基于衛(wèi)星反演的有效波高研究

段凡平

摘 要：在很多非洲國家，波浪要素等水文資料的缺失是制約港口工程設計與施工的最主要因素之一。本文以喀麥隆克里比深水港項目為實例，在研究海域沒有實測資料的情況下，以衛(wèi)星反演測波理論為基礎，推算深水波有效波高。為本項目設計與施工提供了科學的研究依據(jù)，亦為類似大型港口項目提供有效參考和經(jīng)驗思路。

關鍵詞：港口;衛(wèi)星反演測波;高度計法;有效波高

中圖分類號：U65? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）03-0067-04

1緒論

近年來，隨著習主席“一帶一路”倡議引領，在中非合作論壇“八大行動”舉措的推進下，中資承包商在非洲國家或地區(qū)承建了一大批基礎設施工程，改善了當?shù)鼗A設施狀態(tài)，提高了當?shù)厝嗣竦纳钏?，形成中非合作互利共贏的新局面，喀麥隆克里比深水港便是典型項目之一。

由于喀麥隆經(jīng)濟及技術發(fā)展相對落后，當?shù)匮睾Ｎ唇ㄓ兴挠^測站，工程海域缺乏實測水文數(shù)據(jù)及波浪條件。而衛(wèi)星反演測波為先進的技術手段，本文基于衛(wèi)星反演測波理論，研究確定工程海域深水波有效波高，為項目的設計及施工提供依據(jù)。

2工程背景

本文研究工程位于喀麥隆沿海城市克里比市，緯度02°43′N，經(jīng)度 09°50′E，毗鄰西非幾內亞灣，見圖1中紅點標注。項目分為兩期，一期為一個集裝箱泊位和一個多用途泊位，二期為兩個集裝箱泊位。

根據(jù)現(xiàn)有有限的資料統(tǒng)計分析，西非幾內亞灣海域除了被普遍認為存在短周期風浪、長周期涌浪外，還存在因極端天氣下，排列成帶狀雷暴群的颮線[1]（見圖2中紅線）天氣產生的颮線浪，波浪條件較復雜。而波浪要素是防波堤結構設計、碼頭結構設計、碼頭附屬設施設計、港內泊穩(wěn)條件計算及施工期臨時設施和施工條件確定的重要因素。因此，在無實測資料的情況下，采取科學有效的技術方法確定深水波浪要素是本文項目的重中之重。

3衛(wèi)星反演有效波高

3.1 衛(wèi)星反演測波原理

最近二十年來，隨著衛(wèi)星傳感器技術的日趨成熟，各個國家發(fā)射了多顆海洋衛(wèi)星，其攜帶的傳感器（高度計，合成孔徑雷達，微波散射計，輻射計等），可以實現(xiàn)對海洋表面風場、鹽度、有效波高、海溫、懸浮泥沙場的觀測[2]?，F(xiàn)階段，有兩種傳感器高度計和合成孔徑雷達可以用來觀測波浪，介于成熟度和應用廣泛程度考慮，本文采用高度計傳感器數(shù)據(jù)[3]。

高度計的應用都基于三個基本觀測量：①時間延遲-高度計發(fā)射脈沖到接收海面回波信號的時間間隔-從中獲取海面高度的信息，并由此反演海洋重力場、海洋大地水準面、海洋潮波系統(tǒng)等;②海面回波波形的前沿斜率-從中可以獲取海面有效波高的信息;③海面回波波形強度-從中獲取海面風速的信息。

高度計測量海上有效波高的原理依賴于反射的雷達脈沖的形狀和時間。高度計在軌道運行繞地球運動的過程中，會不斷向海面發(fā)射電磁脈沖，到達地面的雷達波束通常直徑為幾公里，這樣的分辨率是無法來描述波浪結構的。然而，反射回來的雷達波會由于波浪的存在而產生變形。利用反射雷達波變形的特征信息，可以得到海面的粗糙度，通過大量理論和實驗的分析，建立粗糙度和波高之間的聯(lián)系，就可以反演波高。

