OSMAR071G地波雷达对“莫兰蒂”台风风眼的观测

徐全军 ，吴雄斌 ，周 恒 ，陈智会 ，万 艳 ，黄奇华 ，岳显昌

（1.中国人民解放军海洋环境专项办公室，北京 10000；2.武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430072；3.湖北中南鹏力海洋探测系统工程有限公司，湖北 宜昌 443005；4.福建省海洋预报台，福建 福州 350000）

OSMAR071G地波雷达对“莫兰蒂”台风风眼的观测

徐全军1，吴雄斌2*，周 恒2，陈智会3，万 艳4，黄奇华2，岳显昌2

（1.中国人民解放军海洋环境专项办公室，北京 10000；2.武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430072；3.湖北中南鹏力海洋探测系统工程有限公司，湖北 宜昌 443005；4.福建省海洋预报台，福建 福州 350000）

利用福建省海洋预报台业务化运行的OSMAR071G高频地波雷达海洋表面观测系统，对2016年9月14日-15日"莫兰蒂"台风穿越台湾海峡并登陆厦门岛的全过程进行了实时观测。根据地波雷达观测的风场数据，计算了海洋表面风场涡流特征，通过涡场结构确定了涡旋的中心，以此确定为台风海面风眼实时位置，通过连续观测，从而得到了台风海面风眼的轨迹。该风眼轨迹与国家卫星气象中心的发布的台风路径基本一致。本次观测表明了OSMAR071G高频地波雷达系统能够准确实时地对台风进行遥感探测。

OSMAR071G高频地波雷达；风速反演，海表风场；莫兰蒂台风；台风风眼

高频地波雷达利用短波（3～30 MHz）在导电海洋表面绕射传播衰减小的特点，采用垂直极化天线辐射电波，利用海洋表面对高频电磁波的一阶散射和二阶散射机制，实现对海洋表面流场的探测。海面波动是一种复杂的随机运动，可看作是许多种不同波长、频率、振幅、初相和传播方向的海浪叠加而成的随机粗糙面，任何时刻海面上总存在波长为电磁波波长一半且传播方向朝向雷达站和远离雷达站的海浪，该海浪会与电磁波产生谐振散射，使雷达接收到较强的后向散射回波，称为一阶谱。Barrick等人从理论分析的角度定量解释了海洋回波一阶和二阶谱的形成原因[1]，为高频地波雷达海洋探测提供了理论基础。

从高频雷达回波中可以提取风场、浪场、流场等海况信息。高频雷达的观测具有覆盖范围大、全天候、实时性好、功能多、性价比高等特点，在气象预报、防灾减灾、航运、渔业、污染监测、资源开发、海上救援、海洋工程、海洋科学研究等方面有广泛的应用前景。

我国从1986年开始研究高频地波雷达，1987年国家自然科学基金正式立项，1996年“国家863计划”立项。2005年，863福建示范区建成，OSMAR2000高频地波雷达系统同步在该示范区龙海市和东山县建站部署（隶属福建省海洋预报台），开展示范应用。2008年，OSMAR2000更新为工程化的OSMAR071高频地波雷达系统，随后多次组织比测、优化。2010年OSMAR系列雷达成功观察到Lion Mountain台风的风眼[2]。2013年“国家863计划”项目支持，有关单位委托第三方对OSMAR071高频地波雷达系统在台湾海峡实施了现场对比验证，2013-2014年研制单位组织多方力量，优化了算法，提高了要素观测精度。2014年，OSMAR071G新一代高频地波雷达在龙海、东山部署应用，并推广到全国各海洋系统，纳入国家海洋立体监测系统中。经过30多年的发展，国内地波雷达海洋探测技术已经非常成熟[3]。

2016年9月，“莫兰蒂”台风穿过台湾海峡，从厦门市翔安区登陆，恰好经过OSMAR071G高频地波雷达系统有效监测范围。本研究将根据雷达获取的连续海面风场数据，设计算法来确定台风海面风眼，并将实测风眼的运动轨迹与国家卫星气象中心的发布的台风风眼轨迹相比较。本文的研究结果将对深入认识高频地波雷达的应用价值有重要作用。

