X波段雷達測波系統(tǒng)比測方法的研究*
——基于東海區(qū)海洋站比測數(shù)據(jù)分析

耿立佳，趙秀玲，王棟，何勇，卞崎灃

(國家海洋局東海標準計量中心 上海 201306)

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X波段雷達測波系統(tǒng)比測方法的研究*
——基于東海區(qū)海洋站比測數(shù)據(jù)分析

耿立佳，趙秀玲，王棟，何勇，卞崎灃

(國家海洋局東海標準計量中心 上海 201306)

目前我國已經(jīng)進口了X波段雷達，大多數(shù)使用的WAVEX海事雷達海浪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用X波段雷達開發(fā)監(jiān)測海浪的波高、波長、波向與波周期等相關參數(shù)已經(jīng)取得初步成果。同時，在X波段雷達數(shù)據(jù)質量控制以及將雷達數(shù)據(jù)與海洋動力學模型進行同化方面積累了一定的經(jīng)驗，但距離制定明確的應用規(guī)范還存在較大差距。文章試圖通過對東海區(qū)A、B兩個海洋站X波段雷達與波浪浮標、人工觀測數(shù)據(jù)等比測數(shù)據(jù)的分析，得出比測方法中比對儀器選擇、環(huán)境因素、海況等方面的要求，以得到更為準確的比測結果。

X波段雷達；波浪浮標；比測數(shù)據(jù)；比測方法

X波段雷達是一種具有超視距﹑大范圍﹑全天候以及低成本等優(yōu)點的新興海洋監(jiān)測技術。在20世紀80年代末，挪威D0243公司開始利用Young、Rosenihal和Ziemer原理構思船用雷達波浪監(jiān)測儀，于1999年成功研制了WAVEX系統(tǒng)[1]。目前，我國裝備的X波段雷達大多使用的是該公司的WAVEX海事雷達海浪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

國內外利用X波段雷達開發(fā)監(jiān)測海浪的波高、波長、波向與波周期，海流場的流速和流向以及周圍風場的相關參數(shù)已經(jīng)取得初步成果。同時，在X波段雷達數(shù)據(jù)質量控制以及將雷達數(shù)據(jù)與海洋動力學模型進行同化方面積累了一定的經(jīng)驗，但距離制定明確的應用規(guī)范還存在較大差距。對X波段雷達觀測系統(tǒng)進行比測，旨在驗證X波段雷達觀測系觀測結果的準確性，檢驗其各項技術指標能否滿足《海濱觀測規(guī)范》(GB/T14914-2006)所要求的業(yè)務化海洋觀測工作，確保X波段雷達觀測系統(tǒng)的觀測結果能準確反映所測海域觀測要素的真實變化情況，為X波雷達業(yè)務化運行提供參考依據(jù)。本研究通過對東海區(qū)A、B兩個海洋站比測情況的分析，試圖找到更為有效的比測方法和相關條件。

1 比測方法

1.1 比測設備

目前，國內進行波浪數(shù)據(jù)采集主要通過X波段雷達﹑SZF型波浪浮標﹑人工觀測等方式，具體參數(shù)見表1。

表1 3種比測儀器有關技術指標

X波段雷達——1臺測量海面波浪各種參數(shù)的設備，它的數(shù)據(jù)分析是建立在標準的X波段(3 cm)海事雷達提供的數(shù)字化海面雜亂圖像基礎之上的。先在指定時間范圍內采集的海面雜亂數(shù)據(jù)，然后對這些參數(shù)數(shù)據(jù)進行計算。經(jīng)過計算所得的海浪參數(shù)是指采集時間內主要海浪參數(shù)的平均值(圖1)。

圖1 X波段雷達

SZF型波浪浮標——由中國海洋大學自主研發(fā)，是一種無人值守的、可定點、定時自動對波浪要素進行測量的小型浮標系統(tǒng)。主要用于沿岸海洋環(huán)境監(jiān)測站常規(guī)波浪觀測工作和驚駭環(huán)境工程的監(jiān)測工作，可測量海浪的波高、周期、波向的基本設備[2]。目前已廣泛應用于我國的近海海洋監(jiān)測站、近海海洋工程測量及海洋調查考察等領域，得到廣泛認可(圖2)。

人工觀測——由人工肉眼或借助簡易設備對波浪要素的分布狀況和變化規(guī)律進行的觀測。包括：大面觀測，在調查海區(qū)布設若干觀測站，每隔一定時間在各觀測站觀測一次；斷面觀測，在調查海區(qū)布設幾條有代表性的若干觀測站組成的斷面，每隔一定時間在各觀測斷面上巡回觀測一次；連續(xù)觀測，在調查海區(qū)布設若干有代表性的觀測站，按任務要求在每一觀測站上進行一晝夜以上的連續(xù)觀測。

1.2 比測要素

A站、B站比測要素為：有效波高、有效波周期和波向。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

比測數(shù)據(jù)參照《海洋環(huán)境監(jiān)測站自動監(jiān)測儀器現(xiàn)場比對方法》中給出的方法進行處理。具體的方法如下。

(1)同一坐標系內繪制和的過程曲線圖。其中和為X波段雷達測波系統(tǒng)和比測設備同步觀測所獲得的某個觀測要素的數(shù)據(jù)。

(2)誤差計算：

① 計算比對數(shù)據(jù)的誤差

ΔXi=X1i-X2i

式中：X1i和X2i分別為X波段雷達測波系統(tǒng)和比對設備同步或準同步觀測所獲得的某個觀測要素的第i個數(shù)據(jù)。

② 計算誤差的平均值

式中：n為觀測數(shù)據(jù)個數(shù)。

③ 計算誤差的極值(ΔX)max

(ΔX)max=max{|ΔXi|}

④ 計算誤差的均方差

(3)計算X1和X2的相關系數(shù)

