WaMoS II測波雷達應用及對比分析

陳磊,徐漢文,吳澤強

(1.中國科學院海洋研究所，山東青島266071；2.國家海洋局汕尾海洋環境監測站，廣東汕尾516600)

1 引言

目前國內有關業務部門已安裝數十臺WaMoS II波浪（表面流）監測系統，用于風暴潮的預警、海洋災害防災減災以及海浪監測。WaMoS II 波浪監測系統是目前基于X 波段雷達測量海浪技術較為成熟的系統，系統使用X 波段雷達測量海面的回波信號，數據處理單元通過對一組雷達回波信號的處理，解算波浪及表面流參數信息。系統能夠實時測量給定海域內的有效波高、波浪周期、波浪方向及表面流速、流向等海洋狀態參數；同時可以根據測量結果區分風浪與涌浪，系統的監測由于不受觀測時間及觀測空間的限制，具有廣泛的適用性。此外，根據波譜參數，WaMoS II 系統的觀測結果還可以用于反演海表面高度[1-2]。

WaMoS II 測波雷達是一款較為成熟的波浪觀測儀器，其生產廠家OceanWaves 公司利用2001—2008年期間6 臺WaMoS II 測波雷達多年的觀測數據進行了統計分析，其中3 臺位于海上平臺、1臺位于岸站，兩臺為船載，統計結果表明6 臺WaMoS II測波雷達觀測結果穩定、可靠，其有效波高、波峰周期、波向的標準偏差分別為10%、5%、±10U[3]。在應用方面，WaMoS II 已被應用于ADOPT DSS（Decision Support Systems）模式，為其提供海況信息[4]。其作為衛星遙感技術的輔助，在最大波浪監測計劃中（MaxWave project），也發揮了重要作用[5]。

國外已開展了大量關于WaMoS II 測波雷達和浮標觀測對比的工作。最早，Katrin Hessner（1999）通過分析3 個不同站位獲取的WaMoS II 和浮標的波浪數據得出：三個站位的有效波高相關系數分別為：0.89，0.85，0.71[6]；其次，Jur Vogelzang 等（2000）通過分析對比荷蘭佩滕區域獲取的WaMoS II 和浮標的波浪數據，得出：兩者有效波高、波峰周期、波向的相關系數為0.87，0.74，0.96，WaMoS II 測得有效波高、波峰周期、波向的精度分別為30 cm（20%）、0.6 s（10%）、9°（3%）[7]；再次，REICHERT,K 等（2007）通過分析對比德國Sylt 島嶼獲取的Wa-MoS II的波高、波峰周期、波向數據和同步的波浪浮標的數據，證明了兩種傳感器測量的數據具有很高的相關性[8]；在上述研究工作之后，Katrin Hessner 等（2007）分析了2005年9月美國DUCK 地區的Wa-MoS II 和波浪騎士浮標的數據，結果表明兩種傳感器測得的波周期和波向有很好的一致性，并使用當地風速數據對有效波高進行了校正，兩者測量的有效波高數據的均方根誤差為0.26m，偏差為0.05 m，相關系數為0.92[9]。

到目前為止，國內對WaMoS II觀測的波浪數據進行系統的對比分析還很少。馬衛民等（2011）于2007年和2008年4月進行了兩次海上試驗，對Wa-MoS II系統的斜率、偏加參數進行過手動調整，參數調整后的WaMoS II的有效波高觀測值更準確，和實際觀測的有效波高的相關系數為0.75，均方根誤差為0.32[10]。實際上，WaMoS II 系統的SNR、斜率、偏加參數均可通過對比分析通過軟件進行計算，從而在WaMosII系統內修改以校準有效波高值。本文利用2012年6—7月大萬山海洋環境監測中心站使用測波雷達獲取的南海海域的波浪及海流數據，與SZF 波浪浮標和SLC9-2 型直讀式海流計同步測量的波浪、海流數據進行了對比分析。

