高频地波雷达(high frequency surface wave radar，HFSWR)采用垂直极化天线辐射电波，利用高频电波(3—30MHz)在导电海洋表面绕射传播衰减小的特点，能探测到视距以外海面流场、风场和浪场参数分布。与其它的海洋监测设备相比，高频地波雷达具有测量精度高、监测面积大、投资较少的优点，同时由于高频地波雷达架设在岸边，系统工作受自然环境的影响较小，因此能够对海洋进行全天候的实时监测(Barnes，1998)。

随着高频地波雷达在探测海洋表面动力学要素方面的广泛研究、应用和发展，国内外不少学者针对其在海态监测方面的实用性能，开展了海态要素的比测试验(Liu et al，2010; 朱大勇等，2013; Wyatt et al，2013; Lorente et al，2014)，其中较为普遍的方法是在海上布放定点或移动式观测设备，将雷达和海上设备的观测结果对比(Roarty et al，2003;

Long et al，2007; Molcard et al，2009; Helzel et al，2010; Liu et al，2014; Lorente et al，2015)。经过40多年的发展，高频地波雷达的海流探测具有较高的精度，已达到常规业务化海洋观测的水平(Barrick，2008)，但高频地波雷达对于海浪和海面风的反演技术处于发展阶段，水平尚不足以开展业务化观测(Green et al，2006; 吴雄斌等，2012; 李伦等，2012，2014; Tian et al，2014; Chu et al，2015; Zhou et al，2015)。

OSMAR-S系列便携式高频地波雷达系统是武汉大学电波传播实验室基于紧凑天线阵研制的，采用紧凑单极子/交叉环天线，实现海洋表面海流、海浪和海面风的监测，OSMAR-S系列雷达建站灵活方便，可降低建站与使用成本。2007年11月在上海洋山海域进行了OSMAR-S与其它海洋测量设备的现场海流探测对比试验，从海流探测精度和探测深度上验证了雷达的海流探测能力(文必洋等，2009，2010)，随后该系统在浙江海域和山东海域业务化试运行。2010年11月在广东汕尾亚运会帆船赛期间，将海域内OSMAR-S雷达(工作频率约25MHz)测量的海流、海浪和海面风等数据与海上船只或浮标观测的数据进行对比，结果显示OSMAR-S的浪高、浪周期和风速结果的短期起伏性较大，且未能及时响应海面状态的变化，雷达反演风速风向的误差偏大(周浩等，2012)。

在2010年试验结果的基础上，经过两年多的研究和改进，硬件和算法都有一定程度的提高，本文基于OSMAR-S100便携式高频地波雷达(工作频率约13MHz)和海上定点观测浮标在台湾海峡西南部2013年1月29日至3月7日的观测结果，在雷达连续稳定工作的前提下，检验雷达在不同海况下对海浪的探测精度及不同风力等级下对海面风的探测精度，综合分析OSMAR-S100对海浪和海面风的探测性能，并进行适用性评估。

本次试验使用的是武汉大学和武汉德威斯电子技术有限公司共同研制的OSMAR-S100便携式高频地波雷达，该系统采用了线性中断调频连续波体制和单极子/交叉环紧凑型天线阵，可实现有效探测区域内海洋表层流、海浪和海面风的观测。OSMAR- S100工作频率约13MHz(相应波长为23.1m)，波束覆盖扇角120°，关于海面风和海浪的厂家标称指标为有效探测距离雷达约10km内的海面风和海浪的平均值，由单站雷达观测即可。

OSMAR-S100高频地波雷达工作站点位于漳州市漳浦县的下垵，观测区域为台湾海峡西南部海域，同时进行海面风和海浪观测的海上浮标观测站位距离雷达观测站10.5km(图 1)。为了综合检验OSMAR- S100便携式高频地波雷达探测海浪和海面风的有效性、稳定性和环境适应性，雷达站及海上观测站点的有效观测时间均在1个月以上，从2013年1月29日至3月7日。

图 1 雷达和浮标站位图 Fig. 1 Deployment of the radar OSMAR-S100(star)and the buoy(plus sign)

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海浪和海面风观测分别采用美国YOUNG公司型号05103的风传感器及山东省科学院海洋仪器仪表研究所型号SBY1-1压力式波浪传感器。将风、浪传感器集成在3m浮标上，这种观测方式安全性较高，且数据可以实时传输，数据质量能够保证比测需要。

