高頻地波雷達(dá)在海洋學(xué)中的應(yīng)用綜述

許張柳，吳倫宇*，焦陽，陳越，劉桂梅

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.深中通道管理中心，廣東中山528400）

0 引言

高頻地波雷達(dá)（High Frequency Radar，簡稱HF radar）是一種基于海岸觀測、以電磁波入射為主要技術(shù)特征的海洋遙感設(shè)備。該類設(shè)備能以平視角度發(fā)射高頻電磁波，并利用海水良好的導(dǎo)電性所產(chǎn)生的電磁波沿海面繞射的特性將電磁波繞射至視距以外的海洋表面，從而實(shí)現(xiàn)探測海洋表面動(dòng)力學(xué)參數(shù)的目的。這些參數(shù)包括風(fēng)、浪、流等，最大探測距離可達(dá)400 km。自20世紀(jì)后期以來，專門用于海洋環(huán)境監(jiān)測的高頻地波雷達(dá)的研制技術(shù)和應(yīng)用水平得到了不斷提升。和傳統(tǒng)的海洋觀測設(shè)備相比，高頻地波雷達(dá)具有覆蓋面積大、分辨率高、頻率高、實(shí)時(shí)性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且探測工作不受惡劣天氣和海情的影響，能全天候?qū)Υ竺娣e海域進(jìn)行長時(shí)間觀測，是衛(wèi)星遙感在近岸海域觀測空缺和精度不足現(xiàn)狀下的重要補(bǔ)充[1]，因而其應(yīng)用與發(fā)展受到各國的高度重視，被越來越多地引入到海洋預(yù)報(bào)、海洋動(dòng)力學(xué)研究、海洋環(huán)境監(jiān)測和保障、海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)等方面。

1 高頻地波雷達(dá)原理

1955 年，CROMBIE[2]利用13.56 MHz 的高頻地波雷達(dá)研究了高頻無線電回波譜特征與海面重力波頻譜的對(duì)應(yīng)關(guān)系。他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，發(fā)生Bragg散射的海面回波的多普勒頻譜和海面狀態(tài)無關(guān)，主要由多普勒零頻（雷達(dá)工作波長）兩側(cè)一對(duì)大致對(duì)稱的尖峰構(gòu)成。這兩個(gè)尖峰類似于光柵衍射理論中的Bragg 散射峰，也被稱作一階Bragg 峰。由Bragg散射產(chǎn)生的多普勒頻率就是Bragg頻率（也稱Bragg頻移），即：

式中：fB是Bragg頻移，單位為Hz；f0是雷達(dá)的工作頻率，單位為MHz；λ是雷達(dá)發(fā)射電磁波波長；c為光速。由式（1）可見Bragg頻移只和雷達(dá)的工作頻率有關(guān)。

1972年，CROMBIE[3]利用和海表重力波波長相當(dāng)?shù)睦走_(dá)波長（10～100 m）進(jìn)行了一系列試驗(yàn)并提出一階散射理論，證明只有在海表重力波波長正好為雷達(dá)波長一半時(shí)才能產(chǎn)生一階散射的回波信號(hào)。由于實(shí)際海洋表面的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，為了方便處理，一般將海面視為無數(shù)簡單隨機(jī)正弦波動(dòng)的疊加。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射電磁波擦射入海面，被上述隨機(jī)正弦波被動(dòng)散射時(shí)，只有波長正好等于入射波長一半、傳播方向朝向或背離入射波的兩列正弦波浪才能對(duì)入射波產(chǎn)生最強(qiáng)的后向散射。同年，BARRICK[4-5]定量解釋了海洋對(duì)電磁波的一階和二階散射理論。1977年，BARRICK等[6]探討了由兩套地波雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量流觀測的技術(shù)，當(dāng)同一海域有兩個(gè)以上雷達(dá)覆蓋時(shí)，即可利用徑向流合成矢量流信息（見圖1）。圖2 為江蘇外海海域呂四地波雷達(dá)觀測到的徑向流圖像。

