高频地波雷达提取表层海流的计算方法

高频地波雷达除其军事用途外，还可广泛用于海态遥感，如测量海流、风向、风速及海浪参数。本文提出了一种由高频地波雷达回波多普勒谱提取表层海流的计算方法，并对一组实验数据进行分析和计算，给出了雷达遥测海域海充场分布图。     

利用资料同化方法优化观测系统的空间布局:以泰国湾为例

海洋观测费用高昂，设计科学高效的观测系统可以充分发挥观测的效能。本文以泰国湾高频地波雷达观测系统为例，利用数据同化方法对观测系统进行了最优布局。首先基于FVCOM海洋数值模式建立了泰国湾海域高分辨率三维斜压水动力模式，在此基础上利用一种改进的高效集合卡曼滤波同化方法对岸基高频地波雷达表层海流观测系统开展观测效能评估数值实验。通过观测区域的不同组合方式将3个区域的雷达表层海流数据同化到数值模式中，实验结果表明，岸基高频地波雷达表层海流观测系统可有效降低高分辨数值模式的海流模拟误差。但不同观测区域的组合提供的观测数据对改善海流模拟的作用存在明显差别，泰国湾现有观测系统雷达站位布设方式应进一步优化。本文最后给出了研究区域最优观测站位的布局方案，可作为下一步观测系统进行布局调整的指导。     

杭州湾地波雷达观测的海流数据取样率分析

根据杭州湾口区两台地波雷达5个半月观测的资料,对其中的3 189个有效观测时次的海流数据取样率(CSR)在空间和时间上的变化规律进行了分析,结果表明,在两台雷达波交叉观测的中心区域各测点的地波雷达观测的海流数据取样率高于外围区域,在中心区域海流数据取样率可达98%以上,向外围区域海流数据取样率逐渐平缓递减,到边缘区域海流数据取样率仅在20%以下;地波雷达观测的海流数据取样率有明显的日变化,白天海流数据取样率明显低于夜间;17时海流数据平均取样率达到最低值(约49%),然后很快上升,至02时达最高值(约74%),然后再缓慢下降至17时为止。同时在10时和20时地波雷达观测的海流数据取样率呈现两个相对低值点,可能与人们在这两个时段通讯繁忙所造成的干扰有一定的关系。海流流速对地波雷达观测的海流数据取样率也有较大影响,呈负相关,流速大时海流数据取样率比流速小时的要低,在海流数据取样率大于98%的中心区域,流速和海流数据取样率的相关系数小于-0.8,在海流数据取样率大于60%的区域,流速和海流数据取样率的相关系数小于-0.6,体现明显的相互关联。地波雷达观测的海流数据取样率和潮汐有着每日4次的良好相干,而似乎和风没有显著的关系。希望这些分析对地波雷达以后的推广使用能积累一些经验和参考意见。     

地波雷达海流观测数据验证的软件实现及初步分析

利用Matlab语言及其图形交互界面编程技术,将OSMAR高频地波雷达观测数据与现场测流数据的比对验证方法集成在软件中。利用该软件输入OSMAR地波雷达、海流计、ADP和美国CODAR雷达的试验海流数据得到了误差统计特征值,初步分析了不同比测站点和不同比测仪器对雷达数据验证工作的影响。     

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.     

阵列式高频地波雷达矢量流长周期适用性比测试验数据分析

基于高频地波雷达长周期适用性比测试验数据,主要从以下3个方面系统分析国产阵列式高频地波雷达矢量流控测效果:(1)时间有效采样率和覆盖率的空间分布;(2)与反演的流速匹配的现场观测深度;(3)不同区域的探测精度.长周期的海流验证表明,雷达海流可以有效地反映有效探测区内表层海流及其时空变化,高精度区流速流向的均方根误差(RMS)分别为7.5～19.3cm/s和15.5°～33.7°,尤其是高精度区核心区域的RMS仅为7.5～10.1 cm/s和15.5°～28.5°.边缘区流速流向的RMS为16.1～25.8 cm/s和39.5°～40.7°,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.     

