高頻地波雷達在海洋學中的應用綜述

許張柳，吳倫宇*，焦陽，陳越，劉桂梅

（1.國家海洋環境預報中心自然資源部海洋災害預報技術重點實驗室，北京100081；2.深中通道管理中心，廣東中山528400）

0 引言

高頻地波雷達（High Frequency Radar，簡稱HF radar）是一種基于海岸觀測、以電磁波入射為主要技術特征的海洋遙感設備。該類設備能以平視角度發射高頻電磁波，并利用海水良好的導電性所產生的電磁波沿海面繞射的特性將電磁波繞射至視距以外的海洋表面，從而實現探測海洋表面動力學參數的目的。這些參數包括風、浪、流等，最大探測距離可達400 km。自20世紀后期以來，專門用于海洋環境監測的高頻地波雷達的研制技術和應用水平得到了不斷提升。和傳統的海洋觀測設備相比，高頻地波雷達具有覆蓋面積大、分辨率高、頻率高、實時性好、成本低等優點，并且探測工作不受惡劣天氣和海情的影響，能全天候對大面積海域進行長時間觀測，是衛星遙感在近岸海域觀測空缺和精度不足現狀下的重要補充[1]，因而其應用與發展受到各國的高度重視，被越來越多地引入到海洋預報、海洋動力學研究、海洋環境監測和保障、海洋經濟開發等方面。

1 高頻地波雷達原理

1955 年，CROMBIE[2]利用13.56 MHz 的高頻地波雷達研究了高頻無線電回波譜特征與海面重力波頻譜的對應關系。他在實驗中發現，發生Bragg散射的海面回波的多普勒頻譜和海面狀態無關，主要由多普勒零頻（雷達工作波長）兩側一對大致對稱的尖峰構成。這兩個尖峰類似于光柵衍射理論中的Bragg 散射峰，也被稱作一階Bragg 峰。由Bragg散射產生的多普勒頻率就是Bragg頻率（也稱Bragg頻移），即：

式中：fB是Bragg頻移，單位為Hz；f0是雷達的工作頻率，單位為MHz；λ是雷達發射電磁波波長；c為光速。由式（1）可見Bragg頻移只和雷達的工作頻率有關。

1972年，CROMBIE[3]利用和海表重力波波長相當的雷達波長（10～100 m）進行了一系列試驗并提出一階散射理論，證明只有在海表重力波波長正好為雷達波長一半時才能產生一階散射的回波信號。由于實際海洋表面的運動十分復雜，為了方便處理，一般將海面視為無數簡單隨機正弦波動的疊加。當雷達發射電磁波擦射入海面，被上述隨機正弦波被動散射時，只有波長正好等于入射波長一半、傳播方向朝向或背離入射波的兩列正弦波浪才能對入射波產生最強的后向散射。同年，BARRICK[4-5]定量解釋了海洋對電磁波的一階和二階散射理論。1977年，BARRICK等[6]探討了由兩套地波雷達系統實現對矢量流觀測的技術，當同一海域有兩個以上雷達覆蓋時，即可利用徑向流合成矢量流信息（見圖1）。圖2 為江蘇外海海域呂四地波雷達觀測到的徑向流圖像。

圖1 海面一階Bragg散射機制和當海流分別不存在和存在時的回波信號（引自文獻[6] ）Fig.1 The principles of first-order HF Bragg scatter from the sea,and resulting signal echo spectra without and with an underlying current（cite from literature[6] ）

圖2 江蘇外海呂四地波雷達觀測到的徑向流場（單位：m/s）Fig.2 Radial current observed by Lvsi HF radar in Jiangsu offshore area(unit：m/s)

2 雷達設備

1977年，BARRICK 等[6]于美國國家海洋大氣管理 局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）研制出了第一臺高頻地波雷達的工程樣機，并在美國佛羅里達東海岸進行了測試。BARRICK 通過分析雷達回波中一階Bragg 峰偏離標準位置的程度，成功獲得了海表徑向流場的信息，為高頻地波雷達在海洋探測方面的應用奠定了堅實基礎，成為高頻地波雷達探測技術持續發展的開端。

