1509號臺風(fēng)燦鴻期間“朱家尖-嵊山”高頻地波雷達數(shù)據(jù)分析

李 程，李 歡，王 慧，高 佳，王國松，董軍興，潘 嵩，劉克修

(國家海洋信息中心，天津 300171)

1509號臺風(fēng)燦鴻期間“朱家尖-嵊山”高頻地波雷達數(shù)據(jù)分析

李 程，李 歡，王 慧，高 佳*，王國松，董軍興，潘 嵩，劉克修

(國家海洋信息中心，天津 300171)

2007年在朱家尖和嵊山布設(shè)了小型陣變頻高頻地波雷達，對共同覆蓋范圍內(nèi)的舟山海域進行風(fēng)、浪、流的業(yè)務(wù)化探測。2015年7月11日，1509號臺風(fēng)燦鴻在朱家尖沿海登陸，之后繼續(xù)向北偏東方向移動，臺風(fēng)中心經(jīng)過高頻地波雷達探測海域。本文將臺風(fēng)期間高頻地波雷達的探測數(shù)據(jù)分別與定點浮標觀測數(shù)據(jù)和ASCAT衛(wèi)星遙感大面積風(fēng)場數(shù)據(jù)進行了對比分析。結(jié)果表明，高頻地波雷達在臺風(fēng)期間較好地反映了舟山海域流場特征和風(fēng)場分布情況，高頻地波雷達的探測數(shù)據(jù)精度滿足指標要求，驗證了高頻地波雷達在復(fù)雜海況條件下具有合格的探測性能。

高頻地波雷達;臺風(fēng);衛(wèi)星遙感;風(fēng)場

0 引言

高頻地波雷達[1](又稱為高頻表面波雷達)利用垂直極化的高頻(3～30 MHz)電磁波在海洋表面繞射傳播衰減小的特點，能超視距探測風(fēng)場、浪場、流場等海洋動力學(xué)參數(shù)和海上低速移動目標[2]。與傳統(tǒng)海洋探測設(shè)備相比，高頻地波雷達具有覆蓋面廣、實時性好、全天候、運行費用低等優(yōu)點。變頻高頻地波雷達同時工作在多個頻段的多個頻率點上，一次回波所包含的海洋動力學(xué)參數(shù)信息大大增加，可反演得到更準確的海洋動力學(xué)參數(shù)，可以同時兼顧探測距離遠、探測精度高等指標要求。此外，通過數(shù)據(jù)融合，變頻雷達具有很強的在不同頻率之間的自校正能力，具有強的抗外部電磁干擾能力，探測性能更加穩(wěn)定[3]。

2015年第9號臺風(fēng)“燦鴻”于6月30日20時在西北太平洋洋面上生成，之后向西北方向移動，最強達超強臺風(fēng)級；11日16時40分前后以強臺風(fēng)級在浙江省舟山市朱家尖鎮(zhèn)沿海登陸；登陸后“燦鴻”向北偏東方向移動，經(jīng)過我國黃海海域并向朝鮮半島靠近，強度逐漸減弱。此次臺風(fēng)中心軌跡恰好經(jīng)過了比測海域，“朱家尖-嵊山”地波雷達在極端海況條件下獲取了臺風(fēng)經(jīng)過期間寶貴的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。本文將臺風(fēng)期間地波雷達獲取的部分探測數(shù)據(jù)與定點浮標數(shù)據(jù)以及ASCAT衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分別進行了對比分析，對“朱家尖-嵊山”地波雷達站雷達水文要素的探測準確度進行討論，準確評價雷達的性能。

1 浮標數(shù)據(jù)對比

本文中小型陣變頻高頻地波雷達是由2個中程高頻地波雷達站——朱家尖的泗眺(29.8931°N,122.4275°E)和嵊山(30.7019°N,122.8358°E)雷達站組成的同步探測系統(tǒng)，2部雷達相距約100 km，由于雷達站地形的限制，雷達輻射視場角分別為90°和120°。雷達覆蓋海域在舟山群島以東偏南海域，雷達設(shè)定為10 min掃描一次，最大探測范圍為29.10°～31.15°N，122.45°～124.55°E，經(jīng)緯向分辨率均為0.05°。在比測海域內(nèi)布放了1個3 m綜合浮標(30.500 9°N,123.042 2°E)，距離嵊山地波雷達站約30 km。浮標集成海流、海浪、風(fēng)等要素觀測，浮標站位對定點海域海流、波浪、風(fēng)向和風(fēng)速等要素進行了3個月的海上對比觀測。圖1為地波雷達位置、浮標位置和燦鴻臺風(fēng)路徑分布示意圖。

