高频雷达反演涌浪及其他近海物理过程的研究

发布时间：2017-06-20 09:03

  本文关键词：高频雷达反演涌浪及其他近海物理过程的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近海海洋环境包含众多复杂过程,然而缺少足够的大面积高分辨率的实测数据往往是制约近海海洋研究开展的首要问题。高频雷达利用遥感方式可以准实时获取大面积连续的海表面信息,因而对高频雷达资料反演的研究具有重要意义。本文使用了为期13个月时长的两座相控阵高频雷达资料,分析了回波信号特征,探讨了数据处理和反演的方法,并给出了部分海表面参数的计算结果和精度分析。本文关注的是地波高频雷达,其探测海面的基本原理是Bragg共振散射。文中回顾了高频雷达的发展历史及其应用,介绍了高频雷达电磁波工作的基本理论,全面阐述了使用雷达资料反演海表面流、风向和涌浪参数的原理和方法。并从理论上探讨了涌浪参数反演方法的可行性。本文基于大量的实测数据样本,从理论分析和数据观察统计两方面出发,提出了一系列回波信号处理和质量控制的方法,包括噪声水平的确定、数据在空间和时间上的平滑、谱峰间距的大小,谱峰宽度的阈值等等。根据不同物理过程的特点,海流和风的反演使用的是每20 min的回波谱；涌浪参数的反演使用的是一小时平均的回波谱。文中统计了两座雷达站接收到的信号中达到涌浪参数计算标准的合格谱数目。在海洋参数的计算过程中,本文使用了一套计算资源占用较低而效率较高的自动化程序对雷达回波谱进行批量处理和计算。文中通过测量单站回波谱中Bragg峰的多普勒频移获得海流的径向流速,通过双站流速矢量合成获得海表面流矢量场。计算了Iroise海区年平均海流场,及其涡度和散度。文中通过回波谱中Bragg峰比值的变化反演风向。使用了不同的经验方法得到了相对风向计算结果,经检验与模式结果符合良好。使用了不同的方向分布模型测定了Iroise海区方向分布函数中的扩展因子。本文重点关注了通过二阶回波谱进行涌浪参数的计算,并分别使用了浮标和海浪模式(WAVEWATCH III)数据对雷达反演结果进行了检验。结果表明涌浪频率的计算结果精度非常高,涌浪有效波高的计算精度良好,而涌浪相对波向的计算精度较差。两座雷达站回波信号的一致性通过比较二者获取的观测结果得以确定。使用双站资料不仅被证明可以进一步提高反演精度,而且可以解决单站反演波向的方向模糊,得到具有一定精度的绝对波向。在涌浪有效波高的计算过程中,本文结合对雷达二阶截面积分方程的探讨及对相对波向计算结果的观察,首次提出了采用相对波向常数化的方法。由此不仅得到了与浮标数据和模式数据符合得更好的结果,而且有效数据样本显著增多,结果的不确定性大大减小。本文对高频雷达观测涌浪的精度进行了深入分析,量化了雷达观测的随机误差,并通过不同手段之间的差异对比估计了雷达自身观测不确定性及其他因素的贡献。
【关键词】：高频雷达 多普勒谱 涌浪 海流 风向 Iriose海
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P715.9
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 引言11-19
• 1.1 高频雷达系统介绍11-12
• 1.2 发展历史12-13
• 1.3 HFR的应用13-15
• 1.4 研究目标及意义15-18
• 1.5 论文结构18-19
• 2 方法19-39
• 2.1 电磁波散射原理19-23
• 2.2 海流计算原理23-25
• 2.3 风向计算原理25-29
• 2.4 涌浪参数计算原理29-38
• 2.4.1 涌浪频率32-33
• 2.4.2 涌浪波高33-36
• 2.4.3 涌浪方向36-38
• 2.5 小结38-39
• 3 雷达数据处理39-55
• 3.1 雷达站位置和参数39-41
• 3.2 波束形成41-42
• 3.3 回波谱平滑42-46
• 3.4 质量控制46-52
• 3.5 合格回波谱统计52-54
• 3.6 小结54-55
• 4 海流计算结果55-68
• 4.1 径向流速55-58
• 4.2 流矢量合成58-62
• 4.3 SeaSonde测量的海流场62-67
• 4.4 小结67-68
• 5 风向计算结果68-74
• 5.1 雷达反演相对风向结果68-69
• 5.2 方向扩展因子的测定69-73
• 5.3 小结73-74
• 6 涌浪计算结果74-109
• 6.1 涌浪频率74-91
• 6.1.1 雷达观测的一致性74-79
• 6.1.2 雷达计算涌浪频率与浮标数据对比79-84
• 6.1.3 雷达计算涌浪频率与模式数据对比84-91
• 6.2 涌浪波向91-98
• 6.2.1 两种相对波向计算方法的比较91-92
• 6.2.2 雷达计算结果与模式结果的比较92-96
• 6.2.3 绝对波向96-98
• 6.3 涌浪有效波高98-108
• 6.3.1 雷达反演涌浪有效波高与浮标数据比较98-100
• 6.3.2 雷达结果与模式数据对比100-106
• 6.3.3 两座雷达观测结果一致性106-108
• 6.4 小结108-109
• 7 涌浪反演涌浪精度分析109-115
• 7.1 雷达观测内在误差109-112
• 7.1.1 涌浪频率反演的随机误差109-111
• 7.1.2 涌浪相对波向反演的随机误差111-112
• 7.1.3 涌浪有效波高反演的随机误差112
• 7.2 观测方法之间的差异112-113
• 7.3 浮标/模式结果自身的误差113
• 7.4 小结113-115
• 8 结论及展望115-118
• 8.1 结论115-116
• 8.2 本文仍需改进之处116-118
• 附录1118-120
• 参考文献120-129
• 致谢129-130
• 个人简历130-131
• 发表的学术论文131

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