目前全球使用中的高頻地波雷達已超過400臺，并且需求還在不斷增加。按雷達接收回波信號的方位角分辨技術的不同，高頻地波雷達可以大致分為窄波束高頻地波雷達（Beam Forming）和寬波束高頻地波雷達（Direction Finding）兩類[7]。

窄波束高頻地波雷達主要采用相控陣天線系統，天線陣列通常長達數百米甚至上千米，發射的窄波束信號較容易處理，能夠根據回波信號精確測量目標的距離和方位角，其代表有英國的OSCR，德國的WERA 和我國的OSMAR 陣列式系統等。這種雷達的缺點就是天線系統龐大，結構過于復雜，需要占用大面積稀缺的海岸資源，而且因為基本不具備機動性，導致安全保障和運行維護費用高昂[8]。

相對地，寬波束高頻地波雷達多采用緊湊天線陣，占地面積小，天線陣列規模基本小于百米，雷達設備小型化且具有一定的機動性，因而架設和維護相對容易，環境適應性強，也被稱為緊湊型高頻地波雷達。因為采用了新的天線概念，寬波束高頻地波雷達能夠獲得足夠高分辨率的海洋表面參數，但是系統的分析和計算也更為復雜。典型代表為美國CODAR 公司生產的SeaSonde 系統[9]，目前該系統在全球的市場占有率已達90%[8]，是高頻地波雷達商業化的先驅和領導者。

我國也從同一時期開始進行高頻地波雷達海態監測技術的開發。武漢大學于1987 年開始高頻地波雷達的研究工作，并在1993年研制出大型陣列式高頻地波雷達OSMAR 的工程樣機，同年10 月在廣西北海進行了首次現場探測海流的試驗[10]，獲得了非常好的試驗效果，這是我國第一個專門用于監測近海海態的高頻地波雷達系統。在國家高技術研究發展計劃（簡稱863 計劃）重大課題“高頻地波雷達海洋環境檢測技術”的支持下，武漢大學主持研制成功了OSMAR2000[11]高頻地波雷達，海流有效探測距離達到200 km，是我國第一部正式應用于近海海況監測的高頻地波雷達，整體性能已經追平20 世紀90 年代末期的國外同類型雷達。后來，OSMAR系列相繼發展出OSMAR2003、OSMAR071等改進型號，還出現我國第一部商業化的便攜式高頻地波雷達OSMAR-S，均已被廣泛應用于我國的海洋動力參數業務化監測中。

3 海洋表層動力分析應用

高頻地波雷達數據覆蓋面積大，對時空變化和分布的描述比較精確，因而被較多地應用于研究近海表層流的變化中，通過對近海表層海流的長期觀測，可以研究目標海域基本的動力學規律和對異常變化的響應特征。

TAKEOKA 等[12]利用高頻地波雷達對日本豐后水道（Bungo Channel）的夏季表層流進行觀測，研究發現觀測結果所得M2分潮的潮流橢圓與聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP）觀測的結果非常符合，證明高頻地波雷達測流的準確性至少和ADCP 處在同一水平，并以此為依據分析了這一區域的潮流特征。PRANDLE 等[13]利用OSCR 系統對英國利物浦海灣（Liverpool Bay）進行觀測，獲取了該片海域表層主要天文分潮的信息，并對灣內潮流的空間結構進行了詳細描述；該團隊在后續研究[14]中使用了首次長期部署的MarkⅡOSCR 高頻地波雷達系統，每隔20 min 測量英國多佛海峽（Dover Strait）700個預選點的表層流，最終對長達11個月的數據做潮汐分析，確認所得M2、S2、N2、O1、K1、M4、MS47 大分潮潮流橢圓的分布與海流計以及POL（Proudman Oceanographic Laboratory）模型的模擬結果趨于一致，還通過空間調和函數對雷達數據進行水平積分，生成了當地的平均海平面分布；PRANDLE[15]還同時使用OSCR系統和安裝在多佛海峽底部的ADCP研究表層流場對風的響應特征，證實了表面流對風強迫的局地響應遵循典型的Ekman 偏轉模式，并發現經過時間平均后的余流在格里斯內茨角（Cap Gris Nez）西側邊緣表現出對風場的直徑約20 km 的氣旋式渦旋，持續約7 d。RAMP 等[16]在研究位于美國加州蒙特利灣（Monterey Bay）的一個夏季上升流事件時，利用CODAR 的SeaSonde 高頻地波雷達數據和ADCP 觀測，揭示了近海一個反氣旋中尺度渦和灣內表層流場相互作用的特征。同時期ROUGHAN 等[17]在研究美國南加州近岸海水中的生物質分布和養分輸運時，利用CODAR 高頻地波雷達的表層流觀測數據證實了沿岸存在的上升流系統迫使溫躍層抬升、導致下層高鹽分冷水上翻并因表層渦度輻散而產生離岸輸運的整個過程。