2 數據與方法

2.1 研究區域

2012年6月期間在大萬山附近海域進行了Wa-MoS II 測波雷達和SZF 浮標、SLC9-2 型直讀式海流計對比觀測實驗。本次實驗中WaMosII測波雷達數據是整個觀測區域表面所有點數據的平均值，浮標和海流計的數據均在雷達觀測區域內的同一點采集。其中，測波雷達采樣間隔為2 min，所用數據為每20 min 的均值結果，浮標數據時間間隔為3 h，海流計數據時間間隔則為1 h。選取測波雷達每3 h間隔的整點數據用于與SZF遙測波浪浮標數據進行同步對比，選取測波雷達每小時間隔的整點數據用于與海流計數據進行同步對比。于16—22日共獲取28組同步的測波雷達和SZF遙測波浪浮標數據（每日的8：00—17：00）。28—29日期間，共采集到25組同步的測波雷達和海流計數據（28日觀測時間為8：00—23：00，29日觀測時間為0：00—8：00）。Wa-MoS II 測波雷達以及波浪浮標、海流計的布放位置位于廣東大萬山附近，見圖1。

圖1 研究區域與儀器布放位置圖

2.2 測量方法

2.2.1 WaMoS II測波雷達

利用WaMoS II 測波雷達進行表面波浪和海流數據采集，該系統的有效測量距離通常為100—2000 m。有效波高、波峰周期的測量范圍分別為：0.5—14 m、4—20 s，分辨率分別為：0.1 m和0.1 s；流速和流向的測量范圍分別為：0—40 m/s、0°—360°，分辨率分別為：0.001 m/s 和1°。采樣間隔為3 nm。本次實驗中，要求最大誤差的容許范圍：有效波高、波峰周期、表面流流速、流向誤差的極值(△X)max＜3σ(均方差)，相關系數大于0.9。

2.2.2 波浪及海流數據

本次實驗測量中，WaMoS II測波雷達測量的有效波高、波周期、流速、流向的范圍分別為：0.7—4.1 m、5.9—11.4 s、0.09—0.28 m/s、188°—258°。SZF 波浪浮標測量的有效波高、波周期測量的范圍為：1.1—3.5 m 和7.5—11.5 s；SLC9-2 型直讀式海流計測量的流速、流向的范圍為：0.11—0.31 m/s、177°—250°。

其中，WaMoS II 測波雷達和浮標測量的波高、周期的對比結果見圖2。

WaMoS II測波雷達和海流計測量的流速、流向的對比結果見圖3。

圖2 有效波高和波峰周期對比結果

圖3 海表面流速和流向對比結果

3 大萬山數據對比分析

3.1 波浪參數對比結果

將WaMoS II 測波雷達和浮標同步測量的28 組有效波高、波周期數據按時間先后排序，利用相關系數、平均相對誤差等參數進行精度評估，其定義如下：

相關系數：線性Pearson相關系數R2。

平均相對誤差計算公式為：

均方差的計算公式為：

式（2）中，σ 和μ 分別表示均方差、平均值。xi表示WaMoS II測波雷達每次的測量值。

本次實驗中測波雷達和浮標測量的有效波高、波峰周期數據的相關系數分別為：R2= 0.71、R2= 0.38,APD=23.3%、12.5%。結果見圖4。

圖4 WaMoS II與SZF浮標對比散點圖(實線為1:1線)

圖5 WaMoS II與SLC9-2海流計對比散點圖(實線為1:1)

3.2 海流數據對比結果

利用2012年6月22—28日雷達測量的數據和同步的海流計的數據進行了對比分析，共計25組有效數據，流速和流向的對比結果見圖5，相關系數R2分別為0.83、0.89。平均相對誤差分別為14.5 %、4.1%。

