基于OS071X測波雷達的波浪探測分析

李衛丁，姚建波，徐靈燕

(國家海洋局東海分局舟山海洋工作站 舟山 316021)

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基于OS071X測波雷達的波浪探測分析

李衛丁，姚建波，徐靈燕

(國家海洋局東海分局舟山海洋工作站 舟山 316021)

文章利用舟山海洋環境監測站2014年第16號臺風“鳳凰”過境影響期間，對OS071X測波雷達和3 m波浪浮標在同一海域內的波浪探測資料進行了對比驗證。通過分析，OS071X測波雷達探測反演的有效波高、周期與3 m波浪浮標探測結果對比，二者按先后順序的均方根誤差分別為0.27 m和0.29 m，相關系數分別為0.93和0.90。結果表明，OS071X測波雷達系統的探測精度得到了驗證，能夠滿足實時探測近岸海域波浪的需求。

測波雷達；3 m浮標；波浪探測；對比驗證

X測波雷達以其性能穩定、體積小巧、機動便捷的特點成為近海、海上平臺和船舶對海況探測的重要手段。近20年來，海洋學者在關于X測波雷達反演海浪、海流、海風場的理論和實踐方面取得了諸多進展[1-4]，相關國家也都相繼研制出高頻地波雷達系統應用于海洋表面狀態的監測和研究，并開展了各種相關的對比實驗[5-9]。

2013年國家海洋局舟山海洋環境監測站相繼建設了OS071X測波雷達和3 m波浪浮標，用以探測舟山近岸海洋環境。由于國內對X測波雷達的研究起步較晚，且限于海況探測資料對比實驗的缺乏，為了驗證OS071X測波雷達系統的實用性能，本文將OS071X測波雷達和3 m多參數波浪浮標的波浪探測數據進行了對比驗證分析，為更好地了解X測波雷達系統的性能和其在該海域開展業務化波浪探測提供了科學的實驗數據。

1 資料來源

本文所用資料來源于國家海洋局舟山海洋環境監測站，2014年9月第16號臺風“鳳凰”過境影響期間的OS071X測波雷達和3 m波浪浮標的波浪探測資料。舟山海洋環境監測站位于舟山群島新區東部的朱家尖島上，所在測點瀕臨東海，海岸線呈南北走向。OS071X測波雷達(A)選擇主流的X波段船用雷達作為前端探測傳感器，同時數字化接收實時的海面回波信號，采樣扇角170°，波浪探測半徑5 km，距離分辨率15 m，采樣區域面積1.5 km×1.5 km正方形。3 m波浪浮標(SZF2-1A型)采用中國海洋大學生產的SZF型波浪傳感器，以獲取定點、定時的海面浪高、周期和浪向。3 m波浪浮標(B)離岸距離1.5 km，水深30 m。

2 臺風影響與數據處理

2014年第16號超強臺風“鳳凰”9月22日19：35時在浙江象山登陸，中心附近最大風力10級，對比驗證期間舟山東部海域波浪較大，天氣過程變化明顯，因此本次海上對比驗證極具代表性。根據舟山海洋環境監測站3 m波浪浮標對該海域的海況探測結果，2014年9月21—23日，受臺風影響，依次出現3級→4級→5級→4級→3級海況的明顯變化過程。

為了客觀分析OS071X測波雷達探測波浪數據與同區域3 m波浪浮標測得波浪數據的誤差，以相關系數和均方根誤差作為OS071X測波雷達探測誤差的分析參數。定義其他對比設備獲取波浪參數結果的時間序列為Yi，OS071X雷達探測波浪結果的時間序列為Xi，則兩者的相關系數：

均方根誤差表示估計值與相應實測值偏離程度的量，是表示精密度的較好方法之一，應用于此處的目的是為了反映和分析OS071X雷達波浪參數測量值偏離3 m波浪浮標測量值的程度大小，均方根誤差值越小，說明OS071X雷達測量值與3 m波浪浮標測量值吻合程度越好，反之越差。

3 結果和分析

本文選取2014年9月21—23日完整的3 d周期，OS071X雷達探測有效數據432組，3 m波浪浮標探測有效數據144組。由于OS071X雷達與3 m波浪浮標的探測時間間隔不同，以3 m波浪浮標的探測時間為基準，取相同探測時次的有效波高和對應周期值進行對比驗證分析。在臺風“鳳凰”的外圍影響下，該探測海域于9月22日夜間產生的波浪最大，至23日臺風穿過浙江、上海后遠離東海，臺風周期已經結束，該周期記錄了浪高由小到大再趨于平靜的一個拋物線過渡的過程，比較具有代表性。