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。     

地波雷达海上比测试验站址和仪器选择的考虑

文中介绍了地波雷达在浪场、流场、风场等海况信息提取方面的应用,并进行了地波雷达比测实验的仪器分析,结合厦门南部海域的海流、风场等环境要素以及站位布设理论,确定了该海域的地波雷达比测站位,为下一步的仪器投放提供理论依据和技术支持。     

基于交互式多模型的双站高频地波雷达机动目标跟踪算法

在实际应用中,由于高频地波雷达的测向精度较低,利用单站式雷达系统进行目标跟踪容易造成偏差。然而,在双站式雷达系统中,可以只利用位置和速度信息进行跟踪来避免了方位不精确带来的影响。同时,在双站式雷达体制下,仍然存在提高机动目标跟踪精度的需求。因此,本文提出一种基于交互式多模型(IMM)的跟踪算法,该算法通过建立不同的运动模型来反映目标不同的运动状况,并以此来估计目标的真实运动状态。仿真结果表明,对于双站高频地波雷达机动目标跟踪,IMM算法表现出比传统的单模算法更好的跟踪性能。     

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     

象山港牛鼻山水道潮流场的高频地波雷达观测与分析

作为LORCE计划中构建高频地波雷达观测网的试点,面向象山港牛鼻山水道,在六横岛郭巨山和白马礁各设置了1台OSMAR S50高频地波雷达。在2台雷达合成表面流场有效区域的中间地带,利用Valeport旋桨式海流仪和ADCP定点开展了周日连续观测,以验证高频地波雷达合成表面流场的精度。对比定点流场和高频地波雷达对应数据发现,两者变化相关性较好,高频地波雷达在该点获得的流场有较高精度。借助SCHISM建立的区域模型结果,检验了高频地波雷达数据大面上的可用性。比较发现,观测和模拟值在大的趋势上是一致的：牛鼻山水道为规则半日潮流海域,M2是主要分潮,分潮M2和K1以往复流为主;涨潮时外海海水先通过牛鼻山水道流向象山港内,一段时间后再流向佛渡水道;落潮时象山港内海水率先经牛鼻山水道流出至外海,随后佛渡水道海水再逐渐流入牛鼻山水道。     

OSMAR-S型高频地波雷达在南海北部遥测海表面流的数据检验

为掌握OSMAR-S型高频地波雷达在南海北部遥测海表面流的误差分布情况,首先分析该型雷达测流的空间分布情况,发现在雷达连线中间区域存在盲区。将雷达测流数据与ADCP测流数据进行比对,中间区域流速误差小于其他区域。为得到更为全面的分析,对雷达测流数据进行潮流调和分析,计算得到潮流和余流,并分别与预报系统的潮流数据、气象站风场数据进行比对,在计算中采用快速Fourier变换进行数据滤波处理。结果显示在雷达电磁波覆盖的向外海一侧中间区域,特别是在与两雷达站夹角接近90°的区域,测流精度高于其他区域,并基于以上结论给出了雷达使用中的建议。     

OSMAR高频地波雷达福建示范系统径向流

OSNAR高频地波雷达是863计划海洋技术领域的成果，其福建示范系统的两个远端站分别设置在福建省东山县和龙海市境内，2005年6月开始试运行．本文对2005年6、7月份试运行期间雷达远端站给出的遥感径向流数据质量进行了统计分析和初步的海洋学验证．分析结果显示，雷达返回径向流速质量随观测距离增加呈下降趋势，并有明显的日夜差异，日间质量优于夜间．初步验证表明，经质量控制处理后所提取的径向流鸩分潮的振幅和相位的空间分布具有与以往研究结果一致的特征．雷达系统所返回的径向流数据在经过适当的质量控制处理后可以有效地反映覆盖海区表层海流及其时空变化．     

Estimation of 3-D current fields near the Rhine outflow from HF radar surface current data

HF radar systems are designed to measure spatially variable sea surface currents. A methodology was developed to complement these data with information about the current variability over the water column in a stratified shallow sea. Current profiles were estimated using a diagnostic model driven by surface current measurements from an HF radar system and by sea surface slopes derived from tide gauge data. The structure of the model has a physical basis but its parameters were derived from an analysis of in-situ current profile measurements. Application of the model to HF radar data from the SCAWVEX Rhine outflow experiment showed fair agreement with in-situ current data. As applications, estimation and tidal analysis of current fields are demonstrated.     

高频地波雷达生成海洋表面矢量流图

武汉大学研制的双站高频地波雷达系统OSMAR2000利用测得的两幅单站径向海流图生成矢量海流图。经典矢量流图生成方法不能直接应用到OSMAR2000系统中。本文提出一种先在极坐标系下用自然三次样条函数将径向流插值到公共网格上然后直接进行矢量合成的矢量海流图生成方法。OSMAR2000在东海的表面矢量流实测结果与作对比验证的传统海流计测量结果十分吻合。对比数据表明，该方法是可行的，且优于先进行径向流线性插值后矢量合成的矢量流图生成方法。这也是国内首次利用高频地波雷达实现海洋表面矢量流的实时监测。     

