筑夢深藍(lán)打造新一代“探海利器”構(gòu)建粵港澳大灣區(qū)高頻地波雷達(dá)觀測網(wǎng)

李明麗

作為擁有西太平洋最長海岸線的海洋大國，在擁有豐饒海洋資源的同時，我國也深受沿海海洋災(zāi)害的滋擾。地處東南沿海的廣東省，更是我國遭受臺風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害最多且最嚴(yán)重的地區(qū)之一。通過有效的觀測手段，加深對海洋的了解，進而達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的，對廣東省乃至整個粵港澳大灣區(qū)都具有十分重要的現(xiàn)實意義。在這一過程中，高頻地波雷達(dá)探測技術(shù)以其覆蓋范圍廣、持續(xù)性強、可全天候作業(yè)等獨特的優(yōu)勢，逐漸成為我國在海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的“新晉力量”，而《廣東省海洋觀測網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃（2016—2020）》更是將新增地波雷達(dá)站確定為廣東省這一階段海洋觀測網(wǎng)建設(shè)的主要任務(wù)之一。

向海而思、向海而行。對于深度參與到廣東省乃至整個大灣區(qū)地波雷達(dá)組網(wǎng)研究的中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院及南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（珠海）教授韋駿來說，以廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃項目“粵港澳大灣區(qū)地波雷達(dá)組網(wǎng)及模式同化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范”為切入點，讓地波雷達(dá)觀測網(wǎng)這一新一代“探海利器”在海洋災(zāi)害防治、海洋生態(tài)環(huán)境保護、海洋開發(fā)利用、海上執(zhí)法、海洋國防權(quán)益等行業(yè)管理與決策方面發(fā)揮更大作用，打造完備的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地波雷達(dá)技術(shù)體系，并將其應(yīng)用于我國海洋觀測實踐中，是他一直在做的事。

新技術(shù)對上老問題

海面上的浮標(biāo)，以及用以定位的錨系定位裝置和用于觀測的傳感器，共同組成了用以觀測海洋實時情況的海洋浮標(biāo)觀測系統(tǒng)。這種自20世紀(jì)50年代興起的海洋觀測體系，在“服役”的數(shù)十年中被視作最有效的海洋觀測手段之一。然而隨著海洋觀測和探索走向精深，這一體系的局限性也逐漸凸顯：浮標(biāo)觀測系統(tǒng)是沿著垂直廓線展開的“剖面”，其“覆蓋面積”極為有限，對于整個海洋的觀測無異于“大海撈針”。而自2000年開始興起的、能夠提供較大觀測面積的岸基地波雷達(dá)系統(tǒng)，迅速成為浮標(biāo)觀測系統(tǒng)在“廣度”層面的有效補充?！白饔糜诤Ｑ蟊砻嬗^測的地波雷達(dá)系統(tǒng)能覆蓋較大的探測面積，可與浮標(biāo)系統(tǒng)共同形成‘一縱深一廣泛的立體觀測體系，可為檢測各種海洋災(zāi)害提供更全面的觀測視角。目前，世界范圍內(nèi)的海洋大國、海洋強國均在地波雷達(dá)這一領(lǐng)域展開研究和布局，其中不少國家和地區(qū)已建成完整的地波雷達(dá)觀測網(wǎng)?！表f駿解釋道，“但目前我國有關(guān)地波雷達(dá)的研究和應(yīng)用情況嚴(yán)重滯后，全國沿海的地波雷達(dá)站僅有50套左右，這與覆蓋全國海岸線所需的150套目標(biāo)數(shù)目相差甚遠(yuǎn)。而且目前已建成的雷達(dá)站大多處于各自工作的狀態(tài)，不同地波雷達(dá)站覆蓋區(qū)域之間的觀測空隙亟待填補，可以‘互通有無的完整觀測網(wǎng)絡(luò)亟待建立。”

在“粵港澳大灣區(qū)地波雷達(dá)組網(wǎng)及模式同化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范”項目啟動前，粵港澳大灣區(qū)約8萬平方公里的海域上，不同研究機構(gòu)、政府機關(guān)興建的地波雷達(dá)站只有4套，并不能形成對大灣區(qū)海域的完整監(jiān)測。韋駿團隊的目標(biāo)，就是在珠江口這一“監(jiān)測空當(dāng)處”布置6套地波雷達(dá)站點，從而構(gòu)成一個我國截至目前最密集的、具有示范意義和科研實踐價值的區(qū)域性雷達(dá)網(wǎng)。然而，不同地波雷達(dá)站點之間的“差異性”，著實讓韋駿團隊體會了一把“萬事開頭難”的滋味。