圖3顯示了分別攜帶海浪波峰和波谷信息的雷達脈沖返回傳感器時刻的示意圖。在軌的高度計會持續(xù)向海面發(fā)射電磁脈沖，如果海面平整光滑，那么反射回來的雷達波仍然是脈沖形式。如果海面有波浪存在，那么入射脈沖會首先在波峰處產生反射，當脈沖繼續(xù)向下傳播，會有越來越多的入射波被反射回去;當脈沖到達波谷的時候，所有的入射脈沖都會被反射[4]。因此，在有波浪存在的情況下，衛(wèi)星雷達接收到的脈沖波型會由于波面的起伏而產生扭曲變形。波浪越大，反射脈沖波的持續(xù)時間越長，波形的扭曲變形越嚴重。

假定波面高度服從高斯分布，可以證明在窄譜條件下海表面的波高服從瑞利分布。假定波面高度服從高斯分布，雷達脈沖的有效脈沖持續(xù)時間T與海表面的有效波高Hs之間存在如下關系：

式中，

C----光速;

Tp----發(fā)射的脈沖持續(xù)時間，它是雷達設計中設定的已知參數(shù);

Hs----有效波高;

T----反射的雷達脈沖持續(xù)有效時間;

根據(jù)高度計反射雷達脈沖的形狀和時間首先確定有效脈沖持續(xù)時間T，然后依據(jù)上述公式可獲取海表面的有效波高。

3.2衛(wèi)星數(shù)據(jù)介紹

因衛(wèi)星數(shù)據(jù)商業(yè)化的滯后性，本文收集了最新商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)自1991-2011年，21年多顆衛(wèi)星高度計測波資料，詳細清單見表1：

其中ERS系列衛(wèi)星和Jason系列衛(wèi)星在幾內亞灣附近的軌跡詳見圖4。從圖中還可以看出，Jason系列衛(wèi)星軌距比較大，而ERS要密很多，這是由于前者的回歸周期要比后者小很多。為了增加取樣的個數(shù)，會取工程附近的一個矩形區(qū)域作為衛(wèi)星數(shù)據(jù)的采樣區(qū)，本文選取區(qū)域為：經(jīng)度方向： 東經(jīng)4-9度;緯度方向：北緯 0-4度。區(qū)域大小見圖5中紅框，其中四條軌道分別是Jason衛(wèi)星的 Pass33、Pass122、Pass198、Pass211在本區(qū)域內的軌跡線。

3.3衛(wèi)星數(shù)據(jù)前處理

衛(wèi)星高度計是根據(jù)其發(fā)射的主動式雷達脈沖經(jīng)過不同粗糙海面的反射所獲得的回波信號的不同形狀來遙測海面波高。雷達微波及其回波信號在大氣介質的傳播中，要受到電離層、平流層，尤其是大氣層和海氣界面的影響。而其影響程度在時間上和空間上都要發(fā)生很大的變化， 因此在使用之前要做一些預處理和資料的質量控制。

衛(wèi)星高度計的資料產品在發(fā)布之前，根據(jù)雷達微波及其回波信號在大氣介質的傳播中所受到電離層、平流層、尤其是大氣層和海氣界面的影響， 進行了大量的常規(guī)校正， 在資料中做了許多的標記。在T/P 高度計資料中， 給出了22字節(jié)的長度來標記“ENVIRONMENTAL CORRECTION GROU P”，分別給出干對流層、濕對流層、平流層、逆溫層的校正參數(shù); 給出了30 字節(jié)的“FLAGS GROU P”來標記高度計的姿態(tài)、資料的質量。在GEOSAT 高度計資料中有16 字節(jié)的校正數(shù)據(jù)段， 用來對固體潮、海洋潮、干對流層、濕對流層、平流層等對微波信號的干擾進行校正;用2 字節(jié)來記錄高度計的姿態(tài)。

高度計設計者盡管在高度計的硬件設計和軟件反演中做了諸多考慮，但由于其傳播環(huán)境的復雜性和多變性以及海氣界面的影響，使得不少遙感資料嚴重偏離實際海面的“真值”。因此，高度計遙感波高資料的質量控制，無論對于其本身，還是對于各種海洋應用研究來說都是十分重要的、必不可少的。

