翁怡嬋,石少華,程祥圣,齊安翔,孫同美

(國家海洋局東海預(yù)報中心,上海200081)

“燦鴻”臺風(fēng)期間高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)分析

翁怡嬋,石少華,程祥圣,齊安翔,孫同美

(國家海洋局東海預(yù)報中心,上海200081)

分析了小型陣變頻高頻雷達(dá)在“燦鴻”臺風(fēng)期間海面風(fēng)、浪、流遙測結(jié)果。將雷達(dá)觀測結(jié)果與定點浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,表現(xiàn)出很好的一致性。其中徑向流相關(guān)系數(shù)為0.92,均方根誤差為0.13 m/s,有效波高相關(guān)系數(shù)為0.90,均方根誤差為0.50 m,平均波周期相關(guān)系數(shù)為0.64,均方根誤差為1.12 s。風(fēng)向相關(guān)系數(shù)為0.55,均方根誤差為40.0°。風(fēng)速相關(guān)系數(shù)為0.68,均方根誤差為3.26 m/s。雷達(dá)對海流的探測能力最優(yōu),在高海況下對風(fēng)、浪探測能力優(yōu)于低海況下;雷達(dá)對“燦鴻”臺風(fēng)期間風(fēng)、浪的探測延遲于浮標(biāo)測量。結(jié)果表明小型陣變頻高頻地波雷達(dá)較好地反映了臺風(fēng)期間波浪場的空間分布及其發(fā)展變化情況,具有一定的災(zāi)害性海洋天氣監(jiān)測能力。

高頻變頻地波雷達(dá);臺風(fēng);有效波高;對比驗證

中國是世界上登陸臺風(fēng)最多,也是受臺風(fēng)災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國家之一[1]。因此實時準(zhǔn)確地對臺風(fēng)進(jìn)行監(jiān)測對保證人民的生命和財產(chǎn)安全具有重要意義。目前,測量臺風(fēng)過程中的海洋要素(風(fēng)、浪、流)的傳統(tǒng)工具是浮標(biāo)、潛標(biāo)、海洋調(diào)查船等,這些測量方式最大的缺陷是受海況條件限制,而且所能覆蓋的面積有限,無法全面、長時間連續(xù)地反映待測海域的海況,不能滿足實際工作的應(yīng)用需要。而高頻地波雷達(dá)作為一種覆蓋面廣、全天候、高頻次、低成本的岸基海洋表面動力學(xué)要素遙感設(shè)備,是實現(xiàn)海洋大范圍實時監(jiān)測的基本工具。

隨著高頻地波雷達(dá)的廣泛應(yīng)用,國內(nèi)外不少學(xué)者開展了海洋要素的比測實驗。比測實驗大致分為三類[2]:第一類是根據(jù)對海洋規(guī)律現(xiàn)有的經(jīng)驗認(rèn)識,主要從宏觀上進(jìn)行比測。如朱大勇等利用閩南沿岸的地波雷達(dá)長期觀測結(jié)果得出臺灣海峽西南部海域表層海流主要由季風(fēng)導(dǎo)致的順岸流季節(jié)波動和常年存在的東北向背景流共同組成,這一規(guī)律同樣由座底ADCP錨碇觀測進(jìn)一步揭示[3]。Yukiharu和Tastsunori[4]等通過高頻地波雷達(dá)觀測到?jīng)_繩島東部的表面流在臺風(fēng)經(jīng)過時的慣性振蕩的水平變化,慣性振蕩離岸大而近岸小。第二類是現(xiàn)場對比分析,主要是定點對比,與其他的海洋觀測儀器進(jìn)行比對。如吳雄斌[5]等利用福建龍海的osmar071高頻地波雷達(dá)與金門的波浪浮標(biāo)進(jìn)行有效波高的探測實驗研究。第三類是發(fā)展規(guī)律、變化趨勢以及整個場的空間分布對比,比如與海洋衛(wèi)星的測量數(shù)據(jù)相比較[2]。如龔子平等[2]利用大面積海域內(nèi)雷達(dá)測量風(fēng)場與QuikSCAT衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,表明雷達(dá)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)在空間分布和發(fā)展趨勢上都基本吻合。

