基于X波段雷達的臺風浪觀測分析

王靜，文嘯，劉春霞，黃健，呂衛(wèi)華

（1.中山大學地理科學與規(guī)劃學院，廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點實驗室，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波段雷達的臺風浪觀測分析

王靜1，文嘯2，劉春霞3，黃健3，呂衛(wèi)華4

（1.中山大學地理科學與規(guī)劃學院，廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點實驗室，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WaMoSII和浮標觀測的三個臺風過程的波浪資料，結果表明：在臺風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；波浪；臺風；浮標

1 引言

隨著人類涉海活動的不斷增多，人們對海洋動力環(huán)境要素信息的快速、實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的快速發(fā)展，其中X波段雷達以其穩(wěn)定、實時、便捷的特點成為近海和機動海區(qū)海面狀況，包括海浪、海流和海面風場等要素監(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，海洋學者在關于X波段雷達反演海浪場、海流場和海面風場的理論和實踐方面取得了諸多進展[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)務化的海洋監(jiān)測中。

由德國GKSS實驗室開發(fā)研制的WaMoSⅡ系統(tǒng)是一套基于航海雷達的海浪監(jiān)測系統(tǒng)，二十多年來，已廣泛應用于世界各地的波浪監(jiān)測工作，然而，因使用的雷達天線不同，觀測海域的環(huán)境特征不同，雷達安裝及參數(shù)設置不同等各類因素影響，X波段雷達觀測波浪的反演方法和觀測精度也不盡相同，歐美等國進行了大量的應用研究[10-15]。而國內由于起步較晚，且限于浮標資料的缺乏，關于WaMoSⅡ系統(tǒng)的應用研究一直較少。2008年，中國氣象局博賀海洋氣象觀測站引進了海浪監(jiān)測系統(tǒng)WaMoSⅡ，同時觀測站還投放了一波浪浮標（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“臺風浪”）數(shù)據(jù)進行分析，為開展X波段雷達在該海域的業(yè)務化波浪監(jiān)測提供科學依據(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，觀測站引進了海浪監(jiān)測系統(tǒng)WaMoSⅡ，雷達采用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，完成雷達系統(tǒng)安裝并開始觀測海面風、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（型號為SBF3-1），以獲取同期的波浪觀測資料。浮標距觀測站距離約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地理位置示意圖

浮標數(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，由于在此時期內雷達尚處于調試階段，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在浮標觀測的有效波高時間序列上標出了影響觀測海域的熱帶氣旋名稱、登陸地點和登陸時間。

圖2 浮標觀測資料

當有效波高小于0.5 m時，雷達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。由于浮標和雷達的觀測間隔不同，對比時，以浮標資料的觀測時間為基準，取鄰近半小時內的雷達觀測平均值作為雷達觀測的有效波高值，從而獲得準同步的雷達和浮標觀測數(shù)據(jù)。

經(jīng)過上述處理，雷達和浮標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和浮標觀測的有效波高和波向資料進行對比，以分析雷達觀測到的臺風浪特點。

3 結果和分析

3.1 “北冕”期間雷達觀測數(shù)據(jù)分析

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

圖3是“北冕”期間浮標與雷達準同步觀測的有效波高數(shù)據(jù)對比圖。從兩者的準同步時間序列圖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，浮標與雷達觀測的有效波高均急速增大，于7日達到最大值；之后“北冕”對觀測站海域的影響開始衰減，浮標與雷達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”期間浮標與雷達準同步觀測的有效波高對比

對比雷達和浮標的資料（見圖3a）可見：在7日當天，“北冕”對該觀測海域影響最大，此時有效波高也達到最大，在此高海況下，浮標與雷達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”逐漸西行遠離，浮標與雷達觀測的有效波高值相差較大，多數(shù)情況下，雷達觀測值大于浮標觀測值，且雷達的觀測值波動幅度明顯大于浮標觀測值。

圖4是“北冕”期間浮標與雷達準同步觀測的平均波向對比圖。圖上可看出，雷達和浮標數(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，浮標與雷達觀測的平均波向變化趨勢較為一致，而在臺風影響之前和之后階段，浮標觀測值與雷達觀測值差異較大。

圖4 “北冕”期間浮標與雷達準同步觀測的平均波向對比

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

表1 “北冕”期間浮標與雷達觀測的有效波高的對比

表2 “北冕”期間浮標與雷達觀測的平均波向的對比

3.2 “米克拉”和“海高斯”期間雷達觀測數(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，在南海海域共出現(xiàn)三個熱帶氣旋，強熱帶風暴“黑格比”、熱帶風暴“米克拉”和熱帶風暴“海高斯”，但是由于雷達觀測時段的不連續(xù)，雷達和浮標的準同步數(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資料進行分析。

2008年第16號熱帶風暴“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”影響前后雷達和浮標的有效波高同步數(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。但雷達觀測數(shù)據(jù)要普遍大于浮標觀測數(shù)據(jù)。

圖5 “米克拉”和“海高斯”期間浮標與雷達準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，觀測海域的雷達和浮標數(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，觀測海域浮標與雷達觀測的有效波高均逐漸增大，并于4日晚間達到最大，此時，“海高斯”對觀測場海域的影響達到最大，浮標與雷達觀測的有效波高數(shù)值吻合很好；此后，隨著“海高斯”登陸后強度的減弱，浮標與雷達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，即在臺風登陸時的高海況下，雷達和有效波高觀測的一致性較好，其他時間，雷達數(shù)據(jù)多大于浮標數(shù)據(jù)。

圖6是“黑格比”與“海高斯”期間浮標與雷達觀測的平均波向準同步觀測的平均波向對比圖。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，浮標與雷達觀測的平均波向數(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”期間浮標與雷達觀測的平均波向對比

表3和表4分別為“米克拉”和“海高斯”期間浮標與雷達準同步觀測的有效波高和平均波向的參數(shù)統(tǒng)計，結果表明此期間雷達和浮標數(shù)據(jù)總體上相關性較好，相關系數(shù)分別達0.77和0.79。

表3 “米克拉”和“海高斯”期間浮標與雷達觀測的有效波高的對比

表4 “海高斯”期間浮標與雷達觀測的平均波向的對比

4 結論和討論

從上述三個臺風過程中雷達和浮標觀測資料的對比結果可以看出：在臺風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，雷達觀測值普遍略大于浮標觀測值。

統(tǒng)計分析結果表明：浮標與雷達觀測的有效波高偏差在誤差允許范圍內（偏差小于0.5 m），且浮標與雷達觀測的有效波高的相關性較好，說明雷達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果較好。

由于浮標是對一個定點海域的波浪進行觀測，而雷達是對一定面積的海域進行觀測，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，本文使用的雷達數(shù)據(jù)還處于雷達調試階段，雷達參數(shù)的設置對于觀測結果也有一定影響，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性較差，這需要對雷達做更多的試驗分析和進一步的調試，從而提高觀測的準確性。

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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“南海熱帶云團活動及其強風的監(jiān)測和預報技術”（GYHY201106036）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（2011CB013701）

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