X波段雷達觀測暴風雨天氣折射波浪場研究

楊震

X波段雷達觀測暴風雨天氣折射波浪場研究

楊震

(筑波大學構造與能源工程學院，茨城 305-8573)

X波段雷達可用于觀測折射波浪場并捕獲如波峰等海面特征。該X波段雷達安裝在面向太平洋且呈直線的海岸上，以小時為單位收集大約5公里長的海岸表面數據。本文對2005年7月26日臺風BANYAN發生中的9個小時的折射波浪場進行分析，通過傅里葉變換過濾圖像得到各方向的波數，并計算出了波向，水深和沿岸流速。該研究為理解沿岸流的特性有一定的指導意義。

X波段雷達 沿岸流 波數 暴風雨

0 引言

沿岸流是引起漂砂的主要原因，會導致沿岸沙地減少等經濟損失，因此找到一種快速且準確地計算沿岸流速的方法將對海岸環境管理起到重要作用。本文分析了傾斜入射引起沿岸流的波浪場，利用快速傅里葉變換得到每小時的卓越周期過濾圖像，運用相位得出波數最終計算出沿岸流速，對理解沿岸流的特性具有一定的指導意義。

1 X波段雷達

X波段雷達設置于日本波崎海洋研究所 (HORS)，且每隔2 s全天候的觀測著周邊沿海的海浪流動。該研究所位于日本茨城縣神棲市鹿島南部海岸，其北方是鹿島港，南至銚子漁港，兩港相距約17公里。X波段雷達圖像是通過捕獲微波照射海面的反射波來創建的，可以不太受暴風雨天氣的影響而收集高分辨率的數據，克服了傳統視頻成像的局限性。雷達圖像如圖1所示，海浪由圖像的右上方傳播至左下方，傾斜的白色部分為海浪的波峰，下方中心處的黑點為雷達本身，雷達上方的亮白色部分為長約400 m的棧橋。X 波段雷達每2秒收集一張水平方向1024個像素和垂直方向512個像素的圖像。圖像的水平范圍為5556 m (3.0海里)，垂直范圍為2778 m (1.5海里)，因此空間分辨率為每個像素5.42 m。其中像素強度范圍為0到255，灰度對應于雷達反射波的相對強度。

圖1 雷達圖，分析區域(右半)

2 分析暴風雨期間的波浪場

對雷達圖像中的反射波數據波動進行頻率分析(傅立葉變換)來創建頻譜，傅里葉變換由下式表示

(2)

圖2 所有時段的FFT頻譜(離岸方向=1000 m)

表1 分析組數，卓越頻率，卓越周期

圖3 雷達圖像(左)和過濾后圖像(右)，22:00

3 通過相位進行波數分析

波的傳播方程如下所示，

圖5 相位解卷繞之后的沿岸分布(22:00)

圖6 為常數時的相位離岸分布(22:00)

圖8 波數分布，(22:00)

4 理論計算

整體的波數如下，

波數與波長，波速與水深，波長、波速與周期的關系如下所示，

5 結果與分析

5.1 波向

圖9 波向的離岸分布

水深15 m處波向與NOWPHAS測算的數據的對比如圖10所示，其中本文計算周期為一小時，而NOWPHAS的數據覆蓋7月26日至27日兩天且周期為兩小時。可觀察到呈現相同的波向變化趨勢，波向的計算具有一定可靠性。

圖10 波向與NOWPHAS數據的比較(水深15 m)

5.2 水深

圖11 水深的離岸分布

圖12 水深與潮汐的變化趨勢

5.3 沿岸流速

圖13 沿岸流速的離岸分布

圖14 棧橋處=385 m沿岸流速變化

6 結論

1）利用傅里葉變換等確定各時段的卓越頻率，將該時段的折射波浪場過濾成單張圖像，其中的相位變化可分解為沿岸和離岸方向的波數。

2）在沿岸方向一致的地形下，通過波數計算出的波向與水深具有一定的合理性。為求得沿岸流速，除了X波段雷達圖像以外，還需要得知該區域沿岸處的水深。

[1] G.M.Jahid Hasan, Satoshi Takewaka: Observation of a Stormy Wave Field with X-Band Radar and its Linear Aspects, Coastal Engineering Journal, Vol.49, No.2, 2007.

[2] J.W.Johnson: The refraction of surface waves by current, American Geophysical Union, Vol.28, No.6, 1947.

Analysis of Refracted Wave Field During Stormy Weather Observed by X-band Radar

Yang Zhen

(Department of Engineering Mechanics and Energy, University of Tsukuba. Ibaraki 305-8573, Japan)

P715

A

1003-4862（2021）07-0033-06

2021-04-17

楊震(1995-)，博士，研究方向：海岸動力學與環境分析。E-mail：bnqqnb@163.com.