圖1 地波雷達和浮標位置以及臺風(fēng)路徑分布示意圖Fig.1 Locations of radar and buoy and track of Typhoon Chan-hom

1.1 海流數(shù)據(jù)對比

浮標利用其攜帶的工作頻率為1 MHz的ADCP監(jiān)測該海域的海流剖面，本文取浮標3.1 m深度的海流數(shù)據(jù)與地波雷達觀測的表層流結(jié)果進行對比，選取1個潮周期(25 h)的對比結(jié)果進行分析。

圖2是地波雷達徑向流與浮標ADCP測得的流速、流向分解為徑向流的對比結(jié)果。從對比結(jié)果上看，兩部雷達的徑向流分別與ADCP的徑向流結(jié)果一致性較好，雷達觀測海流的精度能夠滿足測量指標要求，真實地反映了站位所在海域的海流特征，平均絕對誤差、均方根和相關(guān)系數(shù)等參數(shù)均在合理范圍內(nèi)。相關(guān)系數(shù)分別達到0.97和0.89，各項指標誤差分析見表1。其中，嵊山雷達站的對比結(jié)果要優(yōu)于朱家尖雷達站的對比結(jié)果，原因是浮標離嵊山站的距離較近，且與嵊山雷達站法向夾角更小。可見測點距離雷達越近雷達資料質(zhì)量越好，測點與雷達法向夾角越小雷達資料質(zhì)量越好[4]。

圖2 徑向流對比Fig.2 Radial flow comparison

表1 徑向流數(shù)據(jù)比對結(jié)果Tab.1 Radial flow comparison results

圖3是地波雷達合成矢量流與浮標 ADCP測得的矢量流流速、流向的對比結(jié)果。從對比結(jié)果上看，雷達合成矢量流與ADCP實測海流流速、流向的一致性都比較好。矢量流的各項指標誤差分析見表2。其中，流向的對比結(jié)果顯示出明顯的往復(fù)運動規(guī)律，符合該海域海流往復(fù)流的特征。

圖3 矢量流對比Fig.3 Vector flow comparison

表2 矢量流數(shù)據(jù)比對結(jié)果Tab.2 Vector flow comparison results

1.2 風(fēng)場數(shù)據(jù)對比

海面風(fēng)是海洋表面運動的主要動力來源，是波浪形成的直接動力，是海洋工程、海上航運等海上活動的前提。在海洋動力學(xué)過程中，通過調(diào)節(jié)海-氣之間的熱量、水汽和物質(zhì)交換影響著氣候[5]。

風(fēng)傳感器安裝于浮標頂部，整點開始測量，半小時觀測1次。風(fēng)傳感器(YOUNG 05103)每3 s采集1次，作為瞬時風(fēng)速和相應(yīng)風(fēng)向，連續(xù)采樣10 min，計算風(fēng)速和風(fēng)向的平均值，作為該10 min結(jié)束時刻的平均風(fēng)速和相應(yīng)風(fēng)向。風(fēng)的對比起止時間為2015年6月16日1時30分至2015年8月11日23時30分。地波雷達理論獲得樣本數(shù)應(yīng)為8 170組，而實際獲得的樣本數(shù)為8 041組，數(shù)據(jù)獲取率為98.4%。

圖4是地波雷達風(fēng)速與浮標測得風(fēng)速的對比結(jié)果。從對比結(jié)果上看，地波雷達完整地獲取了臺風(fēng)經(jīng)過比測海域期間的風(fēng)速變化趨勢，特別是2015年7月9日7:00至2015年7月12日2:30的風(fēng)速先增大后減小的變化過程。在比測時間序列中，測量風(fēng)速最大值為18.5 m/s,平均絕對誤差為1.6 m/s,而在比測時間序列里，出現(xiàn)這么大風(fēng)速的次數(shù)不多，因此均方根風(fēng)速3.26 m/s誤差指數(shù)基本滿足地波雷達性能指標要求(表3)。這個誤差結(jié)果一定程度上反映了雷達具有較好的風(fēng)速探測能力。

圖5是地波雷達風(fēng)向與浮標測得風(fēng)向的對比結(jié)果。從對比結(jié)果上看，地波雷達風(fēng)向觀測的結(jié)果與浮標觀測結(jié)果一致性較好，尤其是雷達結(jié)果能較好地反映臺風(fēng)登陸時間段的海面風(fēng)向變化的全過程。

