基于SECH模型的高頻地波雷達風場反演結果分析

王　佳,施春榮,王曙曜,徐　坤,陳天富

(1.江蘇省氣象局氣候中心,南京 210000；2.南京鵬力系統工程研究所,南京211100；3.中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統有限公司,南京 211100)

基于SECH模型的高頻地波雷達風場反演結果分析

王佳1,施春榮2,王曙曜3,徐坤3,陳天富3

(1.江蘇省氣象局氣候中心,南京 210000；2.南京鵬力系統工程研究所,南京211100；3.中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統有限公司,南京 211100)

摘要：基于多波束風向反演算法和經驗模型風速反演算法,從實測的高頻地波雷達數據中反演風向和風速,并和固定點的浮標數據進行比對。在風向的比對過程中分別采用SECH模型和COS模型,平均誤差分別為32°和40°,在排除風速小于5 m/s的數據點后兩模型對應的誤差分別降低到20°和30°。該結果表明,基于SECH模型的風向反演結果要優于COS模型,并且在大風速的條件下地波風向的反演精度相對要高。對地波的風速反演結果和浮標測量結果進行了比對,平均誤差在2.5 m/s左右。

關鍵詞:高頻地波雷達；風場反演; 風速；風向

0引言

高頻地波雷達對海面狀態進行監測是近幾十年來無線電海洋學的一個重要研究方向。利用高頻電磁波與海面波浪的相互作用產生散射的機理,通過數字波束形成、空間譜估計等相關算法處理可以從雷達回波譜提取海況參數(如風、浪、流等),實現海況信息的實時獲取。高頻地波雷達具有大面積、全天候的對海況進行監測能力,且不受天氣和地理條件的限制,經濟可靠,探測精度較高,因而逐漸受到各個國家的重視。

目前,海況參數信息的提取主要基于Barrick建立的一階、二階海洋回波散射模型[1],反演內容主要包括風場、浪場和流場等信息,其中海流探測方法較為成熟,可以投入業務使用。但是,風、浪的反演還處于探索研究階段,是近年來高頻地波雷達研究的一個重要課題。風向的反演主要是基于多譜勒譜正負一階峰的比值和風向的半經驗關系。1973年,Long、Trizna首次利用實測數據從多普勒譜中提取出海面風向[2]。1975年,Stewart和Barnum加入海浪能量的擴散因子,利用SMB方法求出風向[3]。但是,以上兩種方法在單站雷達系統的情況下都存在風向模糊性的問題。后來,Heron、Rose、Wyatt及黃為民等分別提出了多波束法[4]、最大似然法[5]及最小差值法[6]，解決了單站雷達風向模糊性問題。風速的反演是基于有效波高信息[7]借助風浪模型計算出來的。本文從高頻地波雷達反演風向和風速的過程中分別采用了多波束反演算法和經驗模型風速反演算法。

為驗證高頻地波雷達反演風向和風速的有效性,本文選取位于濱海站的高頻地波雷達數據,時間從2015年1月到2015年6月,參考基準是采用高頻地波雷達探測海域內的浮標監測數據。

1風向反演算法介紹

風向的反演主要是基于正負一階峰的比值,下式定量描述風向與正負一階峰比值的關系[3]:

(1)

其中，R為正負一階峰強度的比值,φ0和φw分別代表波束方向和風向,F代表海浪能量的方向因子模型,其中應用最廣泛的是Long-Higgins提出的模型[9],即

(2)

(3)

其中,s為擴散因子,代表海浪能量的分散程度,s越大代表海浪能量越分散,s越小代表海浪能量越集中；φ和φw分別代表海浪方向和風向；A為歸一化系數。

1985年Donelan M A 等人提出了SECH模型[10],即

(4)

利用一部雷達掃描同一個方向存在風向模糊性問題。本文采用多波束法解決風向模糊性問題[5],具體實現方式采用了最小二乘法[8]。假設一定海域的風向相同或相近,最小二乘表達式：

(5)

其中,i和j分別代表波束方向和距離元；rij代表第i個波束方向、第j個距離上的正負一階峰比值；φi為第i個波束上的角度；φw為風向。該式第1項為實測的正負一階峰的比值,第2項由方向因子模型確定的理論的正負一階峰值。

