山東半島北部海洋動(dòng)力環(huán)境的高頻地波雷達(dá)觀測(cè)

唐 誠, 鄭向陽, 李艷芳, 劉 欣, 張 華

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山東半島北部海洋動(dòng)力環(huán)境的高頻地波雷達(dá)觀測(cè)

唐 誠, 鄭向陽, 李艷芳, 劉 欣, 張 華

(中國科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所, 山東煙臺(tái)264003)

利用兩臺(tái)高頻地波雷達(dá)(ground wave radar, WERA)站對(duì)山東半島北部雷達(dá)覆蓋海區(qū)的浪、流場(chǎng)進(jìn)行了觀測(cè), 并且利用海洋-大氣-波浪耦合沉積輸運(yùn)模型(coupled-ocean-atmosphere-wave-sediment transport modeling system, COAWST)對(duì)該區(qū)域的一個(gè)強(qiáng)風(fēng)暴過程進(jìn)行了數(shù)值模擬, 對(duì)雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)聲學(xué)多普勒流速剖面儀(acoustic Doppler current profilers, ADCP)調(diào)查數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析發(fā)現(xiàn), 模型模擬的水位變化與ADCP測(cè)量結(jié)果一致, WERA所觀測(cè)到的有效波高和ADCP結(jié)果比較吻合, 模型模擬的ADCP站位的流速相位、大小與雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果比較接近, 與ADCP的結(jié)果有一定偏差。雷達(dá)觀測(cè)的海區(qū)流場(chǎng)結(jié)果與模型反映趨勢(shì)基本一致, 但是在近岸方向上變化較大, 其原因可能與ADCP的投放位置、模型的分辨率設(shè)置等因素有關(guān)。高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)是海岸帶動(dòng)力環(huán)境觀測(cè)的一個(gè)有效工具, 在實(shí)際應(yīng)用中有著廣泛的前景。

地波雷達(dá)(ground wave radar, WERA); 山東半島北部; 海洋動(dòng)力環(huán)境; 海洋-大氣-波浪耦合沉積輸運(yùn)模型(coupled-ocean-atmosphere-wave-sediment transport modeling system, COAWST)

山東半島北部位于渤海海峽東側(cè), 屬于黃海水域, 海岸線相對(duì)比較平直, 由于緊鄰西北太平洋, 經(jīng)常遭受不同程度的惡劣天氣影響[1], 1999年大舜號(hào)海難事件290人身亡就是由于海上大風(fēng)浪造成的。20世紀(jì)80年代以來, 沿海的海岸帶養(yǎng)殖、旅游開發(fā)逐步成為山東省海洋經(jīng)濟(jì)的重要組成部分, 但是近年來, 快速增長的人口和工業(yè)化的發(fā)展給海洋環(huán)境帶來巨大的壓力, 水母、赤潮、綠潮的頻繁暴發(fā)給地方經(jīng)濟(jì)造成了巨大的損失[2-4], 因此對(duì)該地區(qū)的海岸帶環(huán)境動(dòng)力過程進(jìn)行觀測(cè), 并進(jìn)而對(duì)氣象、水文乃至生態(tài)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)有著迫切需求。

高頻地波雷達(dá)是一種基于海岸觀測(cè), 以電磁波入射為主要技術(shù)特征的近海海洋環(huán)境遙感新型設(shè)備。它是利用高頻電波的海面回波信號(hào), 在Bragg散射機(jī)理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種海洋探測(cè)方式[5-7]。Barrick[8]最早利用海面回波的一階和二階散射理論模型, 從一階譜和二階譜中提取出海流、海浪和海風(fēng)等海洋動(dòng)力學(xué)參數(shù)信息, 并開發(fā)了相應(yīng)的海洋探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng), 在此基礎(chǔ)上逐步發(fā)展了多種產(chǎn)品[9]。與傳統(tǒng)觀測(cè)手段相比, 高頻地波雷達(dá)觀測(cè)反演要素多、可全天候工作, 經(jīng)過近40年的發(fā)展, 高頻地波雷達(dá)表面流場(chǎng)探測(cè)已經(jīng)達(dá)到業(yè)務(wù)化運(yùn)行階段[6]。在科研應(yīng)用上, 比較普遍的做法是將雷達(dá)觀測(cè)的數(shù)據(jù)與模型聯(lián)系起來[10]。本文基于在山東半島北部所架設(shè)的WERA2.0高頻地波雷達(dá)觀測(cè)系統(tǒng), 利用雷達(dá)數(shù)據(jù)及海床基觀測(cè)數(shù)據(jù), 通過模型模擬了近岸動(dòng)力過程, 并與觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證, 評(píng)價(jià)了高頻地波雷達(dá)觀測(cè)系統(tǒng)在區(qū)域海洋環(huán)境觀測(cè)中的應(yīng)用效果。

