徐全軍 ，吳雄斌 ，周 恒 ，陳智會(huì) ，萬(wàn) 艷 ，黃奇華 ，岳顯昌

（1.中國(guó)人民解放軍海洋環(huán)境專項(xiàng)辦公室，北京 10000；2.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.湖北中南鵬力海洋探測(cè)系統(tǒng)工程有限公司，湖北 宜昌 443005；4.福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)，福建 福州 350000）

OSMAR071G地波雷達(dá)對(duì)“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼的觀測(cè)

徐全軍1，吳雄斌2*，周 恒2，陳智會(huì)3，萬(wàn) 艷4，黃奇華2，岳顯昌2

（1.中國(guó)人民解放軍海洋環(huán)境專項(xiàng)辦公室，北京 10000；2.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.湖北中南鵬力海洋探測(cè)系統(tǒng)工程有限公司，湖北 宜昌 443005；4.福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)，福建 福州 350000）

利用福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的OSMAR071G高頻地波雷達(dá)海洋表面觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)2016年9月14日-15日"莫蘭蒂"臺(tái)風(fēng)穿越臺(tái)灣海峽并登陸廈門島的全過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀測(cè)。根據(jù)地波雷達(dá)觀測(cè)的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算了海洋表面風(fēng)場(chǎng)渦流特征，通過(guò)渦場(chǎng)結(jié)構(gòu)確定了渦旋的中心，以此確定為臺(tái)風(fēng)海面風(fēng)眼實(shí)時(shí)位置，通過(guò)連續(xù)觀測(cè)，從而得到了臺(tái)風(fēng)海面風(fēng)眼的軌跡。該風(fēng)眼軌跡與國(guó)家衛(wèi)星氣象中心的發(fā)布的臺(tái)風(fēng)路徑基本一致。本次觀測(cè)表明了OSMAR071G高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行遙感探測(cè)。

OSMAR071G高頻地波雷達(dá)；風(fēng)速反演，海表風(fēng)場(chǎng)；莫蘭蒂臺(tái)風(fēng)；臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼

高頻地波雷達(dá)利用短波（3～30 MHz）在導(dǎo)電海洋表面繞射傳播衰減小的特點(diǎn)，采用垂直極化天線輻射電波，利用海洋表面對(duì)高頻電磁波的一階散射和二階散射機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋表面流場(chǎng)的探測(cè)。海面波動(dòng)是一種復(fù)雜的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，可看作是許多種不同波長(zhǎng)、頻率、振幅、初相和傳播方向的海浪疊加而成的隨機(jī)粗糙面，任何時(shí)刻海面上總存在波長(zhǎng)為電磁波波長(zhǎng)一半且傳播方向朝向雷達(dá)站和遠(yuǎn)離雷達(dá)站的海浪，該海浪會(huì)與電磁波產(chǎn)生諧振散射，使雷達(dá)接收到較強(qiáng)的后向散射回波，稱為一階譜。Barrick等人從理論分析的角度定量解釋了海洋回波一階和二階譜的形成原因[1]，為高頻地波雷達(dá)海洋探測(cè)提供了理論基礎(chǔ)。

從高頻雷達(dá)回波中可以提取風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)、流場(chǎng)等海況信息。高頻雷達(dá)的觀測(cè)具有覆蓋范圍大、全天候、實(shí)時(shí)性好、功能多、性價(jià)比高等特點(diǎn)，在氣象預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)、航運(yùn)、漁業(yè)、污染監(jiān)測(cè)、資源開發(fā)、海上救援、海洋工程、海洋科學(xué)研究等方面有廣泛的應(yīng)用前景。

我國(guó)從1986年開始研究高頻地波雷達(dá)，1987年國(guó)家自然科學(xué)基金正式立項(xiàng)，1996年“國(guó)家863計(jì)劃”立項(xiàng)。2005年，863福建示范區(qū)建成，OSMAR2000高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)同步在該示范區(qū)龍海市和東山縣建站部署（隸屬福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)），開展示范應(yīng)用。2008年，OSMAR2000更新為工程化的OSMAR071高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)，隨后多次組織比測(cè)、優(yōu)化。2010年OSMAR系列雷達(dá)成功觀察到Lion Mountain臺(tái)風(fēng)的風(fēng)眼[2]。2013年“國(guó)家863計(jì)劃”項(xiàng)目支持，有關(guān)單位委托第三方對(duì)OSMAR071高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)在臺(tái)灣海峽實(shí)施了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比驗(yàn)證，2013-2014年研制單位組織多方力量，優(yōu)化了算法，提高了要素觀測(cè)精度。2014年，OSMAR071G新一代高頻地波雷達(dá)在龍海、東山部署應(yīng)用，并推廣到全國(guó)各海洋系統(tǒng)，納入國(guó)家海洋立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)地波雷達(dá)海洋探測(cè)技術(shù)已經(jīng)非常成熟[3]。