根據(jù)地波雷達探測理論，7.5～8.5 M頻段的地波雷達適合于探測5 m/s以上的風(fēng)場[6]。為了得到更好的對比結(jié)果，我們對風(fēng)場數(shù)據(jù)進行篩選，從浮標觀測數(shù)據(jù)中篩選出當風(fēng)速大于5 m/s時對應(yīng)的風(fēng)向進行比對，如圖6所示。當風(fēng)速大于5 m/s時，風(fēng)向的均方根小于總體風(fēng)向的均方根，說明風(fēng)速越大，雷達探測的結(jié)果越好。浮標位于臺風(fēng)路徑的東側(cè)，臺風(fēng)到達之前，浮標處的主風(fēng)向為北向，當臺風(fēng)經(jīng)過比測海域在朱家尖登陸時，主風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅狈较?，當臺風(fēng)繼續(xù)北上，浮標處的主風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南向。很好地符合了北半球發(fā)生臺風(fēng)時位于臺風(fēng)路徑東側(cè)的觀測點風(fēng)向轉(zhuǎn)變特征。從圖6中可以看到，地波雷達的風(fēng)向變化趨勢要滯后于浮標觀測的風(fēng)向變化，這是由于浮標通過傳感器直接觀測獲得風(fēng)向數(shù)據(jù)，而地波雷達則需要通過對海洋散射回波反演獲得風(fēng)向數(shù)據(jù)，反演探測機制需要一定的時間，因此會有時間上的滯后。

從風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ瓤傮w上看，實測的風(fēng)速值要小于雷達的測量值，平均絕對誤差、均方根誤差指數(shù)基本滿足地波雷達性能指標要求；地波雷達風(fēng)向基本能反映真實風(fēng)向的變化過程，基本滿足地波雷達性能指標要求。各項指標誤差分析見表3。

圖4 風(fēng)速對比Fig.4 Wind speed comparison

圖5 風(fēng)向?qū)Ρ菷ig.5 Wind direction comparison

圖6 風(fēng)速大于5 m/s時的風(fēng)向?qū)Ρ菷ig.6 Wind direction comparison when wind speed is greater than 5 m/s

表3 風(fēng)要素數(shù)據(jù)比對結(jié)果Tab.3 Radial wind comparison results

2 ASCAT衛(wèi)星風(fēng)場數(shù)據(jù)對比

浮標數(shù)據(jù)是對高頻地波雷達定點探測性能的檢驗，由于浮標定點觀測具有覆蓋范圍小和空間分辨率低的局限性，有必要利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對地波雷達風(fēng)場空間分布情況進行進一步的對比分析。

ASCAT衛(wèi)星于2007年5月開始正式運行工作至今，ASCAT攜帶的散射探測儀是一種微波雷達，微波信號通過水面粗糙度來反演風(fēng)速和風(fēng)向[7]?？臻g分辨率為25 km，衛(wèi)星高度820 km，周期101 min，重復(fù)軌道周期為29 d，風(fēng)速測量精度為2 m/s，風(fēng)速測量范圍為4～24 m/s，風(fēng)向測量精度為20°，風(fēng)向測量范圍為0～360°。本文采用的ASCAT衛(wèi)星風(fēng)場資料來源于NOAA的衛(wèi)星應(yīng)用和研究中心發(fā)布的三級產(chǎn)品。通過資料查詢和篩選，選取2015年7月11日20:40的衛(wèi)星沿軌風(fēng)場數(shù)據(jù)作為參照對地波雷達探測風(fēng)場結(jié)構(gòu)的能力進行檢驗，如圖7所示。箭頭方向為風(fēng)的去向，風(fēng)速的大小通過顏色來表示。

圖8為2015年7月11日20:40的2部地波雷達站共同覆蓋海域合成的反演風(fēng)場分布圖。通過對比圖7和圖8的同一時刻大面積風(fēng)場數(shù)據(jù)可知，地波雷達的反演結(jié)果與衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)空間分布情況基本吻合，風(fēng)速大小和風(fēng)向的一致性很高，很好地獲取了臺風(fēng)期間共同覆蓋海域內(nèi)的風(fēng)場分布特征，地波雷達經(jīng)受了復(fù)雜海況條件的考驗，具備在極端天氣條件下的探測能力。

圖7 2015-07-11T20:40 ASCAT 風(fēng)場分布Fig.7 ASCAT wind distribution at 20:40, on 11 July, 2015

