1509号台风灿鸿期间“朱家尖-嵊山”高频地波雷达数据分析

李 程，李 欢，王 慧，高 佳，王国松，董军兴，潘 嵩，刘克修

(国家海洋信息中心，天津 300171)

1509号台风灿鸿期间“朱家尖-嵊山”高频地波雷达数据分析

李 程，李 欢，王 慧，高 佳*，王国松，董军兴，潘 嵩，刘克修

(国家海洋信息中心，天津 300171)

2007年在朱家尖和嵊山布设了小型阵变频高频地波雷达，对共同覆盖范围内的舟山海域进行风、浪、流的业务化探测。2015年7月11日，1509号台风灿鸿在朱家尖沿海登陆，之后继续向北偏东方向移动，台风中心经过高频地波雷达探测海域。本文将台风期间高频地波雷达的探测数据分别与定点浮标观测数据和ASCAT卫星遥感大面积风场数据进行了对比分析。结果表明，高频地波雷达在台风期间较好地反映了舟山海域流场特征和风场分布情况，高频地波雷达的探测数据精度满足指标要求，验证了高频地波雷达在复杂海况条件下具有合格的探测性能。

高频地波雷达;台风;卫星遥感;风场

0 引言

高频地波雷达[1](又称为高频表面波雷达)利用垂直极化的高频(3～30 MHz)电磁波在海洋表面绕射传播衰减小的特点，能超视距探测风场、浪场、流场等海洋动力学参数和海上低速移动目标[2]。与传统海洋探测设备相比，高频地波雷达具有覆盖面广、实时性好、全天候、运行费用低等优点。变频高频地波雷达同时工作在多个频段的多个频率点上，一次回波所包含的海洋动力学参数信息大大增加，可反演得到更准确的海洋动力学参数，可以同时兼顾探测距离远、探测精度高等指标要求。此外，通过数据融合，变频雷达具有很强的在不同频率之间的自校正能力，具有强的抗外部电磁干扰能力，探测性能更加稳定[3]。

2015年第9号台风“灿鸿”于6月30日20时在西北太平洋洋面上生成，之后向西北方向移动，最强达超强台风级；11日16时40分前后以强台风级在浙江省舟山市朱家尖镇沿海登陆；登陆后“灿鸿”向北偏东方向移动，经过我国黄海海域并向朝鲜半岛靠近，强度逐渐减弱。此次台风中心轨迹恰好经过了比测海域，“朱家尖-嵊山”地波雷达在极端海况条件下获取了台风经过期间宝贵的连续观测数据。本文将台风期间地波雷达获取的部分探测数据与定点浮标数据以及ASCAT卫星遥感数据分别进行了对比分析，对“朱家尖-嵊山”地波雷达站雷达水文要素的探测准确度进行讨论，准确评价雷达的性能。

1 浮标数据对比

本文中小型阵变频高频地波雷达是由2个中程高频地波雷达站——朱家尖的泗眺(29.8931°N,122.4275°E)和嵊山(30.7019°N,122.8358°E)雷达站组成的同步探测系统，2部雷达相距约100 km，由于雷达站地形的限制，雷达辐射视场角分别为90°和120°。雷达覆盖海域在舟山群岛以东偏南海域，雷达设定为10 min扫描一次，最大探测范围为29.10°～31.15°N，122.45°～124.55°E，经纬向分辨率均为0.05°。在比测海域内布放了1个3 m综合浮标(30.500 9°N,123.042 2°E)，距离嵊山地波雷达站约30 km。浮标集成海流、海浪、风等要素观测，浮标站位对定点海域海流、波浪、风向和风速等要素进行了3个月的海上对比观测。图1为地波雷达位置、浮标位置和灿鸿台风路径分布示意图。

图1 地波雷达和浮标位置以及台风路径分布示意图Fig.1 Locations of radar and buoy and track of Typhoon Chan-hom

1.1 海流数据对比

浮标利用其携带的工作频率为1 MHz的ADCP监测该海域的海流剖面，本文取浮标3.1 m深度的海流数据与地波雷达观测的表层流结果进行对比，选取1个潮周期(25 h)的对比结果进行分析。

图2是地波雷达径向流与浮标ADCP测得的流速、流向分解为径向流的对比结果。从对比结果上看，两部雷达的径向流分别与ADCP的径向流结果一致性较好，雷达观测海流的精度能够满足测量指标要求，真实地反映了站位所在海域的海流特征，平均绝对误差、均方根和相关系数等参数均在合理范围内。相关系数分别达到0.97和0.89，各项指标误差分析见表1。其中，嵊山雷达站的对比结果要优于朱家尖雷达站的对比结果，原因是浮标离嵊山站的距离较近，且与嵊山雷达站法向夹角更小。可见测点距离雷达越近雷达资料质量越好，测点与雷达法向夹角越小雷达资料质量越好[4]。

