WaMoS II測(cè)波雷達(dá)應(yīng)用及對(duì)比分析

陳磊,徐漢文,吳澤強(qiáng)

(1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東青島266071；2.國(guó)家海洋局汕尾海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站，廣東汕尾516600)

1 引言

目前國(guó)內(nèi)有關(guān)業(yè)務(wù)部門已安裝數(shù)十臺(tái)WaMoS II波浪（表面流）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于風(fēng)暴潮的預(yù)警、海洋災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)以及海浪監(jiān)測(cè)。WaMoS II 波浪監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是目前基于X 波段雷達(dá)測(cè)量海浪技術(shù)較為成熟的系統(tǒng)，系統(tǒng)使用X 波段雷達(dá)測(cè)量海面的回波信號(hào)，數(shù)據(jù)處理單元通過(guò)對(duì)一組雷達(dá)回波信號(hào)的處理，解算波浪及表面流參數(shù)信息。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量給定海域內(nèi)的有效波高、波浪周期、波浪方向及表面流速、流向等海洋狀態(tài)參數(shù)；同時(shí)可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果區(qū)分風(fēng)浪與涌浪，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)由于不受觀測(cè)時(shí)間及觀測(cè)空間的限制，具有廣泛的適用性。此外，根據(jù)波譜參數(shù)，WaMoS II 系統(tǒng)的觀測(cè)結(jié)果還可以用于反演海表面高度[1-2]。

WaMoS II 測(cè)波雷達(dá)是一款較為成熟的波浪觀測(cè)儀器，其生產(chǎn)廠家OceanWaves 公司利用2001—2008年期間6 臺(tái)WaMoS II 測(cè)波雷達(dá)多年的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其中3 臺(tái)位于海上平臺(tái)、1臺(tái)位于岸站，兩臺(tái)為船載，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明6 臺(tái)WaMoS II測(cè)波雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果穩(wěn)定、可靠，其有效波高、波峰周期、波向的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為10%、5%、±10U[3]。在應(yīng)用方面，WaMoS II 已被應(yīng)用于ADOPT DSS（Decision Support Systems）模式，為其提供海況信息[4]。其作為衛(wèi)星遙感技術(shù)的輔助，在最大波浪監(jiān)測(cè)計(jì)劃中（MaxWave project），也發(fā)揮了重要作用[5]。

國(guó)外已開(kāi)展了大量關(guān)于WaMoS II 測(cè)波雷達(dá)和浮標(biāo)觀測(cè)對(duì)比的工作。最早，Katrin Hessner（1999）通過(guò)分析3 個(gè)不同站位獲取的WaMoS II 和浮標(biāo)的波浪數(shù)據(jù)得出：三個(gè)站位的有效波高相關(guān)系數(shù)分別為：0.89，0.85，0.71[6]；其次，Jur Vogelzang 等（2000）通過(guò)分析對(duì)比荷蘭佩滕區(qū)域獲取的WaMoS II 和浮標(biāo)的波浪數(shù)據(jù)，得出：兩者有效波高、波峰周期、波向的相關(guān)系數(shù)為0.87，0.74，0.96，WaMoS II 測(cè)得有效波高、波峰周期、波向的精度分別為30 cm（20%）、0.6 s（10%）、9°（3%）[7]；再次，REICHERT,K 等（2007）通過(guò)分析對(duì)比德國(guó)Sylt 島嶼獲取的Wa-MoS II的波高、波峰周期、波向數(shù)據(jù)和同步的波浪浮標(biāo)的數(shù)據(jù)，證明了兩種傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)具有很高的相關(guān)性[8]；在上述研究工作之后，Katrin Hessner 等（2007）分析了2005年9月美國(guó)DUCK 地區(qū)的Wa-MoS II 和波浪騎士浮標(biāo)的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明兩種傳感器測(cè)得的波周期和波向有很好的一致性，并使用當(dāng)?shù)仫L(fēng)速數(shù)據(jù)對(duì)有效波高進(jìn)行了校正，兩者測(cè)量的有效波高數(shù)據(jù)的均方根誤差為0.26m，偏差為0.05 m，相關(guān)系數(shù)為0.92[9]。

