苏北浅滩波浪传播速度和流速的高频地波雷达探测

摘要

高频地波雷达遥感监测技术比起传统监测技术和卫星遥感技术，独具优势:探测精度高，实时性好，不受恶劣天气及海况的影响，可连续大面积监测海洋表面，已经成为海洋环境立体化监测网中最重要的技术支撑之一。中国东部沿海以强潮宽陆架为特征，潮间浅滩广为发育，动力环境相对复杂，亟待形成适用于潮间浅滩的高时空密度海面流场观测能力。
　　 然而，在平均水深一般小于5m的潮间浅滩，高频地波雷达反演海面动力参数的假设发生改变:其波速按微幅波理论偏离深水波频散关系，据浅水波理论也偏离双向同速传播假设，再加上高频地波雷达探测目标与现场仪器探测目标在浅水条件下的更复杂关系，各环节引入偏差在潮间浅滩普遍增大，以致高频地波雷达反演海表流速的比测误差相对深水区剧增。因此，潮间浅滩等近岸浅水海域通常为商用高频地波雷达系统缺省设置为海面流场探测盲区。
　　 本文选择潮间浅滩宽达50 km的南黄海西部苏北浅滩为研究区，剖析各环节偏差规律，提高数据质量控制水平，改进反演策略，推动高频地波雷达在潮间浅滩动态遥感监测中的应用。本文的主要研究内容和结论如下:
　　 结合研究区域的特点，将箱线图法运用到了高频地波雷达观测数据的多维度特征和多环节偏差规律分析中，发现在潮间浅滩一类浅水区域的高频地波雷达有效采样率在大小潮、白昼、距离、方位、不同潮时均有明显差异;在空间上也呈现出不均匀分布的特征。引入正频移与负频移的关联性检验后，发现了不同水深条件下的雷达元信号差异。据此，从数据的合理性、连续性和关联性方面，针对性设计了包括基于频移的一级质量控制、基于波速的二级质量控制的潮间浅滩高频地波雷达数据质量控制流程，执行自动的数据质量检验，收到良好的质控效果。
　　 基于质控后的高频地波雷达数据，应用正频移与负频移联解方法，实现潮间浅滩海面波浪传播速度的观测。所绘制的苏北浅滩平均波速平面分布图，可分辨出与潮间浅滩、水下岸坡和潮汐水道等浅滩地貌单元相关的波速分区格局。同步检验表明:雷达观测波速与现场观测水深的关系统计意义上遵循微幅波理论，较大径向流速条件下的波速观测质量较好，复杂地形所致双向波速不等条件下的波速观测质量降低。
　　 最后分别按高频地波雷达海流经典反演方法和正负频移联解方法反演苏北浅滩的海表矢量流场，并对矢量流流速和流向进行了详细比测分析，认为反演结果适合用于趋势性上的分析，对浅滩动力环境可作描述性解释和研究。基于雷达元正频移与负频移的散点密度分布图计算的径向流速上下边界，可定性分析苏北浅滩潮流系统的涨落潮流路分异特征。

目录

声明

Contents

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 高频地波雷达发展概述

1．3 本文研究思路

1．4 本文主要内容

第2章 高频地波雷达探测原理

2．1 高频地波雷达系统结构

2．1．1 天线

2．1．2 发射机

2．1．3 接收机

2．1．4 信号处理机

2．1．5 辅助设备

2．2 高频电磁波与海洋的相互作用

2．2．1 海洋基本概念

2．2．2 一阶相互作用

2．2．3 二阶相互作用

2．3 海面回波方位的确定

2．4 海面环境参数的反演

2．4．1 波速

2．4．2 流场

2．5 小结

第3章 潮间浅滩观测试验及数据质控

3．1 研究区域

3．2 高频地波雷达观测

3．3 数据特征

3．3．1 评估参数与箱线图

3．3．2 一维变化特征

3．3．3 空间分布特征

3．3．4 正负频移散点分布特征

3．4 检验数据集

3．5 数据质量控制

3．6 小结

第4章 潮间浅滩波浪传播速度的特征

4．2 苏北浅滩的雷达观测平均波速分布特征

4．2．1 月平均波速分布

4．2．2 周平均波速分布及变化趋势

4．2．3 各潮时平均波速分布及变化趋势

4．3 波速观测的影响因素分析

4．3．1 波速与水深的关系

4．3．2 径向流对波速观测的影响

4．3．3 双向波速不等现象对波速观测的影响

4．4 小结

第5章 潮间浅滩流速的反演与分布特征

5．1 高频地波雷达流速反演方法

5．2 高频地波雷达与ADCP的比测分析

5．2．1 矢量流流速比测分析

5．2．2 矢量流流向比测分析

5．3 潮间浅滩最大径向流分布特征

5．3．1 最大径向流定义

5．3．2 最大径向流分布特征

5．3．3 最大径向流速双向不等现象

5．4 小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