高频地波雷达在近海区域的应用研究——以台湾海峡为例

摘要

高频地波雷达利用垂直极化的高频电磁波沿高导海水表面传播时能量衰减较小的特性，对海洋环境状态(如风、浪、流等海洋动力学参数)、海上低速移动目标等实现超视距监测和定位。与传统仪器比较，其具有观测距离远、覆盖面积大、反演要素多、可全天候工作等特点，与卫星遥感相比则具有造价低、空间分辨率与采样频率高等特点。随着技术的进步，地波雷达在近海观测系统中逐步发挥着重要作用，并成为数据的重要补充。 本研究依托于863计划福建示范区项目，应用设备为武汉大学设计制造的高频地波雷达OSMAR系统。利用2005年6，7月安装调试初期的观测表明，该雷达观测采样的周日变化明显，采样覆盖率50％的观测范围可达到125km。雷达径向流的潮流分布与传播特征的空间特征与以往研究相似，表明该雷达观测海流结果的合理性，不同时段观测结果的一致性也证明了该雷达的稳定性。 利用福建示范区内的浮标ADP以及908座底式潜标ADCP的海上观测，以同步序列的距离均方差为比测误差评价标准，对福建示范区OSMAR2003海流的观测误差进行了验证，东山、龙海两雷达站径向流的比测误差在7.6—12.5cm/s之间，方位角误差在10°以内，合成矢量流流速以及u，v分量在8.6—13.0cm/s之间。利用台湾浅滩沙波区域的走航ADCP的海流观测，并与基于雷达观测预报的潮流结果的比测误差为10.4cm/s，雷达观测的结果代表了区域的平均结果。对以往雷达反演海流的比测验证进行总结并发现，雷达海流的观测误差在7-20cm/s之间，误差主要来源不仅来自仪器自身的观测误差，同时也与雷达和比测仪器观测目标之间的差异有关。就海流观测，OSMAR2003地波雷达的观测能力达到了国外同类产品的水平，且雷达在运行期间的测度稳定。 故此，本文利用高频地波雷达的海流观测，开展台湾海峡海洋学研究。 利用雷达的冬季观测，揭示了东山—龙海附近海域的表层潮流的精细结构特征，潮流的主要特征与以往的认识基本一致，潮流椭圆旋转率零线比以往的研究更偏北，在浮头湾附近向东南偏东方向延伸。S2、O1分潮流的椭圆主轴指向、旋转率的分布特征与M2分潮的分布特征相似，潮流振幅大致为M2分潮的1/3和1/10。台湾海峡由南向北传的谐振潮波与由北向南来传播潮波的共同作用，K1分潮在澎湖列岛西侧海域出现了逆时针旋转的圆流点。 2006全年的观测表明，台湾海峡西侧表层流场的的变化主要为冬夏两个阶段，11—5月为冬半年，6—10月为夏半年；由冬向夏的转换较为缓慢，而由夏至冬的转换迅速，主要受制于季风。顺岸风速与顺岸流速的统计关系以及ADCP的海流剖面观测表明，台湾海峡西侧的平均10cm/s的北向背景流(backgroundcirculation)常年存在，春夏季流速为10-20cm/s，冬季小于5cm/s。表层因受季风控制而体现为漂流特征，上Ekman层以下为常年的北向背景流控制。 进一步分析冬季表层海流的亚潮波动，发现其以顺岸分量为主。风、海流、福建沿岸水位的波动特征具有较强的相似性，主要波动周期分别为8天，4.6天，3.2天和2.3天。4.6天和3.2天波动周期的海流波动为远地风与局地风的混合作用，前者以远地风强迫为主，后者则以局地风为主。2.3天的波动周期，水位与余流的波动均不受局地风以及远地风驱动传播的影响。 最后，以南海北部陆架区域对台风的近惯性振荡响应过程为基础，0519号台风“龙王”期间，台湾海峡流场对台风过程的响应得以体现，台湾海峡流场流向受风向控制发生显着改变，影响持续时间在4—5天左右。台风过境后，流场迅速恢复至潮流强迫，并且无自由振荡出现。 本文以福建示范区地波雷达监测系统两年多的运行为基础，对高频地波雷达的多方面相关内容进行全面总结，验证了OSMAR2003的观测误差，并应用于观测区域的潮流、海流、亚潮波动、台风响应等内容的研究，为今后高频地波雷达的发展与应用以及在台湾海峡海洋学研究奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1地波雷达的应用意义

