三亚湾X 波段雷达海浪比测试验研究

王青颜，周 涛，陈 周

（海南省海洋监测预报中心，海南 海口 570206）

在国土安全、海洋科学研究、海洋工程建设和海洋防灾减灾等领域，海浪是极为重要且复杂的一种海洋气象要素，现场观测是最主要也是最直接了解波浪的方法之一[1-2]，目前常见的波浪观测仪器很多，例如自容式波高仪、波浪浮标等，它们广泛应用于长期、自动、定点的连续观测场合[3-4]。但是自容式波高仪的使用会受到所在地水深的限制，通常使用深度不超过25 m，否则其将无法准确工作，而波浪浮标结构复杂、使用成本高、体积较大、布放与回收难度较大[5-6]。

近三十年来，X 波段雷达遥测海浪技术已经成为一种重要的海洋环境监测手段[7-8]，它可以广泛应用于海洋观测站、船只等载体，从而对当前海况信息进行收集与处理，获取现场海况数据。其工作原理是，通过X 波段雷达所发出的电磁波，在对海面进行入射后，所发射的电磁波与海洋表面的毛细波会产生Bragg 散射[9]，而这种后向散射的回波被海面广泛存在的重力波进行调制，就形成了雷达回波；数据处理时通过对雷达回波进行二维的傅里叶变换，然后从获取的波浪谱中得到相关函数和海浪信息[10-11]。X 波段雷达不但可以实时观测海洋表面波浪数据，还可以获得观测区域内的海洋表面海流数据，同时还具有较高的时空分辨率和海域观测范围，因此其具有广阔的应用前景，可以广泛应用到海洋环境观测和监测中。20 世纪80年代，挪威D0243 公司利用Young IR、Ziemer F 等原理开始进行船载波浪检测雷达的研制，于1999年成功地研制出WAVEX 系统，并在2003年将该系统装备在英国海军“海神”号上。目前国内所使用的X 波段测波雷达大部分依赖进口，只有哈尔滨工程大学、国家海洋技术中心、中国海洋大学、上海广电通信技术有限公司、中国电子科技集团第十研究所等机构研发出了少量国产测波雷达系统。

海南省海洋监测预报中心在万宁石梅湾、三亚海棠湾和三亚湾均布设了X 波段雷达进行业务化观测，至今已经有6年时间。本文利用三亚湾岸站架设的X 波段测波雷达设备与坐底式自容波高仪对同一海区的实时海况进行观测，通过对两者观测数据的比对，来评估设置在三亚湾海域的X 波段全固态相参测波雷达产品对其所观测海区海况信息的探测能力。为了保证实验结果的可靠性，在三亚湾海域共进行了为期9 天的试验，试验时间从2019年8月28 日至2019年9 月5 日，其中，在8 月29 日至8 月30 日期间，2019年第12 号台风“杨柳”（强热带风暴级）的路径恰好影响到比对区域，在9 月2日期间，2019年第14 号台风“剑鱼”（热带风暴级）也在比对区域附近经过，但其对海面波浪的影响较小。在整个对比观测过程中，现场海况变化明显，经历了多种天气变化。根据两种仪器的现场观测数据，将X 波段测波雷达获取的波浪信息与自容式波高仪获取的波浪信息进行综合比对分析。

1 比测海区及仪器说明

本文所使用的X 波段雷达站点位于海南省三亚市天涯区三亚湾皇冠假日酒店的楼顶，雷达所在地理位置坐标：18°17′25″N，109°22′32″E，此位置距离海岸线约150 m，海拔约为28 m。图1 为X 波段测波雷达的安放位置图。

图1 X 波段测波雷达安放位置图

X 波段测波雷达设备及其他仪器布放区域如图2 所示，A 点位代表岸站架设的X 波段测波雷达所在位置，距海边水平距离150 m 左右，与海面垂直距离35 m；B 点位代表波高仪所在位置，距离A 点X 波段测波雷达3 km 左右，处于109°22.902′E，18°16.148′N 附近，水深12 m；同时，图中扇形区域为X 波段测波雷达的可探测区域，扇角宽度为90°，扇形半径为3 km，方框区域（边长0.8 km 正方形） 为X 波段测波雷达测量选定的核心反演区域，位于X 波段测波雷达前方1～2 km 处。C 点代表X 波段测波雷达反演区域中心，处于109°22′47″E，18°16′26″N 附近，经现场确认，C 点处为码头到西岛的游船航线位置，同时，在黄色反演区域周边有很多渔民的养殖网箱，无法完成设备的布放。因此，经过现场实地考察，选择B 点作为波高仪最佳的布放位置，处于X 波段测波雷达设备的可探测范围以内。

图2 测试区域分布示意图

本文使用武汉浩谱海洋探测系统有限公司生产的Hope-CX 型X 波段全固态相参测波雷达进行试验。该X 波段测波雷达定点安装在三亚湾皇冠假日酒店楼顶的制高点，每间隔30 min 进行一次有效观测，采样时间为6 min，其主要参数见表1。