2002年,韓樹宗等[6]利用2000-10在浙江舟山海域進(jìn)行的osmar2000和SZF1-Ⅱ海上對比驗證實驗中,驗證了osmar2000探測海浪要素的精度,并分析了誤差成因。2005-08,龔子平等[2]利用0519號臺風(fēng)“龍王”期間的高頻地波雷達(dá)的測量數(shù)據(jù)與局部點的浮標(biāo)數(shù)據(jù)對比,結(jié)果表明高頻地波雷達(dá)較好地反映了臺風(fēng)期間臺灣海峽內(nèi)風(fēng)場的空間分布及其發(fā)展變化情況。2010年汕尾亞運會帆船賽期間,周浩等[7]將osmar-s獲取的汕尾海域近1個月連續(xù)的流速、流向、浪高、浪周期、風(fēng)向、風(fēng)速等與現(xiàn)場布放浮標(biāo)實測數(shù)據(jù)對比,結(jié)果表明,osmar-s給出的浪高、浪周期和風(fēng)速參數(shù)結(jié)果的短期起伏性較大[8],與現(xiàn)場海洋儀器的觀測數(shù)據(jù)較為吻合,初步驗證了osmar-s的風(fēng)浪探測能力。

而小型陣變頻高頻雷達(dá)從小型天線(陣)設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、產(chǎn)品工藝、結(jié)構(gòu)、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性等方面,提煉并固化較為成熟的軟硬件技術(shù),完善雷達(dá)硬件系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)控制軟件、風(fēng)浪流反演算法及通道校準(zhǔn)算法等。雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和一致性以及雷達(dá)硬件和算法相較之前都有了一定程度的提高。小型陣列變頻地波超視距雷達(dá)osmar-M01主要性能指標(biāo)包括工作頻段:7.5～27 MHz;雷達(dá)工作方式:4頻FMICW方式;距離分辨率:1～5 km可變;雷達(dá)發(fā)射機鋒值功率:≤300 W;收發(fā)天線抗風(fēng)能力:13級臺風(fēng);時間分辨率:10 min。2015年第九號超強臺風(fēng)“燦鴻”于2015-06-30在西北太平洋洋面上生成。07-01升格為熱帶風(fēng)暴,07-11T16:40以強臺風(fēng)級別在浙江省舟山朱家尖登陸,登陸時中心附近最大風(fēng)力有14級,風(fēng)速45 m/s,于07-13凌晨在朝鮮西南部地區(qū)消散。本文給出了臺風(fēng)期間雷達(dá)獲取的部分觀測數(shù)據(jù),并結(jié)合浮標(biāo)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,評估高頻地波雷達(dá)對災(zāi)害性海洋過程的監(jiān)測能力。

1 數(shù)據(jù)及處理

本研究中小型陣變頻高頻地波雷達(dá)分別位于朱家尖和嵊山雷達(dá)站,兩部雷達(dá)相距約100 km,因受地形的限制,雷達(dá)輻射角分別只有90°和120°,覆蓋范圍為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122°27'～124°33'E,29°06'～31°09'N,經(jīng)緯向分辨率均為0.05°。浮標(biāo)站位布設(shè)于地波雷達(dá)觀測海域內(nèi),浮標(biāo)集成海流、海浪、風(fēng)等要素觀測。浮標(biāo)站距離嵊山較近,相距21 km,且浮標(biāo)站已到達(dá)朱家尖站高頻雷達(dá)探測的邊緣位置。海流數(shù)據(jù)的獲取率在60%左右(圖1)。因此,本文重點比對嵊山站雷達(dá)的風(fēng)浪探測結(jié)果和徑向流結(jié)果。海流、海浪、海面風(fēng)觀測分別采用Nortek(闊龍)ADCP、美國YOUNG公司型號05103的風(fēng)速風(fēng)向測量儀及波浪騎士波浪測量儀,將ADCP、風(fēng)、浪測量儀集成在3 m浮標(biāo)上,這種觀測方式既可以實時傳輸數(shù)據(jù),又能保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,安全性較高。圖1為高頻變頻地波雷達(dá)、“燦鴻”臺風(fēng)路徑及浮標(biāo)分布圖。

圖1 高頻地波雷達(dá)、浮標(biāo)位置分布及“燦鴻”臺風(fēng)路徑圖Fig.1 Location of the radar and buoy as well as the Typhoon“Chan-Hom”track