图2 径向流对比Fig.2 Radial flow comparison

表1 径向流数据比对结果Tab.1 Radial flow comparison results

图3是地波雷达合成矢量流与浮标 ADCP测得的矢量流流速、流向的对比结果。从对比结果上看，雷达合成矢量流与ADCP实测海流流速、流向的一致性都比较好。矢量流的各项指标误差分析见表2。其中，流向的对比结果显示出明显的往复运动规律，符合该海域海流往复流的特征。

图3 矢量流对比Fig.3 Vector flow comparison

表2 矢量流数据比对结果Tab.2 Vector flow comparison results

1.2 风场数据对比

海面风是海洋表面运动的主要动力来源，是波浪形成的直接动力，是海洋工程、海上航运等海上活动的前提。在海洋动力学过程中，通过调节海-气之间的热量、水汽和物质交换影响着气候[5]。

风传感器安装于浮标顶部，整点开始测量，半小时观测1次。风传感器(YOUNG 05103)每3 s采集1次，作为瞬时风速和相应风向，连续采样10 min，计算风速和风向的平均值，作为该10 min结束时刻的平均风速和相应风向。风的对比起止时间为2015年6月16日1时30分至2015年8月11日23时30分。地波雷达理论获得样本数应为8 170组，而实际获得的样本数为8 041组，数据获取率为98.4%。

图4是地波雷达风速与浮标测得风速的对比结果。从对比结果上看，地波雷达完整地获取了台风经过比测海域期间的风速变化趋势，特别是2015年7月9日7:00至2015年7月12日2:30的风速先增大后减小的变化过程。在比测时间序列中，测量风速最大值为18.5 m/s,平均绝对误差为1.6 m/s,而在比测时间序列里，出现这么大风速的次数不多，因此均方根风速3.26 m/s误差指数基本满足地波雷达性能指标要求(表3)。这个误差结果一定程度上反映了雷达具有较好的风速探测能力。

图5是地波雷达风向与浮标测得风向的对比结果。从对比结果上看，地波雷达风向观测的结果与浮标观测结果一致性较好，尤其是雷达结果能较好地反映台风登陆时间段的海面风向变化的全过程。

根据地波雷达探测理论，7.5～8.5 M频段的地波雷达适合于探测5 m/s以上的风场[6]。为了得到更好的对比结果，我们对风场数据进行筛选，从浮标观测数据中筛选出当风速大于5 m/s时对应的风向进行比对，如图6所示。当风速大于5 m/s时，风向的均方根小于总体风向的均方根，说明风速越大，雷达探测的结果越好。浮标位于台风路径的东侧，台风到达之前，浮标处的主风向为北向，当台风经过比测海域在朱家尖登陆时，主风向逐渐转变为西北方向，当台风继续北上，浮标处的主风向转变为东南向。很好地符合了北半球发生台风时位于台风路径东侧的观测点风向转变特征。从图6中可以看到，地波雷达的风向变化趋势要滞后于浮标观测的风向变化，这是由于浮标通过传感器直接观测获得风向数据，而地波雷达则需要通过对海洋散射回波反演获得风向数据，反演探测机制需要一定的时间，因此会有时间上的滞后。

从风速、风向对比总体上看，实测的风速值要小于雷达的测量值，平均绝对误差、均方根误差指数基本满足地波雷达性能指标要求；地波雷达风向基本能反映真实风向的变化过程，基本满足地波雷达性能指标要求。各项指标误差分析见表3。

图4 风速对比Fig.4 Wind speed comparison

图5 风向对比Fig.5 Wind direction comparison

图6 风速大于5 m/s时的风向对比Fig.6 Wind direction comparison when wind speed is greater than 5 m/s

表3 风要素数据比对结果Tab.3 Radial wind comparison results

2 ASCAT卫星风场数据对比

浮标数据是对高频地波雷达定点探测性能的检验，由于浮标定点观测具有覆盖范围小和空间分辨率低的局限性，有必要利用卫星遥感数据对地波雷达风场空间分布情况进行进一步的对比分析。

ASCAT卫星于2007年5月开始正式运行工作至今，ASCAT携带的散射探测仪是一种微波雷达，微波信号通过水面粗糙度来反演风速和风向[7]。空间分辨率为25 km，卫星高度820 km，周期101 min，重复轨道周期为29 d，风速测量精度为2 m/s，风速测量范围为4～24 m/s，风向测量精度为20°，风向测量范围为0～360°。本文采用的ASCAT卫星风场资料来源于NOAA的卫星应用和研究中心发布的三级产品。通过资料查询和筛选，选取2015年7月11日20:40的卫星沿轨风场数据作为参照对地波雷达探测风场结构的能力进行检验，如图7所示。箭头方向为风的去向，风速的大小通过颜色来表示。

