楊震

X波段雷達(dá)觀測暴風(fēng)雨天氣折射波浪場研究

楊震

(筑波大學(xué)構(gòu)造與能源工程學(xué)院，茨城 305-8573)

X波段雷達(dá)可用于觀測折射波浪場并捕獲如波峰等海面特征。該X波段雷達(dá)安裝在面向太平洋且呈直線的海岸上，以小時為單位收集大約5公里長的海岸表面數(shù)據(jù)。本文對2005年7月26日臺風(fēng)BANYAN發(fā)生中的9個小時的折射波浪場進(jìn)行分析，通過傅里葉變換過濾圖像得到各方向的波數(shù)，并計(jì)算出了波向，水深和沿岸流速。該研究為理解沿岸流的特性有一定的指導(dǎo)意義。

X波段雷達(dá) 沿岸流 波數(shù) 暴風(fēng)雨

0 引言

沿岸流是引起漂砂的主要原因，會導(dǎo)致沿岸沙地減少等經(jīng)濟(jì)損失，因此找到一種快速且準(zhǔn)確地計(jì)算沿岸流速的方法將對海岸環(huán)境管理起到重要作用。本文分析了傾斜入射引起沿岸流的波浪場，利用快速傅里葉變換得到每小時的卓越周期過濾圖像，運(yùn)用相位得出波數(shù)最終計(jì)算出沿岸流速，對理解沿岸流的特性具有一定的指導(dǎo)意義。

1 X波段雷達(dá)

X波段雷達(dá)設(shè)置于日本波崎海洋研究所 (HORS)，且每隔2 s全天候的觀測著周邊沿海的海浪流動。該研究所位于日本茨城縣神棲市鹿島南部海岸，其北方是鹿島港，南至銚子漁港，兩港相距約17公里。X波段雷達(dá)圖像是通過捕獲微波照射海面的反射波來創(chuàng)建的，可以不太受暴風(fēng)雨天氣的影響而收集高分辨率的數(shù)據(jù)，克服了傳統(tǒng)視頻成像的局限性。雷達(dá)圖像如圖1所示，海浪由圖像的右上方傳播至左下方，傾斜的白色部分為海浪的波峰，下方中心處的黑點(diǎn)為雷達(dá)本身，雷達(dá)上方的亮白色部分為長約400 m的棧橋。X 波段雷達(dá)每2秒收集一張水平方向1024個像素和垂直方向512個像素的圖像。圖像的水平范圍為5556 m (3.0海里)，垂直范圍為2778 m (1.5海里)，因此空間分辨率為每個像素5.42 m。其中像素強(qiáng)度范圍為0到255，灰度對應(yīng)于雷達(dá)反射波的相對強(qiáng)度。

圖1 雷達(dá)圖，分析區(qū)域(右半)

2 分析暴風(fēng)雨期間的波浪場

對雷達(dá)圖像中的反射波數(shù)據(jù)波動進(jìn)行頻率分析(傅立葉變換)來創(chuàng)建頻譜，傅里葉變換由下式表示

(2)

圖2 所有時段的FFT頻譜(離岸方向=1000 m)

表1 分析組數(shù)，卓越頻率，卓越周期

圖3 雷達(dá)圖像(左)和過濾后圖像(右)，22:00

3 通過相位進(jìn)行波數(shù)分析

波的傳播方程如下所示，

圖5 相位解卷繞之后的沿岸分布(22:00)

圖6 為常數(shù)時的相位離岸分布(22:00)

圖8 波數(shù)分布，(22:00)

4 理論計(jì)算

整體的波數(shù)如下，

波數(shù)與波長，波速與水深，波長、波速與周期的關(guān)系如下所示，

5 結(jié)果與分析

5.1 波向

圖9 波向的離岸分布

水深15 m處波向與NOWPHAS測算的數(shù)據(jù)的對比如圖10所示，其中本文計(jì)算周期為一小時，而NOWPHAS的數(shù)據(jù)覆蓋7月26日至27日兩天且周期為兩小時。可觀察到呈現(xiàn)相同的波向變化趨勢，波向的計(jì)算具有一定可靠性。

圖10 波向與NOWPHAS數(shù)據(jù)的比較(水深15 m)

5.2 水深

圖11 水深的離岸分布

圖12 水深與潮汐的變化趨勢

5.3 沿岸流速

圖13 沿岸流速的離岸分布

圖14 棧橋處=385 m沿岸流速變化

6 結(jié)論

1）利用傅里葉變換等確定各時段的卓越頻率，將該時段的折射波浪場過濾成單張圖像，其中的相位變化可分解為沿岸和離岸方向的波數(shù)。

2）在沿岸方向一致的地形下，通過波數(shù)計(jì)算出的波向與水深具有一定的合理性。為求得沿岸流速，除了X波段雷達(dá)圖像以外，還需要得知該區(qū)域沿岸處的水深。

[1] G.M.Jahid Hasan, Satoshi Takewaka: Observation of a Stormy Wave Field with X-Band Radar and its Linear Aspects, Coastal Engineering Journal, Vol.49, No.2, 2007.

[2] J.W.Johnson: The refraction of surface waves by current, American Geophysical Union, Vol.28, No.6, 1947.

Analysis of Refracted Wave Field During Stormy Weather Observed by X-band Radar

Yang Zhen

(Department of Engineering Mechanics and Energy, University of Tsukuba. Ibaraki 305-8573, Japan)

P715

A

1003-4862（2021）07-0033-06

2021-04-17

楊震(1995-)，博士，研究方向：海岸動力學(xué)與環(huán)境分析。E-mail：bnqqnb@163.com.