OSMAR071G地波雷達對“莫蘭蒂”臺風風眼的觀測

徐全軍 ，吳雄斌 ，周 恒 ，陳智會 ，萬 艷 ，黃奇華 ，岳顯昌

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

OSMAR071G地波雷達對“莫蘭蒂”臺風風眼的觀測

徐全軍1，吳雄斌2*，周 恒2，陳智會3，萬 艷4，黃奇華2，岳顯昌2

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

利用福建省海洋預(yù)報臺業(yè)務(wù)化運行的OSMAR071G高頻地波雷達海洋表面觀測系統(tǒng)，對2016年9月14日-15日"莫蘭蒂"臺風穿越臺灣海峽并登陸廈門島的全過程進行了實時觀測。根據(jù)地波雷達觀測的風場數(shù)據(jù)，計算了海洋表面風場渦流特征，通過渦場結(jié)構(gòu)確定了渦旋的中心，以此確定為臺風海面風眼實時位置，通過連續(xù)觀測，從而得到了臺風海面風眼的軌跡。該風眼軌跡與國家衛(wèi)星氣象中心的發(fā)布的臺風路徑基本一致。本次觀測表明了OSMAR071G高頻地波雷達系統(tǒng)能夠準確實時地對臺風進行遙感探測。

OSMAR071G高頻地波雷達；風速反演，海表風場；莫蘭蒂臺風；臺風風眼

高頻地波雷達利用短波（3～30 MHz）在導(dǎo)電海洋表面繞射傳播衰減小的特點，采用垂直極化天線輻射電波，利用海洋表面對高頻電磁波的一階散射和二階散射機制，實現(xiàn)對海洋表面流場的探測。海面波動是一種復(fù)雜的隨機運動，可看作是許多種不同波長、頻率、振幅、初相和傳播方向的海浪疊加而成的隨機粗糙面，任何時刻海面上總存在波長為電磁波波長一半且傳播方向朝向雷達站和遠離雷達站的海浪，該海浪會與電磁波產(chǎn)生諧振散射，使雷達接收到較強的后向散射回波，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]，為高頻地波雷達海洋探測提供了理論基礎(chǔ)。

從高頻雷達回波中可以提取風場、浪場、流場等海況信息。高頻雷達的觀測具有覆蓋范圍大、全天候、實時性好、功能多、性價比高等特點，在氣象預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)、航運、漁業(yè)、污染監(jiān)測、資源開發(fā)、海上救援、海洋工程、海洋科學研究等方面有廣泛的應(yīng)用前景。

我國從1986年開始研究高頻地波雷達，1987年國家自然科學基金正式立項，1996年“國家863計劃”立項。2005年，863福建示范區(qū)建成，OSMAR2000高頻地波雷達系統(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)報臺），開展示范應(yīng)用。2008年，OSMAR2000更新為工程化的OSMAR071高頻地波雷達系統(tǒng)，隨后多次組織比測、優(yōu)化。2010年OSMAR系列雷達成功觀察到Lion Mountain臺風的風眼[2]。2013年“國家863計劃”項目支持，有關(guān)單位委托第三方對OSMAR071高頻地波雷達系統(tǒng)在臺灣海峽實施了現(xiàn)場對比驗證，2013-2014年研制單位組織多方力量，優(yōu)化了算法，提高了要素觀測精度。2014年，OSMAR071G新一代高頻地波雷達在龍海、東山部署應(yīng)用，并推廣到全國各海洋系統(tǒng)，納入國家海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)中。經(jīng)過30多年的發(fā)展，國內(nèi)地波雷達海洋探測技術(shù)已經(jīng)非常成熟[3]。

2016年9月，“莫蘭蒂”臺風穿過臺灣海峽，從廈門市翔安區(qū)登陸，恰好經(jīng)過OSMAR071G高頻地波雷達系統(tǒng)有效監(jiān)測范圍。本研究將根據(jù)雷達獲取的連續(xù)海面風場數(shù)據(jù)，設(shè)計算法來確定臺風海面風眼，并將實測風眼的運動軌跡與國家衛(wèi)星氣象中心的發(fā)布的臺風風眼軌跡相比較。本文的研究結(jié)果將對深入認識高頻地波雷達的應(yīng)用價值有重要作用。

1 雷達系統(tǒng)介紹

OSMAR071G高頻地波雷達系統(tǒng)由兩部相同型號的雷達組成，分別位于福建省龍海市和福建省東山縣。雷達工作頻率為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，探測距離150 km，有效探測面積近40 000 km2。該雷達網(wǎng)的探測區(qū)域如圖1所示。