1.2地波雷达的概念

1.3台湾海峡

1.4论文的选题依据及主要研究内容

第二章高频地波雷达的原理及其在海洋学的应用

2.1海浪的Bragg散射

2.2高频地波雷达提取海洋动力参数原理

2.2.1高频地波雷达海流测量原理

2.2.2高频地波雷达海浪谱、波高、周期测量原理与方法

2.2.3高频地波雷达测量海面风原理

2.3高频地波雷达系统的发展与现状

2.3.1高频地波雷达的径向流图

2.3.2高频地波雷达的主要类型

2.3.3宽波束雷达的算法原理

2.3.4高频地波雷达合成算法、观测系统与监测网

2.3.5高频地波雷达研发之展望

2.4高频地波雷达在海洋学研究中的应用

2.4.1海洋表层动力过程的应用研究

2.4.2垂向流速剖面特征分析

2.4.3数值同化与预报

2.4.4海洋学应用之展望

2.5我国地波雷达系统的研发与应用

2.5.1 OSMAR2000系统

2.5.2 OSMAR2000系统的信号处理过程与合成方法

2.5.3国内地波雷达系统的安装运行现状

2.5.4国内海洋学界对高频地波雷达的应用与研究

2.6 小结

第三章863福建示范区高频地波雷达监测系统与初步分析

3.1福建示范区OSMAR系统

3.1.1地波雷达监测子系统概述

3.1.2福建示范区地波雷达系统的总体技术概述

3.1.3地波雷达软件系统、数据采集与处理过程、数据链

3.2福建示范区OSMAR2003的安装、调试与调整

3.3地波雷达监测系统的产品

3.4雷达监测系统运行情况

3.4.1雷达工作时段

3.4.2地波雷达海流数据采样情况分析

3.4.3径向流数据的采样覆盖率

3.4.4讨论

3.5海流数据的初步分析

3.5.1径向流数据的质量控制

3.5.2调和分析

3.5.3测度稳定性

3.5.4径向流M2分量的振幅

3.5.5径向流M2分量的迟角

3.5.6讨论

3.6 小结

第四章OSMAR2003地波雷达系统海流观测的验证

4.1高频地波雷达海流观测验证研究进展

4.1.1国外海流观测验证研究回顾

4.1.2地波雷达与传统仪器海流的比测误差

4.1.3比测结果的评价

4.1.4讨论

4.2 OSMAR2003地波雷达系统与小浮标ADP的比测

4.2.1数据与方法

4.2.2 HFR与ADP投影径向流对比

4.2.3 HFR合成矢量流与ADP的对比

4.2.4讨论

4.3 OSMAR2003地波雷达系统与座底式锚定ADCP的比测

4.3.1数据

4.3.2 HFR与ADCP投影径向流对比

4.3.3 HFR与ADCP径向流方位角对比

4.3.4 HFR合成矢量流与ADCP的对比

4.3.5 HFR与ADCP海流序列调和常数对比

4.3.6 小结

4.4 HFR观测区域代表性验证

4.4.1观测与数据

4.4.2结果分析

4.4.3基于HFR观测的预报与实测的对比

4.4.4特殊天气情况下的HFR的表征性

4.4.5小结

4.5 OSMAR2003观测稳定性分析

4.6 小结

4.7本章附录

4.7.1沙波地形特征

4.7.2沙波区域流场的细微结构

4.7.3沙波特征地形(波峰波谷)的M2分潮潮流特征

第五章潮流

5.1数据与方法

5.2潮流场特征

5.3讨论

5.4小结

第六章环流及其季节性变化

6.1数据

6.2各月平均流场的特征

6.3顺岸流的时空演进

6.4风与流的对应关系

6.5背景流场

6.6讨论与小结

第七章冬季海流的亚潮波动特征

7.1数据与平均流场

7.2结果

7.2.1余流、风的变化

7.2.2顺岸风、顺岸流、沿岸水位的统计特征

7.2.3功率谱分析

7.2.4交叉谱分析

7.3小结与讨论

第八章近海对台风的响应

8.1台风维纳过后南海北部陆架海域的近惯性振荡

8.1.1 8616号台风维纳

8.1.2观测与数据

8.1.3余流功率谱分析

8.1.4台风Wayne过后近惯性振荡过程分析

8.1.5台风过程流与风速的关系

8.1.6台风流的衰减

8.2地波雷达对台风龙王的监测与初步研究

8.2.1 0519号台风龙王

8.2.2观测与数据

8.2.3结果与讨论

8.3小结

第九章总结与展望

9.1总结

9.2不足之处与未来展望

参考文献

附录

致谢