浮标的海浪和海面风数据分开采集，采样频率和采样时间都不一致。海浪数据采样频率为30min，数据时间点为逢0min、30min的时刻，如0:00、0:30，采样时间段为数据时间点前20min，即采样时间段0:10—0:30，采集的是数据时间点0:30的数据。瞬时风速风向采样频率为1min，将某一时段内的瞬时风速风向矢量平均即可得到对应时段内的平均风速风向。

OSMAR-S100高频地波雷达的海态数据采样频率为20min，数据时间点为整点起尾数逢0min的时刻，如0:00、0:20、0:40等，采样时间段为数据时间点前20min，即采样时间段0:00—0:20，采集的是数据时间点0:20的数据。

为了浮标和雷达的采样时间段尽量重合，将雷达每组数据观测时间段内的浮标瞬时风速风向数据作矢量平均，然后与雷达数据对比进行分析和误差统计等。浮标海浪只有整点时刻采集的数据可与雷达数据完全对应。

评估高频地波雷达海浪和海面风数据的精度，以同时段的浮标数据为基准，计算雷达观测结果与海上浮标观测数据的平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMS)、相关系数(R)和复相关系数。考虑到雷达探测海浪和海面风的厂家指标表达方式以及国际上常用的误差表达方法，在统计它们的误差时引入百分比误差(η)。由于海面风是矢量，因此采用复相关系数来分析浮标测得的海面风与高频地波雷达测得的海面风的相关性，其表达式如下(Kundu，1976):

式(1)中，尖括号〈〉表示时间平均，u和v分别表示海面风的东分量和北分量，下标1和2分别表示浮标和雷达，复数ρ的模表示雷达和浮标数据整体的相关性。

雷达连续工作是其稳定运行的重要保证，实际得到的采样场次越接近于理论采样场次，则说明雷达的连续工作能力越强。时间有效采样率可用于说明雷达工作的连续性，其定义如下:

时间有效采样率=统计期间实际采样场次/统计期间理论采样场次

根据高频地波雷达的实际工作情况，OSMAR- S100高频地波雷达原始数据的时间有效采样率为99.8%，海浪和海面风的时间有效采样率均为99.4%，总体上雷达系统能稳定地探测海浪和海面风。

OSMAR-S100高频地波雷达观测的海浪有效波高、有效波周期与浮标测波结果的时间序列对比如图 2，对应的散点图如图 3。OSMAR-S100和浮标的有效波高随时间的变化趋势较为一致，对比结果大部分较为集中地分布在1:1线的附近，相关性高，R为0.852; 两设备有效波周期的变化趋势略有差别，但两者之间显著相关，R为0.275。从散点图上可以明显看出，OSMAR-S100的有效波高测量结果总体上存在系统性偏差，对两设备观测结果进行线性拟合，雷达有效波高总体上高估约0.5m，这是由雷达有效波高反演算法中的加权系数决定的，可以通过区域化标定来确定此加权系数以减小系统偏差; 与有效波高相比，OSMAR-S100和浮标测量的有效波周期相关性较差，对比结果较为离散，这是因为目前OSMAR-S100有效波周期的反演算法还不够成熟。

图 2 OSMAR-S100雷达与浮标测波结果的时间序列对比 Fig. 2 The time series of wave recorded by radar OSMAR-S100 system and the buoy a. 有效波高，b. 有效波周期

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图 3 OSMAR-S100雷达与浮标测波结果的散点对比 Fig. 3 Scatter diagram of wave recorded by radar OSMAR-S100 system and the buoy a: 有效波高; b: 有效波周期

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根据厂家指标，雷达探测有效波高的范围是1—10m，均方根误差(RMS)≤1m+测量值的20%; 雷达探测有效波周期的范围是0—15s，RMS≤1s+测量值的10%。结合厂家对海浪的探测指标，对雷达有效探测范围内的对比结果进行统计，有效波高的MAE为0.45m、RMS为0.58m、η为25.3%，有效波周期的MAE为1.08s、RMS为1.38s、η为17.4%，达到厂家指标的要求。

