我國高頻地波雷達應用現(xiàn)狀與發(fā)展建議

李 程，劉玉龍，楊 揚，鄭 兵，楊 益，丁 峰，史瀟瀟

國家海洋信息中心 天津 300171

高頻地波雷達（又稱高頻表面波雷達）利用垂直極化的高頻（3～30 MHz）電磁波在海洋表面繞射傳播衰減小的特點，能超視距探測風場、浪場、流場等海洋動力學參數和海上低速移動目標[1]。在海洋環(huán)境監(jiān)測領域，高頻地波雷達具有功能多、性價比高、能全天候對大面積海域進行連續(xù)觀測等優(yōu)點，與海洋衛(wèi)星遙感相比具有造價低、測量精度高、空間分辨率高、重復采樣頻率高等特點，可有效提高近海動力環(huán)境場的大面業(yè)務化預報能力。因此在氣象預報、防災減災、航運、漁業(yè)、污染監(jiān)測、資源開發(fā)、海上救援、海洋工程、海洋科學研究等方面具有廣闊的應用前景。

1 高頻地波雷達運行現(xiàn)狀

1.1 國外地波雷達運行現(xiàn)狀

目前，全世界高頻地波雷達總數已超過450臺，典型代表包括美國的SeaSonde系統(tǒng)、德國的WERA系統(tǒng)和加拿大的SWR-503系統(tǒng)等[2]。其中，以美國CODAR公司的SeaSonde雷達為主，產品分布在北美、歐洲、亞洲以及大洋洲等，超過400臺。美國十分重視其本土沿岸的地波雷達觀測系統(tǒng)建設，已有超過143臺SeaSonde在運行。美國高頻地波雷達已實現(xiàn)產業(yè)化及全海岸線監(jiān)測網布設，包括東西海岸、夏威夷群島和阿拉斯加沿岸等（圖1）。根據NDBC網站（https：//hfradar.ndbc.noaa.gov）公布的一份說明資料，美國沿岸的地波雷達探測范圍達到離岸300 km，并且在近岸、海灣及港灣地區(qū)，采用短程高頻地波雷達進行補充，所采用的設備都是本國產的SeaSonde系統(tǒng)。沿岸雷達觀測網獲取的數據已被美國近海的海洋動力環(huán)境業(yè)務化預報系統(tǒng)所采用。雷達數據主要用途包括：海岸警衛(wèi)隊搜救任務、危化品泄漏事故響應、水質監(jiān)測以及海上航運保障等。

圖1 美國東海岸高頻地波雷達實時觀測結果圖

1.2 國內地波雷達運行現(xiàn)狀

我國用于海洋環(huán)境監(jiān)測的高頻地波雷達主要為武漢大學研發(fā)的OSMAR系統(tǒng)。在國家重大項目的支持下，經過多次的測量與現(xiàn)場試驗，OSMAR系列發(fā)展迅速，從OSMAR2000到OSMAR2003，系統(tǒng)對海流的探測已較為成熟。而變頻高頻地波雷達OSMAR071，較之前的OSMAR系列，在風、浪探測方面有了明顯突破。根據國家海洋信息中心統(tǒng)計的結果顯示，截至2021年12月，我國業(yè)務化運行的國家地波雷達網共有18個站位（表1）。其中，自然資源部北海局負責4個高頻地波雷達站的業(yè)務化運行，自然資源部東海局負責10個高頻地波雷達站的業(yè)務化運行，自然資源部南海局負責4個高頻地波雷達站的業(yè)務化運行。形成的9套地波雷達觀測系統(tǒng)探測范圍覆蓋我國近海海域，觀測要素包括表層海流、海面風和海浪等，時間分辨率為10 min或20 min。

表1 地波雷達站觀測信息列表

1.3 國內外地波雷達對比

民用高頻地波雷達根據天線陣列體制分為小陣列式和緊湊便攜式。前者陣長幾十米到數百米，如德國的WERA和我國的OSMAR陣列式系統(tǒng)，后者以美國的SeaSonde為代表（表2）。緊湊便攜式最大的優(yōu)點是對陣地的要求低，安裝適應性強。而陣列式雷達在探測精度上更具優(yōu)勢，這是由基本的天線探測理論所決定的[3]。從現(xiàn)有的設備上看，只有陣列式地波雷達才能提供大面積風、浪結果分布，而緊湊式天線系統(tǒng)（如SeaSonde）只可提供雷達站周圍2 km以內的風、浪信息（整個區(qū)域作為一個單點處理），尚不能提供大面積風、浪參數的分布信息。