在下面的地波與浮標定點比對過程中,分別采用COS模型和SECH模型,分析二者風向反演精度。

2風速反演算法介紹

1977年,Barrick提出了有效浪高經驗反演模型:

(6)

其中Rw為二階譜能量與一階譜能量的加權之比。由于加權系數只依賴于多普勒頻率,對于一定的區間可視為常數Maresca and Georges[9],則將上式推廣為

(7)

其中a1,b1為待定參數。

李倫等基于上式建立了海面風速與有效波高的經驗模型[10],將風速表示為

(8)

其中a2,b2為待定參數。

結合式(7)和式(8),文獻[11]直接建立了風速與二階譜和一階譜能量比值的經驗關系式:

(9)

其中a3,b3為待定參數。

3地波數據與浮標數據定點對比分析

高頻地波雷達數據采用濱海海域獲取的實驗數據。該雷達系統為全數字化地波雷達,采用收發分離,雷達工作頻率為10.75 MHz,工作帶寬為30 kHz,發射天線為三元八木天線形式,接收天線為24元雙排陣型。

基準數據為高頻地波雷達探測海域內的浮標數據,其時間分辨率為1 h,數據比對時間從2015-1-1到2015-6-30。圖1～圖6為對比分析結果。

圖1和圖2分別代表SECH模型和COS模型的雷達風向反演結果和浮標實測結果的比對。從中可以看出,兩模型的反演結果與浮標結果隨時間的變化趨勢基本一致。SECH模型反演結果平均誤差為32°,COS模型反演結果平均誤差為40°。從反演精度來說,SECH模型要優于COS模型,原因主要有兩個方面,一是采用COS模型時理論正負一階峰比值趨于無窮大或無窮小,而實測的比值因雷達回波強度受器件的動態范圍限制,出現飽和,不可能達到無窮大或無窮小,所以當實際風向與波束方向相近時COS模型反演誤差會增加；二是SECH模型可能更能夠反映出該海域能量隨方向分布情況。

圖1　浮標與雷達的風向時序圖(SECH模型)

圖2　浮標與雷達的風向時序圖(COS模型)

另一方面,觀察圖2發現COS模型反演結果抖動較為劇烈,而SECH模型結果相對穩定。所以,從變化的穩定程度來說,SECH模型也要優于COS模型,原因是COS模型中理論正負一階峰比值隨風向與波束的夾角的變化曲線階次相對與SECH模型要高,所以COS模型反演結果抖動較為劇烈。

在低風速情況下,風向的反演精度也會降低。圖3和圖4分別代表排除風速小于5 m/s的數據點后SECH模型風向結果和COS模型風向結果與浮標實測結果在時間序列上的比對,圖5代表兩種模型風向結果與浮標的散點圖。排除掉風速小于5 m/s的點后,SECH模型反演結果平均誤差可達到20°左右,COS模型的反演結果平均誤差達到30°左右。具體誤差統計結果見表1。

圖3　浮標與雷達的風向時序圖

圖4　浮標與雷達的風向時序圖

表1　SECH模型和COS模型風向反演誤差統計

圖6為雷達風速與浮標風速在時間序列上的比對(已排除掉風速小于5 m/s的點),均方根誤差為2.5 m/s。

圖6　浮標與雷達的風速時序圖

5結束語

本文采用濱海高頻地波雷達結果與探測海域的浮標結果進行了定量對比分析。在風向反演方面,高頻地波雷達反演的結果具有較好的一致性和較高的精度。相對于COS模型反演的結果,SECH模型反演結果穩定性較好,精度較高。另外,在排除掉風速小于5 m/s的數據點后,二者精度分別提高了10°和12°。該結果表明大風速的條件下地波風向的反演精度要高。在風速反演方面,特別是在大風速、穩態的海洋環境條件下,高頻地波雷達反演的風速平均誤差為2.5 m/s,與浮標測量結果較吻合。

參考文獻:

[1]Barrick D E.Extraction of wave parameters from measured HF radar sea-echo Doppler spectra[J].Radio Science, 1977, 12(3): 415-424.