浮標(biāo)數(shù)據(jù)時間范圍為2015-06-16—08-11,每隔30 min一個觀測值;雷達(dá)數(shù)據(jù)時間范圍為2015-03-01—11-29,每隔10 min一個觀測值。由于浮標(biāo)和雷達(dá)的觀測間隔不同,對比時,以浮標(biāo)資料的觀測時間和浮標(biāo)的地理位置作為基準(zhǔn)[9],高頻地波雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù)選用與浮標(biāo)距離最近的雷達(dá)元的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值獲得的時間序列。具體插值方法:按delaunay三角剖分方法先找出ADCP位置點四周的雷達(dá)觀測場的3個網(wǎng)格點,構(gòu)成三角形,然后線性內(nèi)插,從而獲得準(zhǔn)同步的雷達(dá)和浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)。徑向流的處理方式[10]為將ADCP的實測矢量流投影至所選徑向流雷達(dá)元方位角φ的徑向方向,當(dāng)ADCP實測海流流速和流向分別為uADCP和θ時,投影徑向流RSADCP=uADCP×cos(φ-θ)。

經(jīng)過上述處理,雷達(dá)和浮標(biāo)兩組資料同步性較好,可完整獲取“燦鴻”整個臺風(fēng)過程的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑向流的對比

圖2中,因雷達(dá)測量的徑向流速為表層海流的等效值,故取浮標(biāo)1.1 m深度的海流數(shù)據(jù)在嵊山站方向上的投影值與嵊山站雷達(dá)測量的徑向流數(shù)據(jù)相比較。由圖2可見,雷達(dá)徑向流與投影徑向流的變化特征相當(dāng)一致,為明顯的半日潮流變化。受“燦鴻”的影響,流速呈現(xiàn)明顯增長的趨勢,而在此之后,流速逐漸回落。圖3為徑向流序列對應(yīng)的散點圖,徑向流序列的散點基本集中在y=x線的兩側(cè),二者相關(guān)系數(shù)為0.92,均方根誤差為0.13 m/s。

地波雷達(dá)海流的驗證誤差有兩個來源[10-11],即雷達(dá)和傳統(tǒng)儀器的海流測量誤差,以及地波雷達(dá)與實測儀器觀測目標(biāo)的差異。主要表現(xiàn)在以下方面:1)浮標(biāo)ADCP測量的是海洋上某較小區(qū)域的海洋環(huán)境動力要素值,而高頻地波雷達(dá)探測的是在約幾十平方公里范圍內(nèi)的等效平均值。2)儀器的觀測誤差。地波雷達(dá)本身的硬件偏差、反演算法的誤差以及浮標(biāo)ADCP本身的分辨率和測量精度,最后都在比測結(jié)果上有誤差貢獻(xiàn)。3)時間差異。變頻高頻地波雷達(dá)每10 min提供一組數(shù)據(jù),浮標(biāo)每30 min輸出一組實測數(shù)據(jù),因此雷達(dá)的測量結(jié)果與現(xiàn)場測量結(jié)果在時間上不一樣,需要對雷達(dá)結(jié)果進(jìn)行時間上的插值,這也是造成誤差的一個原因。

圖2 2015年定點浮標(biāo)海流投影值與嵊山站雷達(dá)測量徑向流序列對比Fig.2 The time series of radial current recorded by the radar and buoy in 2015

圖3 徑向流序列對應(yīng)的散點圖Fig.3 Scatter plot of the radial current recorded by the radar and buoy

2.2 海面風(fēng)的對比

雷達(dá)與浮標(biāo)風(fēng)速的時間序列對比圖見圖4,“燦鴻”臺風(fēng)期間風(fēng)速、風(fēng)向散點圖見圖5和圖6。風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)為0.554,均方根誤差為40.0°,風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)為0.68,均方根誤差為3.26 m/s。從圖4可以看出,浮標(biāo)先于雷達(dá)達(dá)到最大值。這是因為浮標(biāo)是通過攜帶的YOUNG 05103直接觀測風(fēng)場,而雷達(dá)則是通過一階和二階海洋回波譜中提取風(fēng)速和風(fēng)向的信息,風(fēng)場變化反應(yīng)到海洋回波上需要一定的時間,這使得雷達(dá)觀測的風(fēng)場變化趨勢要滯后于浮標(biāo)觀測。從圖4還可以明顯看出,浮標(biāo)風(fēng)速較小時,雷達(dá)與浮標(biāo)偏差較大。

圖4 2015年雷達(dá)與浮標(biāo)風(fēng)速的時間序列對比圖Fig.4 The time series of wind speed recorded by the radar and buoy in 2015

