高频地波雷达海面有效波高探测实验研究

利用安装于福建龙海的OSMAR071高频地波雷达和位于雷达波束范围内金门料罗湾口的波浪浮标在2008年11月1日至2009年4月30日半年期间的观测结果,对Barrick波高模型进行改进和模型系数拟合、标定,讨论了改进模型系数的稳定性。结果表明,该模型能适应噪声和干扰等因素对宽波束雷达有效波高探测结果的影响。雷达观测反演回报的有效波高与浮标观测结果对比,二者时间序列的均方根误差为0.39m,相关系数为0.67。     

1509号台风灿鸿期间“朱家尖-嵊山”高频地波雷达数据分析

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。     

OSMAR-S100便携式高频地波雷达海浪和海面风探测性能分析

OSMAR-S系列便携式高频地波雷达系统采用单极子/交叉环紧凑型天线阵,通过单站雷达即可实现有效探测距离约10km内海浪和海面风的单点观测。为了更好地了解OSMAR-S100雷达系统海浪和海面风的综合探测性能,于2013年1月29日至3月7日在台湾海峡西南部海域进行了雷达与浮标观测的对比试验,得到了有效波高、有效波周期、平均风速和平均风向数据。对比结果表明,OSMAR-S100便携式高频地波雷达可有效观测距雷达10km以内有效波高0.5m以上的海浪平均状况和平均风速5m/s以上的海面风,雷达反演有效波高和有效波周期的均方根误差分别为0.60m和1.60s,反演平均风速和平均风向的均方根误差为1.83m/s和16.7°。在未经区域化标定的情况下,此结果说明了该型雷达产品已初步具备了海浪和海面风的业务化观测水平。     

基于人工神经网络的高频雷达风速反演

风速是重要的海洋状态参数之一，对海面风速的准确提取是实现海洋环境监测和沿海工程应用的重要保证。目前，作为新兴海洋环境监测设备，高频雷达在风速提取方面仍然存在挑战。本文提出了一种基于人工神经网络的风速提取方法，利用历史浮标测量海态数据训练风速提取网络，实现风速与有效波高、波周期、风向及时间因素之间的非线性映射。测试结果表明了这一网络在时间和空间上的稳定性；进而将已训练的网络应用到便携式高频地波雷达OSMAR-S的风速反演中，得到的风速与浮标测量风速间的相关系数达到0.849，均方根误差为2.11 m/s。这一结果明显优于常规由浪高反演风速的SMB方法，验证了该方法在高频雷达风速反演中的可行性。     

“灿鸿”台风期间高频地波雷达数据分析

分析了小型阵变频高频雷达在"灿鸿"台风期间海面风、浪、流遥测结果。将雷达观测结果与定点浮标数据进行比对,表现出很好的一致性。其中径向流相关系数为0.92,均方根误差为0.13 m/s,有效波高相关系数为0.90,均方根误差为0.50m,平均波周期相关系数为0.64,均方根误差为1.12s。风向相关系数为0.55,均方根误差为40.0°。风速相关系数为0.68,均方根误差为3.26m/s。雷达对海流的探测能力最优,在高海况下对风、浪探测能力优于低海况下;雷达对"灿鸿"台风期间风、浪的探测延迟于浮标测量。结果表明小型阵变频高频地波雷达较好地反映了台风期间波浪场的空间分布及其发展变化情况,具有一定的灾害性海洋天气监测能力。     

HY-2B卫星载荷联合观测海面阵风的一种反演方法

国内外对海上阵风的研究并不多,且大多集中在阵风预报和应用研究方面,对于海洋阵风数据的获取技术未见文献系统论述。本文利用HY-2B卫星雷达高度计观测的后向散射系数,结合校正微波辐射计观测的亮度温度信息,提出联合反演阵风风速的方法。两个遥感载荷联合反演得到的阵风风速与2019–2021年美国国家浮标数据中心（NDBC）浮标数据进行真实性检验,结果显示:阵风风速均方根误差（RMSE）为0.98 m/s,相关系数为0.82;基于本方法利用国外同类卫星Jason-3得到的阵风风速与2016–2018年NDBC浮标数据的RMSE为0.96 m/s,相关系数为0.88。本文在HY-2B卫星雷达高度计海面风速观测的基础上,纳入同一卫星平台校正微波辐射计的同步观测信息联合实现了海面阵风的观测,数据的比对结果证明文中方法具有较高的观测精度。同时,该方法对于具有相同观测体制的国内外卫星也适用。     

X-波段雷达近海海浪频谱反演的神经网络模型

X-波段雷达作为国内海浪观测的一种新工具,在海浪频谱获取和有效波高反演方面仍存在较多问题.本文利用非线性回归方法,将现场实测浮标数据频谱和雷达一维图像谱分别与标准频谱模型进行拟合,发现浮标频谱和一维图像谱具有标准频谱的特征,能够较准确地获取相应的谱参数.提出了建立由雷达一维图像谱参数反演海浪频谱参数的神经网络模型,同时在模型中加入影像序列信噪比,进而反演有效波高,并将反演结果与现场实测数据和传统算法(建立影像序列信噪比与有效波高之间的线性回归方程)进行了对比,结果表明,获取谱参数的误差和反演有效波高的平均误差在20％以内,而传统算法计算有效波高平均误差在20％以上.     