由圖1可以看出，OS071X雷達與3 m波浪浮標在相同探測時次上，兩者探測數據所反應的有效波高變化趨勢基本一致。9月21日臺風“鳳凰”沿臺灣東岸北上開始影響探測海域，兩者探測的有效波高均逐漸增大，22日急速增高至夜間，達到最大值5.1 m；之后臺風“鳳凰”對探測海域的影響開始減小，兩者探測的有效波高亦逐漸降低，至23日夜間有效波高回落至正常海況下的波高范圍。對比兩者探測有效波高和周期，在臺風“鳳凰”的最大影響時段下，有效波高和對應周期也都達到最大，在此高海況下兩者探測的有效波高和周期在變化趨勢上有較好的一致性。但在最大值(5級海況)上，3 m波浪浮標探測的有效波高和周期都大于OS071X雷達探測值，其他多數據情況(4級海況)下，兩者探測的過程曲線變化趨勢吻合較好。

圖1 有效波高數據對比

在表1中，相關系數表示雷達探測值與對比設備探測值之間的關聯程度。根據OS071X雷達與3 m波浪浮標在相同時次探測的有效波高和主波向的參數統計，結果表明，對比期間OS071X雷達與3 m波浪浮標的探測數據總體上相關性較好，相關系數分別達0.93和0.90。OS071X雷達與3 m波浪浮標探測數據的相關系數符合《海洋環境監測站自動監測儀器現場比對方法》的技術標準(≥0.90)，如果以3 m波浪浮標探測數據作為該海域處最貼近真實值的數值，則可以反映出OS071X雷達探測數值在該海域處探測的可靠性。

表1 對比數據參數統計

通過OS071X雷達與3 m波浪浮標相同時次探測主波向對比數據顯示，兩者探測數據所反映的主波向變化趨勢大致一致，但也存在一定的差異性：在22日臺風“鳳凰”影響探測海域最大時的高海況下，兩者探測的主波向變化趨勢較為一致，而在臺風影響前后海域波浪較小時，兩者探測值差異相對較大。由于3 m波浪浮標是以定點探測波浪數據，有其偶然性與波動慣性；而OS071X雷達則是對一定面積的海域進行探測并反演出該區域的波浪變化，兩種不同的探測手段必然造成兩種探測數據之間存在系統差異[10]。

4 結束語

本文所做的對比驗證分析，雖然OS071X雷達探測數據周期短，但在臺風“鳳凰”的影響下，OS071X雷達探測所獲取的波高數據在1.2～4.5 m的不同海況之間，使得本文的分析驗證具有較好的代表性。文中OS071X雷達探測反演與3 m波浪浮標探測值的近似程度、對海況條件的依賴性、對比驗證設備探測時空特性的差別、3 m波浪浮標以點探測的特殊性以及地形地貌的影響等都有可能對對比驗證產生誤差，這些因素的影響都值得開展進一步的分析研究。此次OS071X雷達與3 m波浪浮標的對比分析，主要考察了OS071X雷達對海域波浪探測的準確性和可靠性，同時也驗證了OS071X雷達的實用性能，符合近岸局部海域實時波浪探測的相關要求。

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Wave Detecting Analysis Based on the OS071X Wave Detecting Radar

LI Weiding，YAO Jianbo，XU Lingyan

(Zhoushan marine workstation of East China Sea Branch of S.O.A，Zhoushan 316022，China)

In this paper, radar measurements of OS071X and 3m wave buoy in the waves soundings within the same area were compared by using the data obtained during the period of Typhoon No.16 of 2014 “Phoenix” transit influence period of Zhoushan Marine Environmental Monitoring Station. By analyzing the OS071X measured radar detection inversion significant wave height, period and 3 m wave buoy detection results,both RMSE by the order of 0.27 m and 0.29 m respectively,correlation coefficients were 0.93 and 0.90. The results showed that OS071X radar detection accuracy measurement system had been verified, and was able to meet the needs of real-time detection of waves in coastal waters.

Radar measurements, 3 m buoy, Wave Detection, Compare verification

李衛丁，工程師，研究方向為海洋環境觀測業務管理與研究，電子信箱：liweiding1250@aliyun.com

P717

A

1005-9857(2016)03-0069-03