2016年9月，“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)穿過(guò)臺(tái)灣海峽，從廈門市翔安區(qū)登陸，恰好經(jīng)過(guò)OSMAR071G高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)有效監(jiān)測(cè)范圍。本研究將根據(jù)雷達(dá)獲取的連續(xù)海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)算法來(lái)確定臺(tái)風(fēng)海面風(fēng)眼，并將實(shí)測(cè)風(fēng)眼的運(yùn)動(dòng)軌跡與國(guó)家衛(wèi)星氣象中心的發(fā)布的臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼軌跡相比較。本文的研究結(jié)果將對(duì)深入認(rèn)識(shí)高頻地波雷達(dá)的應(yīng)用價(jià)值有重要作用。

1 雷達(dá)系統(tǒng)介紹

OSMAR071G高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)由兩部相同型號(hào)的雷達(dá)組成，分別位于福建省龍海市和福建省東山縣。雷達(dá)工作頻率為8～10 MHz，距離分辨率5 km，角度覆蓋范圍120°，平均發(fā)射功率200 W，探測(cè)距離150 km，有效探測(cè)面積近40 000 km2。該雷達(dá)網(wǎng)的探測(cè)區(qū)域如圖1所示。

圖1 福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)東山站和龍海站OSMAR071高頻地波雷達(dá)海洋探測(cè)范圍示意圖

OSMAR071G高頻地波雷達(dá)設(shè)備采用三元八木發(fā)射天線，8根接收天線，該設(shè)備工作非常穩(wěn)定，能有效連續(xù)獲取海態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)，設(shè)備接收海洋回波明顯，風(fēng)浪流等參數(shù)的反演結(jié)果與浮標(biāo)結(jié)果一致性較高。經(jīng)實(shí)際觀測(cè)，在9月14日-15日“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程中，雷達(dá)回波一階譜顯著增強(qiáng)，而且得到的表面風(fēng)場(chǎng)在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)地方出現(xiàn)了清晰的漩渦。

圖2 福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)東山雷達(dá)站和龍海雷達(dá)站

2 高頻地波雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)原理

1977年Barrick給出了海浪頻譜的近似計(jì)算方法，并在此基礎(chǔ)上建立起了海面波高均方根與回波多普勒一階譜和二階譜能量以及發(fā)射信號(hào)頻率之間的關(guān)系[4]。利用Barrick方法得到的浪高、海浪方向譜峰值頻率與風(fēng)速的關(guān)系，文獻(xiàn)[5]給出了高頻地波雷達(dá)反演海面風(fēng)速的半經(jīng)驗(yàn)性方法。但是由于Barrick近似海浪譜計(jì)算得到的峰值頻率存在一定的誤差，半經(jīng)驗(yàn)反演方法的結(jié)果受到較大影響。從2008年9月到2009年2月，OSMAR071高頻地波雷達(dá)（雷達(dá)站布置位置也在圖1所示位置）持續(xù)工作并獲取數(shù)據(jù)，利用這段時(shí)間的數(shù)據(jù)，我們對(duì)風(fēng)速反演的半經(jīng)驗(yàn)方法（參考文獻(xiàn)[5]）進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)，并應(yīng)用在OSMAR071G高頻地波雷達(dá)之中，建立了適用于臺(tái)灣海峽南部區(qū)域的風(fēng)速與波高的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[6]，即：

式中:α和β為風(fēng)速與有效波高之間關(guān)系模型參數(shù)，需要實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定。Hs為改進(jìn)方法得到的有效波高，Hs的表達(dá)式如下：

式中：ξ，τ和μ為待確定的模型參數(shù)，R為雷達(dá)回波二階譜與一階譜能量比值；k0為雷達(dá)發(fā)射頻率對(duì)應(yīng)的波數(shù)。該方法得到的風(fēng)場(chǎng)結(jié)果與監(jiān)測(cè)期間福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)所布設(shè)的1#大浮標(biāo)記錄的結(jié)果相關(guān)系數(shù)為0.72，證明了此反演算法的有效性[6]。