圖1 海面一階Bragg散射機(jī)制和當(dāng)海流分別不存在和存在時(shí)的回波信號(hào)（引自文獻(xiàn)[6] ）Fig.1 The principles of first-order HF Bragg scatter from the sea,and resulting signal echo spectra without and with an underlying current（cite from literature[6] ）

圖2 江蘇外海呂四地波雷達(dá)觀測到的徑向流場（單位：m/s）Fig.2 Radial current observed by Lvsi HF radar in Jiangsu offshore area(unit：m/s)

2 雷達(dá)設(shè)備

1977年，BARRICK 等[6]于美國國家海洋大氣管理 局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）研制出了第一臺(tái)高頻地波雷達(dá)的工程樣機(jī)，并在美國佛羅里達(dá)東海岸進(jìn)行了測試。BARRICK 通過分析雷達(dá)回波中一階Bragg 峰偏離標(biāo)準(zhǔn)位置的程度，成功獲得了海表徑向流場的信息，為高頻地波雷達(dá)在海洋探測方面的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，成為高頻地波雷達(dá)探測技術(shù)持續(xù)發(fā)展的開端。

目前全球使用中的高頻地波雷達(dá)已超過400臺(tái)，并且需求還在不斷增加。按雷達(dá)接收回波信號(hào)的方位角分辨技術(shù)的不同，高頻地波雷達(dá)可以大致分為窄波束高頻地波雷達(dá)（Beam Forming）和寬波束高頻地波雷達(dá)（Direction Finding）兩類[7]。

窄波束高頻地波雷達(dá)主要采用相控陣天線系統(tǒng)，天線陣列通常長達(dá)數(shù)百米甚至上千米，發(fā)射的窄波束信號(hào)較容易處理，能夠根據(jù)回波信號(hào)精確測量目標(biāo)的距離和方位角，其代表有英國的OSCR，德國的WERA 和我國的OSMAR 陣列式系統(tǒng)等。這種雷達(dá)的缺點(diǎn)就是天線系統(tǒng)龐大，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，需要占用大面積稀缺的海岸資源，而且因?yàn)榛静痪邆錂C(jī)動(dòng)性，導(dǎo)致安全保障和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高昂[8]。

相對(duì)地，寬波束高頻地波雷達(dá)多采用緊湊天線陣，占地面積小，天線陣列規(guī)模基本小于百米，雷達(dá)設(shè)備小型化且具有一定的機(jī)動(dòng)性，因而架設(shè)和維護(hù)相對(duì)容易，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，也被稱為緊湊型高頻地波雷達(dá)。因?yàn)椴捎昧诵碌奶炀€概念，寬波束高頻地波雷達(dá)能夠獲得足夠高分辨率的海洋表面參數(shù)，但是系統(tǒng)的分析和計(jì)算也更為復(fù)雜。典型代表為美國CODAR 公司生產(chǎn)的SeaSonde 系統(tǒng)[9]，目前該系統(tǒng)在全球的市場占有率已達(dá)90%[8]，是高頻地波雷達(dá)商業(yè)化的先驅(qū)和領(lǐng)導(dǎo)者。

