WaMoS II测波雷达应用及对比分析

陈磊,徐汉文,吴泽强

(1.中国科学院海洋研究所，山东青岛266071；2.国家海洋局汕尾海洋环境监测站，广东汕尾516600)

1 引言

目前国内有关业务部门已安装数十台WaMoS II波浪（表面流）监测系统，用于风暴潮的预警、海洋灾害防灾减灾以及海浪监测。WaMoS II 波浪监测系统是目前基于X 波段雷达测量海浪技术较为成熟的系统，系统使用X 波段雷达测量海面的回波信号，数据处理单元通过对一组雷达回波信号的处理，解算波浪及表面流参数信息。系统能够实时测量给定海域内的有效波高、波浪周期、波浪方向及表面流速、流向等海洋状态参数；同时可以根据测量结果区分风浪与涌浪，系统的监测由于不受观测时间及观测空间的限制，具有广泛的适用性。此外，根据波谱参数，WaMoS II 系统的观测结果还可以用于反演海表面高度[1-2]。

WaMoS II 测波雷达是一款较为成熟的波浪观测仪器，其生产厂家OceanWaves 公司利用2001—2008年期间6 台WaMoS II 测波雷达多年的观测数据进行了统计分析，其中3 台位于海上平台、1台位于岸站，两台为船载，统计结果表明6 台WaMoS II测波雷达观测结果稳定、可靠，其有效波高、波峰周期、波向的标准偏差分别为10%、5%、±10U[3]。在应用方面，WaMoS II 已被应用于ADOPT DSS（Decision Support Systems）模式，为其提供海况信息[4]。其作为卫星遥感技术的辅助，在最大波浪监测计划中（MaxWave project），也发挥了重要作用[5]。

国外已开展了大量关于WaMoS II 测波雷达和浮标观测对比的工作。最早，Katrin Hessner（1999）通过分析3 个不同站位获取的WaMoS II 和浮标的波浪数据得出：三个站位的有效波高相关系数分别为：0.89，0.85，0.71[6]；其次，Jur Vogelzang 等（2000）通过分析对比荷兰佩滕区域获取的WaMoS II 和浮标的波浪数据，得出：两者有效波高、波峰周期、波向的相关系数为0.87，0.74，0.96，WaMoS II 测得有效波高、波峰周期、波向的精度分别为30 cm（20%）、0.6 s（10%）、9°（3%）[7]；再次，REICHERT,K 等（2007）通过分析对比德国Sylt 岛屿获取的Wa-MoS II的波高、波峰周期、波向数据和同步的波浪浮标的数据，证明了两种传感器测量的数据具有很高的相关性[8]；在上述研究工作之后，Katrin Hessner 等（2007）分析了2005年9月美国DUCK 地区的Wa-MoS II 和波浪骑士浮标的数据，结果表明两种传感器测得的波周期和波向有很好的一致性，并使用当地风速数据对有效波高进行了校正，两者测量的有效波高数据的均方根误差为0.26m，偏差为0.05 m，相关系数为0.92[9]。

到目前为止，国内对WaMoS II观测的波浪数据进行系统的对比分析还很少。马卫民等（2011）于2007年和2008年4月进行了两次海上试验，对Wa-MoS II系统的斜率、偏加参数进行过手动调整，参数调整后的WaMoS II的有效波高观测值更准确，和实际观测的有效波高的相关系数为0.75，均方根误差为0.32[10]。实际上，WaMoS II 系统的SNR、斜率、偏加参数均可通过对比分析通过软件进行计算，从而在WaMosII系统内修改以校准有效波高值。本文利用2012年6—7月大万山海洋环境监测中心站使用测波雷达获取的南海海域的波浪及海流数据，与SZF 波浪浮标和SLC9-2 型直读式海流计同步测量的波浪、海流数据进行了对比分析。

2 数据与方法

2.1 研究区域

2012年6月期间在大万山附近海域进行了Wa-MoS II 测波雷达和SZF 浮标、SLC9-2 型直读式海流计对比观测实验。本次实验中WaMosII测波雷达数据是整个观测区域表面所有点数据的平均值，浮标和海流计的数据均在雷达观测区域内的同一点采集。其中，测波雷达采样间隔为2 min，所用数据为每20 min 的均值结果，浮标数据时间间隔为3 h，海流计数据时间间隔则为1 h。选取测波雷达每3 h间隔的整点数据用于与SZF遥测波浪浮标数据进行同步对比，选取测波雷达每小时间隔的整点数据用于与海流计数据进行同步对比。于16—22日共获取28组同步的测波雷达和SZF遥测波浪浮标数据（每日的8：00—17：00）。28—29日期间，共采集到25组同步的测波雷达和海流计数据（28日观测时间为8：00—23：00，29日观测时间为0：00—8：00）。Wa-MoS II 测波雷达以及波浪浮标、海流计的布放位置位于广东大万山附近，见图1。

