耿立佳，趙秀玲，王棟，何勇，卞崎灃

(國家海洋局東海標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心 上海 201306)

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X波段雷達(dá)測波系統(tǒng)比測方法的研究*
——基于東海區(qū)海洋站比測數(shù)據(jù)分析

耿立佳，趙秀玲，王棟，何勇，卞崎灃

(國家海洋局東海標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心 上海 201306)

目前我國已經(jīng)進(jìn)口了X波段雷達(dá)，大多數(shù)使用的WAVEX海事雷達(dá)海浪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用X波段雷達(dá)開發(fā)監(jiān)測海浪的波高、波長、波向與波周期等相關(guān)參數(shù)已經(jīng)取得初步成果。同時(shí)，在X波段雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制以及將雷達(dá)數(shù)據(jù)與海洋動力學(xué)模型進(jìn)行同化方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但距離制定明確的應(yīng)用規(guī)范還存在較大差距。文章試圖通過對東海區(qū)A、B兩個海洋站X波段雷達(dá)與波浪浮標(biāo)、人工觀測數(shù)據(jù)等比測數(shù)據(jù)的分析，得出比測方法中比對儀器選擇、環(huán)境因素、海況等方面的要求，以得到更為準(zhǔn)確的比測結(jié)果。

X波段雷達(dá)；波浪浮標(biāo)；比測數(shù)據(jù)；比測方法

X波段雷達(dá)是一種具有超視距﹑大范圍﹑全天候以及低成本等優(yōu)點(diǎn)的新興海洋監(jiān)測技術(shù)。在20世紀(jì)80年代末，挪威D0243公司開始利用Young、Rosenihal和Ziemer原理構(gòu)思船用雷達(dá)波浪監(jiān)測儀，于1999年成功研制了WAVEX系統(tǒng)[1]。目前，我國裝備的X波段雷達(dá)大多使用的是該公司的WAVEX海事雷達(dá)海浪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

國內(nèi)外利用X波段雷達(dá)開發(fā)監(jiān)測海浪的波高、波長、波向與波周期，海流場的流速和流向以及周圍風(fēng)場的相關(guān)參數(shù)已經(jīng)取得初步成果。同時(shí)，在X波段雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制以及將雷達(dá)數(shù)據(jù)與海洋動力學(xué)模型進(jìn)行同化方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但距離制定明確的應(yīng)用規(guī)范還存在較大差距。對X波段雷達(dá)觀測系統(tǒng)進(jìn)行比測，旨在驗(yàn)證X波段雷達(dá)觀測系觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性，檢驗(yàn)其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)能否滿足《海濱觀測規(guī)范》(GB/T14914-2006)所要求的業(yè)務(wù)化海洋觀測工作，確保X波段雷達(dá)觀測系統(tǒng)的觀測結(jié)果能準(zhǔn)確反映所測海域觀測要素的真實(shí)變化情況，為X波雷達(dá)業(yè)務(wù)化運(yùn)行提供參考依據(jù)。本研究通過對東海區(qū)A、B兩個海洋站比測情況的分析，試圖找到更為有效的比測方法和相關(guān)條件。

1 比測方法

1.1 比測設(shè)備

目前，國內(nèi)進(jìn)行波浪數(shù)據(jù)采集主要通過X波段雷達(dá)﹑SZF型波浪浮標(biāo)﹑人工觀測等方式，具體參數(shù)見表1。

表1 3種比測儀器有關(guān)技術(shù)指標(biāo)

X波段雷達(dá)——1臺測量海面波浪各種參數(shù)的設(shè)備，它的數(shù)據(jù)分析是建立在標(biāo)準(zhǔn)的X波段(3 cm)海事雷達(dá)提供的數(shù)字化海面雜亂圖像基礎(chǔ)之上的。先在指定時(shí)間范圍內(nèi)采集的海面雜亂數(shù)據(jù)，然后對這些參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算所得的海浪參數(shù)是指采集時(shí)間內(nèi)主要海浪參數(shù)的平均值(圖1)。

圖1 X波段雷達(dá)

