三亞灣X 波段雷達海浪比測試驗研究

王青顏，周 濤，陳 周

（海南省海洋監測預報中心，海南 海口 570206）

在國土安全、海洋科學研究、海洋工程建設和海洋防災減災等領域，海浪是極為重要且復雜的一種海洋氣象要素，現場觀測是最主要也是最直接了解波浪的方法之一[1-2]，目前常見的波浪觀測儀器很多，例如自容式波高儀、波浪浮標等，它們廣泛應用于長期、自動、定點的連續觀測場合[3-4]。但是自容式波高儀的使用會受到所在地水深的限制，通常使用深度不超過25 m，否則其將無法準確工作，而波浪浮標結構復雜、使用成本高、體積較大、布放與回收難度較大[5-6]。

近三十年來，X 波段雷達遙測海浪技術已經成為一種重要的海洋環境監測手段[7-8]，它可以廣泛應用于海洋觀測站、船只等載體，從而對當前海況信息進行收集與處理，獲取現場海況數據。其工作原理是，通過X 波段雷達所發出的電磁波，在對海面進行入射后，所發射的電磁波與海洋表面的毛細波會產生Bragg 散射[9]，而這種后向散射的回波被海面廣泛存在的重力波進行調制，就形成了雷達回波；數據處理時通過對雷達回波進行二維的傅里葉變換，然后從獲取的波浪譜中得到相關函數和海浪信息[10-11]。X 波段雷達不但可以實時觀測海洋表面波浪數據，還可以獲得觀測區域內的海洋表面海流數據，同時還具有較高的時空分辨率和海域觀測范圍，因此其具有廣闊的應用前景，可以廣泛應用到海洋環境觀測和監測中。20 世紀80年代，挪威D0243 公司利用Young IR、Ziemer F 等原理開始進行船載波浪檢測雷達的研制，于1999年成功地研制出WAVEX 系統，并在2003年將該系統裝備在英國海軍“海神”號上。目前國內所使用的X 波段測波雷達大部分依賴進口，只有哈爾濱工程大學、國家海洋技術中心、中國海洋大學、上海廣電通信技術有限公司、中國電子科技集團第十研究所等機構研發出了少量國產測波雷達系統。

海南省海洋監測預報中心在萬寧石梅灣、三亞海棠灣和三亞灣均布設了X 波段雷達進行業務化觀測，至今已經有6年時間。本文利用三亞灣岸站架設的X 波段測波雷達設備與坐底式自容波高儀對同一海區的實時海況進行觀測，通過對兩者觀測數據的比對，來評估設置在三亞灣海域的X 波段全固態相參測波雷達產品對其所觀測海區海況信息的探測能力。為了保證實驗結果的可靠性，在三亞灣海域共進行了為期9 天的試驗，試驗時間從2019年8月28 日至2019年9 月5 日，其中，在8 月29 日至8 月30 日期間，2019年第12 號臺風“楊柳”（強熱帶風暴級）的路徑恰好影響到比對區域，在9 月2日期間，2019年第14 號臺風“劍魚”（熱帶風暴級）也在比對區域附近經過，但其對海面波浪的影響較小。在整個對比觀測過程中，現場海況變化明顯，經歷了多種天氣變化。根據兩種儀器的現場觀測數據，將X 波段測波雷達獲取的波浪信息與自容式波高儀獲取的波浪信息進行綜合比對分析。

1 比測海區及儀器說明

本文所使用的X 波段雷達站點位于海南省三亞市天涯區三亞灣皇冠假日酒店的樓頂，雷達所在地理位置坐標：18°17′25″N，109°22′32″E，此位置距離海岸線約150 m，海拔約為28 m。圖1 為X 波段測波雷達的安放位置圖。

圖1 X 波段測波雷達安放位置圖

X 波段測波雷達設備及其他儀器布放區域如圖2 所示，A 點位代表岸站架設的X 波段測波雷達所在位置，距海邊水平距離150 m 左右，與海面垂直距離35 m；B 點位代表波高儀所在位置，距離A 點X 波段測波雷達3 km 左右，處于109°22.902′E，18°16.148′N 附近，水深12 m；同時，圖中扇形區域為X 波段測波雷達的可探測區域，扇角寬度為90°，扇形半徑為3 km，方框區域（邊長0.8 km 正方形） 為X 波段測波雷達測量選定的核心反演區域，位于X 波段測波雷達前方1～2 km 處。C 點代表X 波段測波雷達反演區域中心，處于109°22′47″E，18°16′26″N 附近，經現場確認，C 點處為碼頭到西島的游船航線位置，同時，在黃色反演區域周邊有很多漁民的養殖網箱，無法完成設備的布放。因此，經過現場實地考察，選擇B 點作為波高儀最佳的布放位置，處于X 波段測波雷達設備的可探測范圍以內。

圖2 測試區域分布示意圖

本文使用武漢浩譜海洋探測系統有限公司生產的Hope-CX 型X 波段全固態相參測波雷達進行試驗。該X 波段測波雷達定點安裝在三亞灣皇冠假日酒店樓頂的制高點，每間隔30 min 進行一次有效觀測，采樣時間為6 min，其主要參數見表1。