依托863 計劃，福建示范區建立了OSMAR-2003 高頻地波雷達和觀測數據業務化處理系統，朱大勇等[18]對獲取的徑向流數據質量進行了統計分析和初步的海洋學驗證，結果表明，雷達系統所返回的徑向流數據在經過適當的質量控制處理后可以有效地反映覆蓋海區的表層海流及其時空變化。為了驗證便攜式高頻地波雷達系統的實用性能，文必洋等[19]使用OSMAR-S 試驗樣機在上海洋山海域特別制定并實施了對比驗證實驗，主要考察雷達探測表面流的深度，結果表明OSMAR-S 系統的探測深度和精度都能滿足實時監測海洋表面流的需要，同時也填補了高頻地波雷達在探測深度方面沒有實驗驗證的空白。吉會峰等[20]利用布設在江蘇外海呂四、洋口的一對OSMAR-S 型地波雷達獲得的長期海流觀測資料對該海域表層海流特征和余流特征進行了分析。李程等[21]和翁怡嬋等[22]都分析了臺風“燦鴻”期間浙江外海的浪、流、風的分布情況，結論基本一致，地波雷達完整地獲取了臺風期間雷達覆蓋海域的流場、風場的結構和變化特征，海流的探測精度和對風的反演能力都滿足測量指標要求，在復雜海況條件下具有合格的探測性能。鄭世浩等[23]對南海北部高頻地波雷達遙測表層流的數據進行了分析，在現有ADCP觀測資料的基礎上，對雷達數據做潮流調和分析可得到潮流和余流，并分別與預報系統的潮流數據、氣象站的風場數據進行比對，總結了雷達性能和觀測數據誤差的空間分布，并對雷達的使用提出了建議。

4 海洋模型中的應用——數據同化與相互檢驗

高頻地波雷達廣泛用于近海海洋學的研究，其產品也逐漸被應用于各種海洋環流模型同化和預報模式，實現了對地波雷達數據的二次開發。

國外在高頻地波雷達數據同化方面，OKE 等[24]基于美國俄勒岡州（State of Oregon）海岸風驅動的中尺度陸架環流發展了一個數據同化系統（Data Assimilation System，DAS）。DAS 使用順序最優插值方法，每隔4 h從陸基CODAR 高頻地波雷達陣列獲取低通濾波的表面流速度并同化進普林斯頓海洋模式（Princeton Ocean Model，POM）中，同化后的結果與實際觀測值的相關系數從0.42 提高到0.78，證明了DAS 的有效性。PADUAN 等[25]比較了加州中部沿岸的高頻地波雷達數據和風的觀測值，發現長期控制海岸的上升氣流和雷達反演的近海表層流之間存在很強的相關性，研究還評估了CODAR型高頻地波雷達在改進數值環流模型中的實用性；他們在后續研究[26]中應用這種用地波雷達數據修正風應力的方法，顯著改善了海洋表層和次表層的模型預測水平，甚至在使用了高分辨率大氣強迫的情況下也能獲得不錯的效果。HOTEIT 等[27]利用四維變分同化方法將高頻地波雷達數據應用于圣迭戈（San Diego）沿岸區域的表層流模擬中，并分別計算了初始場、開邊界與強迫場各控制要素對代價函數的影響程度，結果表明相比其他控制要素，海表風應力是影響表層流預報效果的最關鍵因素（見圖3）。BREIVIK等[28]建立了一個沿岸流的實時同化和預報系統，該系統耦合了德國漢堡大學（University of Hamburg）開發的WERA 高頻地波雷達的測流數據，利用一種基于最優插值的同化方法和一套嵌套的海洋模型，通過和沒有同化的模型結果進行比較，驗證了預報系統在短期預測方面具有良好的能力，可以在獲得雷達數據45 min 后，為挪威沿岸船舶運輸服務部門提供6 h的有效短期預報。