高频地波雷达海流验证研究述评

本文对高频地波雷达发展与应用过程中海流的对比验证研究进行了回顾与总结。不同的验证研究采用的对比设备与验证方法有所不同,但都通过海上同步观测对雷达反演的海流进行对比,经统计分析评估二者之间海流观测的差异。这些研究表明,地波雷达反演的海流流速和对比观测的均方差水平在10—20cm·s-1之间,主要来源是对比所用仪器与雷达观测目标之间的差异,仪器和雷达海流的测量误差。     

基于浮标数据的卫星雷达高度计海浪波高数据评价与校正

卫星雷达高度计是海浪有效波高（significant wave height,SWH）观测的重要手段之一,本文利用时空匹配方法对T/P、Jason-1、Envisat、Jason-2、Cryosat-2和HY-2A共6颗卫星雷达高度计SWH数据与NDBC（National Data Buoy Center,NDBC）浮标SWH数据进行对比验证,并对雷达高度计SWH数据进行校正。全部卫星雷达高度计SWH数据时间跨度为1992年9月25日到2015年9月1日,对比验证NDBC浮标共53个,包括7个大洋浮标。精度评价发现除T/P外,各卫星雷达高度计SWH的RMSE都在0.4~0.5 m之间,经过校正后,RMSE都有显著下降,下降程度最大为13.82%;对于大洋浮标,评价结果RMSE在0.20~0.28 m之间,结果明显优于全部NDBC浮标的精度评价结果;HY-2A卫星雷达高度计SWH在经过校正后数据质量与国外其他5颗卫星雷达高度计SWH数据质量差异较小。     

GPM和TRMM卫星与海洋定点浮标观测降水日变化的比较

基于热带大洋地区共23个海洋定点浮标雨量器数据比较了GPM和TRMM两种卫星降水数据(IMERG和TMPA)对热带海洋降水日变化的观测能力,选取时间为2014年4月1日—2018年4月30日。相较于浮标观测结果,2种卫星数据都低估了降水日变化范围。在太平洋和印度洋,IMERG和TMPA都能捕捉到降水极大值出现在早上、极小值出现在傍晚的特征,与浮标观测结果基本吻合。在大西洋,两种卫星数据与浮标观测的降水日变化特征有较大差异,主要是由于大西洋降水较少,而卫星对小降水的观测存在较大偏差,同时浮标观测在小降水区域更容易存在误差。     

基于C-2PO模型和CMOD5.N地球物理模式函数的SAR风速反演性能评估

本文选取142幅RADARSAT-2全极化合成孔径雷达（SAR）影像，在没有入射角输入的情况下，首先利用C-2PO模型进行海面风速反演。随后，将同一时空下的ASCAT散射计风向作为初始风向，提取相应雷达入射角，利用地球物理模式函数（GMF） CMOD5.N对142幅SAR影像进行风速计算。反演结果与美国国家资料浮标中心海洋浮标风速数据对比，结果显示:CMOD5.N GMF和C-2PO模型均可反演出较高精确度的海面风速，其均方根误差分别为1.68 m/s和1.74 m/s。此外，研究发现，在低风速段，CMOD5.N GMF的风速反演精度要明显优于C-2PO模型。针对这一现象，本文以SAR系统成像机理为基础，以低风速SAR图像为具体案例，给出了3种造成这一现象的原因。     