想要讓“舊4套”和“新6套”地波雷達(dá)共同作用、發(fā)揮其最大價值，就要對這些地波雷達(dá)進行合理的優(yōu)化布站，以“組網(wǎng)”的形式收集和傳遞信息，再由中心站進行綜合處理、控制和管理，從而形成一個統(tǒng)一的、有機的、整體的新體制雷達(dá)系統(tǒng)。但面對發(fā)射頻率、雷達(dá)型號等方面都“眾口難調(diào)”的10套地波雷達(dá)，加之與國外同類型產(chǎn)品相比國產(chǎn)地波雷達(dá)反演精度仍有一定差距的實際情況，想要實現(xiàn)地波雷達(dá)的有效組網(wǎng)，韋駿團隊需要首先在組網(wǎng)技術(shù)層面解決10套異型、異頻地波雷達(dá)的組網(wǎng)問題，進而在雷達(dá)反演技術(shù)層面迎頭趕上國際同類產(chǎn)品。與此同時，韋駿深知，海洋觀測絕不是閉門造車，數(shù)據(jù)更不是“測完就行”。如何對地波雷達(dá)獲得的數(shù)據(jù)進行對比驗證和反復(fù)校準(zhǔn)，也是韋駿團隊一直在思考的問題。就此，韋駿團隊與合作團隊展開了“地波雷達(dá)海洋流場及波浪反演技術(shù)研究”“地波雷達(dá)抗干擾以及幅相自校準(zhǔn)方法研究”“地波雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)研究”“地波雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量評估技術(shù)研究”“粵港澳大灣區(qū)高分辨率海洋數(shù)字預(yù)報模型、地波雷達(dá)數(shù)據(jù)同化方法及海洋多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)”5個課題的共同研究。

在讓10套地波雷達(dá)“求同存異”的過程中，韋駿團隊通過異頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)融合技術(shù)、異型地波雷達(dá)數(shù)據(jù)融合技術(shù)和地波雷達(dá)組網(wǎng)的技術(shù)固化，參與到讓異型、異頻雷達(dá)得以實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，確保雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)得到業(yè)務(wù)化運行的工作中。在此基礎(chǔ)上，他們進一步展開地波雷達(dá)組網(wǎng)數(shù)據(jù)的可視化研究，對經(jīng)過融合處理后的地波雷達(dá)數(shù)據(jù)進行處理，將波浪場（海浪譜、浪高）、流場（徑向、流速）數(shù)值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成幾何數(shù)據(jù)，再經(jīng)由可視化技術(shù)生成實測矢量場和網(wǎng)格化矢量場的可視化界面。在確保觀測結(jié)果“一目了然”的同時，韋駿團隊進一步加入對觀測結(jié)果測量、縮放等功能，讓海洋流場及波浪數(shù)據(jù)不僅“清晰可見”，更能幫助研究者進行進一步判別。

雷達(dá)反演技術(shù)結(jié)果準(zhǔn)確與否，需要海上實時觀測的結(jié)果予以“驗證”。然而，這樣的驗證過程同樣不可能“面面俱到”。為了確定有效的“驗證點位”，同時規(guī)避雷達(dá)檢測過程中出現(xiàn)的無效數(shù)據(jù)，韋駿在研究過程中引入了拖曳式ADCP比測法，作為反演算法改進的“質(zhì)量控制器”?！皣鴥?nèi)地波雷達(dá)站數(shù)量少、‘互動差，其中一個重要原因是地波雷達(dá)校準(zhǔn)成本高、數(shù)據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定。”韋駿解釋道，“通過傳統(tǒng)浮標(biāo)式和拖曳式相結(jié)合的比測方法，借由8套坐底式ADCP+海床基、4套拖曳式ADCP+無人船和32個表層漂流浮標(biāo)等具體方式，可以為反演算法提供高效率的校準(zhǔn)方法，同時為反演算法優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持?！?/p>