OSMAR-S100高频地波雷达观测的风矢量与浮标风矢量的时间序列对比如图 4，当浮标风速较大时，雷达和浮标的风速和风向较为一致，雷达能有效反映风的变化趋势，当浮标的风速减小时，雷达风速出现明显的高估，风向出现部分误判的情况。从散点图(图 5)可以更为直观看出，当浮标风速大于5m/s时，OSMAR-S100高频地波雷达和浮标的对比结果基本上集中且均匀地分布在1:1线的两侧，相关性较高，R为0.708，但浮标风速小于5m/s时，雷达的风速明显高估。考虑到海面风是一个矢量，且低风速时风向存在不确定性，因此只对浮标风速大于5m/s时的风向进行散点对比(图 5b)，浮标和雷达的风向基本上都在0—90°之间变化，两者的结果较为一致，复相关系数为0.968。雷达测量的风速为20m/s和风向在270°—360°的明显跳变点是由周围环境中的短波干扰造成，可通过采用该观测时刻前后时间段的数据来进行质控剔除。

图 4 OSMAR-S100雷达与浮标测风结果的时间序列对比 Fig. 4 The time series of wind recorded by radar OSMAR-S100 system and the buoy a: 2013.1.29—2013.2.7; b: 2013.2.8—2013.2.17; c: 2013.2.18— 2013.2.27; d: 2013.2.28—2013.3.7

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图 5 OSMAR-S100雷达与浮标测风结果的散点对比 Fig. 5 Scatter diagram of the wind by OSMAR-S100 system and the buoy a: 平均风速(拟合曲线是针对风速大于5m/s)，b: 平均风向(风速大于5m/s)

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根据厂家指标，雷达探测平均风速和风向的范围是5—75m/s和0—360°，在稳态风场风速＞5m/s时，风速的RMS≤3m/s+测量值的15%，风向的RMS≤40°。结合厂家对海面风的探测要求，对满足雷达探测条件内的海面风对比结果进行统计，平均风速的MAE为1.37m/s、RMS为1.83m/s、η为16.2%，平均风向的MAE为11.4°、RMS为16.7°，达到厂家指标的要求。

考虑到高频地波雷达海浪探测性能对海况条件的依赖性，以浮标观测的有效波高为基准，对不同海况下雷达探测有效波高和有效波周期的误差进行统计(图 6)。试验期间的海况为2—5级，其中3级和4级海况所占的比例均超过40%。以均方根误差为例，2—4级海况下，雷达观测有效波高的误差随海况的增高而减小，5级海况下的误差略大于4级海况; 2—5级海况下，海况越差，雷达有效波周期的误差越小。2级海况下雷达探测有效波高和有效波周期的精度较差，有效波高的MAE、RMS和η分别为0.87m、1.10m和203%，有效波周期的MAE、RMS和η分别为1.60s、2.14s和26.3%，误差明显大于3—5级海况下: 3—5级海况下有效波高的MAE、RMS和η分别为0.45—0.50m、0.56—0.66m和17.3%—61.2%，有效波周期的MAE、RMS和η分别为0.47—1.23s、0.58— 1.66m和6.2%—20.7%。因此，OSMAR-S100高频地波雷达探测2级及以下海况的精度较差，该系统可用于3—5级海况下的波浪探测。

图 6 不同海况下OSMAR-S100雷达与浮标测波的对比 Fig. 6 Comparison between wave measurements by radar OSMAR-S100 system and the buoy at different sea states a: 有效波高，b: 有效波周期; 菱形表示对应海况(2—5级)下浮标有效波高或有效波周期的平均值，误差条表示雷达与浮标有效波高或有效波周期的均方根误差，柱状图表示不同海况下的有效数据在所有有效对比数据中所占的比例

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结合不同海况下OSMAR-S100高频地波雷达的测浪误差，浮标测得的有效波高低于0.5m(含0.5m)的数据点不参与相关系数、MAE和RMS的计算，考虑到小波高条件下η无实际价值，浮标测得的有效波高低于1m(含1m)的数据不参与百分比误差计算。雷达和浮标有效波高的相关系数为0.868，误差较小，MAE、RMS和η分别为0.46m、0.60m和24.3%; 有效波周期的误差也较小，MAE、RMS和η分别为1.14s、1.60s和17.0%，相关系数为0.229，雷达和浮标观测结果显著相关。总体上，OSMAR-S100高频地波雷达可有效观测10km以内有效波高0.5m以上的海浪。

