基于X波段雷达的台风浪观测分析

王静，文啸，刘春霞，黄健，吕卫华

（1.中山大学地理科学与规划学院，广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室，广东广州510275；2.上海市水文总站，上海200232；3.广州热带海洋气象研究所，广东广州510080；4.广东省茂名市气象局，广东茂名525000）

基于X波段雷达的台风浪观测分析

王静1，文啸2，刘春霞3，黄健3，吕卫华4

（1.中山大学地理科学与规划学院，广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室，广东广州510275；2.上海市水文总站，上海200232；3.广州热带海洋气象研究所，广东广州510080；4.广东省茂名市气象局，广东茂名525000）

对比分析了博贺海洋气象观测站2008年7月11日—10月8日期间X波段雷达WaMoSII和浮标观测的三个台风过程的波浪资料，结果表明：在台风登陆前后的高海况下，两种资料的有效波高和平均波向的大小和变化趋势均吻合较好，并且有效波高的相对差异小于平均波向，而在台风来临的前期和后期消退阶段，有效波高和平均波向的大小有一定的差异，但其变化趋势仍具有较好的一致性。

X波段雷达；波浪；台风；浮标

1 引言

随着人类涉海活动的不断增多，人们对海洋动力环境要素信息的快速、实时获取有着越来越高的要求，从而推动了海洋遥感观测技术的快速发展，其中X波段雷达以其稳定、实时、便捷的特点成为近海和机动海区海面状况，包括海浪、海流和海面风场等要素监测的重要手段，也是近年来海洋遥感的一个重要研究方向。近几十年来，海洋学者在关于X波段雷达反演海浪场、海流场和海面风场的理论和实践方面取得了诸多进展[1-7]，并已开发出商业产品，如挪威的WAVEX[8]和德国的WaMoSⅡ[9]都已投入到业务化的海洋监测中。

由德国GKSS实验室开发研制的WaMoSⅡ系统是一套基于航海雷达的海浪监测系统，二十多年来，已广泛应用于世界各地的波浪监测工作，然而，因使用的雷达天线不同，观测海域的环境特征不同，雷达安装及参数设置不同等各类因素影响，X波段雷达观测波浪的反演方法和观测精度也不尽相同，欧美等国进行了大量的应用研究[10-15]。而国内由于起步较晚，且限于浮标资料的缺乏，关于WaMoSⅡ系统的应用研究一直较少。2008年，中国气象局博贺海洋气象观测站引进了海浪监测系统WaMoSⅡ，同时观测站还投放了一波浪浮标（型号SBF3-1）。本文将对WaMoSⅡ获得的三个热带气旋影响下的波浪（以下简称“台风浪”）数据进行分析，为开展X波段雷达在该海域的业务化波浪监测提供科学依据。

2 数据及处理

中国气象局博贺海洋气象观测站位于广东省电白县电城镇北山村的海岸边，所在海岸的海岸线大致呈东北-西南走向（见图1）。2008年7月，观测站引进了海浪监测系统WaMoSⅡ，雷达采用XN 20 AF型天线，天线收发器功率为12 kW，采样频率为2.5 s，空间分辨率为7.5 m，观测距离为216—2160 m。整个观测海域水深较浅，均在8—25 m之间。7月11日，完成雷达系统安装并开始观测海面风、浪等要素。

同年7—10月，观测站在附近海域投放了一波浪浮标（型号为SBF3-1），以获取同期的波浪观测资料。浮标距观测站距离约1.5 km（见图1），所在位置水深大约为15 m。

图1 博贺海洋气象观测站及其浮标地理位置示意图

浮标数据时间跨度为2008年7月1日—10月8日，每隔3 h一个观测值；雷达数据时间跨度为2008年7月11日—10月31日，由于在此时期内雷达尚处于调试阶段，观测时间长度从2—10 min不等，观测间隔从2 min—3 h不等。由于观测期间正是台风多发季节，观测海域前后共受到5个热带气旋的影响，图2在浮标观测的有效波高时间序列上标出了影响观测海域的热带气旋名称、登陆地点和登陆时间。

图2 浮标观测资料

当有效波高小于0.5 m时，雷达接收到的海面回波信息携带的噪声太多，因而无法提取海浪参数，此时，雷达观测失效，因此去除所有有效波高小于0.5 m的观测值。由于浮标和雷达的观测间隔不同，对比时，以浮标资料的观测时间为基准，取邻近半小时内的雷达观测平均值作为雷达观测的有效波高值，从而获得准同步的雷达和浮标观测数据。