1.4 比測結果評價標準

《海洋環(huán)境監(jiān)測站自動監(jiān)測儀器現(xiàn)場比對方法》中提出了比測結果判別的3個標準，按順序分別為：① 過程曲線趨勢的一致性；② 相關系數(shù)大于等于0.90(γXiX2≥0.90)；③ 誤差極值小于等于3倍均方差[(ΔX)max≤3SΔX]。下面也主要參照這幾個標準對結果進行分析。

2 比測分析

A站比測時間為21 d，每整點比測。期間有5次天氣過程：6日受冷空氣影響，臺灣海峽有大浪過程；8-9日受冷空氣影響，臺灣海峽有大到巨浪過程；10-13日分別有冷空氣影響，臺灣海峽有大浪過程；18-20日受冷空氣影響，臺灣海峽有大到巨浪過程；22-25日受冷空氣影響，臺灣海峽有大到巨浪過程。X波段雷達與波浪浮標有效波高、平均周期和波向的過程曲線如圖3所示。

圖3 X波段雷達與波浪浮標曲線圖(A站)

分別計算X波段雷達系統(tǒng)與波浪浮標間絕對誤差的平均值、均方根、最大值以及相關系數(shù)(表2)。

表2 X波段雷達與波浪浮標數(shù)據(jù)誤差及相關數(shù)據(jù)表(A站)

從表2和圖3可以看出，一是X波段雷達與波浪浮標都能反映有效波高的變化過程，但X波段雷達的有效波高總體上比波浪浮標偏大，均方根誤差0.8 m，最大絕對誤差為2.1 m；二是X波段雷達與波浪浮標有效波周期結果都基本能反映出平均周期的變化過程，但X波段雷達的有效波高周期總體上比波浪浮標偏大，均方根誤差0.8 s，最大絕對誤差為3.1 s；三是X波段雷達與波浪浮標的波向結果基本也能反映出波向的變化過程。

B站比測時間為21 d，觀測數(shù)據(jù)記錄時次為每日8時、11時、14時、17時。期間有6次天氣過程：1-3日，受冷空氣和1329號臺風“羅莎”外圍環(huán)流的共同影響，臺灣海峽南部出現(xiàn)巨浪過程；4-5日，受弱冷空氣南下影響，臺灣海峽出現(xiàn)一次大浪過程；8-10日，受1330號臺風“海燕” 的影響，臺灣海峽出現(xiàn)中到大浪過程；11-14日，受冷空氣南下影響，臺灣海峽出現(xiàn)大到巨浪過程；15-16日，受1331號熱帶低壓 “楊柳” 的影響，臺灣海峽出現(xiàn)中到大浪過程；17-18日，受冷空氣影響，臺灣海峽出現(xiàn)大浪以上過程。X波段雷達與人工觀測有效波高、平均周期和波向的過程曲線見圖4至圖6。

圖4 有效波高觀測數(shù)據(jù)的比對

圖5 有效波周期觀測數(shù)據(jù)的比對

圖6 波向數(shù)據(jù)的比對

分別計算X波段雷達系統(tǒng)與人工觀測間絕對誤差的平均值、均方根、最大值以及相關系數(shù)(表3)。

表3 X波段雷達與人工觀測數(shù)據(jù)誤差及相關數(shù)據(jù)表(B站)

從表3和圖4至圖6可以看出，① X波段雷達測波系統(tǒng)及人工觀測的有效波高數(shù)據(jù)符合的不是很好，X波段雷達數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)相比整體偏大，但兩者都反映出了波高的變化趨勢，平均誤差也不是很大。② X波段雷達測波系統(tǒng)及人工觀測的平均波周期數(shù)據(jù)符合的不是很好，X波段雷達數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)相比整體偏大，但兩者都反映出了周期的變化趨勢，平均誤差也不是很大。③ X波段雷達測波系統(tǒng)及人工觀測的平均波向數(shù)據(jù)符合的不是很好，但兩者都反映出了波向的變化趨勢，平均誤差也不是很大。

3 結論

通過對東海區(qū)A、B兩個海洋站的比測資料分析，初步得出以下結論:① 比測周期內需要有足夠的風和波高，風速或波高較小時，會對X波雷達觀測系統(tǒng)的測量精度帶來較大的影響。② 人工觀測產(chǎn)生的誤差較大，比測儀器宜選擇業(yè)內廣泛認可的波浪浮標，以提高數(shù)據(jù)的準確度和可信度，為X波雷達業(yè)務化運行提供參考依據(jù)。③ 根據(jù)X波段雷達測波系統(tǒng)的測試原理及比測數(shù)據(jù)所反映的情況，比測過程中需避免雨﹑雪﹑霧等對比測結果有較大影響的天氣條件。④由于X波段雷達測波系統(tǒng)受地形、環(huán)境等因素影響較大，比測進行前需根據(jù)實地情況對工程參數(shù)進行設置和調整。

[1] 齊占輝，宋占杰，張鎖平，等.X波段雷達在海面動力環(huán)境監(jiān)測中的應用研究[J].海洋技術，2009，28(1):24-28.

[2] 唐原廣，王金平.SZF波浪浮標系統(tǒng)[J].海洋技術，2008，27(2)：31-33.

國家海洋局預報減災司項目“海洋防災減災”.

P71；P

A

1005-9857(2015)08-0069-04