表2 中美高頻地波雷達對比

2 我國地波雷達應用現(xiàn)狀

針對地波雷達觀測所獲得的長時間序列以及大面積的海流、風、浪等資料，國內研究院所從潮汐潮流預報、比測試驗、數據質控和數據同化等領域對其應用進行了探索。

2.1 潮汐潮流預報

東海預報中心依托上海市科學技術發(fā)展基金項目《鄰近海域表層海流實時監(jiān)測仿真集成技術研究成果匯編》，利用蘆潮港-大戢山站地波雷達2002年11月至2005年5月的實時監(jiān)測海流資料，結合附近海洋站的潮位、風資料，建立了蘆洋海域海洋氣象資料數據庫；利用調和分析的方法進行潮流分析，建立了蘆洋海域的海流預報模式，進行24 h蘆洋海域表層海流業(yè)務化預報[4]，并且應用動態(tài)可視化軟件將大面積、全天候海流流場演變過程以動態(tài)的形式展現(xiàn)出來，如圖2所示。

圖2 蘆洋海域三維海流預報界面

2.2 地波雷達海上比測試驗

2012年，武漢大學牽頭承擔了海洋公益性行業(yè)科研專項經費項目“小型海洋環(huán)境監(jiān)測表面波雷達產業(yè)化關鍵技術研究與示范”（項目編號201205032）。國家海洋信息中心負責子任務2“小型陣變頻高頻地波雷達對比驗證及產品應用研究”，負責制訂科學的比測方案，組織實施大規(guī)模的海上比測試驗，全面檢驗小型陣變頻高頻地波雷達的系統(tǒng)探測性能[5]。

圖3是比測試驗期間地波雷達風速風向與浮標觀測的對比結果。從結果上看，地波雷達完整地獲取了1509號臺風“燦鴻”經過比測海域期間的風速、風向變化趨勢，在一定程度上反映出雷達具有較好的風探測能力。

圖3 雷達與浮標的風速風向比對結果

此次臺風中心軌跡恰好經過了比測海域，“嵊山-朱家尖”地波雷達在極端海況條件下獲取了臺風經過期間寶貴的連續(xù)觀測數據。

2.3 地波雷達數據質控評估和產品制作系統(tǒng)

根據預報減災工作方案和國家海洋信息中心業(yè)務化應用方面的實際需求，搭建了“高頻地波雷達組網、評估、產品制作系統(tǒng)”，如圖4所示。該系統(tǒng)基于高頻地波雷達矢量流合成、地波雷達數據處理、質量控制、產品制作和數據質量評估等技術，以單站觀測數據為基礎，參考相關標準規(guī)程要求，通過合成站打點率分析、合成站范圍確定、組網數據生成、數據標準化、數據精確度評估和產品制作等，生成高頻地波雷達標準數據集，為海洋防災減災提供了可靠的觀測數據和相關的產品[6]。

圖4 地波雷達數據處理分析系統(tǒng)示意圖

2.4 數值模擬的數據同化

已有一些科研單位將地波雷達資料用于海流數值模型的數據同化中，用以提高模型的計算精度。中國海洋大學在長江口鄰近海域對該系統(tǒng)進行了應用，將觀測模塊、預報模塊以及同化模塊進行代碼整合，即構成了完整的以數值模式FVCOM為載體，嵌入改進集合Kalman濾波同化（SENKF）算法，糅合高頻地波雷達數據與模式數據，最后得到了高精度同化數據集的高頻地波雷達數值同化系統(tǒng)[7]。

基于雙站高頻地波雷達表層流資料，對模式表層流數據進行同化，同化時間為2010年4月30日16時至5月31日15時，如圖5和圖6所示。可以看出：同化前，表層流以東南向流動居多，而同化后流向則以東向為主，與觀測流向基本趨于一致。從流速大小的空間分布來看，同化前最顯著的特點是在觀測區(qū)域中部偏東存在一個南北走向的帶狀流速高值區(qū)，而在同化后，流速大小的空間分布特點與觀測基本一致，即整個觀測區(qū)域流速普遍要小于同化前且分布大致均勻，經過數據同化，預報結果在海流分布及數值方面與地波雷達觀測更趨一致，改進了海流數值預報結果。