到目前為止，國(guó)內(nèi)對(duì)WaMoS II觀測(cè)的波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比分析還很少。馬衛(wèi)民等（2011）于2007年和2008年4月進(jìn)行了兩次海上試驗(yàn)，對(duì)Wa-MoS II系統(tǒng)的斜率、偏加參數(shù)進(jìn)行過(guò)手動(dòng)調(diào)整，參數(shù)調(diào)整后的WaMoS II的有效波高觀測(cè)值更準(zhǔn)確，和實(shí)際觀測(cè)的有效波高的相關(guān)系數(shù)為0.75，均方根誤差為0.32[10]。實(shí)際上，WaMoS II 系統(tǒng)的SNR、斜率、偏加參數(shù)均可通過(guò)對(duì)比分析通過(guò)軟件進(jìn)行計(jì)算，從而在WaMosII系統(tǒng)內(nèi)修改以校準(zhǔn)有效波高值。本文利用2012年6—7月大萬(wàn)山海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站使用測(cè)波雷達(dá)獲取的南海海域的波浪及海流數(shù)據(jù)，與SZF 波浪浮標(biāo)和SLC9-2 型直讀式海流計(jì)同步測(cè)量的波浪、海流數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)域

2012年6月期間在大萬(wàn)山附近海域進(jìn)行了Wa-MoS II 測(cè)波雷達(dá)和SZF 浮標(biāo)、SLC9-2 型直讀式海流計(jì)對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)中WaMosII測(cè)波雷達(dá)數(shù)據(jù)是整個(gè)觀測(cè)區(qū)域表面所有點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值，浮標(biāo)和海流計(jì)的數(shù)據(jù)均在雷達(dá)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的同一點(diǎn)采集。其中，測(cè)波雷達(dá)采樣間隔為2 min，所用數(shù)據(jù)為每20 min 的均值結(jié)果，浮標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為3 h，海流計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)間間隔則為1 h。選取測(cè)波雷達(dá)每3 h間隔的整點(diǎn)數(shù)據(jù)用于與SZF遙測(cè)波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步對(duì)比，選取測(cè)波雷達(dá)每小時(shí)間隔的整點(diǎn)數(shù)據(jù)用于與海流計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步對(duì)比。于16—22日共獲取28組同步的測(cè)波雷達(dá)和SZF遙測(cè)波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)（每日的8：00—17：00）。28—29日期間，共采集到25組同步的測(cè)波雷達(dá)和海流計(jì)數(shù)據(jù)（28日觀測(cè)時(shí)間為8：00—23：00，29日觀測(cè)時(shí)間為0：00—8：00）。Wa-MoS II 測(cè)波雷達(dá)以及波浪浮標(biāo)、海流計(jì)的布放位置位于廣東大萬(wàn)山附近，見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域與儀器布放位置圖

2.2 測(cè)量方法

2.2.1 WaMoS II測(cè)波雷達(dá)

利用WaMoS II 測(cè)波雷達(dá)進(jìn)行表面波浪和海流數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)的有效測(cè)量距離通常為100—2000 m。有效波高、波峰周期的測(cè)量范圍分別為：0.5—14 m、4—20 s，分辨率分別為：0.1 m和0.1 s；流速和流向的測(cè)量范圍分別為：0—40 m/s、0°—360°，分辨率分別為：0.001 m/s 和1°。采樣間隔為3 nm。本次實(shí)驗(yàn)中，要求最大誤差的容許范圍：有效波高、波峰周期、表面流流速、流向誤差的極值(△X)max＜3σ(均方差)，相關(guān)系數(shù)大于0.9。

2.2.2 波浪及海流數(shù)據(jù)

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，WaMoS II測(cè)波雷達(dá)測(cè)量的有效波高、波周期、流速、流向的范圍分別為：0.7—4.1 m、5.9—11.4 s、0.09—0.28 m/s、188°—258°。SZF 波浪浮標(biāo)測(cè)量的有效波高、波周期測(cè)量的范圍為：1.1—3.5 m 和7.5—11.5 s；SLC9-2 型直讀式海流計(jì)測(cè)量的流速、流向的范圍為：0.11—0.31 m/s、177°—250°。

其中，WaMoS II 測(cè)波雷達(dá)和浮標(biāo)測(cè)量的波高、周期的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖2。

WaMoS II測(cè)波雷達(dá)和海流計(jì)測(cè)量的流速、流向的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖2 有效波高和波峰周期對(duì)比結(jié)果

圖3 海表面流速和流向?qū)Ρ冉Y(jié)果

3 大萬(wàn)山數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 波浪參數(shù)對(duì)比結(jié)果

將WaMoS II 測(cè)波雷達(dá)和浮標(biāo)同步測(cè)量的28 組有效波高、波周期數(shù)據(jù)按時(shí)間先后排序，利用相關(guān)系數(shù)、平均相對(duì)誤差等參數(shù)進(jìn)行精度評(píng)估，其定義如下：

相關(guān)系數(shù)：線性Pearson相關(guān)系數(shù)R2。

平均相對(duì)誤差計(jì)算公式為：

均方差的計(jì)算公式為：

式（2）中，σ 和μ 分別表示均方差、平均值。xi表示W(wǎng)aMoS II測(cè)波雷達(dá)每次的測(cè)量值。

本次實(shí)驗(yàn)中測(cè)波雷達(dá)和浮標(biāo)測(cè)量的有效波高、波峰周期數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)分別為：R2= 0.71、R2= 0.38,APD=23.3%、12.5%。結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 WaMoS II與SZF浮標(biāo)對(duì)比散點(diǎn)圖(實(shí)線為1:1線)