圖3 四維變分中各個控制變量對代價函數的貢獻值（引自文獻[27] ）Fig.3 Individual cost function contributions for control terms in 4D-Var(cite from literature[27] )

在利用高頻地波雷達數據與模式相互檢驗方面，MAU 等[29]對基于紐約灣（New York Bight）和布洛克島峽（Block Island Sound）的一個正壓潮流三維模型進行了綜合評估，研究綜合利用ADCP 和CODAR 高頻地波雷達，分析了潮流橢圓的水平和垂直結構，并比較了模型、ADCP 和雷達測得的M2分潮的潮流橢圓以評價雷達數據的質量，發現模型和ADCP 以及模型和雷達都符合得很好，但是模型結果和ADCP 的符合程度更優，表明模型的準確性更高，雷達需要在一定程度上參考模型結果以保證數據的完整性。MAU 等[30]還研究了美國長島（Long Island Sound）地區一整年的水體輸運規律，在先前研究的基礎上，在模型中加入了浮力輸入和風強迫，將所得結果和ADCP及雷達觀測進行比較，發現模型很好地捕捉到了實際潮流的時空變化，與ADCP 觀測得到的潮流橢圓具有良好的一致性，但是模型和雷達測流之間存在些許差異，尤其在近岸和雷達探測范圍邊緣處差異較為明顯，這也證實了先前研究的結論，即要結合模型才能更好地發揮高頻地波雷達數據的作用。SUN 等[31]將2000 年6 月—2008 年9 月布洛克島峽的CODAR 表層流觀測資料和東北沿海海洋預報系統（Northeast Coastal Ocean Forecast System，NECOFS）計算得到的表層流做對比，其中預報系統耦合了WRF 模式（Weather Research and Forecasting Model，反映表面強迫）、FVCOM 模式（Finite-Volume Coastal Ocean Model，反映海流和溫鹽輸入）和SWAVE 模式（Surface Wave Model，反 映 表 面 波），CODAR 數 據 和NECOFS 均能較好地再現該地區主要的潮汐結構特征，但還存在改進的空間。COSOLI 等[32]在研究里雅斯特灣（Gulf of Trieste，GoT）的表面流時使用了高頻地波雷達的觀測數據，并與系泊測流計和北亞得里亞海（North Adriatic）POM 的高分辨率模擬作比較，得到了GoT 主要的環流特征，并評估了NAPOM 模型重構GoT環流模式的能力。該研究發現，雷達和模型均未能重建系泊測流儀觀測到的全日潮潮流橢圓結構，但對半日潮在空間上的重構是一致的；在海底地形變化劇烈的區域，因為σ層設置的影響導致模型對表面流模擬失真，雷達觀測數據為此做了補充，而模型也補充了雷達覆蓋率較差地區的觀測數據，還保證了海洋狀態預報的時空連續性。