圖8 2015-07-11T20:40地波雷達風(fēng)場分布Fig.8 Wind distribution observed by radar at 20:40, on 11 July, 2015

3 小結(jié)

本文分析了1509號燦鴻臺風(fēng)期間“朱家尖-嵊山”地波雷達的部分探測數(shù)據(jù)，先后將地波雷達數(shù)據(jù)與浮標觀測數(shù)據(jù)、ASCAT衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行對比分析?？傮w上看，地波雷達完整地獲取了臺風(fēng)期間雷達探測共同覆蓋海域的流場、風(fēng)場的結(jié)構(gòu)和變化特征，海流的探測精度和對風(fēng)的反演能力都滿足測量指標要求。證明高頻地波雷達在復(fù)雜海況條件下具有合格的探測性能。

通過對比浮標、衛(wèi)星遙感和地波雷達三種海洋調(diào)查方法，闡明了地波雷達觀測相對其他兩種方法具備的優(yōu)勢：浮標只能在常態(tài)海況條件限制的前提下，對固定點進行海洋動力參數(shù)的觀測，且不能滿足實際中小尺度海洋觀測的要求，空間覆蓋范圍小，抗損壞能力弱。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有采樣頻率高、覆蓋范圍廣的優(yōu)點[8]，但是缺點也十分明顯。由于衛(wèi)星具有軌道和周期的限制，不能對某一特定海域進行長時間連續(xù)的觀測，并且由于衛(wèi)星的不穩(wěn)定會出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的情況；另外，ASCAT衛(wèi)星的風(fēng)速測量有效數(shù)據(jù)要小于24 m/s，當臺風(fēng)足夠強的時候衛(wèi)星測量精度會有所降低。綜上所述，高頻地波雷達具備在復(fù)雜海況條件下對海洋動力參數(shù)進行大面積、實時、長期的觀測能力，是實現(xiàn)海洋在“面”的層面上實時監(jiān)測的基本工具，可以彌補我國常規(guī)海洋監(jiān)測儀器能力不足，提高我國周邊海域海洋環(huán)境實時監(jiān)測的能力。

致謝 感謝武漢大學(xué)陳澤宗教授團隊在雷達數(shù)據(jù)方面提供的支持，感謝國家海洋局東海預(yù)報中心在浮標數(shù)據(jù)處理方面提供的支持。

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Data analysis of High Frequency Surface Wave Radar at Zhujiajian-Shengshan during Typhoon Chan-hom

LI Cheng, LI Huan, WANG Hui, GAO Jia*, WANG Guo-song, DONG Jun-xing, PAN Song, LIU Ke-xiu

(NationalMarineDataandInformationService,Tianjin300171,China)

High Frequency Surface Wave Radar(HFSWR) with small circular array was deployed in Zhujiajian and Shengshan to detect the winds, waves, and currents in the overlapping area in 2007. No. 1509 Typhoon Chan-hom landed in the coastal areas of Jujiajian, and then moved north by east, passing the HFSWR detection area. The HFSWR inversed results were compared to anchored buoy observed data and the large area wind data from ASCAT satellite remote sensing respectively. The results of comparison indicate that HFSWR data basically reflect the real distribution of wind and current at Zhoushan area during Typhoon Chan-hom, showing the HFSWR’s applicability in detecting the winds and currents under high sea state conditions.

HFSWR; typhoon; satellite remote sensing; wind

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.005.

2016-05-27

2016-01-11

國家海洋公益性行業(yè)科研專項項目資助(201505018-2，201205032)；國家自然科學(xué)基金項目資助(41206013，41376014)；國家科技支撐計劃項目資助(2014BAB12B02)；天津市科技支撐計劃項目資助(14ZCZDSF00012)

李程(1988-)，男，天津市人，助理工程師，主要從事業(yè)務(wù)化海洋學(xué)、海平面影響調(diào)查評估研究。E-mail：licheng_ouc@163.com

*通訊作者：高佳(1984-)，男，工程師，主要從事海洋數(shù)值預(yù)報研究。E-mail：gaojia109@163.com

P714

A

1001-909X(2017)01-0041-06

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.005

李程，李歡，王慧，等.1509號臺風(fēng)燦鴻期間“朱家尖-嵊山”高頻地波雷達數(shù)據(jù)分析[J].海洋學(xué)研究,2017,35(1):41-46,

LI Cheng, LI Huan, WANG Hui, et al. Data analysis of High Frequency Surface Wave Radar at Zhujiajian-Shengshan during Typhoon Chan-hom[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(1):41-46, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.005.