臺(tái)風(fēng)由中心的臺(tái)風(fēng)眼、最大風(fēng)速區(qū)和外圍區(qū)構(gòu)成。外圍區(qū)風(fēng)速由外到內(nèi)逐漸增大，但從距離中心數(shù)千米到風(fēng)眼中心臺(tái)風(fēng)風(fēng)速驟減，風(fēng)眼中心區(qū)域氣流下沉，風(fēng)速很小甚至無(wú)風(fēng)。由于科氏力作用，北半球臺(tái)風(fēng)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，南半球?yàn)轫槙r(shí)針。地波雷達(dá)探測(cè)的距離分辨率為5 km，在用波束形成求解特定方位的一階峰能量時(shí)，由于波束存在一定的寬度，導(dǎo)致最后風(fēng)速的結(jié)果在空間上進(jìn)行了平滑，實(shí)際距離分辨率大于5 km，無(wú)法發(fā)現(xiàn)風(fēng)眼中心的平靜區(qū)域，但是風(fēng)眼周圍的風(fēng)速大小會(huì)大于外部風(fēng)速大小。文獻(xiàn)[7]通過(guò)三維數(shù)值模擬得到了臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼周圍的矢量風(fēng)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)眼附近風(fēng)場(chǎng)呈與臺(tái)風(fēng)一致的渦旋，而且風(fēng)眼附近風(fēng)速大小大于外圍風(fēng)速大小，與OSMAR071G地波雷達(dá)系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果一致。由于衛(wèi)星觀測(cè)到的臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼為云層風(fēng)眼，而地波雷達(dá)探測(cè)到的為海表面風(fēng)眼，二者存在一定的位置偏移。

3“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)分析

2016年9月14日20時(shí)左右，臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”(Meranti)從澎湖列島南部進(jìn)入圖1所示福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)高頻雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)范圍。根據(jù)國(guó)家衛(wèi)星氣象中心發(fā)布的臺(tái)風(fēng)結(jié)果[8]，臺(tái)風(fēng)進(jìn)入探測(cè)區(qū)域后最大風(fēng)速52 m/s，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槲鞅狈较颍?jí)風(fēng)圈半徑約40 km，十級(jí)風(fēng)圈半徑140 km。臺(tái)風(fēng)于2016年9月15日02：30左右在廈門翔安區(qū)登陸。選取東山和龍海站OSMAR071G高頻雷達(dá)在2016年9月14日22:00-9月15日01:00期間的雷達(dá)數(shù)據(jù)，利用第二節(jié)介紹的方法計(jì)算海面風(fēng)場(chǎng)，通過(guò)風(fēng)場(chǎng)渦旋中心得到臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼位置，并與國(guó)家衛(wèi)星氣象中心的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。圖(3)從左往右從上到下給出了9月14日21:00時(shí)刻臺(tái)風(fēng)進(jìn)入雷達(dá)探測(cè)區(qū)域到9月15日02:00期間9個(gè)不同時(shí)刻OSMAR071G地波雷達(dá)探測(cè)到的臺(tái)灣海峽海表面矢量風(fēng)場(chǎng)，圖中白色圓圈代表該時(shí)刻由矢量風(fēng)場(chǎng)得到的風(fēng)眼位置。

圖3“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)期間臺(tái)灣海峽風(fēng)場(chǎng)分布

從圖3可知，高頻地波雷達(dá)OSMAR071G探測(cè)的風(fēng)場(chǎng)顯示了臺(tái)風(fēng)吹過(guò)形成的逆時(shí)針渦旋，漩渦中心尺度約為20 km,但漩渦中心的形狀并非圓形。雷達(dá)探測(cè)的海面風(fēng)矢量渦旋中心位置與國(guó)家衛(wèi)星氣象中心發(fā)布的臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼位置相近。圖3中雷達(dá)計(jì)算得到的風(fēng)眼軌跡與國(guó)家衛(wèi)星氣象中心發(fā)布的臺(tái)風(fēng)實(shí)際軌跡符合，發(fā)布的實(shí)際軌跡的臺(tái)風(fēng)路徑在方向轉(zhuǎn)變的地方變化并不平緩，時(shí)間間隔為1 h。

