我国高频地波雷达应用现状与发展建议

李 程，刘玉龙，杨 扬，郑 兵，杨 益，丁 峰，史潇潇

国家海洋信息中心 天津 300171

高频地波雷达（又称高频表面波雷达）利用垂直极化的高频（3～30 MHz）电磁波在海洋表面绕射传播衰减小的特点，能超视距探测风场、浪场、流场等海洋动力学参数和海上低速移动目标[1]。在海洋环境监测领域，高频地波雷达具有功能多、性价比高、能全天候对大面积海域进行连续观测等优点，与海洋卫星遥感相比具有造价低、测量精度高、空间分辨率高、重复采样频率高等特点，可有效提高近海动力环境场的大面业务化预报能力。因此在气象预报、防灾减灾、航运、渔业、污染监测、资源开发、海上救援、海洋工程、海洋科学研究等方面具有广阔的应用前景。

1 高频地波雷达运行现状

1.1 国外地波雷达运行现状

目前，全世界高频地波雷达总数已超过450台，典型代表包括美国的SeaSonde系统、德国的WERA系统和加拿大的SWR-503系统等[2]。其中，以美国CODAR公司的SeaSonde雷达为主，产品分布在北美、欧洲、亚洲以及大洋洲等，超过400台。美国十分重视其本土沿岸的地波雷达观测系统建设，已有超过143台SeaSonde在运行。美国高频地波雷达已实现产业化及全海岸线监测网布设，包括东西海岸、夏威夷群岛和阿拉斯加沿岸等（图1）。根据NDBC网站（https：//hfradar.ndbc.noaa.gov）公布的一份说明资料，美国沿岸的地波雷达探测范围达到离岸300 km，并且在近岸、海湾及港湾地区，采用短程高频地波雷达进行补充，所采用的设备都是本国产的SeaSonde系统。沿岸雷达观测网获取的数据已被美国近海的海洋动力环境业务化预报系统所采用。雷达数据主要用途包括：海岸警卫队搜救任务、危化品泄漏事故响应、水质监测以及海上航运保障等。

图1 美国东海岸高频地波雷达实时观测结果图

1.2 国内地波雷达运行现状

我国用于海洋环境监测的高频地波雷达主要为武汉大学研发的OSMAR系统。在国家重大项目的支持下，经过多次的测量与现场试验，OSMAR系列发展迅速，从OSMAR2000到OSMAR2003，系统对海流的探测已较为成熟。而变频高频地波雷达OSMAR071，较之前的OSMAR系列，在风、浪探测方面有了明显突破。根据国家海洋信息中心统计的结果显示，截至2021年12月，我国业务化运行的国家地波雷达网共有18个站位（表1）。其中，自然资源部北海局负责4个高频地波雷达站的业务化运行，自然资源部东海局负责10个高频地波雷达站的业务化运行，自然资源部南海局负责4个高频地波雷达站的业务化运行。形成的9套地波雷达观测系统探测范围覆盖我国近海海域，观测要素包括表层海流、海面风和海浪等，时间分辨率为10 min或20 min。

表1 地波雷达站观测信息列表

1.3 国内外地波雷达对比

民用高频地波雷达根据天线阵列体制分为小阵列式和紧凑便携式。前者阵长几十米到数百米，如德国的WERA和我国的OSMAR阵列式系统，后者以美国的SeaSonde为代表（表2）。紧凑便携式最大的优点是对阵地的要求低，安装适应性强。而阵列式雷达在探测精度上更具优势，这是由基本的天线探测理论所决定的[3]。从现有的设备上看，只有阵列式地波雷达才能提供大面积风、浪结果分布，而紧凑式天线系统（如SeaSonde）只可提供雷达站周围2 km以内的风、浪信息（整个区域作为一个单点处理），尚不能提供大面积风、浪参数的分布信息。

表2 中美高频地波雷达对比

2 我国地波雷达应用现状

针对地波雷达观测所获得的长时间序列以及大面积的海流、风、浪等资料，国内研究院所从潮汐潮流预报、比测试验、数据质控和数据同化等领域对其应用进行了探索。

2.1 潮汐潮流预报

东海预报中心依托上海市科学技术发展基金项目《邻近海域表层海流实时监测仿真集成技术研究成果汇编》，利用芦潮港-大戢山站地波雷达2002年11月至2005年5月的实时监测海流资料，结合附近海洋站的潮位、风资料，建立了芦洋海域海洋气象资料数据库；利用调和分析的方法进行潮流分析，建立了芦洋海域的海流预报模式，进行24 h芦洋海域表层海流业务化预报[4]，并且应用动态可视化软件将大面积、全天候海流流场演变过程以动态的形式展现出来，如图2所示。

图2 芦洋海域三维海流预报界面

2.2 地波雷达海上比测试验

2012年，武汉大学牵头承担了海洋公益性行业科研专项经费项目“小型海洋环境监测表面波雷达产业化关键技术研究与示范”（项目编号201205032）。国家海洋信息中心负责子任务2“小型阵变频高频地波雷达对比验证及产品应用研究”，负责制订科学的比测方案，组织实施大规模的海上比测试验，全面检验小型阵变频高频地波雷达的系统探测性能[5]。

图3是比测试验期间地波雷达风速风向与浮标观测的对比结果。从结果上看，地波雷达完整地获取了1509号台风“灿鸿”经过比测海域期间的风速、风向变化趋势，在一定程度上反映出雷达具有较好的风探测能力。