圖1 福建省海洋預(yù)報臺東山站和龍海站OSMAR071高頻地波雷達海洋探測范圍示意圖

OSMAR071G高頻地波雷達設(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，風浪流等參數(shù)的反演結(jié)果與浮標結(jié)果一致性較高。經(jīng)實際觀測，在9月14日-15日“莫蘭蒂”臺風登陸過程中，雷達回波一階譜顯著增強，而且得到的表面風場在臺風經(jīng)過地方出現(xiàn)了清晰的漩渦。

圖2 福建省海洋預(yù)報臺東山雷達站和龍海雷達站

2 高頻地波雷達風場探測原理

1977年Barrick給出了海浪頻譜的近似計算方法，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速的關(guān)系，文獻[5]給出了高頻地波雷達反演海面風速的半經(jīng)驗性方法。但是由于Barrick近似海浪譜計算得到的峰值頻率存在一定的誤差，半經(jīng)驗反演方法的結(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（雷達站布置位置也在圖1所示位置）持續(xù)工作并獲取數(shù)據(jù)，利用這段時間的數(shù)據(jù)，我們對風速反演的半經(jīng)驗方法（參考文獻[5]）進行了持續(xù)改進，并應(yīng)用在OSMAR071G高頻地波雷達之中，建立了適用于臺灣海峽南部區(qū)域的風速與波高的經(jīng)驗關(guān)系[6]，即：

式中:α和β為風速與有效波高之間關(guān)系模型參數(shù)，需要實測數(shù)據(jù)進行測定。Hs為改進方法得到的有效波高，Hs的表達式如下：

式中：ξ，τ和μ為待確定的模型參數(shù)，R為雷達回波二階譜與一階譜能量比值；k0為雷達發(fā)射頻率對應(yīng)的波數(shù)。該方法得到的風場結(jié)果與監(jiān)測期間福建省海洋預(yù)報臺所布設(shè)的1#大浮標記錄的結(jié)果相關(guān)系數(shù)為0.72，證明了此反演算法的有效性[6]。

臺風由中心的臺風眼、最大風速區(qū)和外圍區(qū)構(gòu)成。外圍區(qū)風速由外到內(nèi)逐漸增大，但從距離中心數(shù)千米到風眼中心臺風風速驟減，風眼中心區(qū)域氣流下沉，風速很小甚至無風。由于科氏力作用，北半球臺風旋轉(zhuǎn)方向為逆時針，南半球為順時針。地波雷達探測的距離分辨率為5 km，在用波束形成求解特定方位的一階峰能量時，由于波束存在一定的寬度，導(dǎo)致最后風速的結(jié)果在空間上進行了平滑，實際距離分辨率大于5 km，無法發(fā)現(xiàn)風眼中心的平靜區(qū)域，但是風眼周圍的風速大小會大于外部風速大小。文獻[7]通過三維數(shù)值模擬得到了臺風風眼周圍的矢量風場，發(fā)現(xiàn)風眼附近風場呈與臺風一致的渦旋，而且風眼附近風速大小大于外圍風速大小，與OSMAR071G地波雷達系統(tǒng)觀測結(jié)果一致。由于衛(wèi)星觀測到的臺風風眼為云層風眼，而地波雷達探測到的為海表面風眼，二者存在一定的位置偏移。

3“莫蘭蒂”臺風數(shù)據(jù)分析

2016年9月14日20時左右，臺風“莫蘭蒂”(Meranti)從澎湖列島南部進入圖1所示福建省海洋預(yù)報臺高頻雷達系統(tǒng)探測范圍。根據(jù)國家衛(wèi)星氣象中心發(fā)布的臺風結(jié)果[8]，臺風進入探測區(qū)域后最大風速52 m/s，運動方向為西北方向，十二級風圈半徑約40 km，十級風圈半徑140 km。臺風于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高頻雷達在2016年9月14日22:00-9月15日01:00期間的雷達數(shù)據(jù)，利用第二節(jié)介紹的方法計算海面風場，通過風場渦旋中心得到臺風風眼位置，并與國家衛(wèi)星氣象中心的臺風預(yù)報結(jié)果進行對比驗證。圖(3)從左往右從上到下給出了9月14日21:00時刻臺風進入雷達探測區(qū)域到9月15日02:00期間9個不同時刻OSMAR071G地波雷達探測到的臺灣海峽海表面矢量風場，圖中白色圓圈代表該時刻由矢量風場得到的風眼位置。