复合雷达后向散射模型与合成孔径雷达、散射计和高度计海面雷达后向散射观测的比较分析

海洋微波散射模型相比于以经验统计建立的地球物理模式函数具有不受特定微波频率限制的优势。组合布拉格散射模型和几何光学模型形成了复合雷达后向散射模型。利用南海北部气象浮标2014年海面风速风向实测值作为散射模型输入，分别比较了复合雷达后向散射模型与RADARSAT-2卫星C波段SAR、HY-2A卫星Ku波段微波散射计的海面后向散射系数，偏差分别为(?0.22±1.88) dB (SAR)、(0.33±2.71) dB (散射计VV极化）和(?1.35±2.88) dB (散射计HH极化)；以美国浮标数据中心(NDBC)浮标2011年10月1日至2014年9月30日共3年的海面风速、风向实测值作为散射模型输入，分别比较了复合雷达后向散射模型与Jason-2、HY-2A卫星Ku波段高度计海面后向散射系数，偏差分别为(1.01±1.15) dB和(1.12±1.29) dB。中等入射角和垂直入射下的卫星传感器后向散射系数观测值与复合雷达后向散射模型模拟值比较，具有不同的偏差，但具有相同的海面风速检验精度，均方根误差小于1.71 m/s。结果表明，复合雷达后向散射模型可模拟计算星载SAR、散射计和高度计观测条件下的海面雷达后向散射系数，且与CMOD5、NSCAT-2、高度计业务化海面风速反演的地球物理模式函数的计算结果具有一致性；复合雷达后向散射模型可用于微波遥感器的定标与检验、海面雷达后向散射的模拟。     

船载X波段测波雷达有效波高的误差分析

通过对2次海上作业期间船载X波段测波雷达数据对比分析,发现雷达测得的有效波高值在一段时间内存在较大误差。在2017年12月6日10:00至17:00期间,相比于人工目测值,雷达测得的有效波高值持续偏低。通过分析现场的天气与环境状况,并且对比相同海况下未受降雨影响和受到降雨影响时不同时刻的二维海浪谱,发现该段时间内因有降雨且能见度低,导致雷达测量的海浪谱能量异常偏低,信噪比SNR异常偏低造成X波段雷达测得的有效波高值异常偏低。在2018年4月11日船只路过5号大浮标和4号大浮标期间,相比于浮标测值,雷达测得的有效波高值异常偏高。通过查看系统中最大流速设置,发现设定的最大流速值过高(为50 m/s)。这样滤波器的带宽过大,大量噪声可能会被当成海浪信号通过滤波器,导致雷达反演的信噪比SNR异常偏高,造成X波段雷达测得的有效波高值异常偏高。通过分析误差产生的原因,对雷达设置的调整以及雷达系统的进一步完善有一定的参考价值。     

2016年南极中山站固定冰冰厚观测分析

极区海冰是全球气候系统的重要组成部分，南极的固定冰普遍存在于其沿海地区，中山站周边固定冰一般在11月中下旬达到最厚。海冰厚度是海冰的重要参数之一，2016年在南极中山站附近3个站点(S1、S2、S3站点)共布放了4套温度链浮标，包括1套SIMBA (Snow and Ice Mass Balance Array)温度链浮标和3套太原理工大学温度链浮标(TY温度链浮标)，SIMBA温度链浮标每天观测4次，TY温度链浮标每小时观测1次。利用浮标观测的温度剖面以及海冰和海水间不同介质温度差异计算得到海冰厚度。在S3站点，同时布放了SIMBA温度链浮标和TY温度链浮标。温度链浮标计算冰厚和人工钻孔观测冰厚比较结果显示，S1站点TY温度链浮标计算的海冰厚度平均误差和均方根误差分别为3.3 cm和14.7 cm，S2站点和S3站点分别为6.6 cm、6.9 cm以及4.0 cm、4.8 cm。S3站点的SIMBA温度链浮标计算冰厚和人工观测冰厚的平均误差和均方根误差为8.2 cm和9.7 cm。因而S3站点TY温度链浮标计算的海冰厚度更接近人工观测的结果。进一步对Stefan定律海冰生长模型进行对比，模型计算得到的海冰生长率为0.1～0.8 cm/d，生长率快于TY温度链浮标的结果，且受积雪影响明显。相比于卫星遥感反演冰厚的误差和观测时段的限制以及有限的人工观测，2种温度链浮标未来对于中山站附近海冰的长期监测均有重要的应用价值。     

大洋中涌浪对风浪能量的影响

由于涌浪与风浪在特征物理参量及成长、衰亡上的显著不同,区分风涌浪以及研究涌浪对风浪的影响尤为重要。本文使用2013年及2015年大洋中的WaMoSⅡ测波雷达观测数据,研究了涌浪对风浪能量的影响。由于测波雷达仅使用了9s的有效周期作为谱分离判据,其所得风浪有效波高显著高于PM谱充分成长关系给出的波高。因此本文结合2D法与1D法,加入风速、风浪夹角、波龄等要素给出新的判据,重新对风、涌浪进行了分离。通过对比不同的波龄判据,发现当波龄取1.5时,所得结果与PM谱吻合良好。以Toba-3/2定律为基础,研究了不同类型涌浪对风浪能量的影响。发现三种类型涌浪存在时,风浪能量及有效波高整体上都有所增加,其中尤其以反向涌浪存在时增加最多。     

