王青顏，周 濤，陳 周

（海南省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，海南 ?？?570206）

在國(guó)土安全、海洋科學(xué)研究、海洋工程建設(shè)和海洋防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域，海浪是極為重要且復(fù)雜的一種海洋氣象要素，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是最主要也是最直接了解波浪的方法之一[1-2]，目前常見的波浪觀測(cè)儀器很多，例如自容式波高儀、波浪浮標(biāo)等，它們廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)期、自動(dòng)、定點(diǎn)的連續(xù)觀測(cè)場(chǎng)合[3-4]。但是自容式波高儀的使用會(huì)受到所在地水深的限制，通常使用深度不超過25 m，否則其將無法準(zhǔn)確工作，而波浪浮標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用成本高、體積較大、布放與回收難度較大[5-6]。

近三十年來，X 波段雷達(dá)遙測(cè)海浪技術(shù)已經(jīng)成為一種重要的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)手段[7-8]，它可以廣泛應(yīng)用于海洋觀測(cè)站、船只等載體，從而對(duì)當(dāng)前海況信息進(jìn)行收集與處理，獲取現(xiàn)場(chǎng)海況數(shù)據(jù)。其工作原理是，通過X 波段雷達(dá)所發(fā)出的電磁波，在對(duì)海面進(jìn)行入射后，所發(fā)射的電磁波與海洋表面的毛細(xì)波會(huì)產(chǎn)生Bragg 散射[9]，而這種后向散射的回波被海面廣泛存在的重力波進(jìn)行調(diào)制，就形成了雷達(dá)回波；數(shù)據(jù)處理時(shí)通過對(duì)雷達(dá)回波進(jìn)行二維的傅里葉變換，然后從獲取的波浪譜中得到相關(guān)函數(shù)和海浪信息[10-11]。X 波段雷達(dá)不但可以實(shí)時(shí)觀測(cè)海洋表面波浪數(shù)據(jù)，還可以獲得觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的海洋表面海流數(shù)據(jù)，同時(shí)還具有較高的時(shí)空分辨率和海域觀測(cè)范圍，因此其具有廣闊的應(yīng)用前景，可以廣泛應(yīng)用到海洋環(huán)境觀測(cè)和監(jiān)測(cè)中。20 世紀(jì)80年代，挪威D0243 公司利用Young IR、Ziemer F 等原理開始進(jìn)行船載波浪檢測(cè)雷達(dá)的研制，于1999年成功地研制出WAVEX 系統(tǒng)，并在2003年將該系統(tǒng)裝備在英國(guó)海軍“海神”號(hào)上。目前國(guó)內(nèi)所使用的X 波段測(cè)波雷達(dá)大部分依賴進(jìn)口，只有哈爾濱工程大學(xué)、國(guó)家海洋技術(shù)中心、中國(guó)海洋大學(xué)、上海廣電通信技術(shù)有限公司、中國(guó)電子科技集團(tuán)第十研究所等機(jī)構(gòu)研發(fā)出了少量國(guó)產(chǎn)測(cè)波雷達(dá)系統(tǒng)。

海南省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心在萬寧石梅灣、三亞海棠灣和三亞灣均布設(shè)了X 波段雷達(dá)進(jìn)行業(yè)務(wù)化觀測(cè)，至今已經(jīng)有6年時(shí)間。本文利用三亞灣岸站架設(shè)的X 波段測(cè)波雷達(dá)設(shè)備與坐底式自容波高儀對(duì)同一海區(qū)的實(shí)時(shí)海況進(jìn)行觀測(cè)，通過對(duì)兩者觀測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)，來評(píng)估設(shè)置在三亞灣海域的X 波段全固態(tài)相參測(cè)波雷達(dá)產(chǎn)品對(duì)其所觀測(cè)海區(qū)海況信息的探測(cè)能力。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，在三亞灣海域共進(jìn)行了為期9 天的試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間從2019年8月28 日至2019年9 月5 日，其中，在8 月29 日至8 月30 日期間，2019年第12 號(hào)臺(tái)風(fēng)“楊柳”（強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)）的路徑恰好影響到比對(duì)區(qū)域，在9 月2日期間，2019年第14 號(hào)臺(tái)風(fēng)“劍魚”（熱帶風(fēng)暴級(jí)）也在比對(duì)區(qū)域附近經(jīng)過，但其對(duì)海面波浪的影響較小。在整個(gè)對(duì)比觀測(cè)過程中，現(xiàn)場(chǎng)海況變化明顯，經(jīng)歷了多種天氣變化。根據(jù)兩種儀器的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，將X 波段測(cè)波雷達(dá)獲取的波浪信息與自容式波高儀獲取的波浪信息進(jìn)行綜合比對(duì)分析。