借由這些關(guān)鍵技術(shù)突破，韋駿團隊得以收集大量準(zhǔn)確的海洋觀測數(shù)據(jù)，并不斷探索基于觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建粵港澳大灣區(qū)高分辨率海洋數(shù)字預(yù)報模型、研發(fā)地波雷達(dá)數(shù)據(jù)同化方法及海洋多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)的可能性。以全球-南海-大灣區(qū)高分辨率數(shù)值模式系統(tǒng)為代表，依托中山大學(xué)地球系統(tǒng)模式（SYCIM），韋駿團隊著力構(gòu)建長時間序列的、模式分辨率100～500米之間的高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)集，從而大幅提升大灣區(qū)海洋模式同化、海洋災(zāi)害預(yù)報系統(tǒng)的研發(fā)水平，并為相關(guān)決策提供數(shù)據(jù)及理論支持。目前，這一模式的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可對珠江支流進行無限加密，并達(dá)到珠江10米的超高分辨率。

作為“粵港澳大灣區(qū)地波雷達(dá)組網(wǎng)及模式同化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范”的負(fù)責(zé)人，韋駿始終心系我國地波雷達(dá)技術(shù)水平的提升，以及其在粵港澳大灣區(qū)防災(zāi)減災(zāi)過程中發(fā)揮的實際作用。把“項目從頭跟到尾”的韋駿坦言：“這不是一件簡單的事，更不是一個廣東省重點研發(fā)項目能夠完全覆蓋和解決的事?！痹谥鹨煌黄葡嚓P(guān)技術(shù)難點、驗證地波雷達(dá)技術(shù)的可用性后，韋駿期待相關(guān)成果支持我國地波雷達(dá)技術(shù)朝著“好用”和“廣泛應(yīng)用”的方向發(fā)展。“以研發(fā)帶動技術(shù)進步，以應(yīng)用提升地波雷達(dá)技術(shù)業(yè)務(wù)化應(yīng)用水平，進而推動粵港澳大灣區(qū)海洋災(zāi)害應(yīng)急聯(lián)動觀測能力的提升，是我們下一步要做的事情?！表f駿堅定地說。

要做“抓臺風(fēng)”的人

從理論到應(yīng)用，不唯是“粵港澳大灣區(qū)地波雷達(dá)組網(wǎng)及模式同化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范”項目的重要目標(biāo)之一，也是韋駿入職中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院的初衷之一。從遠(yuǎn)離海洋的內(nèi)陸來到地處南海之濱的珠海，“做海洋做了28年”的韋駿將全部心力投入到地波雷達(dá)觀測網(wǎng)組網(wǎng)和應(yīng)用示范的工作中。以日本有明灣為參考樣本，韋駿團隊持續(xù)思考在粵港澳大灣區(qū)建立高頻、高效、長時間運行高頻地波雷達(dá)網(wǎng)，以及開展基于高頻地波雷達(dá)和高分辨率數(shù)值模式的海洋環(huán)境監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警及海上搜救等方面示范應(yīng)用的可能性。

對于粵港澳大灣區(qū)地波雷達(dá)觀測網(wǎng)組網(wǎng)工作的內(nèi)容，韋駿形象地將其概括為“軟硬兼施”。在與海洋和海洋災(zāi)害“打交道”的過程中，韋駿團隊也經(jīng)歷了諸多考驗。在硬件基礎(chǔ)——珠江口雷達(dá)站的選址及建設(shè)過程中，他們一次次踏足荒島、反復(fù)勘測，只為尋找合適的“落點”；選址確定以后，建成的雷達(dá)站還要反復(fù)經(jīng)歷臺風(fēng)的“試煉”：“雷達(dá)網(wǎng)的重要作用之一，就是‘抓臺風(fēng)，即在臺風(fēng)天里對海面各種數(shù)據(jù)進行觀測，從而得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)和規(guī)律用于災(zāi)害預(yù)報和相關(guān)研究。去年臺風(fēng)季的時候，我們的雷達(dá)直接被臺風(fēng)掀翻了。這就要求我們從基礎(chǔ)建設(shè)到機箱天線設(shè)計的每個細(xì)節(jié)都要考慮到，保證雷達(dá)站在沒有人工輔助的條件下，在臺風(fēng)中‘站得住還要‘讀得出，這樣才能發(fā)揮出地波雷達(dá)觀測網(wǎng)‘抓臺風(fēng)的作用?！表f駿說道。