3.3 對比結果分析

根據此次對比結果可見，WaMoS II系統觀測的表面流數據與海流計觀測結果有較好的一致性，相關性可達0.8以上。而有效波高的觀測值與波浪浮標對比相關性只為0.71，波峰周期相關性更低，僅為0.38。此次WaMoS II 系統波浪觀測結果與波浪浮標數據相關性較低主要有三方面原因：（1）WaMoS II系統觀測到的是一個區域波浪狀況的平均結果，而波浪浮標觀測到的僅為區域中的一點；（2）二者用于對比的數據時間序列較短；（3）WaMoSII系統觀測的有效波高值可利用對比數據進行校準，并且校準效果可適用于全部海域，利用本文對比數據進行校準后，有效波高相關系數可提升至0.75，若時間序列足夠長，且在對比周期內波浪有較好的起伏狀態，校準效果會更好。前兩個原因是造成波峰周期相關性較低的主要原因。

引言中已提及，國外進行過大量的WaMoS II系統與浮標數據的對比驗證，其有效波高的相關性可達0.9 以上，這便是校準的效果。用于對比分析的時間序列越長，校準效果越好，

國外用于對比分析的數據往往可長達幾個月，而國內尚未有長時間序列的對比分析，本文中作為數據來源的大萬山觀測站，其對比分析工作仍在開展。

4 結論

通過以上的X 波段測波雷達系統和浮標、海流計各參數的比測結果和統計分析可知，X 波段測波雷達系統同一要素兩條曲線趨勢有較好的一致性，得到的結論如下：

（1）WaMoS II 測波雷達和SZF 波浪浮標對比結果為：有效波高、波峰周期誤差的極值分別為1.2 m，3.3 s。均方差分別為σ=0.54 m，1.29 s。相關系數分別為0.71、0.38。其中，觀測面與點的波浪差異以及對比數據時間序列較短是有效波高、波峰周期相關性較低的兩個主要原因；

（2）WaMoS II 測波雷達和SLC9-2 型直讀式海流計對比結果為：流速、流向誤差的極值分別為0.06 m/s、15°。誤差均方差分別為：σ= 0.022 m/s、6.53°。相關系數分別為0.83、0.89。這表明WaMoS II測波雷達測得的表面流數據與海流計的觀測結果有較好的的一致性。

（3）WaMoS II測波雷達的有效波高數據可通過對比分析進行校準，用于對比分析的時間序列越長，校準效果越好，并且校準效果可適用于全部海域。本文中用于對比分析的時間序列較短，但相關性仍可提升至0.75。

[1]Hessner K,Reichert K.Sea surface elevation maps obtained with a nautical X-Band radar Examples from WaMoS II stations[J].10th International Workshop on Wave Hindcasting and Forecasting and Coastal Hazard Symposium in North Shore,2007,11:11-16.

[2]Reichert K, Hessner K, Dannenberg J, et al. X-Band Radar as a Tool to Determine Spectral and Single Wave Properties[J].WAVES 2005 Proc,2005,1:1-9.

[3]Ocean Wave S. WaMoS II Data Comparison and Error Statistics[M].Germany：OceanWaveS GmbH,2010,1-32．

[4]Günther H, Tr?nkmann I, Kluwe F. ADOPT DSS- Ocean Environment Modelling for Use in Decision Making support[J], Geoscience and Remote Sensing Symp,2008,4:70-80.

[5]Rosenthal W, Lehner S. Detection of extreme single waves and wave statistics[J]. Proceedings of MAXWAVE Final Meeting,2003,10:8-10.

[6]Hessner K, Nieto J C, Reichert K. Estimation of the significant wave height with X-band nautical radars[J].Proc of the 1th International Conference on Offshore mechanics and Artic Engineering(OMAE),1999,1:1-6.

[7]Vogelzang J, Boogaard K, Reichert K, et al. Wave height measurements with navigation radar[J]. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing,2000,18:1652-1659.

[8]Reichert K, Lund B. Ground based remote sensing as a tool to measure spatial wave field variations in coastal approaches[J].Journal of Coastal Research,2007,50:1-5.

[9]Hessner K,Reichert K,Dannenberg J.2D surface elevation measurements by means of X-band radar, an application of WaMoS II at DUCK[J]. Rogue waves-Forecast and impact on marine structures,2006,26:1-13.

[10]馬衛民,賴德培,許海恩.船載WaMoS II測波雷達參數調整及應用分析[J].海洋預報.2011,28(6):46-50.