圖3“莫蘭蒂”臺風期間臺灣海峽風場分布

從圖3可知，高頻地波雷達OSMAR071G探測的風場顯示了臺風吹過形成的逆時針渦旋，漩渦中心尺度約為20 km,但漩渦中心的形狀并非圓形。雷達探測的海面風矢量渦旋中心位置與國家衛(wèi)星氣象中心發(fā)布的臺風風眼位置相近。圖3中雷達計算得到的風眼軌跡與國家衛(wèi)星氣象中心發(fā)布的臺風實際軌跡符合，發(fā)布的實際軌跡的臺風路徑在方向轉(zhuǎn)變的地方變化并不平緩，時間間隔為1 h。

圖4給出了2016年9月14日22:00～9月15日01:00時地波雷達計算得到的整點時刻海表面臺風風眼軌跡與國家衛(wèi)星氣象中心發(fā)布的臺風風眼軌跡的對比，雷達數(shù)據(jù)時間間隔0.5 h，發(fā)布的臺風數(shù)據(jù)間隔1 h。圖中顯示二者位置基本符合，風眼運動方向與衛(wèi)星觀測結(jié)果保持一致。在9月14日22:00，兩種方法得到的風眼點位置偏差最小為5.1 km，到9月15日01：00時刻位置偏差最大，約為11.3 km。考慮到氣象衛(wèi)星觀測到的是云層上部的臺風氣旋中心，地波雷達探測到的是海表面的風眼，對具有一種空間柱狀立體結(jié)構(gòu)的臺風而言，上下層風眼位置存在一定偏差。同時，衛(wèi)星預(yù)報位置精度為0.1°，在此區(qū)域?qū)?yīng)的距離精度約為10 km,這說明在此期間，臺風風眼隨高度的偏移量不大。根據(jù)雷達矢量風場測算，在2016年9月15日1時，臺風風眼位置距離龍海站約38.0 km，距離東山站約119.8 km。

圖4 雷達探測臺風風眼路徑與預(yù)報臺路徑對比

4 結(jié)論

本文利用OSMAR071G地波雷達對“莫蘭蒂”臺風期間的觀測數(shù)據(jù)，對臺灣海峽表面矢量風場進行分析，通過矢量風場的渦旋中心，得到了海表面臺風風眼位置。地波雷達探測得到的臺風風眼運動軌跡與衛(wèi)星監(jiān)測軌跡吻合地比較好，但時間分辨率和距離分辨率更高。在超強臺風的惡劣氣候環(huán)境下，OSMAR071G高頻地波雷達系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，有效證明了系統(tǒng)對于臺風等災(zāi)害性強對流天氣具有全天候的高精度探測能力。結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)海表面臺風風眼與衛(wèi)星觀測得到云層風眼之間存在一定的偏差，通過對二者偏差進一步分析，可能獲得臺風運動方向相關(guān)信息，為近岸臺風軌跡精確預(yù)測提供了新思路，將有助于推動地波雷達設(shè)備在全球海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)中的防災(zāi)救災(zāi)、搜救救援、海洋預(yù)報等業(yè)務(wù)中的應(yīng)用。

[1]Barrick D.First-order theory and analysis of MF/HF/VHF scatter from the sea[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation,1972,20(1):2-10.

[2]Fujii S,Heron ML,Kim K,et al.An overviewof developments and applications of oceanographic radar networks in Asia and Oceania countries[J].Ocean Science Journal,2013,48(1):69-97.

[3]吳雄斌,張?zhí)m,柳劍飛.海洋雷達探測技術(shù)綜述[J].海洋技術(shù)學報,2015,34(3)：8-15.

[4]Barrick D E.The ocean waveheight nondirectional spectrum from inversion ofthe HF sea-echo Doppler spectrum[J].Remote Sensing ofEnvironment,1977,6(3):201-227.

[5]Stewart R H,Barnum J R.Radio measurements of oceanic winds at long ranges:An evaluation[J].Radio Science,1975,10(10):853-857.

[6]李倫,吳雄斌,徐興安,等.高頻地波雷達風速反演經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚J].武漢大學學報：信息科學版,2012,37(9):1096-1099.

[7]靖春生.臺風海流的數(shù)值實驗及其在南海北部的應(yīng)用[D].北京：中國科學院研究生院，1999.

[8]中央氣象臺臺風網(wǎng)〔DB/OL〕.http://typhoon.nmc.cn/web.html.2017-10-16.

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

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2012AA091701，2012AA091702）；國家科技支撐計劃資助項目（2012BAH32B02）；2014年湖北省青年英才培養(yǎng)計劃資助項目

徐全軍（1969-），男，高級工程師，主要研究方向為海洋環(huán)境觀測裝備管理。E-mail:zcqxjxqj@126.com

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