表1 X 波段雷達主要參數表

為了有效驗證X 波段測波雷達對于當前海況信息的探測能力，本文選取了日本JFE 公司生產的AWH-USB 自容式波高儀（以下簡稱波高儀） 作為實驗比測儀器，該設備的工作原理是通過其內置的高精度壓力傳感器測量海水壓力的變化并將所測得海水壓力有效換算為海面的波高，此儀器的分辨率可以精確到0.5 mm，同時波高觀測精度也可達到±1.4‰FS，波浪儀實物如圖3 所示。

圖3 自容式波高儀

該儀器一般用于水深在25 m 以淺的區域，固定在海底進行觀測，水面系留標志物。儀器本身較為小巧，使用過程簡易，同時由于其采用坐底的方式使其不易被外界因素所破壞。

2 對比測試研究

由于本文對比測試的X 波段測波雷達設備采用每30 min 進行一次有效觀測的方式，因此對應的自容式波高儀同樣采用每30 min 工作一次的方式進行觀測。本文比測的時間跨度為8 月28 日18 ∶00 至9 月5 日11 ∶30，持續9 天時間，共獲取了372 組波高數據和372 組波周期數據，整個數據樣本為744 組，其中每組要素數據分別對應兩種設備不同數值共計744 個數據，因此整個比測過程的數據總量理論上為1488 個數值。但在比測的過程中，由于供電系統出現短暫斷電導致X 波段測波雷達設備出現2 組數據缺失，因此最終使用的數據總量為1480 個。

兩種設備的觀測數據具體情況見表2。根據表2 記錄的數據情況，分為有效波高和有效波周期這兩個波浪要素，對觀測數據進行了對比和分析。

表2 數據樣本分析表單位：個

2.1 波高比對情況

X 波段測波雷達與自容式波高儀波高比對時間為8 月28 日至9 月5 日，選取8 月28 日18 ∶00 至9 月5 日11 ∶30，兩種儀器共采集370 組（740 個）數據進行比對，雙方結果數據對比如圖4 所示。

圖4 雷達與波高儀有效波高測量結果對比圖

從圖4 可以看出，在測量期間波浪高度有多次起伏變化過程，其中從8 月29 日11 時開始到8 月30 日下午（圖4 左邊紅框處），波高變化幅度為0.6～2.6 m，該期間有12 號臺風“楊柳”經過；在9月2 日期間（圖4 右邊綠框處），波高變化幅度為0.5～1.5 m，該期間有14 號臺風“劍魚”經過，但是2019年第14 號臺風“劍魚”（熱帶風暴級） 對海面波高的影響較小。重點關注在2019年第12 號臺風“楊柳”（強熱帶風暴級） 的影響下，自容式波高儀觀測到的有效波高最大值為2.42 m 左右，X波段測波雷達所觀測到的有效波高最大值為2.6 m左右，數值較為接近。

根據海南省氣象局提供的三亞市天涯區鳳凰島海島站降雨數據進行統計，2019年8 月28 日至9月5 日的降雨情況如圖5 所示。

圖5 三亞市天涯區鳳凰島海島站所統計的降雨時序圖

從降雨情況分析，8 月29 日至30 日及9 月2日至4 日是強降雨時間段，其中8 月29 日20 ∶00的降雨量最高。從X 波段雷達和自容式波高儀測量的有效波高數據曲線分析，測量的數據連續并且測得的有效波高和有效波高的變化趨勢較為一致。因此，可得出結論：降雨天氣未對兩種設備測量結果造成較為明顯的影響，尤其是從X 波段雷達的探測結果來看，測波雷達在臺風強降雨期間依然正常工作。

本文還對波高數據做了進一步的分析，根據X波段雷達有效波高的測量范圍0.5～20 m，將波高數據分為0.6～1.2 m 和1.2 m 以上兩組進行詳細分析。

（1） 分析X 波段測波雷達和自容式波高儀0.6～1.2 m 的波高數據

選取X 波段雷達和波高儀的0.6～1.2 m 波高數據進行比對，比對數據共有174 組（348 個），雙方結果數據對比如圖6 所示。

圖6 雷達有效波高0.6～1.2 m 測量結果對比圖

從圖6 可以看出，兩種儀器的波高變化趨勢大致相符，但是由于兩種儀器對波浪的測量范圍不同，在測量精度上也存在差異，因此，在波浪較小的情形下，兩組數據的吻合度較為一般。