1 比測(cè)海區(qū)及儀器說明

本文所使用的X 波段雷達(dá)站點(diǎn)位于海南省三亞市天涯區(qū)三亞灣皇冠假日酒店的樓頂，雷達(dá)所在地理位置坐標(biāo)：18°17′25″N，109°22′32″E，此位置距離海岸線約150 m，海拔約為28 m。圖1 為X 波段測(cè)波雷達(dá)的安放位置圖。

圖1 X 波段測(cè)波雷達(dá)安放位置圖

X 波段測(cè)波雷達(dá)設(shè)備及其他儀器布放區(qū)域如圖2 所示，A 點(diǎn)位代表岸站架設(shè)的X 波段測(cè)波雷達(dá)所在位置，距海邊水平距離150 m 左右，與海面垂直距離35 m；B 點(diǎn)位代表波高儀所在位置，距離A 點(diǎn)X 波段測(cè)波雷達(dá)3 km 左右，處于109°22.902′E，18°16.148′N 附近，水深12 m；同時(shí)，圖中扇形區(qū)域?yàn)閄 波段測(cè)波雷達(dá)的可探測(cè)區(qū)域，扇角寬度為90°，扇形半徑為3 km，方框區(qū)域（邊長(zhǎng)0.8 km 正方形） 為X 波段測(cè)波雷達(dá)測(cè)量選定的核心反演區(qū)域，位于X 波段測(cè)波雷達(dá)前方1～2 km 處。C 點(diǎn)代表X 波段測(cè)波雷達(dá)反演區(qū)域中心，處于109°22′47″E，18°16′26″N 附近，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，C 點(diǎn)處為碼頭到西島的游船航線位置，同時(shí)，在黃色反演區(qū)域周邊有很多漁民的養(yǎng)殖網(wǎng)箱，無法完成設(shè)備的布放。因此，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，選擇B 點(diǎn)作為波高儀最佳的布放位置，處于X 波段測(cè)波雷達(dá)設(shè)備的可探測(cè)范圍以內(nèi)。

圖2 測(cè)試區(qū)域分布示意圖

本文使用武漢浩譜海洋探測(cè)系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的Hope-CX 型X 波段全固態(tài)相參測(cè)波雷達(dá)進(jìn)行試驗(yàn)。該X 波段測(cè)波雷達(dá)定點(diǎn)安裝在三亞灣皇冠假日酒店樓頂?shù)闹聘唿c(diǎn)，每間隔30 min 進(jìn)行一次有效觀測(cè)，采樣時(shí)間為6 min，其主要參數(shù)見表1。

表1 X 波段雷達(dá)主要參數(shù)表

為了有效驗(yàn)證X 波段測(cè)波雷達(dá)對(duì)于當(dāng)前海況信息的探測(cè)能力，本文選取了日本JFE 公司生產(chǎn)的AWH-USB 自容式波高儀（以下簡(jiǎn)稱波高儀） 作為實(shí)驗(yàn)比測(cè)儀器，該設(shè)備的工作原理是通過其內(nèi)置的高精度壓力傳感器測(cè)量海水壓力的變化并將所測(cè)得海水壓力有效換算為海面的波高，此儀器的分辨率可以精確到0.5 mm，同時(shí)波高觀測(cè)精度也可達(dá)到±1.4‰FS，波浪儀實(shí)物如圖3 所示。

圖3 自容式波高儀

該儀器一般用于水深在25 m 以淺的區(qū)域，固定在海底進(jìn)行觀測(cè)，水面系留標(biāo)志物。儀器本身較為小巧，使用過程簡(jiǎn)易，同時(shí)由于其采用坐底的方式使其不易被外界因素所破壞。