以浮标观测的平均风速为基准，对不同风力等级下雷达风速和风向的探测误差进行统计(图 7)。试验期间海面风在7级及以下，分布比例随海况的变化出现了双峰现象，5级风力下的主峰(27.4%)和2级风力下的次峰(17.4%)。以均方根误差为例，0—5级风力下，风越大，雷达观测平均风速和风向的误差越小; 5—7级风力下则相反，风越大，误差越大。0—2级风力下，雷达平均风速的MAE、RMS和η分别为4.65—8.43m/s、5.14—8.94m/s和216%—9723%，平均风向的MAE和RMS分别为42.5°—77.6°和62.5°— 93.8°，误差明显大于其它风力条件下，因此，OSMAR- S100高频地波雷达探测2级以下(含2级)的海面风精度较差。

图 7 不同风力等级下OSMAR-S100雷达与浮标测风的对比结果 Fig. 7 Comparison between wind measurements by radar OSMAR-S100 system and the buoy under different wind speeds a: 平均风速，b: 平均风向; 菱形表示对应风力等级(0—7级)下浮标平均风速的平均值，误差条表示雷达与浮标平均风速的均方根误差，柱状图表示不同海况下的有效数据在所有对比数据中所占的比例，圆点表示对应风力等级下雷达与浮标平均风向的均方根误差

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OSMAR-S100高频地波雷达的风速是基于有效波高反演得到的，所以雷达风速的反演效果受雷达探测有效波高精度的影响。考虑到雷达可较好观测有效波高0.5m以上的海浪以及雷达探测的系统偏差(约0.5m)，可得知雷达反演的有效波高应在1m以上(关系式见图 3a)。根据试验期间海上浮标观测的有效波高和海面平均风速之间的关系(图 8)，当有效波高在1m以上时，对应的平均风速约在5m/s以上。所以当雷达风速大于5m/s时，雷达反演风速的精度较高。

图 8 浮标测得的有效波高和风速之间的关系 Fig. 8 Relationship between significant wave height and wind speed recorded by the buoy

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综合OSMAR-S100高频地波雷达和浮标观测海面风的散点对比及不同风力下的测风结果，对雷达海面风进行相关性分析和误差统计，当浮标风速大于5m/s时，雷达和浮标海面风具有较高的相关性，平均风速风向的复相关系数为0.968，平均风速的相关系数为0.708，误差较小，平均风速的MAE、RMS和η分别为1.37m/s、1.83m/s和16.2%; 平均风向的误差也较小，MAE、RMS分别为11.4°和16.7°。因此，OSMAR-S100高频地波雷达适用于10km以内平均风速5m/s以上的海面风观测。

在2013年1月29日至3月7日的试验过程中，OSMAR-S100便携式高频地波雷达原始数据的时间有效采样率为99.8%，雷达海浪和海面风数据的时间有效采样率为99.4%，说明该系统能稳定地探测海浪和海面风。

将试验期间OSMAR-S100高频地波雷达和雷达有效探测范围内浮标的波浪、海面风数据进行对比分析。结果显示:(1)当浮标有效波高大于0.5m时，雷达反演有效波高RMS和η分别为0.60m和24.3%(百分比误差是针对浮标有效波高在1m以上的波浪)，反演有效波周期RMS和η分别为1.60s和17.0%;(2)当浮标平均风速大于5m/s时，雷达反演平均风速RMS和η分别为1.83m/s和16.2%; 反演平均风向RMS为16.7°。总体上，OSMAR-S100高频地波雷达可有效反演距雷达10km以内有效波高0.5m以上的海浪平均状况和平均风速5m/s以上的海面风。目前国内外的高频地波雷达在海浪和海面风方面的反演技术正处于发展阶段，对于工程应用的业务化观测需求有一定的不足。在未经任何区域化标定的情况下，本研究的试验结果说明了OSMAR-S100便携式高频地波雷达已初步具备了海浪和海面风的业务化观测水平。

本文基于37天的海上观测数据验证了OSMAR- S100便携式高频地波雷达对海浪和海面风的探测性能。考虑到高海况下，高阶非线性作用较强，使得一阶谱和二阶谱的边界不易区分，可能影响雷达对海浪和海面风的探测精度，但试验期间所获取的现场实测有效波高均不超过4m，平均风速不超过15.5m/s，而且观测期间的风向主要是以东北向为主，使得本文的研究存在局限性，应累积更多不同季节、不同海况下以及不同环境中的数据进行深入分析研究。