（2） 分析X 波段測波雷達和自容式波高儀1.2 m以上的波高數據

選取兩種儀器在1.2 m 以上的波高數據進行比對，比對數據共有49 組（98 個），雙方結果數據對比如圖7 所示。

圖7 雷達有效波高1.2 m 以上測量結果對比圖

從圖7 可以看出，兩種儀器波高曲線的變化趨勢基本一致，觀測到的最大有效波高也大致相同。

2.2 波周期比對情況

X 波段測波雷達與自容式波高儀波周期比對時間與有效波高是完全一致的，共采集370 組（740個） 數據，對比圖如圖8 所示。

圖8 雷達與有效波波高儀周期測量結果對比圖

從圖8 可以發現，X 波段測波雷達與自容式波高儀這兩種觀測設備所獲取的有效波周期基本上比較接近，然而在波周期數值的變化趨勢上卻存有一定的差異[12]。經分析，X 波段測波雷達利用雷達電磁波Bragg 散射效應的原理，測量的是一片海面整體的波浪變化情況，而自容式波高儀通過內置的高精度壓力傳感器測量海水壓力的變化有效換算為海面的波高變化，測量的是海面某個固定點的波浪變化情況，面和點測量波周期數值的變化趨勢上存在一些差異，這種情況應該是兩種儀器的測量原理完全不同所導致的，因此，波周期變化趨勢出現差異的現象在實際測量過程中較為正常。

其中，從8 月29 日11 時開始到8 月30 日下午（圖8 左邊紅框處），波周期變化幅度為5.3～7.2 s，該期間有2019年第12 號臺風“楊柳”（強熱帶風暴級） 經過；在9 月2 日期間（圖8 右邊綠框處），2019年第14 號臺風“劍魚”（熱帶風暴級） 從附近經過，但是對海面波浪的影響較小。重點關注在2019年第12 號臺風“楊柳”（強熱帶風暴級） 的影響下，波高儀觀測到的有效波周期最大值為7.703 s 左右，雷達所觀測到的有效波周期最大值為7.1 s 左右，兩者數值較為接近。

2.3 數據分析結果

通過對比分析兩種儀器的實際測量數據，將有效波高數據分為0.6～1.2 m 和1.2 m 以上兩組，并使用上述比對方法對自容式波高儀和X 波段測波雷達的有效波高測量數據進行對比分析，相關系數、均方根誤差計算如式（1）和式（2）所示。

式中，Xi、Yi為數組中的各個數值；Xa、Ya為數組的平均值；r 為兩組數據間相關系數；R 為兩組數據間的均方根誤差；N 為數組內數值個數。

由式（1）和式（2）計算得出，在0.6～1.2 m，兩種探測設備的相關系數為0.7245，均方根誤差為0.1869 m，置信度檢驗為81.2%。此結果表明，兩套不同的產品對于有效波高測量值的相關性較為一般，這主要是由于兩種儀器的工作方式不同所導致的，但是兩組數據的均方根誤差相對較低，證明兩種儀器對于海面波高的觀測值吻合度較好。在1.2 m以上，兩種探測設備的相關系數為0.9034，均方根誤差為0.1773 m，置信度檢驗為84.3%。該結果表明，兩套不同的產品對有效波高1.2 m 以上的測得值相關性較好，測量誤差相對較低，探測結果存在較好的一致性。數據比對結果見表3 和表4。

表3 有效波高0.6～1.2 m 對比結果統計表

表4 有效波高1.2 m 以上對比結果統計表

最后，對X 波段測波雷達與自容式波高儀這兩種觀測設備的波周期比對結果進行分析和討論。由于前文提到的兩種儀器觀測原理存在差異，無法采用計算兩者所測數據相關性系數的方式進行有效波周期的統計，因此通過計算兩組數據的均方根誤差，來分析有效波周期的數據情況。通過計算可得，X 波段測波雷達與自容式波高儀所測得的波周期數據的均方根誤差為0.8128 s，比對結果見表5。

表5 有效波周期對比結果統計表

3 結論

本文在三亞灣進行了為期9 天的X 波段測波雷達和自容式波高儀現場比對測試，并對所獲取的觀測數據進行了對比分析，得出結論如下。

（1） X 波段測波雷達工作方式基本可靠，能夠有效探測對應海域的海浪變化情況。

（2） X 波段測波雷達設備能夠在臺風、雨霧等復雜天氣下保持正常工作，與比測設備（波高儀）的測量值具有較好的相關性。

（3） 根據現場比測情況可以看出，X 波段測波雷達進行海浪觀測的方式，比較適合于大范圍海域測量，可以有效反演出X 波段雷達所觀測區域內的整體海浪信息。

（4） X 波段測波雷達用于岸基的波浪觀測是一種非常優良的業務化觀測手段，維護費用和維護難度都低于離岸浮標觀測方式，海南省海洋監測預報中心建設的X 波段測波雷達，投入運行至今經歷了多個臺風天氣過程，系統運行穩定可靠，能夠直觀反映現場海況的變化信息，并取得較好的觀測效果，滿足海洋環境觀測業務的需求。建議各級海洋觀測部門加強該方式的應用，也可在平臺基、島基、船基進行推廣應用。

波浪觀測實驗的數據比對分析結果為后續X 波段測波雷達系統的優化提供了方向。在波高范圍為0.6～1.2 m 時，壓力測波與X 波段雷達測波所測得的數據相關性較為一般，兩種觀測方式所測波高數據的相關系數僅為0.7245。因此，接下來需增加X波段測波雷達與其他各類測波設備在該波段的波高比測實驗，分析誤差產生的具體原因，進一步優化X 波段測波雷達的選型、選址與參數設置，并制定明確的應用規范，從而提高X 波段測波雷達對海況觀測的精確度。