圖5 WaMoS II與SLC9-2海流計(jì)對(duì)比散點(diǎn)圖(實(shí)線為1:1)

3.2 海流數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

利用2012年6月22—28日雷達(dá)測(cè)量的數(shù)據(jù)和同步的海流計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，共計(jì)25組有效數(shù)據(jù)，流速和流向的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖5，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.83、0.89。平均相對(duì)誤差分別為14.5 %、4.1%。

3.3 對(duì)比結(jié)果分析

根據(jù)此次對(duì)比結(jié)果可見(jiàn)，WaMoS II系統(tǒng)觀測(cè)的表面流數(shù)據(jù)與海流計(jì)觀測(cè)結(jié)果有較好的一致性，相關(guān)性可達(dá)0.8以上。而有效波高的觀測(cè)值與波浪浮標(biāo)對(duì)比相關(guān)性只為0.71，波峰周期相關(guān)性更低，僅為0.38。此次WaMoS II 系統(tǒng)波浪觀測(cè)結(jié)果與波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)相關(guān)性較低主要有三方面原因：（1）WaMoS II系統(tǒng)觀測(cè)到的是一個(gè)區(qū)域波浪狀況的平均結(jié)果，而波浪浮標(biāo)觀測(cè)到的僅為區(qū)域中的一點(diǎn)；（2）二者用于對(duì)比的數(shù)據(jù)時(shí)間序列較短；（3）WaMoSII系統(tǒng)觀測(cè)的有效波高值可利用對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并且校準(zhǔn)效果可適用于全部海域，利用本文對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)后，有效波高相關(guān)系數(shù)可提升至0.75，若時(shí)間序列足夠長(zhǎng)，且在對(duì)比周期內(nèi)波浪有較好的起伏狀態(tài)，校準(zhǔn)效果會(huì)更好。前兩個(gè)原因是造成波峰周期相關(guān)性較低的主要原因。

引言中已提及，國(guó)外進(jìn)行過(guò)大量的WaMoS II系統(tǒng)與浮標(biāo)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，其有效波高的相關(guān)性可達(dá)0.9 以上，這便是校準(zhǔn)的效果。用于對(duì)比分析的時(shí)間序列越長(zhǎng)，校準(zhǔn)效果越好，

國(guó)外用于對(duì)比分析的數(shù)據(jù)往往可長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月，而國(guó)內(nèi)尚未有長(zhǎng)時(shí)間序列的對(duì)比分析，本文中作為數(shù)據(jù)來(lái)源的大萬(wàn)山觀測(cè)站，其對(duì)比分析工作仍在開(kāi)展。

4 結(jié)論

通過(guò)以上的X 波段測(cè)波雷達(dá)系統(tǒng)和浮標(biāo)、海流計(jì)各參數(shù)的比測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析可知，X 波段測(cè)波雷達(dá)系統(tǒng)同一要素兩條曲線趨勢(shì)有較好的一致性，得到的結(jié)論如下：

（1）WaMoS II 測(cè)波雷達(dá)和SZF 波浪浮標(biāo)對(duì)比結(jié)果為：有效波高、波峰周期誤差的極值分別為1.2 m，3.3 s。均方差分別為σ=0.54 m，1.29 s。相關(guān)系數(shù)分別為0.71、0.38。其中，觀測(cè)面與點(diǎn)的波浪差異以及對(duì)比數(shù)據(jù)時(shí)間序列較短是有效波高、波峰周期相關(guān)性較低的兩個(gè)主要原因；

（2）WaMoS II 測(cè)波雷達(dá)和SLC9-2 型直讀式海流計(jì)對(duì)比結(jié)果為：流速、流向誤差的極值分別為0.06 m/s、15°。誤差均方差分別為：σ= 0.022 m/s、6.53°。相關(guān)系數(shù)分別為0.83、0.89。這表明WaMoS II測(cè)波雷達(dá)測(cè)得的表面流數(shù)據(jù)與海流計(jì)的觀測(cè)結(jié)果有較好的的一致性。

（3）WaMoS II測(cè)波雷達(dá)的有效波高數(shù)據(jù)可通過(guò)對(duì)比分析進(jìn)行校準(zhǔn)，用于對(duì)比分析的時(shí)間序列越長(zhǎng)，校準(zhǔn)效果越好，并且校準(zhǔn)效果可適用于全部海域。本文中用于對(duì)比分析的時(shí)間序列較短，但相關(guān)性仍可提升至0.75。

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