圖5 雷達(dá)與浮標(biāo)風(fēng)速和風(fēng)向結(jié)果的散點對比Fig.5 Scatter plot of wind speed and wind direction recorded by the radar and buoy

以浮標(biāo)觀測的平均風(fēng)速為基準(zhǔn),對不同風(fēng)力等級下雷達(dá)風(fēng)速和風(fēng)向的探測誤差進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果如圖6所示。以均方根誤差為例,1～5級風(fēng)級下,風(fēng)越大,雷達(dá)觀測平均風(fēng)速和風(fēng)向的誤差越小;5～7級下,平均風(fēng)速誤差變化不大,風(fēng)向誤差隨風(fēng)級變大而變大;7～8級,風(fēng)速誤差增大,風(fēng)向誤差稍有減小。1～2級風(fēng)力下,雷達(dá)平均風(fēng)速的平均絕對誤差為5.28～5.73 m/s,均方根誤差為5.5～5.9 m/s,平均風(fēng)向的平均絕對誤差為39.3°～41.7°,均方根誤差均為48.9°,誤差明顯大于其他風(fēng)力條件下,說明高頻地波雷達(dá)在較低風(fēng)速下測量精度較低。風(fēng)力在5級的時候,雷達(dá)測量精度是最優(yōu)的,風(fēng)速均方根誤差為1.5 m/s,風(fēng)向均方根誤差為32.2°。為保證雷達(dá)的探測距離,工作頻率設(shè)定為7.5～10 MHz,而在這個頻率下,如果風(fēng)速較小的話,保證產(chǎn)生Brgg散射的海浪是不飽和的,雷達(dá)所測量的風(fēng)場是不準(zhǔn)確的[12-15]。

“燦鴻”臺風(fēng)登陸時雷達(dá)捕獲的平均風(fēng)力為8級,浮標(biāo)平均風(fēng)速為18 m/s,風(fēng)速均方根誤差為2.08 m/s,風(fēng)向均方根誤差為41.8°,說明雷達(dá)結(jié)果能較好地反映臺風(fēng)期間的海面風(fēng)速風(fēng)向變化的全過程。

總體來看,雷達(dá)的測量值大于實測的風(fēng)速值,風(fēng)速、風(fēng)向均方根誤差指數(shù)分別為3.26 m/s、40°,雷達(dá)對“燦鴻”臺風(fēng)期間風(fēng)的探測延尺于浮標(biāo),地波雷達(dá)風(fēng)向基本能反映真實的風(fēng)向過程。

圖6 不同風(fēng)力等級下雷達(dá)與浮標(biāo)測風(fēng)的比測結(jié)果Fig.6 Comparison of wind measurements by the radar and buoy under different wind speeds

2.3 海面浪的對比

“燦鴻”期間浮標(biāo)與雷達(dá)同步觀測的有效波高對比如圖7和圖8所示。從圖7可以看出,浮標(biāo)和雷達(dá)所反映的有效波高變化趨勢均是先增大后減小,趨勢相同,且表現(xiàn)出很強的相似性。圖8為有效波高對應(yīng)的散點圖,有效波高的散點基本集中在y=x線的兩側(cè),二者相關(guān)系數(shù)為0.90,均方根誤差為0.50 m。從07-09T23:00從強臺風(fēng)級變?yōu)槌瑥娕_風(fēng)級并逐步影響觀測站海域時,浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的有效波高均急速增大,于07-11達(dá)到最大值,浮標(biāo)于03:00達(dá)到最大值,雷達(dá)于14:00達(dá)到最大值;07-11T10:00之后“燦鴻”由強臺風(fēng)級轉(zhuǎn)為臺風(fēng)級,07-11T19:00之后由臺風(fēng)級轉(zhuǎn)為強熱帶風(fēng)暴級,燦鴻強度減弱,浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的有效波高也隨之開始降低,至12日,有效波高降低至臺風(fēng)到來之前的水平。與風(fēng)場一樣,浮標(biāo)測量的有效波高變化趨勢要超前于雷達(dá)。

圖7 2015年浮標(biāo)測量有效波高與雷達(dá)測量有效波高序列對比Fig.7 The time series of surface wave height recorded by the radar and buoy in 2015

圖8 有效波高對應(yīng)的散點圖Fig.8 Scatter plot of surface wave height recorded by the radar and buoy