我國也從同一時(shí)期開始進(jìn)行高頻地波雷達(dá)海態(tài)監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)。武漢大學(xué)于1987 年開始高頻地波雷達(dá)的研究工作，并在1993年研制出大型陣列式高頻地波雷達(dá)OSMAR 的工程樣機(jī)，同年10 月在廣西北海進(jìn)行了首次現(xiàn)場探測海流的試驗(yàn)[10]，獲得了非常好的試驗(yàn)效果，這是我國第一個(gè)專門用于監(jiān)測近海海態(tài)的高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)。在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（簡稱863 計(jì)劃）重大課題“高頻地波雷達(dá)海洋環(huán)境檢測技術(shù)”的支持下，武漢大學(xué)主持研制成功了OSMAR2000[11]高頻地波雷達(dá)，海流有效探測距離達(dá)到200 km，是我國第一部正式應(yīng)用于近海海況監(jiān)測的高頻地波雷達(dá)，整體性能已經(jīng)追平20 世紀(jì)90 年代末期的國外同類型雷達(dá)。后來，OSMAR系列相繼發(fā)展出OSMAR2003、OSMAR071等改進(jìn)型號(hào)，還出現(xiàn)我國第一部商業(yè)化的便攜式高頻地波雷達(dá)OSMAR-S，均已被廣泛應(yīng)用于我國的海洋動(dòng)力參數(shù)業(yè)務(wù)化監(jiān)測中。

3 海洋表層動(dòng)力分析應(yīng)用

高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)覆蓋面積大，對(duì)時(shí)空變化和分布的描述比較精確，因而被較多地應(yīng)用于研究近海表層流的變化中，通過對(duì)近海表層海流的長期觀測，可以研究目標(biāo)海域基本的動(dòng)力學(xué)規(guī)律和對(duì)異常變化的響應(yīng)特征。

TAKEOKA 等[12]利用高頻地波雷達(dá)對(duì)日本豐后水道（Bungo Channel）的夏季表層流進(jìn)行觀測，研究發(fā)現(xiàn)觀測結(jié)果所得M2分潮的潮流橢圓與聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP）觀測的結(jié)果非常符合，證明高頻地波雷達(dá)測流的準(zhǔn)確性至少和ADCP 處在同一水平，并以此為依據(jù)分析了這一區(qū)域的潮流特征。PRANDLE 等[13]利用OSCR 系統(tǒng)對(duì)英國利物浦海灣（Liverpool Bay）進(jìn)行觀測，獲取了該片海域表層主要天文分潮的信息，并對(duì)灣內(nèi)潮流的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)描述；該團(tuán)隊(duì)在后續(xù)研究[14]中使用了首次長期部署的MarkⅡOSCR 高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)，每隔20 min 測量英國多佛海峽（Dover Strait）700個(gè)預(yù)選點(diǎn)的表層流，最終對(duì)長達(dá)11個(gè)月的數(shù)據(jù)做潮汐分析，確認(rèn)所得M2、S2、N2、O1、K1、M4、MS47 大分潮潮流橢圓的分布與海流計(jì)以及POL（Proudman Oceanographic Laboratory）模型的模擬結(jié)果趨于一致，還通過空間調(diào)和函數(shù)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行水平積分，生成了當(dāng)?shù)氐钠骄Ｆ矫娣植?；PRANDLE[15]還同時(shí)使用OSCR系統(tǒng)和安裝在多佛海峽底部的ADCP研究表層流場對(duì)風(fēng)的響應(yīng)特征，證實(shí)了表面流對(duì)風(fēng)強(qiáng)迫的局地響應(yīng)遵循典型的Ekman 偏轉(zhuǎn)模式，并發(fā)現(xiàn)經(jīng)過時(shí)間平均后的余流在格里斯內(nèi)茨角（Cap Gris Nez）西側(cè)邊緣表現(xiàn)出對(duì)風(fēng)場的直徑約20 km 的氣旋式渦旋，持續(xù)約7 d。RAMP 等[16]在研究位于美國加州蒙特利灣（Monterey Bay）的一個(gè)夏季上升流事件時(shí)，利用CODAR 的SeaSonde 高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)和ADCP 觀測，揭示了近海一個(gè)反氣旋中尺度渦和灣內(nèi)表層流場相互作用的特征。同時(shí)期ROUGHAN 等[17]在研究美國南加州近岸海水中的生物質(zhì)分布和養(yǎng)分輸運(yùn)時(shí)，利用CODAR 高頻地波雷達(dá)的表層流觀測數(shù)據(jù)證實(shí)了沿岸存在的上升流系統(tǒng)迫使溫躍層抬升、導(dǎo)致下層高鹽分冷水上翻并因表層渦度輻散而產(chǎn)生離岸輸運(yùn)的整個(gè)過程。