在雷達(dá)生產(chǎn)企業(yè)廣東藍(lán)圖信息技術(shù)有限公司團隊的協(xié)助下，硬件基礎(chǔ)涉及的問題逐一被解決，雷達(dá)站的建設(shè)也在穩(wěn)步進行中。而在軟件基礎(chǔ)——各類算法的優(yōu)化和整合的研發(fā)過程中，韋駿及其團隊同樣取得了豐碩成果?！拔覀冏⒁獾椒囱菟惴ǖ脑O(shè)計過程中缺乏海洋學(xué)的相關(guān)知識，相關(guān)算法往往基于算法設(shè)計者的經(jīng)驗得出。在海洋觀測過程中，這樣得出的反演算法‘針對性不夠。所以在合作過程中，我和我的團隊就積極將海洋學(xué)相關(guān)知識和數(shù)據(jù)引入反演算法的設(shè)計內(nèi)容中，并通過人工智能等優(yōu)勢技術(shù)成果，進一步提升反演算法的精準(zhǔn)度。此外，在比測實踐過程中，還要考慮海洋環(huán)境中其他作業(yè)船只對項目開展過程中設(shè)備和數(shù)據(jù)的影響。例如我們放在海上的設(shè)備經(jīng)常會受到臨近的船只破壞或把設(shè)備拖離原有的位置。針對這一情況，我們的辦法是充分利用每年5—8月的休漁期，將傳統(tǒng)的浮標(biāo)陣列放到海里，以形成實際觀測數(shù)據(jù)，對目前已建成雷達(dá)站所收集的數(shù)據(jù)進行驗證。這3個月的時間對于整個團隊都是非常寶貴的，可以說得上是‘分秒必爭。我們期待能在這3個月中，做出點好的成果，讓雷達(dá)觀測方法和傳統(tǒng)觀測方法的‘配合更默契、讓地波雷達(dá)的數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)?！?/p>

“軟硬兼施”的最終目標(biāo)，是建立粵港澳大灣區(qū)地波雷達(dá)組網(wǎng)可視化海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)，并將觀測數(shù)據(jù)及分析結(jié)果數(shù)據(jù)通過相關(guān)平臺發(fā)布，建立一個集多種可視化功能、實時入庫、展示、監(jiān)測、數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)共享于一體的高頻海洋探測儀數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用示范平臺，并開展地波雷達(dá)海洋環(huán)境監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警及海上搜救等的應(yīng)用示范，實現(xiàn)地波雷達(dá)海洋監(jiān)測與數(shù)值預(yù)報平臺的穩(wěn)定運行、數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)試運行期間，韋駿團隊將進行數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品與觀測數(shù)據(jù)資料的對比分析，并對數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的時效性和精確度進行評估?！熬拖瘳F(xiàn)在的天氣預(yù)報一樣，我們希望將來海洋的‘氣象也可以通過這一系統(tǒng)進行預(yù)報?！表f駿不無憧憬地說道，“這樣可以覆蓋南海的新型海洋觀測技術(shù)體系，也可以成為地波雷達(dá)技術(shù)推廣應(yīng)用的示范工程，為后續(xù)推動相關(guān)技術(shù)成果由南海走向北海區(qū)、走向東海區(qū)，并最終形成覆蓋全國海域的地波雷達(dá)觀測網(wǎng)絡(luò)提供巨大推力?！?/p>

在“走向遠(yuǎn)海、走入深海、走向大洋”目標(biāo)的號召下，韋駿時刻謹(jǐn)記自身作為海洋氣象工作者在推動我國海洋事業(yè)發(fā)展過程中的重要使命。對于深耕多年的地波雷達(dá)觀測領(lǐng)域，他常常說：“這不僅是一個項目，這是我和我的團隊要長期為之奮斗的事業(yè)?！闭劶拔磥恚f駿滿懷期待：“項目有很多，事業(yè)也許一個人一輩子就只能做一個。從南海開始播下一粒種子，也許再過10年、20年，中國的地波雷達(dá)觀測網(wǎng)也能夠像美國一樣覆蓋整個國家近海，其所能帶來的巨大便利、社會經(jīng)濟效益和產(chǎn)業(yè)發(fā)展紅利將會惠及更多從業(yè)者。到那時，作為中國地波雷達(dá)網(wǎng)最初的創(chuàng)建者，我們也將感到無比光榮。”

（責(zé)編：唐一白）