图3 雷达与浮标的风速风向比对结果

此次台风中心轨迹恰好经过了比测海域，“嵊山-朱家尖”地波雷达在极端海况条件下获取了台风经过期间宝贵的连续观测数据。

2.3 地波雷达数据质控评估和产品制作系统

根据预报减灾工作方案和国家海洋信息中心业务化应用方面的实际需求，搭建了“高频地波雷达组网、评估、产品制作系统”，如图4所示。该系统基于高频地波雷达矢量流合成、地波雷达数据处理、质量控制、产品制作和数据质量评估等技术，以单站观测数据为基础，参考相关标准规程要求，通过合成站打点率分析、合成站范围确定、组网数据生成、数据标准化、数据精确度评估和产品制作等，生成高频地波雷达标准数据集，为海洋防灾减灾提供了可靠的观测数据和相关的产品[6]。

图4 地波雷达数据处理分析系统示意图

2.4 数值模拟的数据同化

已有一些科研单位将地波雷达资料用于海流数值模型的数据同化中，用以提高模型的计算精度。中国海洋大学在长江口邻近海域对该系统进行了应用，将观测模块、预报模块以及同化模块进行代码整合，即构成了完整的以数值模式FVCOM为载体，嵌入改进集合Kalman滤波同化（SENKF）算法，糅合高频地波雷达数据与模式数据，最后得到了高精度同化数据集的高频地波雷达数值同化系统[7]。

基于双站高频地波雷达表层流资料，对模式表层流数据进行同化，同化时间为2010年4月30日16时至5月31日15时，如图5和图6所示。可以看出：同化前，表层流以东南向流动居多，而同化后流向则以东向为主，与观测流向基本趋于一致。从流速大小的空间分布来看，同化前最显著的特点是在观测区域中部偏东存在一个南北走向的带状流速高值区，而在同化后，流速大小的空间分布特点与观测基本一致，即整个观测区域流速普遍要小于同化前且分布大致均匀，经过数据同化，预报结果在海流分布及数值方面与地波雷达观测更趋一致，改进了海流数值预报结果。

图5 地波雷达流场数据同化前效果图(2010年5月18日8时)

图6 地波雷达流场数据同化后效果图(2010年5月18日8时)

3 我国地波雷达发展建设及建议

我国现阶段近海地波雷达的应用实践表明，地波雷达监测的近岸表层流基本可反映近岸流场的环流结构和变化情况，具有一定的业务化应用价值。但是与欧美发达国家已开展的大规模列装和业务化应用相比，我国地波雷达的应用和发展存在一定的差距，尚难以满足防灾减灾的实用工作需求。

3.1 开展反演算法研究提升雷达探测能力

目前国产地波雷达存在的共性问题是流速观测精度相对较差，转流时间段和高流速的观测敏感度较低。造成观测精度较低的原因主要来仪器自身观测机理、信号处理和数据反演方法等[8]。应加强对地波雷达单站径向数据的质量控制并对应反演算法进行改进，减小地波雷达观测结果与实际海流之间的误差。对于业务性单位，最切实可行的方法是提升地波雷达资料观测环境管理、业务化运行维护、观测数据质量控制等方面的能力，制定相应的标准规范，切实提升雷达数据在海洋业务中的应用水平，提高地波雷达观测准确度和数据可利用度[9]。因此要开展雷达用户与雷达设备研发团队的互动与交流，加快相关标准规范的制定。

3.2 针对性布放浮标检验雷达数据可靠性

目前国内地波雷达业务化运行的问题主要体现在雷达的校准和观测结果的对比观测方面。按照地波雷达仪器设备运行要求，需要每年对地波雷达进行校准，并定期对合成流场、浪、风的结果进行对比验证[10]，以检验雷达的数据可靠性。

以自然资源部东海局3套高频地波雷达为例，目前雷达探测核心覆盖区域内无国内的业务化运行浮标，无法有效地开展地波雷达性能的检验。因此，需要在雷达有效探测范围内，充分考虑雷达在不同距离、不同方位上的探测能力，针对性地布放浮标，用于检验雷达数据的可靠性，并为雷达校准提供数据支撑。

3.3 合理规划建立地波雷达立体观测体系

地波雷达相对于其他海洋探测仪器的一个巨大优势就是能够实现组网观测，从而大大提高观测效率[11]。目前美国沿岸和近海的高频地波雷达观测网都已经实现了组网观测[12]，但这一技术在国内还不成熟，地波雷达分布较为零散，还没有在业务化中得到充分应用。因此，需要全面论证分析，科学系统地做好沿海地波雷达监测网的综合性规划。

建议采取长期规划，稳步发展的方式，慎重选址以及基建。可以考虑在我国北部、东部和南部等不同海区，对经济发达地区、海上航行繁忙地区、海上溢油多发区、海上事故多发区、赤潮灾害严重区等有选择性地开展建设，建设时应考虑雷达站之间的组网。

3.4 挖掘雷达产品价值推广业务应用工作

地波雷达观测所获得的长时间序列以及大面积的海流、风、浪等资料，是其他传统观测手段不能企及的。除了为灾害预报提供基础资料外，地波雷达观测资料还具有其他应用价值。美国沿岸雷达观测网获取的数据已被充分应用于海岸警卫队搜救任务、危化品泄漏事故响应、水质监测以及海上航运保障[13]。但目前国内观测数据应用仍存在数据量不足的问题，另外，由于与现场比测工作少，使用者对雷达观测数据也仍缺乏信心。

在未来发展中，应在充分验证雷达数据可靠性的前提下，挖掘雷达数据海上化学品污染或溢油、海上搜救、航行以及滨海的休闲娱乐活动中等方面的可用性。此外，地波雷达资料还可以指导海洋站点和其他短时观测站的布设，为港口的选址、海洋工程建设等提供专项服务。