依托863 計(jì)劃，福建示范區(qū)建立了OSMAR-2003 高頻地波雷達(dá)和觀測數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化處理系統(tǒng)，朱大勇等[18]對(duì)獲取的徑向流數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析和初步的海洋學(xué)驗(yàn)證，結(jié)果表明，雷達(dá)系統(tǒng)所返回的徑向流數(shù)據(jù)在經(jīng)過適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量控制處理后可以有效地反映覆蓋海區(qū)的表層海流及其時(shí)空變化。為了驗(yàn)證便攜式高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)用性能，文必洋等[19]使用OSMAR-S 試驗(yàn)樣機(jī)在上海洋山海域特別制定并實(shí)施了對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，主要考察雷達(dá)探測表面流的深度，結(jié)果表明OSMAR-S 系統(tǒng)的探測深度和精度都能滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測海洋表面流的需要，同時(shí)也填補(bǔ)了高頻地波雷達(dá)在探測深度方面沒有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的空白。吉會(huì)峰等[20]利用布設(shè)在江蘇外海呂四、洋口的一對(duì)OSMAR-S 型地波雷達(dá)獲得的長期海流觀測資料對(duì)該海域表層海流特征和余流特征進(jìn)行了分析。李程等[21]和翁怡嬋等[22]都分析了臺(tái)風(fēng)“燦鴻”期間浙江外海的浪、流、風(fēng)的分布情況，結(jié)論基本一致，地波雷達(dá)完整地獲取了臺(tái)風(fēng)期間雷達(dá)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(duì)風(fēng)的反演能力都滿足測量指標(biāo)要求，在復(fù)雜海況條件下具有合格的探測性能。鄭世浩等[23]對(duì)南海北部高頻地波雷達(dá)遙測表層流的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，在現(xiàn)有ADCP觀測資料的基礎(chǔ)上，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)做潮流調(diào)和分析可得到潮流和余流，并分別與預(yù)報(bào)系統(tǒng)的潮流數(shù)據(jù)、氣象站的風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，總結(jié)了雷達(dá)性能和觀測數(shù)據(jù)誤差的空間分布，并對(duì)雷達(dá)的使用提出了建議。

4 海洋模型中的應(yīng)用——數(shù)據(jù)同化與相互檢驗(yàn)

高頻地波雷達(dá)廣泛用于近海海洋學(xué)的研究，其產(chǎn)品也逐漸被應(yīng)用于各種海洋環(huán)流模型同化和預(yù)報(bào)模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地波雷達(dá)數(shù)據(jù)的二次開發(fā)。