1 雷達(dá)設(shè)置及研究區(qū)介紹

本次使用的高頻地波雷達(dá)是德國Helzel公司生產(chǎn)的WERA2.0系統(tǒng)[11-12], 頻率為26.27 MHz, 帶寬為100 kHz, 最大掃距為40 km。其中一個(gè)雷達(dá)站安裝于中國科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所煙臺(tái)牟平臨海實(shí)驗(yàn)站內(nèi)(YIC1), 另一個(gè)安裝在煙臺(tái)牟平姜格莊東方海洋養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)(YIC2), 兩個(gè)雷達(dá)站相聚約10 km(圖1), 由于GDOP(geometrical dilution of precision, 幾何精度因子)效應(yīng)[13], 實(shí)際有效的測(cè)流掃距大約為35 km, 有效波高測(cè)量范圍在20 km以內(nèi)(圖2)。每個(gè)雷達(dá)站采用4根發(fā)射天線(圖3a)與12根接收天線(圖3b), 單個(gè)雷達(dá)站可以測(cè)量徑向流和有效波高, 兩個(gè)雷達(dá)站(YIC1、YIC2)的數(shù)據(jù)可以合成矢量流場(chǎng), 流場(chǎng)的網(wǎng)格分辨率可達(dá)到500 m×500 m, 雙站雷達(dá)合成矢量流場(chǎng)(圖4)和徑向流場(chǎng)(圖5), 平均20 min可以合成一個(gè)矢量流場(chǎng), 單站20 min可以得到一個(gè)有效波高分布圖(圖6), WERA2.0系統(tǒng)還可以根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量情況提供部分海況下的海面風(fēng)場(chǎng)(圖6箭頭所示)。系統(tǒng)從2013年7月22日開始安裝運(yùn)行。

a. 4根發(fā)射天線; b. 12根接收天線

a. 4 transmission antennas; b. 12 receiving antennas

雷達(dá)掃測(cè)區(qū)域所在的山東半島北部, 波浪四季都是以風(fēng)成浪為主, 頻率為94%~100%, 年均波高(1/20)為0.2~0.7 m, 最大月均波高在冬季, 主要波浪方向?yàn)镹和NNW, 年平均大潮潮差小于2m, 為正規(guī)半日潮, 海岸為浪控海岸和波浪-潮汐共同作用的海岸[14]。為了與雷達(dá)回波所獲取的浪流數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比, 在雷達(dá)掃測(cè)區(qū)域內(nèi)放置了坐底ADCP進(jìn)行對(duì)比觀測(cè), ADCP所放置的位置見圖1, 使用的ADCP為RDI 600K自容式ADCP, 布放水深約為17 m, 設(shè)置的垂直分層的層厚為0.5 m, 每隔0.5 h獲取一次數(shù)據(jù)。

2 模型介紹及設(shè)置

2.1 COAWST模型簡(jiǎn)介

COAWST模型(coupling ocean-atmosphere-wave for sediment transport)是美國USGS(United States Geology Survey)的Warner等[15-16]開發(fā)的海洋-大氣-波浪耦合沉積物輸運(yùn)模式, 所用到3個(gè)模型分別是大氣模型(weather research and forecasting model, WRF), 海洋模型(regional ocean modeling system, ROMS), 波浪模型(simulating waves nearshore, SWAN)。COAWST模型運(yùn)行的原理是3個(gè)模式分別并行計(jì)算, 通過MCT(model coupling toolkit)工具在設(shè)定的時(shí)間步長上彼此交換需要的數(shù)據(jù), 然后繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)時(shí)間步長的計(jì)算直到完成[17-18]。

2.2 模擬區(qū)域及模型設(shè)置

WRF模式中的三維大氣初始條件與隨時(shí)間變化的邊界條件由美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)全球歷史再分析數(shù)據(jù)FNL(final operational global analysis, 簡(jiǎn)稱FNL資料)(http://dss.ucar.edu/datasets/ds083.2/)提供, FNL數(shù)據(jù)包含27個(gè)大氣層與地面層, 每日有4個(gè)時(shí)次的數(shù)據(jù), 分辨率為1°×1°。海面溫度由NCEP日平均SST數(shù)據(jù)(ftp://polar.ncep.noaa.gov/pub/history/sst)提供, 分辨率為0.25°×0.25°。WRF模型的計(jì)算區(qū)域采用了雙重網(wǎng)格嵌套技術(shù), 主區(qū)域與嵌套區(qū)的分辨率分別為12 km與4 km, 模型網(wǎng)格如圖7所示。