基于相参X-波段海洋雷达的海表轮廓测量研究

X-波段海洋雷达测量所得海面散射单元的多普勒信息与散射单元的雷达视向速度密切相关。首先,基于符号多普勒估计方法,对X-波段雷达海面回波的多普勒频移信息进行了估计;在此基础上,应用各分辨单元回波的多普勒频移信息,建立了海浪表面轮廓的反演算法。该算法中,同时考虑了雷达入射角、方位角和雷达空间分辨率等因素对反演结果的影响。通过将反演结果与浮标测量数据相比较,发现雷达空间分辨率起到了类似低通滤波的作用,该作用对短重力波谱影响显著。同时,还应用加拿大麦克马斯特大学的IPIX雷达数据对海表轮廓进行了反演,并将反演所得有效波高、海浪周期与现场测量数据进行了比较,反演结果与现场测量结果吻合较好。     

便携式高频地波雷达海流探测长周期工作性能试验

2013年1月29日至3月15日在台湾海峡西南部海域进行了OSMAR-S100便携式高频地波雷达与浮标观测海流数据的长周期对比试验,验证了雷达系统在探测海流方面的准确性、可靠性和稳定性.通过实测海流与雷达矢量流的复相关分析,选定3 m层的海流为对比代表层.试验期间实测流速为0.0~120.0 cm/s,雷达海流有效探测区内的矢量流流速、流向的观测误差较小,能够满足实时监测海洋表层流的需要,高精度区流速、流向的均方根误差分别为9.1 cm/s和24.8°,边缘区的均方根误差为13.3~24.8 cm/s和39.4°~39.6°,与国内外达到业务化运行要求的同类产品实际观测精度相当.     

降雨条件下的导航X波段雷达海浪参数反演算法研究

X波段的电磁波受降雨影响容易产生衰减,这导致导航X波段雷达在降雨时无法用于海浪观测。本文提出了一种新的降低降雨影响的算法来反演海浪参数。首先,对X波段雷达图像做主成分分析,获得波浪变化的主成分,利用一维傅里叶变换得到波数谱,对其滤波减小降雨对雷达图像的影响;然后,选取JONSWAP(Joint North Sea Wave Project)谱作为理论谱,建立以观测谱与理论谱的最小化差异为目标函数的模型,求解该模型估算海浪的有效波高。与浮标测量的有效波高相比,该方法反演的有效波高的均方根误差是0.23 m,证明了该方法的可行性。     

1010号台风“莫兰蒂”对福建近海风场的影响及其成因分析

分析福建沿岸区域气象自动站、近海气象浮标站等有关风的精细观测资料以及NCEP再分析、雷达反演风场等资料,研究了2010年第10号台风"莫兰蒂"影响福建期间,福建近海风场分布的特点及其成因,以寻找台风影响时福建近海风场预报的着眼点.结果表明:受到环境场及台湾海峡狭管效应,气流与中央山脉之间绕流、阻挡等共同作用,1010号台风"莫兰蒂"影响福建期间,大风在海区上主要集中分布在台风环流东部和福建北部海区;福建中部沿海最早出现大风;而大部分台风影响时间中,中部沿海风力大于北部、南部沿海风力,呈现中间大两头小的布局.特别是1010号台风"莫兰蒂",进入台湾海峡后发展成微型台风,靠近台风的测站在台风临近时才大风突起.而这种微型台风,大风天气突发性强,在风的精细预报中要特别注意短时临近的监控监测.对比各种资料的应用效果表明:NCEP再分析资料反映的主要是海区的大风分布;雷达反演风场,必须结合实况资料验证,具有一定的参考价值;近海浮标站资料,能较早反映台风影响时风场的演变特点,但近海浮标站所观测的海区风力不一定大于相近的沿岸区域气象自动站所观测的沿海风力,二者所观测到的风力、风向的变化与台风位置密切相关.在业务预报中,对近海浮标站资料的应用,还需深入研究,具体情况具体分析.     

高频雷达OSMAR流速探测精度的对比验证

高频雷达探测海洋表面流与常规海流计测量海流是两种不同的测量方式。本文根据 2种观测方法所获取资料的不同特点 ,对引起 2种测量方法流速测量差异的主要误差进行了分析 ,并采用合适的方法对这些主要误差进行了量化估计。研究发现 ,2种测量方法取样的空间差异、时间差异以及仪器的观测误差等是构成高频雷达与常规海流计测量结果差异的主要因素。充分考虑这些因素对流速测量的影响能较大的提高高频雷达流速对比验证的精度