國外在高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)同化方面，OKE 等[24]基于美國俄勒岡州（State of Oregon）海岸風(fēng)驅(qū)動(dòng)的中尺度陸架環(huán)流發(fā)展了一個(gè)數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（Data Assimilation System，DAS）。DAS 使用順序最優(yōu)插值方法，每隔4 h從陸基CODAR 高頻地波雷達(dá)陣列獲取低通濾波的表面流速度并同化進(jìn)普林斯頓海洋模式（Princeton Ocean Model，POM）中，同化后的結(jié)果與實(shí)際觀測值的相關(guān)系數(shù)從0.42 提高到0.78，證明了DAS 的有效性。PADUAN 等[25]比較了加州中部沿岸的高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)和風(fēng)的觀測值，發(fā)現(xiàn)長期控制海岸的上升氣流和雷達(dá)反演的近海表層流之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，研究還評(píng)估了CODAR型高頻地波雷達(dá)在改進(jìn)數(shù)值環(huán)流模型中的實(shí)用性；他們?cè)诤罄m(xù)研究[26]中應(yīng)用這種用地波雷達(dá)數(shù)據(jù)修正風(fēng)應(yīng)力的方法，顯著改善了海洋表層和次表層的模型預(yù)測水平，甚至在使用了高分辨率大氣強(qiáng)迫的情況下也能獲得不錯(cuò)的效果。HOTEIT 等[27]利用四維變分同化方法將高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)用于圣迭戈（San Diego）沿岸區(qū)域的表層流模擬中，并分別計(jì)算了初始場、開邊界與強(qiáng)迫場各控制要素對(duì)代價(jià)函數(shù)的影響程度，結(jié)果表明相比其他控制要素，海表風(fēng)應(yīng)力是影響表層流預(yù)報(bào)效果的最關(guān)鍵因素（見圖3）。BREIVIK等[28]建立了一個(gè)沿岸流的實(shí)時(shí)同化和預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)耦合了德國漢堡大學(xué)（University of Hamburg）開發(fā)的WERA 高頻地波雷達(dá)的測流數(shù)據(jù)，利用一種基于最優(yōu)插值的同化方法和一套嵌套的海洋模型，通過和沒有同化的模型結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了預(yù)報(bào)系統(tǒng)在短期預(yù)測方面具有良好的能力，可以在獲得雷達(dá)數(shù)據(jù)45 min 后，為挪威沿岸船舶運(yùn)輸服務(wù)部門提供6 h的有效短期預(yù)報(bào)。

圖3 四維變分中各個(gè)控制變量對(duì)代價(jià)函數(shù)的貢獻(xiàn)值（引自文獻(xiàn)[27] ）Fig.3 Individual cost function contributions for control terms in 4D-Var(cite from literature[27] )

在利用高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)與模式相互檢驗(yàn)方面，MAU 等[29]對(duì)基于紐約灣（New York Bight）和布洛克島峽（Block Island Sound）的一個(gè)正壓潮流三維模型進(jìn)行了綜合評(píng)估，研究綜合利用ADCP 和CODAR 高頻地波雷達(dá)，分析了潮流橢圓的水平和垂直結(jié)構(gòu)，并比較了模型、ADCP 和雷達(dá)測得的M2分潮的潮流橢圓以評(píng)價(jià)雷達(dá)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)模型和ADCP 以及模型和雷達(dá)都符合得很好，但是模型結(jié)果和ADCP 的符合程度更優(yōu)，表明模型的準(zhǔn)確性更高，雷達(dá)需要在一定程度上參考模型結(jié)果以保證數(shù)據(jù)的完整性。MAU 等[30]還研究了美國長島（Long Island Sound）地區(qū)一整年的水體輸運(yùn)規(guī)律，在先前研究的基礎(chǔ)上，在模型中加入了浮力輸入和風(fēng)強(qiáng)迫，將所得結(jié)果和ADCP及雷達(dá)觀測進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)模型很好地捕捉到了實(shí)際潮流的時(shí)空變化，與ADCP 觀測得到的潮流橢圓具有良好的一致性，但是模型和雷達(dá)測流之間存在些許差異，尤其在近岸和雷達(dá)探測范圍邊緣處差異較為明顯，這也證實(shí)了先前研究的結(jié)論，即要結(jié)合模型才能更好地發(fā)揮高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)的作用。SUN 等[31]將2000 年6 月—2008 年9 月布洛克島峽的CODAR 表層流觀測資料和東北沿海海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Northeast Coastal Ocean Forecast System，NECOFS）計(jì)算得到的表層流做對(duì)比，其中預(yù)報(bào)系統(tǒng)耦合了WRF 模式（Weather Research and Forecasting Model，反映表面強(qiáng)迫）、FVCOM 模式（Finite-Volume Coastal Ocean Model，反映海流和溫鹽輸入）和SWAVE 模式（Surface Wave Model，反 映 表 面 波），CODAR 數(shù) 據(jù) 和NECOFS 均能較好地再現(xiàn)該地區(qū)主要的潮汐結(jié)構(gòu)特征，但還存在改進(jìn)的空間。COSOLI 等[32]在研究里雅斯特灣（Gulf of Trieste，GoT）的表面流時(shí)使用了高頻地波雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù)，并與系泊測流計(jì)和北亞得里亞海（North Adriatic）POM 的高分辨率模擬作比較，得到了GoT 主要的環(huán)流特征，并評(píng)估了NAPOM 模型重構(gòu)GoT環(huán)流模式的能力。該研究發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)和模型均未能重建系泊測流儀觀測到的全日潮潮流橢圓結(jié)構(gòu)，但對(duì)半日潮在空間上的重構(gòu)是一致的；在海底地形變化劇烈的區(qū)域，因?yàn)棣覍釉O(shè)置的影響導(dǎo)致模型對(duì)表面流模擬失真，雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)為此做了補(bǔ)充，而模型也補(bǔ)充了雷達(dá)覆蓋率較差地區(qū)的觀測數(shù)據(jù)，還保證了海洋狀態(tài)預(yù)報(bào)的時(shí)空連續(xù)性。