1 雷达系统介绍

OSMAR071G高频地波雷达系统由两部相同型号的雷达组成，分别位于福建省龙海市和福建省东山县。雷达工作频率为8～10 MHz，距离分辨率5 km，角度覆盖范围120°，平均发射功率200 W，探测距离150 km，有效探测面积近40 000 km2。该雷达网的探测区域如图1所示。

图1 福建省海洋预报台东山站和龙海站OSMAR071高频地波雷达海洋探测范围示意图

OSMAR071G高频地波雷达设备采用三元八木发射天线，8根接收天线，该设备工作非常稳定，能有效连续获取海态结果数据，设备接收海洋回波明显，风浪流等参数的反演结果与浮标结果一致性较高。经实际观测，在9月14日-15日“莫兰蒂”台风登陆过程中，雷达回波一阶谱显著增强，而且得到的表面风场在台风经过地方出现了清晰的漩涡。

图2 福建省海洋预报台东山雷达站和龙海雷达站

2 高频地波雷达风场探测原理

1977年Barrick给出了海浪频谱的近似计算方法，并在此基础上建立起了海面波高均方根与回波多普勒一阶谱和二阶谱能量以及发射信号频率之间的关系[4]。利用Barrick方法得到的浪高、海浪方向谱峰值频率与风速的关系，文献[5]给出了高频地波雷达反演海面风速的半经验性方法。但是由于Barrick近似海浪谱计算得到的峰值频率存在一定的误差，半经验反演方法的结果受到较大影响。从2008年9月到2009年2月，OSMAR071高频地波雷达（雷达站布置位置也在图1所示位置）持续工作并获取数据，利用这段时间的数据，我们对风速反演的半经验方法（参考文献[5]）进行了持续改进，并应用在OSMAR071G高频地波雷达之中，建立了适用于台湾海峡南部区域的风速与波高的经验关系[6]，即：

式中:α和β为风速与有效波高之间关系模型参数，需要实测数据进行测定。Hs为改进方法得到的有效波高，Hs的表达式如下：

式中：ξ，τ和μ为待确定的模型参数，R为雷达回波二阶谱与一阶谱能量比值；k0为雷达发射频率对应的波数。该方法得到的风场结果与监测期间福建省海洋预报台所布设的1#大浮标记录的结果相关系数为0.72，证明了此反演算法的有效性[6]。

台风由中心的台风眼、最大风速区和外围区构成。外围区风速由外到内逐渐增大，但从距离中心数千米到风眼中心台风风速骤减，风眼中心区域气流下沉，风速很小甚至无风。由于科氏力作用，北半球台风旋转方向为逆时针，南半球为顺时针。地波雷达探测的距离分辨率为5 km，在用波束形成求解特定方位的一阶峰能量时，由于波束存在一定的宽度，导致最后风速的结果在空间上进行了平滑，实际距离分辨率大于5 km，无法发现风眼中心的平静区域，但是风眼周围的风速大小会大于外部风速大小。文献[7]通过三维数值模拟得到了台风风眼周围的矢量风场，发现风眼附近风场呈与台风一致的涡旋，而且风眼附近风速大小大于外围风速大小，与OSMAR071G地波雷达系统观测结果一致。由于卫星观测到的台风风眼为云层风眼，而地波雷达探测到的为海表面风眼，二者存在一定的位置偏移。