表1 X 波段雷达主要参数表

为了有效验证X 波段测波雷达对于当前海况信息的探测能力，本文选取了日本JFE 公司生产的AWH-USB 自容式波高仪（以下简称波高仪） 作为实验比测仪器，该设备的工作原理是通过其内置的高精度压力传感器测量海水压力的变化并将所测得海水压力有效换算为海面的波高，此仪器的分辨率可以精确到0.5 mm，同时波高观测精度也可达到±1.4‰FS，波浪仪实物如图3 所示。

图3 自容式波高仪

该仪器一般用于水深在25 m 以浅的区域，固定在海底进行观测，水面系留标志物。仪器本身较为小巧，使用过程简易，同时由于其采用坐底的方式使其不易被外界因素所破坏。

2 对比测试研究

由于本文对比测试的X 波段测波雷达设备采用每30 min 进行一次有效观测的方式，因此对应的自容式波高仪同样采用每30 min 工作一次的方式进行观测。本文比测的时间跨度为8 月28 日18 ∶00 至9 月5 日11 ∶30，持续9 天时间，共获取了372 组波高数据和372 组波周期数据，整个数据样本为744 组，其中每组要素数据分别对应两种设备不同数值共计744 个数据，因此整个比测过程的数据总量理论上为1488 个数值。但在比测的过程中，由于供电系统出现短暂断电导致X 波段测波雷达设备出现2 组数据缺失，因此最终使用的数据总量为1480 个。

两种设备的观测数据具体情况见表2。根据表2 记录的数据情况，分为有效波高和有效波周期这两个波浪要素，对观测数据进行了对比和分析。

表2 数据样本分析表单位：个

2.1 波高比对情况

X 波段测波雷达与自容式波高仪波高比对时间为8 月28 日至9 月5 日，选取8 月28 日18 ∶00 至9 月5 日11 ∶30，两种仪器共采集370 组（740 个）数据进行比对，双方结果数据对比如图4 所示。

图4 雷达与波高仪有效波高测量结果对比图

从图4 可以看出，在测量期间波浪高度有多次起伏变化过程，其中从8 月29 日11 时开始到8 月30 日下午（图4 左边红框处），波高变化幅度为0.6～2.6 m，该期间有12 号台风“杨柳”经过；在9月2 日期间（图4 右边绿框处），波高变化幅度为0.5～1.5 m，该期间有14 号台风“剑鱼”经过，但是2019年第14 号台风“剑鱼”（热带风暴级） 对海面波高的影响较小。重点关注在2019年第12 号台风“杨柳”（强热带风暴级） 的影响下，自容式波高仪观测到的有效波高最大值为2.42 m 左右，X波段测波雷达所观测到的有效波高最大值为2.6 m左右，数值较为接近。

根据海南省气象局提供的三亚市天涯区凤凰岛海岛站降雨数据进行统计，2019年8 月28 日至9月5 日的降雨情况如图5 所示。

图5 三亚市天涯区凤凰岛海岛站所统计的降雨时序图

从降雨情况分析，8 月29 日至30 日及9 月2日至4 日是强降雨时间段，其中8 月29 日20 ∶00的降雨量最高。从X 波段雷达和自容式波高仪测量的有效波高数据曲线分析，测量的数据连续并且测得的有效波高和有效波高的变化趋势较为一致。因此，可得出结论：降雨天气未对两种设备测量结果造成较为明显的影响，尤其是从X 波段雷达的探测结果来看，测波雷达在台风强降雨期间依然正常工作。

本文还对波高数据做了进一步的分析，根据X波段雷达有效波高的测量范围0.5～20 m，将波高数据分为0.6～1.2 m 和1.2 m 以上两组进行详细分析。

（1） 分析X 波段测波雷达和自容式波高仪0.6～1.2 m 的波高数据

选取X 波段雷达和波高仪的0.6～1.2 m 波高数据进行比对，比对数据共有174 组（348 个），双方结果数据对比如图6 所示。

图6 雷达有效波高0.6～1.2 m 测量结果对比图

从图6 可以看出，两种仪器的波高变化趋势大致相符，但是由于两种仪器对波浪的测量范围不同，在测量精度上也存在差异，因此，在波浪较小的情形下，两组数据的吻合度较为一般。