國內(nèi)學(xué)者在應(yīng)用地波雷達(dá)進(jìn)行資料同化和預(yù)報(bào)等方面也做了很多探索。郭佩芳[33]總結(jié)了地波雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用方面的一些成果，并著重進(jìn)行了地波雷達(dá)資料在數(shù)據(jù)同化的應(yīng)用研究，其中海流資料同化模塊采用POM模式，采用嵌套技術(shù)為細(xì)網(wǎng)格的小海域模式提供開邊界條件，利用牛頓松弛逼近法（Nudging），同化后改進(jìn)了數(shù)值計(jì)算結(jié)果；海浪資料同化模塊采用SWAN（Simulating Waves Nearshore）模式，用最優(yōu)插值法進(jìn)行同化，加入雷達(dá)資料同化的數(shù)值模擬有效波高與觀測結(jié)果比較符合，模式精度也有所提高。朱宇航等[34]利用基于區(qū)域海洋模式（Regional Ocean Model System，ROMS）的三維變分同化系統(tǒng)對(duì)南海北部位于博賀和斗龍的一對(duì)高頻地波雷達(dá)的表層海流觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了同化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)同化后的表層海流觀測數(shù)據(jù)能顯著改善模式對(duì)表層流的模擬，而模式對(duì)海表流場不同分量模擬的持續(xù)性隨同化間隔的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)同化間隔取6 h 或12 h 時(shí)，同化效果的持續(xù)性達(dá)到最優(yōu)，持續(xù)時(shí)長約為4～6 h。肖江洪等[35]提出了一種基于數(shù)據(jù)同化的地波雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)方法，該方法利用逐步訂正法（Successive Correction Method，SCM）將雷達(dá)測流資料同化進(jìn)POM 中，再將同化后的數(shù)據(jù)與原始雷達(dá)數(shù)據(jù)的均方根誤差分布特征進(jìn)行分析比對(duì)，可實(shí)現(xiàn)大范圍、高效地評(píng)估雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量，相較于傳統(tǒng)的定點(diǎn)比測方法，該方法更加快速、成本更低。史軍強(qiáng)等[36]基于FVCOM 模式和一種改進(jìn)的高效集合卡曼濾波同化方法，對(duì)泰國灣的岸基高頻地波雷達(dá)表層海流觀測系統(tǒng)開展觀測效能評(píng)估數(shù)值實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，將雷達(dá)表層海流數(shù)據(jù)同化到模式中可有效降低模式的海流模擬誤差，研究還對(duì)現(xiàn)有的雷達(dá)觀測系統(tǒng)布局優(yōu)化給出了建議。吳玲娟等[37]建立了基于ROMS模式的黃、渤海近岸三維溫鹽流精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，采用四重網(wǎng)格嵌套技術(shù)，并對(duì)地波雷達(dá)數(shù)據(jù)采用改進(jìn)的集合卡曼濾波方法進(jìn)行同化，系統(tǒng)業(yè)務(wù)化運(yùn)行穩(wěn)定，溫度和海流預(yù)報(bào)精度較高。