2 對(duì)比測(cè)試研究

由于本文對(duì)比測(cè)試的X 波段測(cè)波雷達(dá)設(shè)備采用每30 min 進(jìn)行一次有效觀測(cè)的方式，因此對(duì)應(yīng)的自容式波高儀同樣采用每30 min 工作一次的方式進(jìn)行觀測(cè)。本文比測(cè)的時(shí)間跨度為8 月28 日18 ∶00 至9 月5 日11 ∶30，持續(xù)9 天時(shí)間，共獲取了372 組波高數(shù)據(jù)和372 組波周期數(shù)據(jù)，整個(gè)數(shù)據(jù)樣本為744 組，其中每組要素?cái)?shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)兩種設(shè)備不同數(shù)值共計(jì)744 個(gè)數(shù)據(jù)，因此整個(gè)比測(cè)過程的數(shù)據(jù)總量理論上為1488 個(gè)數(shù)值。但在比測(cè)的過程中，由于供電系統(tǒng)出現(xiàn)短暫斷電導(dǎo)致X 波段測(cè)波雷達(dá)設(shè)備出現(xiàn)2 組數(shù)據(jù)缺失，因此最終使用的數(shù)據(jù)總量為1480 個(gè)。

兩種設(shè)備的觀測(cè)數(shù)據(jù)具體情況見表2。根據(jù)表2 記錄的數(shù)據(jù)情況，分為有效波高和有效波周期這兩個(gè)波浪要素，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比和分析。

表2 數(shù)據(jù)樣本分析表單位：個(gè)

2.1 波高比對(duì)情況

X 波段測(cè)波雷達(dá)與自容式波高儀波高比對(duì)時(shí)間為8 月28 日至9 月5 日，選取8 月28 日18 ∶00 至9 月5 日11 ∶30，兩種儀器共采集370 組（740 個(gè)）數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，雙方結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4 所示。

圖4 雷達(dá)與波高儀有效波高測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖

從圖4 可以看出，在測(cè)量期間波浪高度有多次起伏變化過程，其中從8 月29 日11 時(shí)開始到8 月30 日下午（圖4 左邊紅框處），波高變化幅度為0.6～2.6 m，該期間有12 號(hào)臺(tái)風(fēng)“楊柳”經(jīng)過；在9月2 日期間（圖4 右邊綠框處），波高變化幅度為0.5～1.5 m，該期間有14 號(hào)臺(tái)風(fēng)“劍魚”經(jīng)過，但是2019年第14 號(hào)臺(tái)風(fēng)“劍魚”（熱帶風(fēng)暴級(jí)） 對(duì)海面波高的影響較小。重點(diǎn)關(guān)注在2019年第12 號(hào)臺(tái)風(fēng)“楊柳”（強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)） 的影響下，自容式波高儀觀測(cè)到的有效波高最大值為2.42 m 左右，X波段測(cè)波雷達(dá)所觀測(cè)到的有效波高最大值為2.6 m左右，數(shù)值較為接近。

根據(jù)海南省氣象局提供的三亞市天涯區(qū)鳳凰島海島站降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2019年8 月28 日至9月5 日的降雨情況如圖5 所示。

圖5 三亞市天涯區(qū)鳳凰島海島站所統(tǒng)計(jì)的降雨時(shí)序圖

從降雨情況分析，8 月29 日至30 日及9 月2日至4 日是強(qiáng)降雨時(shí)間段，其中8 月29 日20 ∶00的降雨量最高。從X 波段雷達(dá)和自容式波高儀測(cè)量的有效波高數(shù)據(jù)曲線分析，測(cè)量的數(shù)據(jù)連續(xù)并且測(cè)得的有效波高和有效波高的變化趨勢(shì)較為一致。因此，可得出結(jié)論：降雨天氣未對(duì)兩種設(shè)備測(cè)量結(jié)果造成較為明顯的影響，尤其是從X 波段雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果來看，測(cè)波雷達(dá)在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨期間依然正常工作。

本文還對(duì)波高數(shù)據(jù)做了進(jìn)一步的分析，根據(jù)X波段雷達(dá)有效波高的測(cè)量范圍0.5～20 m，將波高數(shù)據(jù)分為0.6～1.2 m 和1.2 m 以上兩組進(jìn)行詳細(xì)分析。

（1） 分析X 波段測(cè)波雷達(dá)和自容式波高儀0.6～1.2 m 的波高數(shù)據(jù)