SZF型波浪浮標(biāo)——由中國海洋大學(xué)自主研發(fā)，是一種無人值守的、可定點(diǎn)、定時(shí)自動對波浪要素進(jìn)行測量的小型浮標(biāo)系統(tǒng)。主要用于沿岸海洋環(huán)境監(jiān)測站常規(guī)波浪觀測工作和驚駭環(huán)境工程的監(jiān)測工作，可測量海浪的波高、周期、波向的基本設(shè)備[2]。目前已廣泛應(yīng)用于我國的近海海洋監(jiān)測站、近海海洋工程測量及海洋調(diào)查考察等領(lǐng)域，得到廣泛認(rèn)可(圖2)。

人工觀測——由人工肉眼或借助簡易設(shè)備對波浪要素的分布狀況和變化規(guī)律進(jìn)行的觀測。包括：大面觀測，在調(diào)查海區(qū)布設(shè)若干觀測站，每隔一定時(shí)間在各觀測站觀測一次；斷面觀測，在調(diào)查海區(qū)布設(shè)幾條有代表性的若干觀測站組成的斷面，每隔一定時(shí)間在各觀測斷面上巡回觀測一次；連續(xù)觀測，在調(diào)查海區(qū)布設(shè)若干有代表性的觀測站，按任務(wù)要求在每一觀測站上進(jìn)行一晝夜以上的連續(xù)觀測。

1.2 比測要素

A站、B站比測要素為：有效波高、有效波周期和波向。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

比測數(shù)據(jù)參照《海洋環(huán)境監(jiān)測站自動監(jiān)測儀器現(xiàn)場比對方法》中給出的方法進(jìn)行處理。具體的方法如下。

(1)同一坐標(biāo)系內(nèi)繪制和的過程曲線圖。其中和為X波段雷達(dá)測波系統(tǒng)和比測設(shè)備同步觀測所獲得的某個觀測要素的數(shù)據(jù)。

(2)誤差計(jì)算：

① 計(jì)算比對數(shù)據(jù)的誤差

ΔXi=X1i-X2i

式中：X1i和X2i分別為X波段雷達(dá)測波系統(tǒng)和比對設(shè)備同步或準(zhǔn)同步觀測所獲得的某個觀測要素的第i個數(shù)據(jù)。

② 計(jì)算誤差的平均值

式中：n為觀測數(shù)據(jù)個數(shù)。

③ 計(jì)算誤差的極值(ΔX)max

(ΔX)max=max{|ΔXi|}

④ 計(jì)算誤差的均方差

(3)計(jì)算X1和X2的相關(guān)系數(shù)

1.4 比測結(jié)果評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

《海洋環(huán)境監(jiān)測站自動監(jiān)測儀器現(xiàn)場比對方法》中提出了比測結(jié)果判別的3個標(biāo)準(zhǔn)，按順序分別為：① 過程曲線趨勢的一致性；② 相關(guān)系數(shù)大于等于0.90(γXiX2≥0.90)；③ 誤差極值小于等于3倍均方差[(ΔX)max≤3SΔX]。下面也主要參照這幾個標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)果進(jìn)行分析。

2 比測分析

A站比測時(shí)間為21 d，每整點(diǎn)比測。期間有5次天氣過程：6日受冷空氣影響，臺灣海峽有大浪過程；8-9日受冷空氣影響，臺灣海峽有大到巨浪過程；10-13日分別有冷空氣影響，臺灣海峽有大浪過程；18-20日受冷空氣影響，臺灣海峽有大到巨浪過程；22-25日受冷空氣影響，臺灣海峽有大到巨浪過程。X波段雷達(dá)與波浪浮標(biāo)有效波高、平均周期和波向的過程曲線如圖3所示。

圖3 X波段雷達(dá)與波浪浮標(biāo)曲線圖(A站)

分別計(jì)算X波段雷達(dá)系統(tǒng)與波浪浮標(biāo)間絕對誤差的平均值、均方根、最大值以及相關(guān)系數(shù)(表2)。

表2 X波段雷達(dá)與波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)誤差及相關(guān)數(shù)據(jù)表(A站)