经过上述处理，雷达和浮标两组资料有两个时间段同步性较好，一个是8月5—10日，正是热带风暴“北冕”在阳江登陆前后，另一个时间段是9月30日—10月5日，为热带风暴“米克拉”和“海高斯”影响前后，因此，本文将对这两个时间段的雷达和浮标观测的有效波高和波向资料进行对比，以分析雷达观测到的台风浪特点。

3 结果和分析

3.1 “北冕”期间雷达观测数据分析

2008年第9号热带风暴“北冕”于8月5日上午在南海北部生成，6日加强为强热带风暴，晚上19点45分在广东省阳西县溪头镇沿海登陆，其中心附近最大风力有10级（25 m/s）；登陆后减弱为热带风暴。“北冕”在穿过雷州半岛后，7日凌晨进入北部湾海面，并一路西行经广西进入越南。

图3是“北冕”期间浮标与雷达准同步观测的有效波高数据对比图。从两者的准同步时间序列图3a可看出，两种资料所描述的有效波高变化趋势是一致的：8月6日晚“北冕”在广东省阳江市阳西县登陆后，一路西行，开始影响观测海域，浮标与雷达观测的有效波高均急速增大，于7日达到最大值；之后“北冕”对观测站海域的影响开始衰减，浮标与雷达观测的有效波高开始降低；至10日，有效波高回落至“北冕”影响之前的水平。

图3 “北冕”期间浮标与雷达准同步观测的有效波高对比

对比雷达和浮标的资料（见图3a）可见：在7日当天，“北冕”对该观测海域影响最大，此时有效波高也达到最大，在此高海况下，浮标与雷达观测的有效波高在变化趋势上一致性较好，大小也吻合较好。而随着“北冕”逐渐西行远离，浮标与雷达观测的有效波高值相差较大，多数情况下，雷达观测值大于浮标观测值，且雷达的观测值波动幅度明显大于浮标观测值。

图4是“北冕”期间浮标与雷达准同步观测的平均波向对比图。图上可看出，雷达和浮标数据反映的平均波向变化趋势大致一致，但又有较明显的差异：在7日前后，即“北冕”登陆时的高海况下，浮标与雷达观测的平均波向变化趋势较为一致，而在台风影响之前和之后阶段，浮标观测值与雷达观测值差异较大。

图4 “北冕”期间浮标与雷达准同步观测的平均波向对比

表1和表2分别给出了“北冕”期间浮标与雷达准同步观测有效波高和平均波向的参数统计。总体上雷达与浮标观测的有效波高的相关性较好，相关系数为0.73，相对误差为17.81%；而平均波向的相关性较差，相关系数只有0.32，相对误差为20.31%。

表1 “北冕”期间浮标与雷达观测的有效波高的对比

表2 “北冕”期间浮标与雷达观测的平均波向的对比

3.2 “米克拉”和“海高斯”期间雷达观测数据分析

由图2可见，从9月24日到10月5日这段较短的时间内，在南海海域共出现三个热带气旋，强热带风暴“黑格比”、热带风暴“米克拉”和热带风暴“海高斯”，但是由于雷达观测时段的不连续，雷达和浮标的准同步数据只在“米克拉”和“海高斯”影响前后较好，因此下面我们将对该时段的雷达资料进行分析。

2008年第16号热带风暴“米克拉”29日上午在南海中部偏西海域生成，之后一路向西，29日晚间到30日凌晨扫过海南岛南部海域，距三亚200多千米，30日上午10时左右在越南广平省一带沿海登陆后迅速减弱。第17号热带风暴“海高斯”9月30日上午在菲律宾南部以东的西北太平洋洋面上生成，生成后持续向西北方向移动，10月3日22时15分在海南省文昌市龙楼镇登陆，登陆时中心附近最大风力有8级（18 m/s）。登陆后，“海高斯”减弱为热带低压，4日17时10分在广东省吴川市大山江镇再次登陆，于翌日凌晨减弱为一低压区并逐渐北上。

图5给出了“海高斯”影响前后雷达和浮标的有效波高同步数据对比图，同步数据时间跨度为9月30日—10月6日，正好是观测海域受到“米克拉”和“海高斯”影响的时段。整体来看，两套数据的有效波高变化趋势比较一致。但雷达观测数据要普遍大于浮标观测数据。