图1 研究区域与仪器布放位置图

2.2 测量方法

2.2.1 WaMoS II测波雷达

利用WaMoS II 测波雷达进行表面波浪和海流数据采集，该系统的有效测量距离通常为100—2000 m。有效波高、波峰周期的测量范围分别为：0.5—14 m、4—20 s，分辨率分别为：0.1 m和0.1 s；流速和流向的测量范围分别为：0—40 m/s、0°—360°，分辨率分别为：0.001 m/s 和1°。采样间隔为3 nm。本次实验中，要求最大误差的容许范围：有效波高、波峰周期、表面流流速、流向误差的极值(△X)max＜3σ(均方差)，相关系数大于0.9。

2.2.2 波浪及海流数据

本次实验测量中，WaMoS II测波雷达测量的有效波高、波周期、流速、流向的范围分别为：0.7—4.1 m、5.9—11.4 s、0.09—0.28 m/s、188°—258°。SZF 波浪浮标测量的有效波高、波周期测量的范围为：1.1—3.5 m 和7.5—11.5 s；SLC9-2 型直读式海流计测量的流速、流向的范围为：0.11—0.31 m/s、177°—250°。

其中，WaMoS II 测波雷达和浮标测量的波高、周期的对比结果见图2。

WaMoS II测波雷达和海流计测量的流速、流向的对比结果见图3。

图2 有效波高和波峰周期对比结果

图3 海表面流速和流向对比结果

3 大万山数据对比分析

3.1 波浪参数对比结果

将WaMoS II 测波雷达和浮标同步测量的28 组有效波高、波周期数据按时间先后排序，利用相关系数、平均相对误差等参数进行精度评估，其定义如下：

相关系数：线性Pearson相关系数R2。

平均相对误差计算公式为：

均方差的计算公式为：

式（2）中，σ 和μ 分别表示均方差、平均值。xi表示WaMoS II测波雷达每次的测量值。

本次实验中测波雷达和浮标测量的有效波高、波峰周期数据的相关系数分别为：R2= 0.71、R2= 0.38,APD=23.3%、12.5%。结果见图4。

图4 WaMoS II与SZF浮标对比散点图(实线为1:1线)

图5 WaMoS II与SLC9-2海流计对比散点图(实线为1:1)

3.2 海流数据对比结果

利用2012年6月22—28日雷达测量的数据和同步的海流计的数据进行了对比分析，共计25组有效数据，流速和流向的对比结果见图5，相关系数R2分别为0.83、0.89。平均相对误差分别为14.5 %、4.1%。

3.3 对比结果分析

根据此次对比结果可见，WaMoS II系统观测的表面流数据与海流计观测结果有较好的一致性，相关性可达0.8以上。而有效波高的观测值与波浪浮标对比相关性只为0.71，波峰周期相关性更低，仅为0.38。此次WaMoS II 系统波浪观测结果与波浪浮标数据相关性较低主要有三方面原因：（1）WaMoS II系统观测到的是一个区域波浪状况的平均结果，而波浪浮标观测到的仅为区域中的一点；（2）二者用于对比的数据时间序列较短；（3）WaMoSII系统观测的有效波高值可利用对比数据进行校准，并且校准效果可适用于全部海域，利用本文对比数据进行校准后，有效波高相关系数可提升至0.75，若时间序列足够长，且在对比周期内波浪有较好的起伏状态，校准效果会更好。前两个原因是造成波峰周期相关性较低的主要原因。

引言中已提及，国外进行过大量的WaMoS II系统与浮标数据的对比验证，其有效波高的相关性可达0.9 以上，这便是校准的效果。用于对比分析的时间序列越长，校准效果越好，

国外用于对比分析的数据往往可长达几个月，而国内尚未有长时间序列的对比分析，本文中作为数据来源的大万山观测站，其对比分析工作仍在开展。

4 结论

通过以上的X 波段测波雷达系统和浮标、海流计各参数的比测结果和统计分析可知，X 波段测波雷达系统同一要素两条曲线趋势有较好的一致性，得到的结论如下：

（1）WaMoS II 测波雷达和SZF 波浪浮标对比结果为：有效波高、波峰周期误差的极值分别为1.2 m，3.3 s。均方差分别为σ=0.54 m，1.29 s。相关系数分别为0.71、0.38。其中，观测面与点的波浪差异以及对比数据时间序列较短是有效波高、波峰周期相关性较低的两个主要原因；

（2）WaMoS II 测波雷达和SLC9-2 型直读式海流计对比结果为：流速、流向误差的极值分别为0.06 m/s、15°。误差均方差分别为：σ= 0.022 m/s、6.53°。相关系数分别为0.83、0.89。这表明WaMoS II测波雷达测得的表面流数据与海流计的观测结果有较好的的一致性。

（3）WaMoS II测波雷达的有效波高数据可通过对比分析进行校准，用于对比分析的时间序列越长，校准效果越好，并且校准效果可适用于全部海域。本文中用于对比分析的时间序列较短，但相关性仍可提升至0.75。

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[10]马卫民,赖德培,许海恩.船载WaMoS II测波雷达参数调整及应用分析[J].海洋预报.2011,28(6):46-50.