李衛(wèi)丁，姚建波，徐靈燕

(國家海洋局東海分局舟山海洋工作站 舟山 316021)

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基于OS071X測波雷達(dá)的波浪探測分析

李衛(wèi)丁，姚建波，徐靈燕

(國家海洋局東海分局舟山海洋工作站 舟山 316021)

文章利用舟山海洋環(huán)境監(jiān)測站2014年第16號臺風(fēng)“鳳凰”過境影響期間，對OS071X測波雷達(dá)和3 m波浪浮標(biāo)在同一海域內(nèi)的波浪探測資料進(jìn)行了對比驗(yàn)證。通過分析，OS071X測波雷達(dá)探測反演的有效波高、周期與3 m波浪浮標(biāo)探測結(jié)果對比，二者按先后順序的均方根誤差分別為0.27 m和0.29 m，相關(guān)系數(shù)分別為0.93和0.90。結(jié)果表明，OS071X測波雷達(dá)系統(tǒng)的探測精度得到了驗(yàn)證，能夠滿足實(shí)時探測近岸海域波浪的需求。

測波雷達(dá)；3 m浮標(biāo)；波浪探測；對比驗(yàn)證

X測波雷達(dá)以其性能穩(wěn)定、體積小巧、機(jī)動便捷的特點(diǎn)成為近海、海上平臺和船舶對海況探測的重要手段。近20年來，海洋學(xué)者在關(guān)于X測波雷達(dá)反演海浪、海流、海風(fēng)場的理論和實(shí)踐方面取得了諸多進(jìn)展[1-4]，相關(guān)國家也都相繼研制出高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用于海洋表面狀態(tài)的監(jiān)測和研究，并開展了各種相關(guān)的對比實(shí)驗(yàn)[5-9]。

2013年國家海洋局舟山海洋環(huán)境監(jiān)測站相繼建設(shè)了OS071X測波雷達(dá)和3 m波浪浮標(biāo)，用以探測舟山近岸海洋環(huán)境。由于國內(nèi)對X測波雷達(dá)的研究起步較晚，且限于海況探測資料對比實(shí)驗(yàn)的缺乏，為了驗(yàn)證OS071X測波雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)用性能，本文將OS071X測波雷達(dá)和3 m多參數(shù)波浪浮標(biāo)的波浪探測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比驗(yàn)證分析，為更好地了解X測波雷達(dá)系統(tǒng)的性能和其在該海域開展業(yè)務(wù)化波浪探測提供了科學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 資料來源

本文所用資料來源于國家海洋局舟山海洋環(huán)境監(jiān)測站，2014年9月第16號臺風(fēng)“鳳凰”過境影響期間的OS071X測波雷達(dá)和3 m波浪浮標(biāo)的波浪探測資料。舟山海洋環(huán)境監(jiān)測站位于舟山群島新區(qū)東部的朱家尖島上，所在測點(diǎn)瀕臨東海，海岸線呈南北走向。OS071X測波雷達(dá)(A)選擇主流的X波段船用雷達(dá)作為前端探測傳感器，同時數(shù)字化接收實(shí)時的海面回波信號，采樣扇角170°，波浪探測半徑5 km，距離分辨率15 m，采樣區(qū)域面積1.5 km×1.5 km正方形。3 m波浪浮標(biāo)(SZF2-1A型)采用中國海洋大學(xué)生產(chǎn)的SZF型波浪傳感器，以獲取定點(diǎn)、定時的海面浪高、周期和浪向。3 m波浪浮標(biāo)(B)離岸距離1.5 km，水深30 m。

2 臺風(fēng)影響與數(shù)據(jù)處理

2014年第16號超強(qiáng)臺風(fēng)“鳳凰”9月22日19：35時在浙江象山登陸，中心附近最大風(fēng)力10級，對比驗(yàn)證期間舟山東部海域波浪較大，天氣過程變化明顯，因此本次海上對比驗(yàn)證極具代表性。根據(jù)舟山海洋環(huán)境監(jiān)測站3 m波浪浮標(biāo)對該海域的海況探測結(jié)果，2014年9月21—23日，受臺風(fēng)影響，依次出現(xiàn)3級→4級→5級→4級→3級海況的明顯變化過程。

為了客觀分析OS071X測波雷達(dá)探測波浪數(shù)據(jù)與同區(qū)域3 m波浪浮標(biāo)測得波浪數(shù)據(jù)的誤差，以相關(guān)系數(shù)和均方根誤差作為OS071X測波雷達(dá)探測誤差的分析參數(shù)。定義其他對比設(shè)備獲取波浪參數(shù)結(jié)果的時間序列為Yi，OS071X雷達(dá)探測波浪結(jié)果的時間序列為Xi，則兩者的相關(guān)系數(shù)：

均方根誤差表示估計值與相應(yīng)實(shí)測值偏離程度的量，是表示精密度的較好方法之一，應(yīng)用于此處的目的是為了反映和分析OS071X雷達(dá)波浪參數(shù)測量值偏離3 m波浪浮標(biāo)測量值的程度大小，均方根誤差值越小，說明OS071X雷達(dá)測量值與3 m波浪浮標(biāo)測量值吻合程度越好，反之越差。

3 結(jié)果和分析

本文選取2014年9月21—23日完整的3 d周期，OS071X雷達(dá)探測有效數(shù)據(jù)432組，3 m波浪浮標(biāo)探測有效數(shù)據(jù)144組。由于OS071X雷達(dá)與3 m波浪浮標(biāo)的探測時間間隔不同，以3 m波浪浮標(biāo)的探測時間為基準(zhǔn)，取相同探測時次的有效波高和對應(yīng)周期值進(jìn)行對比驗(yàn)證分析。在臺風(fēng)“鳳凰”的外圍影響下，該探測海域于9月22日夜間產(chǎn)生的波浪最大，至23日臺風(fēng)穿過浙江、上海后遠(yuǎn)離東海，臺風(fēng)周期已經(jīng)結(jié)束，該周期記錄了浪高由小到大再趨于平靜的一個拋物線過渡的過程，比較具有代表性。