东中国海业务化海流雷达观测及数据服务平台

由武汉大学研发的海洋状态监测及分析雷达（OSMAR）,被布置于东中国海沿岸的6个雷达站点,用于观测海表面速度（海流,波浪,风）。本研究以雷达观测的流场为例,阐述了一个业务化海表面流雷达观测及数据服务平台,给出了一个从数据获取、传输、处理、可视化以及服务的业务化流程。详细描述了业务化平台中包含三个系统（雷达观测系统、数据服务系统、可视化服务系统）,以及各系统间的数据流。各站点获取的流速将在雷达观测系统中数据接收和预处理中心进行集成,然后传输到数据服务系统进行质量控制。用户可以在数据服务系统的主界面上对数据进行浏览,也能够获取这些数据。可视化服务系统能够在球体平台上对数据产品进行直观展示。通过业务化平台可以对东中国海的海流进行实时监测,也能够对海流的日变化以及季节性变化进行研究。     

Short-wave radiolocation in oceanography

This paper reports on the application of coastal radar systems operating in the short-wave frequency band (wavelengths from 10 to 100 m), designed to determine the parameters of wind fields over the sea surface, as well as those of waves and currents. The regularities of radar signal generation by the sea surface and the propagation of short-frequency radiowaves are discussed. The possibility of employing radars in oceanography (including CODAR systems), using ionospheric and ground beams, is considered.Translated by Vladimir A. Puchkin.     

Assessing SARAL/AltiKa Data in the Coastal Zone: Comparisons with HF Radar Observations

We present an initial assessment of SARAL/AltiKa data in the coastal band. The study focuses on the Ibiza Channel where the north-south water exchanges play a key role in controlling the circulation variability in the western Mediterranean. In this area, the track 16 of SARAL/AltiKa intercepts the domain covered by a coastal high-frequency (HF) radar system, which provides surface currents with a range up to 60 km. We evaluate the performance of the SARAL/AltiKa Ssalto/Duacs delayed-time along-track products compared to the HF radar surface velocity fields. SARAL/AltiKa data are retrieved at a distance of only 7 km from the coast, putting in evidence the emerging capabilities of the new altimeter. The derived velocities resolved the general features of the seasonal mesoscale variability with reasonable agreement with HF radar fields (significant correlations of 0.54). However, some discrepancies appear, which might be caused by instrumental hardware radar errors, ageostrophic velocities as well as inaccurate corrections and editing in the altimeter data. Root mean square (rms) differences between the estimated SARAL/AltiKa and the HF radar velocities are about 13 cm/s. These results are consistent with recent studies in other parts of the ocean applying similar approaches to Topex/Poseidon and Jason-1 missions and using coastal altimeter corrections.     

高频地波雷达观测的苏北辐射沙洲南部海域夏季表层海流特征

本文利用高频地波雷达获得的江苏如东海域大范围长期海流观测资料对苏北辐射沙洲南部烂沙洋海域夏季表层海流特征进行了分析。分析结果表明:研究海域表层海流靠近近岸一侧为往复流，流向总体上呈西北-东南向，靠近外海一侧为旋转流；海域潮流动力较为强劲，夏季表层海流实测最大流速达1.47 m/s，涨潮平均流速介于0.44~0.55 m/s，落潮平均流速介于0.38~0.52 m/s，海域西北部区域涨落潮平均流速明显大于其他区域；表层潮流为正规半日潮流，M₂分潮为最主要分潮，其潮流椭圆长轴范围为0.57~0.71 m/s，远大于其他分潮，其次为S₂分潮；该海域夏季表层余流呈现近岸大离岸小的分布趋势，余流流向基本指向近岸方向，从离岸到近岸余流流向呈现逆时针偏转。     

Mapping wind by the first-order Bragg scattering of broad-beam high-frequency radar

Mapping wind with high-frequency(HF) radar is still a challenge. The existing second-order spectrum based wind speed extraction method has the problems of short detection distances and low angular resolution for broad-beam HF radar. To solve these problems, we turn to the first-order Bragg spectrum power and propose a space recursion method to map surface wind. One month of radar and buoy data are processed to build a wind spreading function model and a first-order spectrum power model describing the relationship between the maximum of first-order spectrum power and wind speed in different sea states. Based on the theoretical propagation attenuation model, the propagation attenuation is calculated approximately by the wind speed in the previous range cell to compensate for the first-order spectrum in the current range-azimuth cell. By using the compensated first-order spectrum, the final wind speed is extracted in each cell. The first-order spectrum and wind spreading function models are tested using one month of buoy data, which illustrates the applicability of the two models. The final wind vector map demonstrates the potential of the method.