图8为2015年7月11日20:40的2部地波雷达站共同覆盖海域合成的反演风场分布图。通过对比图7和图8的同一时刻大面积风场数据可知，地波雷达的反演结果与卫星观测数据空间分布情况基本吻合，风速大小和风向的一致性很高，很好地获取了台风期间共同覆盖海域内的风场分布特征，地波雷达经受了复杂海况条件的考验，具备在极端天气条件下的探测能力。

图7 2015-07-11T20:40 ASCAT 风场分布Fig.7 ASCAT wind distribution at 20:40, on 11 July, 2015

图8 2015-07-11T20:40地波雷达风场分布Fig.8 Wind distribution observed by radar at 20:40, on 11 July, 2015

3 小结

本文分析了1509号灿鸿台风期间“朱家尖-嵊山”地波雷达的部分探测数据，先后将地波雷达数据与浮标观测数据、ASCAT卫星遥感数据进行对比分析。总体上看，地波雷达完整地获取了台风期间雷达探测共同覆盖海域的流场、风场的结构和变化特征，海流的探测精度和对风的反演能力都满足测量指标要求。证明高频地波雷达在复杂海况条件下具有合格的探测性能。

通过对比浮标、卫星遥感和地波雷达三种海洋调查方法，阐明了地波雷达观测相对其他两种方法具备的优势：浮标只能在常态海况条件限制的前提下，对固定点进行海洋动力参数的观测，且不能满足实际中小尺度海洋观测的要求，空间覆盖范围小，抗损坏能力弱。卫星遥感数据具有采样频率高、覆盖范围广的优点[8]，但是缺点也十分明显。由于卫星具有轨道和周期的限制，不能对某一特定海域进行长时间连续的观测，并且由于卫星的不稳定会出现数据缺失的情况；另外，ASCAT卫星的风速测量有效数据要小于24 m/s，当台风足够强的时候卫星测量精度会有所降低。综上所述，高频地波雷达具备在复杂海况条件下对海洋动力参数进行大面积、实时、长期的观测能力，是实现海洋在“面”的层面上实时监测的基本工具，可以弥补我国常规海洋监测仪器能力不足，提高我国周边海域海洋环境实时监测的能力。

致谢 感谢武汉大学陈泽宗教授团队在雷达数据方面提供的支持，感谢国家海洋局东海预报中心在浮标数据处理方面提供的支持。

[1]LEIGH B. HF Radar-The key to efficient wide area maritime surveillance[M]//EEZ Technology. 3th ed. London: ICG Publishing LTD,1998:115-118.

[2]WAIT J R. Theory of HF ground wave backscatter from sea waves[J]. J Geophys Res,1966,71:4 839-4 842.

[3]MOORE R K, FUNG A K. Radar determination of winds at sea[J]. Proc IEEE,1979,67:1 504-1 521.

[4]LIPA B, BARRICK D. Extraction of sea state from HF radar sea echo: Mathematical theory and modeling[J]. Radio Sci,1986,21(1):81-100.

[5]HERON M L, ROSE R J. On the application of HF ocean radar to the observation of temporal and spatial changes in wind direction [J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering,1986,11(2):210-218.

[6]WU Xiong-bin, LI Lun, LI Yan, et al. Experimental research on significant wave height detecting with HFSWR OSMAR071[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica,2012,43(2):210-216.

吴雄斌，李伦，李炎，等.高频地波雷达海面有效波高探测实验研究[J].海洋与湖沼，2012,43(2):210-216.

[7]BARTALIS Z, WAGNER W, NAEIMI V, et al. Initial soil moisture retrievals from the METOP A advanced scatterometer ASCAT)[J]. Geophysical Research Letters,2007,34(20):L20401.

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

国家海洋公益性行业科研专项项目资助(201505018-2，201205032)；国家自然科学基金项目资助(41206013，41376014)；国家科技支撑计划项目资助(2014BAB12B02)；天津市科技支撑计划项目资助(14ZCZDSF00012)

李程(1988-)，男，天津市人，助理工程师，主要从事业务化海洋学、海平面影响调查评估研究。E-mail：licheng_ouc@163.com

*通讯作者：高佳(1984-)，男，工程师，主要从事海洋数值预报研究。E-mail：gaojia109@163.com

P714

A

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

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

李程，李欢，王慧，等.1509号台风灿鸿期间“朱家尖-嵊山”高频地波雷达数据分析[J].海洋学研究,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.