒng)觀測到的是一個區(qū)域波浪狀況的平均結(jié)果，而波浪浮標(biāo)觀測到的僅為區(qū)域中的一點；（2）二者用于對比的數(shù)據(jù)時間序列較短；（3）WaMoSII系統(tǒng)觀測的有效波高值可利用對比數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)，并且校準(zhǔn)效果可適用于全部海域，利用本文對比數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)后，有效波高相關(guān)系數(shù)可提升至0.75，若時間序列足夠長，且在對比周期內(nèi)波浪有較好的起伏狀態(tài)，校準(zhǔn)效果會更好。前兩個原因是造成波峰周期相關(guān)性較低的主要原因。

引言中已提及，國外進行過大量的WaMoS II系統(tǒng)與浮標(biāo)數(shù)據(jù)的對比驗證，其有效波高的相關(guān)性可達0.9 以上，這便是校準(zhǔn)的效果。用于對比分析的時間序列越長，校準(zhǔn)效果越好，

國外用于對比分析的數(shù)據(jù)往往可長達幾個月，而國內(nèi)尚未有長時間序列的對比分析，本文中作為數(shù)據(jù)來源的大萬山觀測站，其對比分析工作仍在開展。

4 結(jié)論

通過以上的X 波段測波雷達系統(tǒng)和浮標(biāo)、海流計各參數(shù)的比測結(jié)果和統(tǒng)計分析可知，X 波段測波雷達系統(tǒng)同一要素兩條曲線趨勢有較好的一致性，得到的結(jié)論如下：

（1）WaMoS II 測波雷達和SZF 波浪浮標(biāo)對比結(jié)果為：有效波高、波峰周期誤差的極值分別為1.2 m，3.3 s。均方差分別為σ=0.54 m，1.29 s。相關(guān)系數(shù)分別為0.71、0.38。其中，觀測面與點的波浪差異以及對比數(shù)據(jù)時間序列較短是有效波高、波峰周期相關(guān)性較低的兩個主要原因；

（2）WaMoS II 測波雷達和SLC9-2 型直讀式海流計對比結(jié)果為：流速、流向誤差的極值分別為0.06 m/s、15°。誤差均方差分別為：σ= 0.022 m/s、6.53°。相關(guān)系數(shù)分別為0.83、0.89。這表明WaMoS II測波雷達測得的表面流數(shù)據(jù)與海流計的觀測結(jié)果有較好的的一致性。

（3）WaMoS II測波雷達的有效波高數(shù)據(jù)可通過對比分析進行校準(zhǔn)，用于對比分析的時間序列越長，校準(zhǔn)效果越好，并且校準(zhǔn)效果可適用于全部海域。本文中用于對比分析的時間序列較短，但相關(guān)性仍可提升至0.75。

[1]Hessner K,Reichert K.Sea surface elevation maps obtained with a nautical X-Band radar Examples from WaMoS II stations[J].10th International Workshop on Wave Hindcasting and Forecasting and Coastal Hazard Symposium in North Shore,2007,11:11-16.

[2]Reichert K, Hessner K, Dannenberg J, et al. X-Band Radar as a Tool to Determine Spectral and Single Wave Properties[J].WAVES 2005 Proc,2005,1:1-9.

[3]Ocean Wave S. WaMoS II Data Comparison and Error Statistics[M].Germany：OceanWaveS GmbH,2010,1-32．

[4]Günther H, Tr?nkmann I, Kluwe F. ADOPT DSS- Ocean Environment Modelling for Use in Decision Making support[J], Geoscience and Remote Sensing Symp,2008,4:70-80.

[5]Rosenthal W, Lehner S. Detection of extreme single waves and wave statistics[J]. Proceedings of MAXWAVE Final Meeting,2003,10:8-10.

[6]Hessner K, Nieto J C, Reichert K. Estimation of the significant wave height with X-band nautical radars[J].Proc of the 1th International Conference on Offshore mechanics and Artic Engineering(OMAE),1999,1:1-6.

[7]Vogelzang J, Boogaard K, Reichert K, et al. Wave height measurements with navigation radar[J]. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing,2000,18:1652-1659.

[8]Reichert K, Lund B. Ground based remote sensing as a tool to measure spatial wave field variations in coastal approaches[J].Journal of Coastal Research,2007,50:1-5.

[9]Hessner K,Reichert K,Dannenberg J.2D surface elevation measurements by means of X-band radar, an application of WaMoS II at DUCK[J]. Rogue waves-Forecast and impact on marine structures,2006,26:1-13.

[10]馬衛(wèi)民,賴德培,許海恩.船載WaMoS II測波雷達參數(shù)調(diào)整及應(yīng)用分析[J].海洋預(yù)報.2011,28(6):46-50.