由圖1可以看出，OS071X雷達(dá)與3 m波浪浮標(biāo)在相同探測時次上，兩者探測數(shù)據(jù)所反應(yīng)的有效波高變化趨勢基本一致。9月21日臺風(fēng)“鳳凰”沿臺灣東岸北上開始影響探測海域，兩者探測的有效波高均逐漸增大，22日急速增高至夜間，達(dá)到最大值5.1 m；之后臺風(fēng)“鳳凰”對探測海域的影響開始減小，兩者探測的有效波高亦逐漸降低，至23日夜間有效波高回落至正常海況下的波高范圍。對比兩者探測有效波高和周期，在臺風(fēng)“鳳凰”的最大影響時段下，有效波高和對應(yīng)周期也都達(dá)到最大，在此高海況下兩者探測的有效波高和周期在變化趨勢上有較好的一致性。但在最大值(5級海況)上，3 m波浪浮標(biāo)探測的有效波高和周期都大于OS071X雷達(dá)探測值，其他多數(shù)據(jù)情況(4級海況)下，兩者探測的過程曲線變化趨勢吻合較好。

圖1 有效波高數(shù)據(jù)對比

在表1中，相關(guān)系數(shù)表示雷達(dá)探測值與對比設(shè)備探測值之間的關(guān)聯(lián)程度。根據(jù)OS071X雷達(dá)與3 m波浪浮標(biāo)在相同時次探測的有效波高和主波向的參數(shù)統(tǒng)計，結(jié)果表明，對比期間OS071X雷達(dá)與3 m波浪浮標(biāo)的探測數(shù)據(jù)總體上相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.93和0.90。OS071X雷達(dá)與3 m波浪浮標(biāo)探測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)符合《海洋環(huán)境監(jiān)測站自動監(jiān)測儀器現(xiàn)場比對方法》的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(≥0.90)，如果以3 m波浪浮標(biāo)探測數(shù)據(jù)作為該海域處最貼近真實(shí)值的數(shù)值，則可以反映出OS071X雷達(dá)探測數(shù)值在該海域處探測的可靠性。

表1 對比數(shù)據(jù)參數(shù)統(tǒng)計

通過OS071X雷達(dá)與3 m波浪浮標(biāo)相同時次探測主波向?qū)Ρ葦?shù)據(jù)顯示，兩者探測數(shù)據(jù)所反映的主波向變化趨勢大致一致，但也存在一定的差異性：在22日臺風(fēng)“鳳凰”影響探測海域最大時的高海況下，兩者探測的主波向變化趨勢較為一致，而在臺風(fēng)影響前后海域波浪較小時，兩者探測值差異相對較大。由于3 m波浪浮標(biāo)是以定點(diǎn)探測波浪數(shù)據(jù)，有其偶然性與波動慣性；而OS071X雷達(dá)則是對一定面積的海域進(jìn)行探測并反演出該區(qū)域的波浪變化，兩種不同的探測手段必然造成兩種探測數(shù)據(jù)之間存在系統(tǒng)差異[10]。

4 結(jié)束語

本文所做的對比驗(yàn)證分析，雖然OS071X雷達(dá)探測數(shù)據(jù)周期短，但在臺風(fēng)“鳳凰”的影響下，OS071X雷達(dá)探測所獲取的波高數(shù)據(jù)在1.2～4.5 m的不同海況之間，使得本文的分析驗(yàn)證具有較好的代表性。文中OS071X雷達(dá)探測反演與3 m波浪浮標(biāo)探測值的近似程度、對海況條件的依賴性、對比驗(yàn)證設(shè)備探測時空特性的差別、3 m波浪浮標(biāo)以點(diǎn)探測的特殊性以及地形地貌的影響等都有可能對對比驗(yàn)證產(chǎn)生誤差，這些因素的影響都值得開展進(jìn)一步的分析研究。此次OS071X雷達(dá)與3 m波浪浮標(biāo)的對比分析，主要考察了OS071X雷達(dá)對海域波浪探測的準(zhǔn)確性和可靠性，同時也驗(yàn)證了OS071X雷達(dá)的實(shí)用性能，符合近岸局部海域?qū)崟r波浪探測的相關(guān)要求。

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Wave Detecting Analysis Based on the OS071X Wave Detecting Radar

LI Weiding，YAO Jianbo，XU Lingyan

(Zhoushan marine workstation of East China Sea Branch of S.O.A，Zhoushan 316022，China)

In this paper, radar measurements of OS071X and 3m wave buoy in the waves soundings within the same area were compared by using the data obtained during the period of Typhoon No.16 of 2014 “Phoenix” transit influence period of Zhoushan Marine Environmental Monitoring Station. By analyzing the OS071X measured radar detection inversion significant wave height, period and 3 m wave buoy detection results,both RMSE by the order of 0.27 m and 0.29 m respectively,correlation coefficients were 0.93 and 0.90. The results showed that OS071X radar detection accuracy measurement system had been verified, and was able to meet the needs of real-time detection of waves in coastal waters.

Radar measurements, 3 m buoy, Wave Detection, Compare verification

李衛(wèi)丁，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境觀測業(yè)務(wù)管理與研究，電子信箱：liweiding1250@aliyun.com

P717

A

1005-9857(2016)03-0069-03