图5 “米克拉”和“海高斯”期间浮标与雷达准同步观测的有效波高对比

9月30日，“米克拉”位于海南岛南部海域，距三亚200多千米，向西北方向移动，受其影响，观测海域的雷达和浮标数据都出现了有效波高的峰值，并随“米克拉”西行移向越南而逐渐回落。随后，“海高斯”开始生成，先于10月3日22时在海南文昌登陆，登陆后减弱为热带低压，4日17时再次在广东吴川登陆。在其不断逼近的影响下，观测海域浮标与雷达观测的有效波高均逐渐增大，并于4日晚间达到最大，此时，“海高斯”对观测场海域的影响达到最大，浮标与雷达观测的有效波高数值吻合很好；此后，随着“海高斯”登陆后强度的减弱，浮标与雷达观测的有效波高开始快速降低，观测数值也比较接近。表现出与“北冕”期间一致的特性，即在台风登陆时的高海况下，雷达和有效波高观测的一致性较好，其他时间，雷达数据多大于浮标数据。

图6是“黑格比”与“海高斯”期间浮标与雷达观测的平均波向准同步观测的平均波向对比图。该图也反映出与有效波高相同的变化特性：在“海高斯”登陆前后，10月4日夜间至6日凌晨，浮标与雷达观测的平均波向数据吻合最好，而在其他时段，两者趋势一致，但大小有一定的差异。

图6 “米克拉”和“海高斯”期间浮标与雷达观测的平均波向对比

表3和表4分别为“米克拉”和“海高斯”期间浮标与雷达准同步观测的有效波高和平均波向的参数统计，结果表明此期间雷达和浮标数据总体上相关性较好，相关系数分别达0.77和0.79。

表3 “米克拉”和“海高斯”期间浮标与雷达观测的有效波高的对比

表4 “海高斯”期间浮标与雷达观测的平均波向的对比

4 结论和讨论

从上述三个台风过程中雷达和浮标观测资料的对比结果可以看出：在台风登陆前后时的高海况下，两种资料的有效波高和平均波向的大小和变化趋势均吻合较好，而在台风来临的前期和后期消退阶段，有效波高和平均波向的变化趋势一致性较好，大小上有一定差异，对有效波高来说，雷达观测值普遍略大于浮标观测值。

统计分析结果表明：浮标与雷达观测的有效波高偏差在误差允许范围内（偏差小于0.5 m），且浮标与雷达观测的有效波高的相关性较好，说明雷达在此海域观测有效波高有较好的适用性，特别对高海况下的有效波高观测结果较好。

由于浮标是对一个定点海域的波浪进行观测，而雷达是对一定面积的海域进行观测，从而反演出该区域的海浪变化，两种不同的观测手段必然造成两种观测数据之间存在系统差异[16]；此外，本文使用的雷达数据还处于雷达调试阶段，雷达参数的设置对于观测结果也有一定影响，因此造成两种观测数据之间存在一定的差异，特别是平均波向的相关性较差，这需要对雷达做更多的试验分析和进一步的调试，从而提高观测的准确性。

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Wave observation during tropical cyclones based on the X-band radar

WANG Jing1，WEN Xiao2，LIU Chun-xia3，HUANG Jian3，LV Wei-hua4

(1.Guangdong Key Laboratory for Urbanization and Geo-simulation,School of Geography and Planning,Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，China;2.Shanghai Hydrology Station,Shanghai,200232,China；3.Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology,China Meteorological Administration,Guangzhou 510080,China;4.Maoming Meteorological Bureau,Maoming 525000,China)

Based on the wave data parameters derived from the X-band radar WaMoS II(Wave Monitoring System)and the in-situ buoy wave data of Bohe Marine Meteorological Observing Station from 11thJuly to 8thOctober,2008,the comparison between two data sets during the period of the three tropical cyclones is given.The results show that：the significant wave height(SWH)and the mean wave direction(MWD)from the radar measurements are in good agreement with that from the buoy measurements in the processes of the SWH and the MWD sharp increasing.However，with the conformity in the tendency,there is difference in the value between two data sets before the tropical cyclones coming and after their landing.

X-band radar,wave,typhoon(tropical cyclone),buoy

book=279,ebook=279

P714

：A

：1003-0239（2012）05-0059-06

2012-07-31

公益性行业（气象）科研专项“南海热带云团活动及其强风的监测和预报技术”（GYHY201106036）；国家重点基础研究发展计划项目（2011CB013701）

王静(1966-)，女，副教授，主要从事海洋遥感应用研究。E-mail:jwang@scsio.ac.cn