高频地波雷达探测海面风浪场的研究

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1、武汉大学博士学位论文高频地波雷达探测海面风浪场的研究姓名：黄为民申请学位级别：博士专业：空间物理学指导教师：侯杰昌2000.11.1摘要高频雷达能探测海面风、浪、流等动力学要素。它在海洋学上可用于研究海浪性质，能实时监测海况而服务于航海业，还能获取气象预报中所需的海面风场图。本文结合国家863计划海洋领域重大课题“高频地波雷达海洋环境监测技术”，研究了由高频雷达海面回波提取海浪参数和风场信息的若干问题。～l详细分析了BarrJck、Lipa、Wyatt、Howell、Hisaki等人反演浪高谱、浪高的方

2、法，并给出了各种方法的利弊和精度。针对Barrick和Howell的方法在雷达工作频率较低时只能反演出低频段的一小段海浪谱的缺点，提出了一种简单易行的改进方法——模式追加法。即对于频率较高的海浪采用PM谱模型，并利用谱的连续性，求出PM谱中的有关参数，从而使得雷达工作在较低频率(如6-9MHz)时也能获取完整的浪高谱。系统研究了从高频雷达回波多普勒谱中提取海面风速和风向的各种方法，分析了每种方法的优缺点及误差范围。对于求风速的SMB和JONSWAP两种算法进行了模拟对比，得出SMB优于JONSWAP算法

3、的结论。关于风向的确定，针对单站雷达提出了消除风向模糊性的多波束最小差值算法。提出了利用高频雷达遥感海面阻力系数和风应力的方法。先由海面回波多普勒谱提取浪高谱、有效浪高和峰值频率，再用SMB算法求海面风速，然后根据Blake的海面阻力系数经验表达式确定海面阻力系数及风应力。模拟反演实验结果表明该方法正确可行。因此，本文为测量海面阻力系数和风应力提供了一个薪的有效方法。提出了基于人工神经网络由高频雷达回波多普勒谱反演风速的方法。将归一化的雷达海面回波多普勒谱与风速的非线性关系表现在BP网络中，通过～定数量

4、样本学习后的网络，只要向网络输入实测回波多普勒谱值就可快速求出海面风速大小。该方法无须作任何近似或非线性处理，是一种纯粹的非线性反演法。仿真反演结果表明用神经网络反演风速的方法简单便捷，能满足实时反演的要求，且精度优于其它方法。基于Windows98平台运用Visualc++5．0开发了“高频地波雷达海洋环境监测技术”应用软件系统。采用新研制的高频地波雷达OSMAR2000在东海的实验数据，进行了浪高谱、浪高参数及风场反演，并与传统观测仪器实测的数据作了对比和分析。雷达反演的有效浪高与观测船探测结果的平

5、均误差为0．323m，风向误差为200，风速为0．6m／s，浪周期误差为O．3s，探测风向的距离达到180～220km。浪高参数和风速的探测距离可达80～120km。实验结果表明osMAR2000反演海面风浪场的方法是有效的，各项指标实现了预期研究目标，整体性能达到了20世纪90年代后期国际先进水平0关键词：海浪谱，风场，多普勒谱，高频雷达，遥感，AbstractHFradarcanbeemployedtosenseremotelyseasurfacedynamicparameterssuchaswav

6、e．windfieldandSUl"facecurrentvelocity．ItiSimportantforfi)detailedoceanographicmeasurementsofthecharacteristicsofseawaves，(ii)routinemonitoringofseastateformaritimepurposes，(iii)deductionof、Ⅳindpatternsabovetheseasformeteorologicalpurposes．Inthisdissertat

7、ion，whichservesaspartofthe863hightechnologyprojectnamedHFground—waveradarremotesensingoceanenvironment，acertainnumberofproblemsofmeasuringoceanwaveparametersandwindfieldfromHFradarscaechoareinvestigated．Di舵rentinversionmethodsofoceanwaveheightandwavespec

8、trummeasurementsarereviewed．ForBarrick’SandHowell’SmethodsinwhichtheoceanfrequencyrangeofthemeasuredwavesislimitedwhenradarfrequencyislOW,anadvancedbutfeasiblealgorithmcalledmodelhindcastingiSpresented．111isalgorithmCanext