ROMS模型覆蓋了整個(gè)渤海區(qū)域, 也采用雙重嵌套網(wǎng)格, 網(wǎng)格覆蓋區(qū)域如圖8所示, 其空間分辨率為5 km, 嵌套網(wǎng)格空間分辨率約１km, 垂直分層10層, 分別對(duì)表層和底層加密。水深數(shù)據(jù)來自于數(shù)字化海圖和ETOPO1, 空間分辨率約為3′, 通過線性插值法插值到模型網(wǎng)格點(diǎn)上, 并對(duì)水深進(jìn)行平滑, 邊界強(qiáng)迫來自HYCOM的再分析數(shù)據(jù); 潮流強(qiáng)迫使用的是TPXO8潮流模型, 在開邊界加入了潮汐強(qiáng)迫M2, S2, K1, O1四個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)。

SWAN波浪數(shù)值計(jì)算采用了與ROMS一致的大小模型嵌套, 均采用經(jīng)緯坐標(biāo), 采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格, 網(wǎng)格數(shù)與ROMS模型一致, 波浪計(jì)算采用WRF主區(qū)域計(jì)算所得的10 m高處風(fēng)速資料作為驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng), 大模型給小模型提供波浪譜邊界條件。3個(gè)耦合模式的時(shí)間步長都設(shè)為30 s, 用于數(shù)據(jù)交換的計(jì)算時(shí)間是1 800 s。

3 結(jié)果及討論

本文將2013年9月20日0時(shí)作為模型起算時(shí)間, 2013年9月27日0時(shí)作為模擬的終止時(shí)刻, 由于從9月24日到9月26日在這一區(qū)域有一強(qiáng)風(fēng)暴天氣過程, 設(shè)備記錄到明顯的浪、流作用過程, 可以很好地將模型結(jié)果與ADCP和地波雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。圖9顯示了COAWST模型模擬的水位與ADCP測(cè)量的水位結(jié)果, 模型的頭三天為潮汐驅(qū)動(dòng)所需要達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間, 之后水位的模擬結(jié)果在空間和時(shí)間上的變化與ADCP的觀測(cè)結(jié)果能很好地吻合, 說明模型中海洋動(dòng)力模塊所模擬的水位是可信的。將ADCP、高頻地波雷達(dá)與模型模擬的東向流速放在一起對(duì)比(圖10), 可以發(fā)現(xiàn), 模型模擬的流速與觀測(cè)到的流速大小趨勢(shì)是一致的, 在強(qiáng)風(fēng)暴過程中, 模型模擬的流速相位、大小與雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果比較接近, 但與ADCP的相位有一定的偏差。這可能與多種因素有關(guān), 在ADCP的投放選址上, 考慮到近岸的復(fù)雜海況及保證設(shè)備的安全性, 選取的投放地點(diǎn)靠近養(yǎng)殖區(qū), 由養(yǎng)殖場(chǎng)負(fù)責(zé)24 h看護(hù), 該地點(diǎn)在雷達(dá)覆蓋范圍的邊緣, 可能會(huì)有邊緣效應(yīng), 而養(yǎng)殖區(qū)附近密布的筏架等設(shè)施或多或少會(huì)對(duì)表層流速產(chǎn)生影響?？紤]到表層潮位變化對(duì)流速的影響, 本文中選取ADCP流速剖面海面下1.5 m的流速為ADCP所測(cè)得的海表層流速。 Zheng等[19]的研究發(fā)現(xiàn), ADCP與地波雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果如果用25 h的低通濾波去除掉潮流影響, 兩者的均方根偏差小于10 cm/s, 其相關(guān)關(guān)系系數(shù)可以達(dá)到0.84以上, 從圖中的原始數(shù)據(jù)對(duì)比可以看到, 模型的模擬結(jié)果很好地反映了這一風(fēng)暴過程中的流速變化特征。

將模型模擬的有效波高與高頻地波雷達(dá)和ADCP的觀測(cè)值對(duì)比(圖11), 可以反映風(fēng)暴增水過程中有效波高的一個(gè)顯著變化。由于有效波高低于0.5 m的范圍內(nèi), 地波雷達(dá)的測(cè)量不能真實(shí)地反映實(shí)際值, 這與地波雷達(dá)的波高計(jì)算方法有關(guān)[11-12], 如果不考慮0.5 m以下的有效波高測(cè)量結(jié)果, 模型模擬的有效波高所體現(xiàn)的兩個(gè)顯著峰值與ADCP、高頻地波雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果一致, 但是在風(fēng)暴過程初始階段觀測(cè)所顯示的一個(gè)峰值變化沒有在模型中體現(xiàn)出來。夏波等[20]對(duì)渤海灣西南岸近岸區(qū)水位和流場(chǎng)時(shí)空變化進(jìn)行了模擬, 認(rèn)為水位變化對(duì)近岸區(qū)風(fēng)浪模擬結(jié)果有顯著影響, 譚鳳等[21]用SWAN+WRF模型計(jì)算波浪時(shí), –5 m等深線處波浪計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值在某些時(shí)刻差異較大, 本文中, 風(fēng)暴起始階段的有效波高模擬結(jié)果與觀測(cè)差別較大, 可能與這一階段的潮位變化及水流影響有一定關(guān)系, 需要對(duì)這種復(fù)雜的大氣-海浪耦合模式進(jìn)行深入研究, 以獲取更好的結(jié)果。