國內學者在應用地波雷達進行資料同化和預報等方面也做了很多探索。郭佩芳[33]總結了地波雷達技術應用方面的一些成果，并著重進行了地波雷達資料在數據同化的應用研究，其中海流資料同化模塊采用POM模式，采用嵌套技術為細網格的小海域模式提供開邊界條件，利用牛頓松弛逼近法（Nudging），同化后改進了數值計算結果；海浪資料同化模塊采用SWAN（Simulating Waves Nearshore）模式，用最優插值法進行同化，加入雷達資料同化的數值模擬有效波高與觀測結果比較符合，模式精度也有所提高。朱宇航等[34]利用基于區域海洋模式（Regional Ocean Model System，ROMS）的三維變分同化系統對南海北部位于博賀和斗龍的一對高頻地波雷達的表層海流觀測數據進行了同化試驗，發現同化后的表層海流觀測數據能顯著改善模式對表層流的模擬，而模式對海表流場不同分量模擬的持續性隨同化間隔的增大呈現先增大后減小的趨勢，當同化間隔取6 h 或12 h 時，同化效果的持續性達到最優，持續時長約為4～6 h。肖江洪等[35]提出了一種基于數據同化的地波雷達數據質量分析與評價方法，該方法利用逐步訂正法（Successive Correction Method，SCM）將雷達測流資料同化進POM 中，再將同化后的數據與原始雷達數據的均方根誤差分布特征進行分析比對，可實現大范圍、高效地評估雷達數據質量，相較于傳統的定點比測方法，該方法更加快速、成本更低。史軍強等[36]基于FVCOM 模式和一種改進的高效集合卡曼濾波同化方法，對泰國灣的岸基高頻地波雷達表層海流觀測系統開展觀測效能評估數值實驗，結果表明，將雷達表層海流數據同化到模式中可有效降低模式的海流模擬誤差，研究還對現有的雷達觀測系統布局優化給出了建議。吳玲娟等[37]建立了基于ROMS模式的黃、渤海近岸三維溫鹽流精細化數值預報業務系統，采用四重網格嵌套技術，并對地波雷達數據采用改進的集合卡曼濾波方法進行同化，系統業務化運行穩定，溫度和海流預報精度較高。

5 總結與展望

從1955 年CROMBIE 第一次研究高頻電磁波和海表的相互作用以來，這半個多世紀，世界各國尤其是西方發達國家一直在大力發展高頻地波雷達探測技術。高頻地波雷達探測距離遠、覆蓋面積廣、實時性好、性價比高，廣闊的應用前景使得其相關技術研究越來越受到重視并不斷取得突破，高頻地波雷達探測被廣泛用于各沿海國家的近海海態監測、海洋學理論研究、海洋環境業務化預報等領域。

由于高頻地波雷達探測海流的精度相對較高，相關研究主要集中于近海的表層流動力學參數提取，以獲得較準確的近岸海表流場特征和動力學規律為目的。通過將高頻地波雷達的觀測數據同化進各種海洋模式，可以加強模式模擬近海海洋環境的能力，提高海洋狀態預報的準確性，進而為發展海洋業務化預報系統做出重要支撐，促進從研究成果向實際應用的轉化。

盡管我國在高頻地波雷達研究方面起步較發達國家晚，但是在國家自然科學基金、國家高技術研究發展計劃等的大力支持下，二十多年來我國獨立開發出以OSMAR系列為代表的高頻地波雷達產品，并依據對比試驗和誤差分析不斷改進雷達設計，提升反演能力[38-41]，大型陣列式和便攜式地波雷達的綜合探測性能均已躋身世界先進水平，海洋學研究進展和實際應用成果也頗為豐富。

通過梳理文獻資料和相關調研，我們認為高頻地波雷達數據應用以及監測技術等方面的未來發展方向包括（但不限于）：

①風、浪反演技術的提升。目前表層流反演已經達到業務化應用水平，風、浪的反演相對滯后，而風-浪-流資料的聯合應用，對于深入研究海氣相互作用機制、改善海洋模型風應力參數化方案等具有重要的科學價值。

②減少高頻地波雷達觀測對海洋環境的依賴，如減少所需海水鹽度閾值，提升在河口等低鹽度區的觀測精度；降低不同海況下對觀測精度的影響程度；真正達到“全天候”監測。

③國內方面應盡快形成中國近岸重點海區的高頻地波雷達組網覆蓋，同時加強對已有設備的定期維護、校準和產品檢驗等工作，形成長時間序列、大范圍覆蓋并且準確度較高的雷達數據產品，從而提高高頻地波雷達資料的應用水平。