選取X 波段雷達(dá)和波高儀的0.6～1.2 m 波高數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)數(shù)據(jù)共有174 組（348 個(gè)），雙方結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比如圖6 所示。

圖6 雷達(dá)有效波高0.6～1.2 m 測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖

從圖6 可以看出，兩種儀器的波高變化趨勢(shì)大致相符，但是由于兩種儀器對(duì)波浪的測(cè)量范圍不同，在測(cè)量精度上也存在差異，因此，在波浪較小的情形下，兩組數(shù)據(jù)的吻合度較為一般。

（2） 分析X 波段測(cè)波雷達(dá)和自容式波高儀1.2 m以上的波高數(shù)據(jù)

選取兩種儀器在1.2 m 以上的波高數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)數(shù)據(jù)共有49 組（98 個(gè)），雙方結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7 所示。

圖7 雷達(dá)有效波高1.2 m 以上測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖

從圖7 可以看出，兩種儀器波高曲線的變化趨勢(shì)基本一致，觀測(cè)到的最大有效波高也大致相同。

2.2 波周期比對(duì)情況

X 波段測(cè)波雷達(dá)與自容式波高儀波周期比對(duì)時(shí)間與有效波高是完全一致的，共采集370 組（740個(gè)） 數(shù)據(jù)，對(duì)比圖如圖8 所示。

圖8 雷達(dá)與有效波波高儀周期測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖

從圖8 可以發(fā)現(xiàn)，X 波段測(cè)波雷達(dá)與自容式波高儀這兩種觀測(cè)設(shè)備所獲取的有效波周期基本上比較接近，然而在波周期數(shù)值的變化趨勢(shì)上卻存有一定的差異[12]。經(jīng)分析，X 波段測(cè)波雷達(dá)利用雷達(dá)電磁波Bragg 散射效應(yīng)的原理，測(cè)量的是一片海面整體的波浪變化情況，而自容式波高儀通過內(nèi)置的高精度壓力傳感器測(cè)量海水壓力的變化有效換算為海面的波高變化，測(cè)量的是海面某個(gè)固定點(diǎn)的波浪變化情況，面和點(diǎn)測(cè)量波周期數(shù)值的變化趨勢(shì)上存在一些差異，這種情況應(yīng)該是兩種儀器的測(cè)量原理完全不同所導(dǎo)致的，因此，波周期變化趨勢(shì)出現(xiàn)差異的現(xiàn)象在實(shí)際測(cè)量過程中較為正常。

其中，從8 月29 日11 時(shí)開始到8 月30 日下午（圖8 左邊紅框處），波周期變化幅度為5.3～7.2 s，該期間有2019年第12 號(hào)臺(tái)風(fēng)“楊柳”（強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)） 經(jīng)過；在9 月2 日期間（圖8 右邊綠框處），2019年第14 號(hào)臺(tái)風(fēng)“劍魚”（熱帶風(fēng)暴級(jí)） 從附近經(jīng)過，但是對(duì)海面波浪的影響較小。重點(diǎn)關(guān)注在2019年第12 號(hào)臺(tái)風(fēng)“楊柳”（強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)） 的影響下，波高儀觀測(cè)到的有效波周期最大值為7.703 s 左右，雷達(dá)所觀測(cè)到的有效波周期最大值為7.1 s 左右，兩者數(shù)值較為接近。

2.3 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

通過對(duì)比分析兩種儀器的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，將有效波高數(shù)據(jù)分為0.6～1.2 m 和1.2 m 以上兩組，并使用上述比對(duì)方法對(duì)自容式波高儀和X 波段測(cè)波雷達(dá)的有效波高測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，相關(guān)系數(shù)、均方根誤差計(jì)算如式（1）和式（2）所示。

式中，Xi、Yi為數(shù)組中的各個(gè)數(shù)值；Xa、Ya為數(shù)組的平均值；r 為兩組數(shù)據(jù)間相關(guān)系數(shù)；R 為兩組數(shù)據(jù)間的均方根誤差；N 為數(shù)組內(nèi)數(shù)值個(gè)數(shù)。