提高高度計遙感波高資料質量的第一步，可以根據(jù)質量標志位“FLAGS”或“FLAG GROUP”中的信息對其進行甄別和處理。但是僅經(jīng)過上述處理是遠遠不夠的，資料中仍然有大量失真的“壞資料”。為了更有效地甄別和清除失真資料，必須對高度計測波資料進行物理機制方面的控制[5]。

除了上述在讀取數(shù)據(jù)時進行的訂正之外， 在實際應用前應進行嚴格的質量控制，采用的物理判據(jù)為：風速超過18m/s 的數(shù)據(jù);靠近陸地、有海冰覆蓋和受降雨影響的測量值。滿足以上條件之一的數(shù)據(jù)，應予以刪除。經(jīng)過以上數(shù)據(jù)預處理，雖然可能去除了一些實際上有效的觀測值， 但可以進一步提高和保證數(shù)據(jù)的精度。

3.4 反演有效波高

利用上述方法，對1991-2011年21年間衛(wèi)星波高數(shù)據(jù)進行前處理后，整理得到共4926個平穩(wěn)海況，有效波高的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如下表2所示：

21年間的最大深水波有效波高為3.21米，反演的深水有效波高見圖6。

常用的推算重現(xiàn)期對于數(shù)據(jù)極大值的采樣分為年最大值法和峰值閾值法。峰值閾值法會把所有大于某一閾值的數(shù)據(jù)點，全部作為進行極值分布的采樣點，但是較低數(shù)值的采樣點與較高數(shù)值的采樣點并非一定服從同一分布。基于此，本文采用年最大值法，提取21年間的衛(wèi)星實測深水有效波高最大值，得到圖7。

目前國內外常用的推算極值波高的概率分布有P-III曲線、Weibull、Gumbel、對數(shù)分布等[6]。其中對于衛(wèi)星反演的波高，采用Gumbel分布較為合適。本文對以上四種分布都做了嘗試，發(fā)現(xiàn)確實Gumbel分布的得出的結果最優(yōu)，詳見圖8。

根據(jù)21年間衛(wèi)星數(shù)據(jù)的年最大值，采用Gumbel分布，最終推算出的建議2年，5年，10年，25年，50年和100年一遇的重現(xiàn)期的深水有效波高見表3所示。

4結語

本文在喀麥隆克里比地區(qū)無實測水文資料的情況下，詳細介紹了衛(wèi)星反演測波技術原理，通過對獲取的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行前處理及推算，得到了項目海域不同重現(xiàn)期的建議深水有效波高，為項目后期的物數(shù)模試驗及設計、施工提供了有力的依據(jù)與支撐。亦為“一帶一路”沿線較不發(fā)達國家無實測波浪資料的大型港口項目提供了有效參考和經(jīng)驗思路。

參考文獻：

[1] KOUASSI A A， YOROBA F， ASSAMOI P， et al. Numerical Study of a West African Squall Line Using a Regional Climate Model[J]. Atmospheric and Climate Sciences， 2012，2（1）.

[2] Wang Jiuke，Aouf Lotfi，Jia Yongjun，Zhang Youguang. Validation and Calibration of Significant Wave Height and Wind Speed Retrievals from HY2B Altimeter Based on Deep Learning[J]. Remote Sensing，2020，12（17）.

[3] 錢揚風，孫建.JASON-2衛(wèi)星高度計波高數(shù)據(jù)同化對中國渤黃海海浪數(shù)值預報影響研究[J].海洋湖沼通報，2020（04）：14-22.

[4] 許安迪，陳學恩.基于衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)的全球海洋潮汐特征分析[J].中國海洋大學學報（自然科學版），2021，51（01）：1-8.

[5] 韓樹宗，王海龍，郭佩芳.利用衛(wèi)星高度計資料進行多年一遇極值波高推算的方法研究[J].青島海洋大學學報（自然科學版），2003（05）：657-664.

[6] Rituparna Chutia， D. Datta. Construction of a fuzzy probability space with Gumbel function， Gaussian function， derivative of Gaussian function and Weibull function[J]. Int. J. of Fuzzy Computation and Modelling，2016，2（1）.