3“莫兰蒂”台风数据分析

2016年9月14日20时左右，台风“莫兰蒂”(Meranti)从澎湖列岛南部进入图1所示福建省海洋预报台高频雷达系统探测范围。根据国家卫星气象中心发布的台风结果[8]，台风进入探测区域后最大风速52 m/s，运动方向为西北方向，十二级风圈半径约40 km，十级风圈半径140 km。台风于2016年9月15日02：30左右在厦门翔安区登陆。选取东山和龙海站OSMAR071G高频雷达在2016年9月14日22:00-9月15日01:00期间的雷达数据，利用第二节介绍的方法计算海面风场，通过风场涡旋中心得到台风风眼位置，并与国家卫星气象中心的台风预报结果进行对比验证。图(3)从左往右从上到下给出了9月14日21:00时刻台风进入雷达探测区域到9月15日02:00期间9个不同时刻OSMAR071G地波雷达探测到的台湾海峡海表面矢量风场，图中白色圆圈代表该时刻由矢量风场得到的风眼位置。

图3“莫兰蒂”台风期间台湾海峡风场分布

从图3可知，高频地波雷达OSMAR071G探测的风场显示了台风吹过形成的逆时针涡旋，漩涡中心尺度约为20 km,但漩涡中心的形状并非圆形。雷达探测的海面风矢量涡旋中心位置与国家卫星气象中心发布的台风风眼位置相近。图3中雷达计算得到的风眼轨迹与国家卫星气象中心发布的台风实际轨迹符合，发布的实际轨迹的台风路径在方向转变的地方变化并不平缓，时间间隔为1 h。

图4给出了2016年9月14日22:00～9月15日01:00时地波雷达计算得到的整点时刻海表面台风风眼轨迹与国家卫星气象中心发布的台风风眼轨迹的对比，雷达数据时间间隔0.5 h，发布的台风数据间隔1 h。图中显示二者位置基本符合，风眼运动方向与卫星观测结果保持一致。在9月14日22:00，两种方法得到的风眼点位置偏差最小为5.1 km，到9月15日01：00时刻位置偏差最大，约为11.3 km。考虑到气象卫星观测到的是云层上部的台风气旋中心，地波雷达探测到的是海表面的风眼，对具有一种空间柱状立体结构的台风而言，上下层风眼位置存在一定偏差。同时，卫星预报位置精度为0.1°，在此区域对应的距离精度约为10 km,这说明在此期间，台风风眼随高度的偏移量不大。根据雷达矢量风场测算，在2016年9月15日1时，台风风眼位置距离龙海站约38.0 km，距离东山站约119.8 km。

图4 雷达探测台风风眼路径与预报台路径对比

4 结论

本文利用OSMAR071G地波雷达对“莫兰蒂”台风期间的观测数据，对台湾海峡表面矢量风场进行分析，通过矢量风场的涡旋中心，得到了海表面台风风眼位置。地波雷达探测得到的台风风眼运动轨迹与卫星监测轨迹吻合地比较好，但时间分辨率和距离分辨率更高。在超强台风的恶劣气候环境下，OSMAR071G高频地波雷达系统能稳定工作，有效证明了系统对于台风等灾害性强对流天气具有全天候的高精度探测能力。结果对比发现海表面台风风眼与卫星观测得到云层风眼之间存在一定的偏差，通过对二者偏差进一步分析，可能获得台风运动方向相关信息，为近岸台风轨迹精确预测提供了新思路，将有助于推动地波雷达设备在全球海洋立体监测系统中的防灾救灾、搜救救援、海洋预报等业务中的应用。

[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]吴雄斌,张兰,柳剑飞.海洋雷达探测技术综述[J].海洋技术学报,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]李伦,吴雄斌,徐兴安,等.高频地波雷达风速反演经验模型[J].武汉大学学报：信息科学版,2012,37(9):1096-1099.

[7]靖春生.台风海流的数值实验及其在南海北部的应用[D].北京：中国科学院研究生院，1999.

[8]中央气象台台风网〔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

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2012AA091701，2012AA091702）；国家科技支撑计划资助项目（2012BAH32B02）；2014年湖北省青年英才培养计划资助项目

徐全军（1969-），男，高级工程师，主要研究方向为海洋环境观测装备管理。E-mail:zcqxjxqj@126.com

吴雄斌，男，博士，教授，主要从事地波雷达海洋监测以及无线电波传播研究。E-mail:xbwu@whu.edu.cn