由式（1）和式（2）計(jì)算得出，在0.6～1.2 m，兩種探測(cè)設(shè)備的相關(guān)系數(shù)為0.7245，均方根誤差為0.1869 m，置信度檢驗(yàn)為81.2%。此結(jié)果表明，兩套不同的產(chǎn)品對(duì)于有效波高測(cè)量值的相關(guān)性較為一般，這主要是由于兩種儀器的工作方式不同所導(dǎo)致的，但是兩組數(shù)據(jù)的均方根誤差相對(duì)較低，證明兩種儀器對(duì)于海面波高的觀測(cè)值吻合度較好。在1.2 m以上，兩種探測(cè)設(shè)備的相關(guān)系數(shù)為0.9034，均方根誤差為0.1773 m，置信度檢驗(yàn)為84.3%。該結(jié)果表明，兩套不同的產(chǎn)品對(duì)有效波高1.2 m 以上的測(cè)得值相關(guān)性較好，測(cè)量誤差相對(duì)較低，探測(cè)結(jié)果存在較好的一致性。數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果見表3 和表4。

表3 有效波高0.6～1.2 m 對(duì)比結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表4 有效波高1.2 m 以上對(duì)比結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

最后，對(duì)X 波段測(cè)波雷達(dá)與自容式波高儀這兩種觀測(cè)設(shè)備的波周期比對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和討論。由于前文提到的兩種儀器觀測(cè)原理存在差異，無法采用計(jì)算兩者所測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性系數(shù)的方式進(jìn)行有效波周期的統(tǒng)計(jì)，因此通過計(jì)算兩組數(shù)據(jù)的均方根誤差，來分析有效波周期的數(shù)據(jù)情況。通過計(jì)算可得，X 波段測(cè)波雷達(dá)與自容式波高儀所測(cè)得的波周期數(shù)據(jù)的均方根誤差為0.8128 s，比對(duì)結(jié)果見表5。

表5 有效波周期對(duì)比結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

本文在三亞灣進(jìn)行了為期9 天的X 波段測(cè)波雷達(dá)和自容式波高儀現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)測(cè)試，并對(duì)所獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，得出結(jié)論如下。

（1） X 波段測(cè)波雷達(dá)工作方式基本可靠，能夠有效探測(cè)對(duì)應(yīng)海域的海浪變化情況。

（2） X 波段測(cè)波雷達(dá)設(shè)備能夠在臺(tái)風(fēng)、雨霧等復(fù)雜天氣下保持正常工作，與比測(cè)設(shè)備（波高儀）的測(cè)量值具有較好的相關(guān)性。

（3） 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)情況可以看出，X 波段測(cè)波雷達(dá)進(jìn)行海浪觀測(cè)的方式，比較適合于大范圍海域測(cè)量，可以有效反演出X 波段雷達(dá)所觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的整體海浪信息。

（4） X 波段測(cè)波雷達(dá)用于岸基的波浪觀測(cè)是一種非常優(yōu)良的業(yè)務(wù)化觀測(cè)手段，維護(hù)費(fèi)用和維護(hù)難度都低于離岸浮標(biāo)觀測(cè)方式，海南省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心建設(shè)的X 波段測(cè)波雷達(dá)，投入運(yùn)行至今經(jīng)歷了多個(gè)臺(tái)風(fēng)天氣過程，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠直觀反映現(xiàn)場(chǎng)海況的變化信息，并取得較好的觀測(cè)效果，滿足海洋環(huán)境觀測(cè)業(yè)務(wù)的需求。建議各級(jí)海洋觀測(cè)部門加強(qiáng)該方式的應(yīng)用，也可在平臺(tái)基、島基、船基進(jìn)行推廣應(yīng)用。

波浪觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)比對(duì)分析結(jié)果為后續(xù)X 波段測(cè)波雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)化提供了方向。在波高范圍為0.6～1.2 m 時(shí)，壓力測(cè)波與X 波段雷達(dá)測(cè)波所測(cè)得的數(shù)據(jù)相關(guān)性較為一般，兩種觀測(cè)方式所測(cè)波高數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)僅為0.7245。因此，接下來需增加X波段測(cè)波雷達(dá)與其他各類測(cè)波設(shè)備在該波段的波高比測(cè)實(shí)驗(yàn)，分析誤差產(chǎn)生的具體原因，進(jìn)一步優(yōu)化X 波段測(cè)波雷達(dá)的選型、選址與參數(shù)設(shè)置，并制定明確的應(yīng)用規(guī)范，從而提高X 波段測(cè)波雷達(dá)對(duì)海況觀測(cè)的精確度。