圖4給出了2016年9月14日22:00～9月15日01:00時(shí)地波雷達(dá)計(jì)算得到的整點(diǎn)時(shí)刻海表面臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼軌跡與國(guó)家衛(wèi)星氣象中心發(fā)布的臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼軌跡的對(duì)比，雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)間間隔0.5 h，發(fā)布的臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)間隔1 h。圖中顯示二者位置基本符合，風(fēng)眼運(yùn)動(dòng)方向與衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果保持一致。在9月14日22:00，兩種方法得到的風(fēng)眼點(diǎn)位置偏差最小為5.1 km，到9月15日01：00時(shí)刻位置偏差最大，約為11.3 km?？紤]到氣象衛(wèi)星觀測(cè)到的是云層上部的臺(tái)風(fēng)氣旋中心，地波雷達(dá)探測(cè)到的是海表面的風(fēng)眼，對(duì)具有一種空間柱狀立體結(jié)構(gòu)的臺(tái)風(fēng)而言，上下層風(fēng)眼位置存在一定偏差。同時(shí)，衛(wèi)星預(yù)報(bào)位置精度為0.1°，在此區(qū)域?qū)?yīng)的距離精度約為10 km,這說(shuō)明在此期間，臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼隨高度的偏移量不大。根據(jù)雷達(dá)矢量風(fēng)場(chǎng)測(cè)算，在2016年9月15日1時(shí)，臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼位置距離龍海站約38.0 km，距離東山站約119.8 km。

圖4 雷達(dá)探測(cè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼路徑與預(yù)報(bào)臺(tái)路徑對(duì)比

4 結(jié)論

本文利用OSMAR071G地波雷達(dá)對(duì)“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)臺(tái)灣海峽表面矢量風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行分析，通過(guò)矢量風(fēng)場(chǎng)的渦旋中心，得到了海表面臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼位置。地波雷達(dá)探測(cè)得到的臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼運(yùn)動(dòng)軌跡與衛(wèi)星監(jiān)測(cè)軌跡吻合地比較好，但時(shí)間分辨率和距離分辨率更高。在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的惡劣氣候環(huán)境下，OSMAR071G高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，有效證明了系統(tǒng)對(duì)于臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性強(qiáng)對(duì)流天氣具有全天候的高精度探測(cè)能力。結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)海表面臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼與衛(wèi)星觀測(cè)得到云層風(fēng)眼之間存在一定的偏差，通過(guò)對(duì)二者偏差進(jìn)一步分析，可能獲得臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)方向相關(guān)信息，為近岸臺(tái)風(fēng)軌跡精確預(yù)測(cè)提供了新思路，將有助于推動(dòng)地波雷達(dá)設(shè)備在全球海洋立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的防災(zāi)救災(zāi)、搜救救援、海洋預(yù)報(bào)等業(yè)務(wù)中的應(yīng)用。

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Observation of the"Meranti"Typhoon Eye with the OSMAR071G HF Radar

XU Quan-jun1,WU Xiong-bin2,ZHOU Heng2,CHEN Zhi-hui3,WAN Yan4,HUANG Qi-hua2,YUE Xian-chang2
1.Marine Environment Special Office of the Chinese People's Liberation Army,Beijing 10000,China;
2.Electronic Information School,Wuhan University,Wuhan 430072,Hubei Province,China;
3.China Precise Ocean Detection Technology Co.Ltd,YiChang 443005,Hubei Province,China;
4.Fujian Province Marine Forecast Station,Fuzhou 350000,Fujian Province

The OSMAR071G HFSWR radar system has seen the whole process of the Typhoon"Meranti"crossing the Taiwan Strait and landing on Xiamen Island in September,2016.This radar system operated by the Fujian Marine Forecast Station has achieved operational level in ocean surface monitoring and measurement.The curl of surface wind has been calculated from the data of the HFSWAR.By analyzing the curl of wind vector,combined with continuous observation，the positions of the typhoon eye are obtained,and the trace of"Meranti"can be derived from the center point.The trace obtained from the current vector is in line with the results of China National Satellite Meteorological Center.The results show that the OSMAR071G HFSWAR system is capable of effectively conducting remote sensing for typhoons.

OSMAR071G HFSWR radar;oceanic wind inversion;surface wind;Typhoon"Meranti";typhoon eye

P733.6

A

1003-2029（2017）05-0099-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.016

2017-08-26

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2012AA091701，2012AA091702）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012BAH32B02）；2014年湖北省青年英才培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目

徐全軍（1969-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境觀測(cè)裝備管理。E-mail:zcqxjxqj@126.com

吳雄斌，男，博士，教授，主要從事地波雷達(dá)海洋監(jiān)測(cè)以及無(wú)線電波傳播研究。E-mail:xbwu@whu.edu.cn