平均波周期對比圖見圖9和圖10。由圖可知,雷達(dá)與浮標(biāo)數(shù)據(jù)反映的平均波周期變化趨勢大致一致,該圖也反映出平均波周期與有效波高相同的變化特性:在臺風(fēng)過境前后,浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的平均波向數(shù)據(jù)吻合較好。平均波周期的反演效果的相關(guān)系數(shù)為0.638,均方根誤差為1.12 s。

圖9 浮標(biāo)測量平均波周期與雷達(dá)測量平均波周期序列對比Fig.9 The time series of mean wave period recorded by the radar and buoy

圖10 平均波周期對應(yīng)的散點圖Fig.10 Scatter plot of mean wave period recorded by the radar and buoy

圖11a,11b,11c分別為2015-07-09T08:00,07-11T17:00,07-12T03:00三個時刻雷達(dá)輸出的波浪場分布。圖11a為臺風(fēng)過境前的波浪場分布,此時刻“燦鴻”七級風(fēng)圈半徑為400 km,七級風(fēng)圈尚未到達(dá)雷達(dá)探測扇形區(qū)域內(nèi)。圖11b為“燦鴻”過境時波浪場分布,可以明顯看到波高急速增大,有效波高的最大值由1.30 m上升到3.72 m。圖11c為臺風(fēng)過境后波浪場分布,此時“燦鴻”強度減弱,從圖7也可以看到,浮標(biāo)與雷達(dá)觀測的有效波高也快速降低。藍(lán)色值區(qū)域(為高值區(qū)域)隨著臺風(fēng)路徑的轉(zhuǎn)移而變化。雷達(dá)探測波高的變化趨勢與臺風(fēng)路徑是一致的。

圖11 “燦鴻”臺風(fēng)期間有效波高分布Fig.11 Radar detected ocean surface wave height during Typhoon“Chan-Hom”

3 結(jié) 語

本文對“燦鴻”臺風(fēng)期間舟山海域海面完整實時的風(fēng)、浪、流監(jiān)測,與浮標(biāo)的對比可以看出,二者吻合程度較高,表現(xiàn)出了良好的災(zāi)害性海洋天氣的監(jiān)測能力。雷達(dá)對海流的探測能力最優(yōu),在高海況下對風(fēng)、浪探測能力優(yōu)于低海況下,另外,雷達(dá)對“燦鴻”臺風(fēng)期間風(fēng)、浪的探測延遲于浮標(biāo)測量。總體來講,相對于浮標(biāo)的單點觀測,具有大區(qū)域、高分辨率、實時性監(jiān)測能力的雷達(dá)能更好地滿足海洋災(zāi)害監(jiān)測。

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High Frequency Radar Data Analysis During Chan-Hom Typhoon Period

WENG Yi-chan,SHI Shao-hua,CHENG Xiang-sheng,QI An-xiang,SUN Tong-mei
(Marine Forecast Center of East China Sea,SOA,Shanghai 200081,China)

This paper provides the observation results of wind,wave and current derived from the high frequency radar during the Typhoon Chan-Hom.The radar measurements show good agreements with buoy observations.The root-mean-square error of radar-derived radial current,significant wave height,mean wave period,wind speed and wind direction are 0.13 m/s,0.50 m,1.12 s,3.26 m/s,40.0°,respectively;and the corresponding correlation coefficients are 0.92,0.90,0.64,0.68,and 0.55,respectively.Results show that for all the parameters described above,the radar monitoring ability of the surface current is the best.The radar monitoring ability of wind and wave in the high sea state is better than that in the normal sea condition.In addition,during Typhoon Chan-Hom,radar detection of wave and wind is delayed to that of buoy.The results indicate that the radar system congruously displayed the wave field and evolutions,which can be used in surveillance of disaster ocean weather.

multi-frequency HF ground wave radar;typhoon;significant wave height;verification

TN958

A

1671-6647(2017)04-0495-08

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.04.006

2016-09-12

海洋公益性行業(yè)科研專項——沿海重點保障區(qū)域精細(xì)化綜合預(yù)報系統(tǒng)示范應(yīng)用(201305031-5)

翁怡嬋(1985-),女,福建安溪人,工程師,碩士,主要從事近海環(huán)境動力學(xué)方面研究.E-mail:wengyichan@eastsea.gov.cn

(王 燕 編輯)

Rceived:September 12,2016