X波段雷达观测暴风雨天气折射波浪场研究

杨震

X波段雷达观测暴风雨天气折射波浪场研究

杨震

(筑波大学构造与能源工程学院，茨城 305-8573)

X波段雷达可用于观测折射波浪场并捕获如波峰等海面特征。该X波段雷达安装在面向太平洋且呈直线的海岸上，以小时为单位收集大约5公里长的海岸表面数据。本文对2005年7月26日台风BANYAN发生中的9个小时的折射波浪场进行分析，通过傅里叶变换过滤图像得到各方向的波数，并计算出了波向，水深和沿岸流速。该研究为理解沿岸流的特性有一定的指导意义。

X波段雷达 沿岸流 波数 暴风雨

0 引言

沿岸流是引起漂砂的主要原因，会导致沿岸沙地减少等经济损失，因此找到一种快速且准确地计算沿岸流速的方法将对海岸环境管理起到重要作用。本文分析了倾斜入射引起沿岸流的波浪场，利用快速傅里叶变换得到每小时的卓越周期过滤图像，运用相位得出波数最终计算出沿岸流速，对理解沿岸流的特性具有一定的指导意义。

1 X波段雷达

X波段雷达设置于日本波崎海洋研究所 (HORS)，且每隔2 s全天候的观测着周边沿海的海浪流动。该研究所位于日本茨城县神栖市鹿岛南部海岸，其北方是鹿岛港，南至铫子渔港，两港相距约17公里。X波段雷达图像是通过捕获微波照射海面的反射波来创建的，可以不太受暴风雨天气的影响而收集高分辨率的数据，克服了传统视频成像的局限性。雷达图像如图1所示，海浪由图像的右上方传播至左下方，倾斜的白色部分为海浪的波峰，下方中心处的黑点为雷达本身，雷达上方的亮白色部分为长约400 m的栈桥。X 波段雷达每2秒收集一张水平方向1024个像素和垂直方向512个像素的图像。图像的水平范围为5556 m (3.0海里)，垂直范围为2778 m (1.5海里)，因此空间分辨率为每个像素5.42 m。其中像素强度范围为0到255，灰度对应于雷达反射波的相对强度。

图1 雷达图，分析区域(右半)

2 分析暴风雨期间的波浪场

对雷达图像中的反射波数据波动进行频率分析(傅立叶变换)来创建频谱，傅里叶变换由下式表示

(2)

图2 所有时段的FFT频谱(离岸方向=1000 m)

表1 分析组数，卓越频率，卓越周期

图3 雷达图像(左)和过滤后图像(右)，22:00

3 通过相位进行波数分析

波的传播方程如下所示，

图5 相位解卷绕之后的沿岸分布(22:00)

图6 为常数时的相位离岸分布(22:00)

图8 波数分布，(22:00)

4 理论计算

整体的波数如下，

波数与波长，波速与水深，波长、波速与周期的关系如下所示，

5 结果与分析

5.1 波向

图9 波向的离岸分布

水深15 m处波向与NOWPHAS测算的数据的对比如图10所示，其中本文计算周期为一小时，而NOWPHAS的数据覆盖7月26日至27日两天且周期为两小时。可观察到呈现相同的波向变化趋势，波向的计算具有一定可靠性。

图10 波向与NOWPHAS数据的比较(水深15 m)

5.2 水深

图11 水深的离岸分布

图12 水深与潮汐的变化趋势

5.3 沿岸流速

图13 沿岸流速的离岸分布

图14 栈桥处=385 m沿岸流速变化

6 结论

1）利用傅里叶变换等确定各时段的卓越频率，将该时段的折射波浪场过滤成单张图像，其中的相位变化可分解为沿岸和离岸方向的波数。

2）在沿岸方向一致的地形下，通过波数计算出的波向与水深具有一定的合理性。为求得沿岸流速，除了X波段雷达图像以外，还需要得知该区域沿岸处的水深。

[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

杨震(1995-)，博士，研究方向：海岸动力学与环境分析。E-mail：bnqqnb@163.com.