5 總結(jié)與展望

從1955 年CROMBIE 第一次研究高頻電磁波和海表的相互作用以來，這半個(gè)多世紀(jì)，世界各國尤其是西方發(fā)達(dá)國家一直在大力發(fā)展高頻地波雷達(dá)探測技術(shù)。高頻地波雷達(dá)探測距離遠(yuǎn)、覆蓋面積廣、實(shí)時(shí)性好、性價(jià)比高，廣闊的應(yīng)用前景使得其相關(guān)技術(shù)研究越來越受到重視并不斷取得突破，高頻地波雷達(dá)探測被廣泛用于各沿海國家的近海海態(tài)監(jiān)測、海洋學(xué)理論研究、海洋環(huán)境業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)等領(lǐng)域。

由于高頻地波雷達(dá)探測海流的精度相對(duì)較高，相關(guān)研究主要集中于近海的表層流動(dòng)力學(xué)參數(shù)提取，以獲得較準(zhǔn)確的近岸海表流場特征和動(dòng)力學(xué)規(guī)律為目的。通過將高頻地波雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù)同化進(jìn)各種海洋模式，可以加強(qiáng)模式模擬近海海洋環(huán)境的能力，提高海洋狀態(tài)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而為發(fā)展海洋業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)做出重要支撐，促進(jìn)從研究成果向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

盡管我國在高頻地波雷達(dá)研究方面起步較發(fā)達(dá)國家晚，但是在國家自然科學(xué)基金、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃等的大力支持下，二十多年來我國獨(dú)立開發(fā)出以O(shè)SMAR系列為代表的高頻地波雷達(dá)產(chǎn)品，并依據(jù)對(duì)比試驗(yàn)和誤差分析不斷改進(jìn)雷達(dá)設(shè)計(jì)，提升反演能力[38-41]，大型陣列式和便攜式地波雷達(dá)的綜合探測性能均已躋身世界先進(jìn)水平，海洋學(xué)研究進(jìn)展和實(shí)際應(yīng)用成果也頗為豐富。

通過梳理文獻(xiàn)資料和相關(guān)調(diào)研，我們認(rèn)為高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)用以及監(jiān)測技術(shù)等方面的未來發(fā)展方向包括（但不限于）：

①風(fēng)、浪反演技術(shù)的提升。目前表層流反演已經(jīng)達(dá)到業(yè)務(wù)化應(yīng)用水平，風(fēng)、浪的反演相對(duì)滯后，而風(fēng)-浪-流資料的聯(lián)合應(yīng)用，對(duì)于深入研究海氣相互作用機(jī)制、改善海洋模型風(fēng)應(yīng)力參數(shù)化方案等具有重要的科學(xué)價(jià)值。

②減少高頻地波雷達(dá)觀測對(duì)海洋環(huán)境的依賴，如減少所需海水鹽度閾值，提升在河口等低鹽度區(qū)的觀測精度；降低不同海況下對(duì)觀測精度的影響程度；真正達(dá)到“全天候”監(jiān)測。

③國內(nèi)方面應(yīng)盡快形成中國近岸重點(diǎn)海區(qū)的高頻地波雷達(dá)組網(wǎng)覆蓋，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)已有設(shè)備的定期維護(hù)、校準(zhǔn)和產(chǎn)品檢驗(yàn)等工作，形成長時(shí)間序列、大范圍覆蓋并且準(zhǔn)確度較高的雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，從而提高高頻地波雷達(dá)資料的應(yīng)用水平。