[2]Long A E,Trizna D B.Mapping of North Atlantic winds by HF Radar Sea backscatter interpretation [J].IEEE Trans.on Antennas Propagation, 1973,21(5):680-685.

[3]Stewart R H, Barnum J R.Radio Measurements of Oceanic Winds at Long Ranges [J].Radio Science, 1975, 10(10): 853-857

[4]Heron M L, Rose R J.On the application of HF ocean radar to the observation of temporal and spatial changes in wind direction[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1986, 11(2):210-218.

[5]Wyatt L R, Ledgard L J, Anderson C W.Maximum likelihood estimation of the directional distribution of 0.53Hz Ocean Waves[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,1997,14(3):591-603.

[6]Huang Wei-min,Wen Bi-yang,Wu Shi-cai,et al..Extraction wind field from HF Radar Sea-echo Doppler spectra[J].Journal of Wuhan University Nature Science, 1999, 45(1):645-648.

[7]Longuet-Higgins M S, Carwright D E, Smith N D.Observation of the directional spectrum of sea waves using method of a floating buoy[C]// Proceedings of conference of ocean wave spectra, Eastson,Maryland,1963:111-136.

[8]王曙曜,楚曉亮,徐坤.OS081H高頻地波雷達海面風向反演實驗研究[J].電子與信息學報,2014,36(6):1400-1405.

[9]Maresca J W, Jr., Georges T M.Measuring rms waveheight and the scalar ocean wave spectrum with HF skywaveradar[J].J.Geophys.Res., 1980: 85: 2759-2771.

[10]吳雄斌,李倫,李炎.高頻地波雷達海面有效波高探測實驗研究[J].海洋與湖沼, 2012,43(2): 210-216.

[11]楚曉亮,張杰.高頻地波雷達風速直接反演的經驗模型[J].電子與信息學報,2015,37(4):1013-1016.

Analysis of wind field retrieval results of HF ground-wave radar based on SECH model

WANG Jia1, SHI Chun-rong2, WANG Shu-yao3, XU Kun3, CHEN Tian-fu3

(1.Climate Center of Jiangsu Meteorological Bureau, Nanjing 210000;2.Research Institute of Nanjing PRIDE Systems Engineering, Nanjing 211100;3. PRIDE (Nanjing) Atmospheric and Oceanic Information System Co.,Ltd. of CSIC, Nanjing 211100)

Abstract:Based on the multi-beam wind direction retrieval algorithm and the empirical model wind speed retrieval algorithm, the wind direction and wind speed are retrieved from the tested data of the HF ground-wave radar, and then compared with the data of the buoys at fixed points. The SECH model and the COS model are used for the wind direction retrieval, and the average errors are respectively 32° and 40°. After the data points with the wind speed less than 5 m/s are excluded, the corresponding errors of the two models are reduced to 20° and 30°. The results indicate that the wind direction retrieval data with the SECH model are superior to those with the COS model. Besides, the retrieval precision of the wind direction is relatively high at high wind speed. The wind speed retrieval results and the measured data of the buoys are also compared with the average error of about 2.5 m/s.

Keywords:HF ground-wave radar; wind field retrieval; wind speed; wind direction

收稿日期:2016-04-06

作者簡介:王佳(1983-),男,碩士,高級工程師,研究方向:氣象預報；施春榮(1978-),高級工程師,研究方向:雷達總體設計；王曙曜(1988-),碩士,工程師,研究方向:高頻地波雷達海態反演研；徐坤(1985-),碩士,高級工程師,研究方向:高頻地波雷達信號處理及海態反演研究；陳天富(1988-),男,碩士,助理工程師,研究方向:雷達算法和信號處理。

中圖分類號:TN958

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)02-0001-04

項目支持:國家國際科技合作專項項目-小型化地波超視距雷達綜合監測系統的聯合研發(項目號:2012DFR10050)；國家高技術研究發展計劃(863計劃)-浮標式高頻地波雷達系統研制(項目號:2012AA091702)；公益性行業(氣象)科研專項基金(批準號:GYHY201306050)；江蘇省氣象科研開放基金(批準號:KM201403)