從表2和圖3可以看出，一是X波段雷達(dá)與波浪浮標(biāo)都能反映有效波高的變化過程，但X波段雷達(dá)的有效波高總體上比波浪浮標(biāo)偏大，均方根誤差0.8 m，最大絕對誤差為2.1 m；二是X波段雷達(dá)與波浪浮標(biāo)有效波周期結(jié)果都基本能反映出平均周期的變化過程，但X波段雷達(dá)的有效波高周期總體上比波浪浮標(biāo)偏大，均方根誤差0.8 s，最大絕對誤差為3.1 s；三是X波段雷達(dá)與波浪浮標(biāo)的波向結(jié)果基本也能反映出波向的變化過程。

B站比測時(shí)間為21 d，觀測數(shù)據(jù)記錄時(shí)次為每日8時(shí)、11時(shí)、14時(shí)、17時(shí)。期間有6次天氣過程：1-3日，受冷空氣和1329號臺風(fēng)“羅莎”外圍環(huán)流的共同影響，臺灣海峽南部出現(xiàn)巨浪過程；4-5日，受弱冷空氣南下影響，臺灣海峽出現(xiàn)一次大浪過程；8-10日，受1330號臺風(fēng)“海燕” 的影響，臺灣海峽出現(xiàn)中到大浪過程；11-14日，受冷空氣南下影響，臺灣海峽出現(xiàn)大到巨浪過程；15-16日，受1331號熱帶低壓 “楊柳” 的影響，臺灣海峽出現(xiàn)中到大浪過程；17-18日，受冷空氣影響，臺灣海峽出現(xiàn)大浪以上過程。X波段雷達(dá)與人工觀測有效波高、平均周期和波向的過程曲線見圖4至圖6。

圖4 有效波高觀測數(shù)據(jù)的比對

圖5 有效波周期觀測數(shù)據(jù)的比對

圖6 波向數(shù)據(jù)的比對

分別計(jì)算X波段雷達(dá)系統(tǒng)與人工觀測間絕對誤差的平均值、均方根、最大值以及相關(guān)系數(shù)(表3)。

表3 X波段雷達(dá)與人工觀測數(shù)據(jù)誤差及相關(guān)數(shù)據(jù)表(B站)

從表3和圖4至圖6可以看出，① X波段雷達(dá)測波系統(tǒng)及人工觀測的有效波高數(shù)據(jù)符合的不是很好，X波段雷達(dá)數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)相比整體偏大，但兩者都反映出了波高的變化趨勢，平均誤差也不是很大。② X波段雷達(dá)測波系統(tǒng)及人工觀測的平均波周期數(shù)據(jù)符合的不是很好，X波段雷達(dá)數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)相比整體偏大，但兩者都反映出了周期的變化趨勢，平均誤差也不是很大。③ X波段雷達(dá)測波系統(tǒng)及人工觀測的平均波向數(shù)據(jù)符合的不是很好，但兩者都反映出了波向的變化趨勢，平均誤差也不是很大。

3 結(jié)論

通過對東海區(qū)A、B兩個海洋站的比測資料分析，初步得出以下結(jié)論:① 比測周期內(nèi)需要有足夠的風(fēng)和波高，風(fēng)速或波高較小時(shí)，會對X波雷達(dá)觀測系統(tǒng)的測量精度帶來較大的影響。② 人工觀測產(chǎn)生的誤差較大，比測儀器宜選擇業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可的波浪浮標(biāo)，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和可信度，為X波雷達(dá)業(yè)務(wù)化運(yùn)行提供參考依據(jù)。③ 根據(jù)X波段雷達(dá)測波系統(tǒng)的測試原理及比測數(shù)據(jù)所反映的情況，比測過程中需避免雨﹑雪﹑霧等對比測結(jié)果有較大影響的天氣條件。④由于X波段雷達(dá)測波系統(tǒng)受地形、環(huán)境等因素影響較大，比測進(jìn)行前需根據(jù)實(shí)地情況對工程參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整。

[1] 齊占輝，宋占杰，張鎖平，等.X波段雷達(dá)在海面動力環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].海洋技術(shù)，2009，28(1):24-28.

[2] 唐原廣，王金平.SZF波浪浮標(biāo)系統(tǒng)[J].海洋技術(shù)，2008，27(2)：31-33.

國家海洋局預(yù)報(bào)減災(zāi)司項(xiàng)目“海洋防災(zāi)減災(zāi)”.

P71；P

A

1005-9857(2015)08-0069-04