（2） 分析X 波段测波雷达和自容式波高仪1.2 m以上的波高数据

选取两种仪器在1.2 m 以上的波高数据进行比对，比对数据共有49 组（98 个），双方结果数据对比如图7 所示。

图7 雷达有效波高1.2 m 以上测量结果对比图

从图7 可以看出，两种仪器波高曲线的变化趋势基本一致，观测到的最大有效波高也大致相同。

2.2 波周期比对情况

X 波段测波雷达与自容式波高仪波周期比对时间与有效波高是完全一致的，共采集370 组（740个） 数据，对比图如图8 所示。

图8 雷达与有效波波高仪周期测量结果对比图

从图8 可以发现，X 波段测波雷达与自容式波高仪这两种观测设备所获取的有效波周期基本上比较接近，然而在波周期数值的变化趋势上却存有一定的差异[12]。经分析，X 波段测波雷达利用雷达电磁波Bragg 散射效应的原理，测量的是一片海面整体的波浪变化情况，而自容式波高仪通过内置的高精度压力传感器测量海水压力的变化有效换算为海面的波高变化，测量的是海面某个固定点的波浪变化情况，面和点测量波周期数值的变化趋势上存在一些差异，这种情况应该是两种仪器的测量原理完全不同所导致的，因此，波周期变化趋势出现差异的现象在实际测量过程中较为正常。

其中，从8 月29 日11 时开始到8 月30 日下午（图8 左边红框处），波周期变化幅度为5.3～7.2 s，该期间有2019年第12 号台风“杨柳”（强热带风暴级） 经过；在9 月2 日期间（图8 右边绿框处），2019年第14 号台风“剑鱼”（热带风暴级） 从附近经过，但是对海面波浪的影响较小。重点关注在2019年第12 号台风“杨柳”（强热带风暴级） 的影响下，波高仪观测到的有效波周期最大值为7.703 s 左右，雷达所观测到的有效波周期最大值为7.1 s 左右，两者数值较为接近。

2.3 数据分析结果

通过对比分析两种仪器的实际测量数据，将有效波高数据分为0.6～1.2 m 和1.2 m 以上两组，并使用上述比对方法对自容式波高仪和X 波段测波雷达的有效波高测量数据进行对比分析，相关系数、均方根误差计算如式（1）和式（2）所示。

式中，Xi、Yi为数组中的各个数值；Xa、Ya为数组的平均值；r 为两组数据间相关系数；R 为两组数据间的均方根误差；N 为数组内数值个数。

由式（1）和式（2）计算得出，在0.6～1.2 m，两种探测设备的相关系数为0.7245，均方根误差为0.1869 m，置信度检验为81.2%。此结果表明，两套不同的产品对于有效波高测量值的相关性较为一般，这主要是由于两种仪器的工作方式不同所导致的，但是两组数据的均方根误差相对较低，证明两种仪器对于海面波高的观测值吻合度较好。在1.2 m以上，两种探测设备的相关系数为0.9034，均方根误差为0.1773 m，置信度检验为84.3%。该结果表明，两套不同的产品对有效波高1.2 m 以上的测得值相关性较好，测量误差相对较低，探测结果存在较好的一致性。数据比对结果见表3 和表4。

表3 有效波高0.6～1.2 m 对比结果统计表

表4 有效波高1.2 m 以上对比结果统计表

最后，对X 波段测波雷达与自容式波高仪这两种观测设备的波周期比对结果进行分析和讨论。由于前文提到的两种仪器观测原理存在差异，无法采用计算两者所测数据相关性系数的方式进行有效波周期的统计，因此通过计算两组数据的均方根误差，来分析有效波周期的数据情况。通过计算可得，X 波段测波雷达与自容式波高仪所测得的波周期数据的均方根误差为0.8128 s，比对结果见表5。

表5 有效波周期对比结果统计表

3 结论

本文在三亚湾进行了为期9 天的X 波段测波雷达和自容式波高仪现场比对测试，并对所获取的观测数据进行了对比分析，得出结论如下。

（1） X 波段测波雷达工作方式基本可靠，能够有效探测对应海域的海浪变化情况。

（2） X 波段测波雷达设备能够在台风、雨雾等复杂天气下保持正常工作，与比测设备（波高仪）的测量值具有较好的相关性。

（3） 根据现场比测情况可以看出，X 波段测波雷达进行海浪观测的方式，比较适合于大范围海域测量，可以有效反演出X 波段雷达所观测区域内的整体海浪信息。

（4） X 波段测波雷达用于岸基的波浪观测是一种非常优良的业务化观测手段，维护费用和维护难度都低于离岸浮标观测方式，海南省海洋监测预报中心建设的X 波段测波雷达，投入运行至今经历了多个台风天气过程，系统运行稳定可靠，能够直观反映现场海况的变化信息，并取得较好的观测效果，满足海洋环境观测业务的需求。建议各级海洋观测部门加强该方式的应用，也可在平台基、岛基、船基进行推广应用。

波浪观测实验的数据比对分析结果为后续X 波段测波雷达系统的优化提供了方向。在波高范围为0.6～1.2 m 时，压力测波与X 波段雷达测波所测得的数据相关性较为一般，两种观测方式所测波高数据的相关系数仅为0.7245。因此，接下来需增加X波段测波雷达与其他各类测波设备在该波段的波高比测实验，分析误差产生的具体原因，进一步优化X 波段测波雷达的选型、选址与参数设置，并制定明确的应用规范，从而提高X 波段测波雷达对海况观测的精确度。