將模型模擬的流場(chǎng)與雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖12), 可以看到兩者所反映海區(qū)的流向和流速趨勢(shì)基本一致, 但是靠近海岸方向的流速流向在雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果上變化較大, 造成這種現(xiàn)象的原因可能是模型設(shè)置的最小水深為5 m, 在近岸浪、流混合作用強(qiáng)烈的區(qū)域流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 表層流受風(fēng)的影響很大, 這種表層流場(chǎng)上的變化可以被地波雷達(dá)觀測(cè)到, 但是在模型模擬中卻很難被模擬出來。

4 結(jié)論

高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)是海岸帶環(huán)境觀測(cè)的一個(gè)有效工具, 基于相陣?yán)走_(dá)技術(shù)的WERA系統(tǒng)盡管由于其天線陣的占地受到場(chǎng)地的限制, 但是在其正常工作運(yùn)行之后, 可以獲得穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù), 且受到的外界干擾較小, 設(shè)備維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。在對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證時(shí), 比較常用的手段是利用海床基、浮標(biāo)等獲取雷達(dá)覆蓋區(qū)的浪、流數(shù)據(jù), 其位置的選取對(duì)驗(yàn)證結(jié)果有一定的影響, 通常來說如果條件許可, 最好選取在遠(yuǎn)離岸邊, 雷達(dá)覆蓋區(qū)中心位置。地波雷達(dá)獲取長時(shí)序流場(chǎng)、浪場(chǎng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)可以與大氣-海洋-波浪耦合模型有力地結(jié)合起來, 這也是目前地波雷達(dá)被廣泛應(yīng)用的一個(gè)基本模式, 其所提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)被擴(kuò)展到海洋數(shù)值同化和預(yù)報(bào)模式當(dāng)中, 不僅可以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性, 也可以提高地波雷達(dá)探測(cè)海浪、風(fēng)參數(shù)的可信度, 在實(shí)際應(yīng)用中有著廣闊的前景。本文利用已有的觀測(cè)數(shù)據(jù)和大氣-海洋-波浪模型做了這一展示, 未來在雷達(dá)的海浪探測(cè)精度、模型應(yīng)用方面還需要更多深入的研究, 在未來的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警等領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)揮作用。

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High frequency ground wave radar observations on the Northern Shandong Peninsula coast

TANG Cheng, ZHENG Xiang-yang, LI Yan-fang, LIU Xin, ZHANG Hua

(Yantai Institute of Coastal Zone Research, the Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China)

Based on current and wave observation data collected from 2 high frequency ground wave radar (WERA) systems installed on the Northern Shandong Peninsula, a strong storm process is simulated in this field using an atmosphere-ocean-wave coupling model (COAWST) and results are compared between on-site ADCP (acoustic Doppler current profile) measurements, WERA data, and the model output. Results show that the water level change is consistent with the model output, significant wave height change shows a good relation between WERA and ADCP, and the current speed and phase change from the model output on the ADCP site are close to WERA measurements, which are slightly different from ADCP measurements. In addition, the flow field from WERA measurements has a similar trend to the model outcome, but results vary considerably when it close to the shore, which is possibly related to the distance of ADCP deployment, the model resolution and settings, and other factors. In total, the High Frequency Ground Wave Radar systems are proveed to be effective observation tools for coastal dynamical environment monitoring and have broad application prospects.

high frequency ground waveradar; the Northern Shandong Peninsula coast; ocean dynamic environment; coupled- ocean-atmosphere-wave-sediment transport modeling system (COAWST)

(本文編輯: 劉珊珊)

[Key Program of National Science Foundation, No. 41530966; Key Deployment Project of Chinese Academy of Sciences, No.KZZD-EW-14; Science Program of Yantai Science & Technology Bureau, No.2014ZH083]

Sep. 30, 2016

P715.4+3

A

1000-3096(2017)05-0085-08

10.11759/hykx20160930002

2016-09-30;

2017-03-28

國家基金重點(diǎn)計(jì)劃(41530966); 中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-14); 煙臺(tái)市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014ZH083)

唐誠(1975-), 男, 湖南懷化人, 副研究員, 研究方向?yàn)楹０稁Лh(huán)境觀測(cè), E-mail: ctang@yic.ac.cn; 鄭向陽, 通信作者, 男, 博士, 電話: E-mail: xyzheng@yic.ac.cn