圖5 地波雷達流場數據同化前效果圖(2010年5月18日8時)

圖6 地波雷達流場數據同化后效果圖(2010年5月18日8時)

3 我國地波雷達發(fā)展建設及建議

我國現(xiàn)階段近海地波雷達的應用實踐表明，地波雷達監(jiān)測的近岸表層流基本可反映近岸流場的環(huán)流結構和變化情況，具有一定的業(yè)務化應用價值。但是與歐美發(fā)達國家已開展的大規(guī)模列裝和業(yè)務化應用相比，我國地波雷達的應用和發(fā)展存在一定的差距，尚難以滿足防災減災的實用工作需求。

3.1 開展反演算法研究提升雷達探測能力

目前國產地波雷達存在的共性問題是流速觀測精度相對較差，轉流時間段和高流速的觀測敏感度較低。造成觀測精度較低的原因主要來儀器自身觀測機理、信號處理和數據反演方法等[8]。應加強對地波雷達單站徑向數據的質量控制并對應反演算法進行改進，減小地波雷達觀測結果與實際海流之間的誤差。對于業(yè)務性單位，最切實可行的方法是提升地波雷達資料觀測環(huán)境管理、業(yè)務化運行維護、觀測數據質量控制等方面的能力，制定相應的標準規(guī)范，切實提升雷達數據在海洋業(yè)務中的應用水平，提高地波雷達觀測準確度和數據可利用度[9]。因此要開展雷達用戶與雷達設備研發(fā)團隊的互動與交流，加快相關標準規(guī)范的制定。

3.2 針對性布放浮標檢驗雷達數據可靠性

目前國內地波雷達業(yè)務化運行的問題主要體現(xiàn)在雷達的校準和觀測結果的對比觀測方面。按照地波雷達儀器設備運行要求，需要每年對地波雷達進行校準，并定期對合成流場、浪、風的結果進行對比驗證[10]，以檢驗雷達的數據可靠性。

以自然資源部東海局3套高頻地波雷達為例，目前雷達探測核心覆蓋區(qū)域內無國內的業(yè)務化運行浮標，無法有效地開展地波雷達性能的檢驗。因此，需要在雷達有效探測范圍內，充分考慮雷達在不同距離、不同方位上的探測能力，針對性地布放浮標，用于檢驗雷達數據的可靠性，并為雷達校準提供數據支撐。

3.3 合理規(guī)劃建立地波雷達立體觀測體系

地波雷達相對于其他海洋探測儀器的一個巨大優(yōu)勢就是能夠實現(xiàn)組網觀測，從而大大提高觀測效率[11]。目前美國沿岸和近海的高頻地波雷達觀測網都已經實現(xiàn)了組網觀測[12]，但這一技術在國內還不成熟，地波雷達分布較為零散，還沒有在業(yè)務化中得到充分應用。因此，需要全面論證分析，科學系統(tǒng)地做好沿海地波雷達監(jiān)測網的綜合性規(guī)劃。

建議采取長期規(guī)劃，穩(wěn)步發(fā)展的方式，慎重選址以及基建。可以考慮在我國北部、東部和南部等不同海區(qū)，對經濟發(fā)達地區(qū)、海上航行繁忙地區(qū)、海上溢油多發(fā)區(qū)、海上事故多發(fā)區(qū)、赤潮災害嚴重區(qū)等有選擇性地開展建設，建設時應考慮雷達站之間的組網。

3.4 挖掘雷達產品價值推廣業(yè)務應用工作

地波雷達觀測所獲得的長時間序列以及大面積的海流、風、浪等資料，是其他傳統(tǒng)觀測手段不能企及的。除了為災害預報提供基礎資料外，地波雷達觀測資料還具有其他應用價值。美國沿岸雷達觀測網獲取的數據已被充分應用于海岸警衛(wèi)隊搜救任務、危化品泄漏事故響應、水質監(jiān)測以及海上航運保障[13]。但目前國內觀測數據應用仍存在數據量不足的問題，另外，由于與現(xiàn)場比測工作少，使用者對雷達觀測數據也仍缺乏信心。

在未來發(fā)展中，應在充分驗證雷達數據可靠性的前提下，挖掘雷達數據海上化學品污染或溢油、海上搜救、航行以及濱海的休閑娛樂活動中等方面的可用性。此外，地波雷達資料還可以指導海洋站點和其他短時觀測站的布設，為港口的選址、海洋工程建設等提供專項服務。