筑夢深藍打造新一代“探海利器”構建粵港澳大灣區高頻地波雷達觀測網

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害的滋擾。地處東南沿海的廣東省，更是我國遭受臺風風暴潮災害最多且最嚴重的地區之一。通過有效的觀測手段，加深對海洋的了解，進而達到防災減災的目的，對廣東省乃至整個粵港澳大灣區都具有十分重要的現實意義。在這一過程中，高頻地波雷達探測技術以其覆蓋范圍廣、持續性強、可全天候作業等獨特的優勢，逐漸成為我國在海洋環境監測領域的“新晉力量”，而《廣東省海洋觀測網建設規劃（2016—2020）》更是將新增地波雷達站確定為廣東省這一階段海洋觀測網建設的主要任務之一。

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地波雷達組網研究的中山大學大氣科學學院及南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海）教授韋駿來說，以廣東省重點領域研發計劃項目“粵港澳大灣區地波雷達組網及模式同化關鍵技術研發與示范”為切入點，讓地波雷達觀測網這一新一代“探海利器”在海洋災害防治、海洋生態環境保護、海洋開發利用、海上執法、海洋國防權益等行業管理與決策方面發揮更大作用，打造完備的具有自主知識產權的地波雷達技術體系，并將其應用于我國海洋觀測實踐中，是他一直在做的事。

新技術對上老問題

海面上的浮標，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觀測系統。這種自20世紀50年代興起的海洋觀測體系，在“服役”的數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：浮標觀測系統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系統，迅速成為浮標觀測系統在“廣度”層面的有效補充?！白饔糜诤Ｑ蟊砻嬗^測的地波雷達系統能覆蓋較大的探測面積，可與浮標系統共同形成‘一縱深一廣泛的立體觀測體系，可為檢測各種海洋災害提供更全面的觀測視角。目前，世界范圍內的海洋大國、海洋強國均在地波雷達這一領域展開研究和布局，其中不少國家和地區已建成完整的地波雷達觀測網?！表f駿解釋道，“但目前我國有關地波雷達的研究和應用情況嚴重滯后，全國沿海的地波雷達站僅有50套左右，這與覆蓋全國海岸線所需的150套目標數目相差甚遠。而且目前已建成的雷達站大多處于各自工作的狀態，不同地波雷達站覆蓋區域之間的觀測空隙亟待填補，可以‘互通有無的完整觀測網絡亟待建立?！?/p>

在“粵港澳大灣區地波雷達組網及模式同化關鍵技術研發與示范”項目啟動前，粵港澳大灣區約8萬平方公里的海域上，不同研究機構、政府機關興建的地波雷達站只有4套，并不能形成對大灣區海域的完整監測。韋駿團隊的目標，就是在珠江口這一“監測空當處”布置6套地波雷達站點，從而構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域性雷達網。然而，不同地波雷達站點之間的“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”地波雷達共同作用、發揮其最大價值，就要對這些地波雷達進行合理的優化布站，以“組網”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，從而形成一個統一的、有機的、整體的新體制雷達系統。但面對發射頻率、雷達型號等方面都“眾口難調”的10套地波雷達，加之與國外同類型產品相比國產地波雷達反演精度仍有一定差距的實際情況，想要實現地波雷達的有效組網，韋駿團隊需要首先在組網技術層面解決10套異型、異頻地波雷達的組網問題，進而在雷達反演技術層面迎頭趕上國際同類產品。與此同時，韋駿深知，海洋觀測絕不是閉門造車，數據更不是“測完就行”。如何對地波雷達獲得的數據進行對比驗證和反復校準，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“地波雷達海洋流場及波浪反演技術研究”“地波雷達抗干擾以及幅相自校準方法研究”“地波雷達組網技術研究”“地波雷達數據質量評估技術研究”“粵港澳大灣區高分辨率海洋數字預報模型、地波雷達數據同化方法及海洋多源數據融合技術”5個課題的共同研究。

在讓10套地波雷達“求同存異”的過程中，韋駿團隊通過異頻地波雷達數據融合技術、異型地波雷達數據融合技術和地波雷達組網的技術固化，參與到讓異型、異頻雷達得以實現數據融合，確保雷達組網技術得到業務化運行的工作中。在此基礎上，他們進一步展開地波雷達組網數據的可視化研究，對經過融合處理后的地波雷達數據進行處理，將波浪場（海浪譜、浪高）、流場（徑向、流速）數值數據轉換成幾何數據，再經由可視化技術生成實測矢量場和網格化矢量場的可視化界面。在確保觀測結果“一目了然”的同時，韋駿團隊進一步加入對觀測結果測量、縮放等功能，讓海洋流場及波浪數據不僅“清晰可見”，更能幫助研究者進行進一步判別。

雷達反演技術結果準確與否，需要海上實時觀測的結果予以“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”，同時規避雷達檢測過程中出現的無效數據，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“質量控制器”?！皣鴥鹊夭ɡ走_站數量少、‘互動差，其中一個重要原因是地波雷達校準成本高、數據質量不穩定?！表f駿解釋道，“通過傳統浮標式和拖曳式相結合的比測方法，借由8套坐底式ADCP+海床基、4套拖曳式ADCP+無人船和32個表層漂流浮標等具體方式，可以為反演算法提供高效率的校準方法，同時為反演算法優化提供數據支持?！?/p>

借由這些關鍵技術突破，韋駿團隊得以收集大量準確的海洋觀測數據，并不斷探索基于觀測數據，構建粵港澳大灣區高分辨率海洋數字預報模型、研發地波雷達數據同化方法及海洋多源數據融合技術的可能性。以全球-南海-大灣區高分辨率數值模式系統為代表，依托中山大學地球系統模式（SYCIM），韋駿團隊著力構建長時間序列的、模式分辨率100～500米之間的高分辨率雷達數據集，從而大幅提升大灣區海洋模式同化、海洋災害預報系統的研發水平，并為相關決策提供數據及理論支持。目前，這一模式的非結構網格可對珠江支流進行無限加密，并達到珠江10米的超高分辨率。

作為“粵港澳大灣區地波雷達組網及模式同化關鍵技術研發與示范”的負責人，韋駿始終心系我國地波雷達技術水平的提升，以及其在粵港澳大灣區防災減災過程中發揮的實際作用。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項目能夠完全覆蓋和解決的事?！痹谥鹨煌黄葡嚓P技術難點、驗證地波雷達技術的可用性后，韋駿期待相關成果支持我國地波雷達技術朝著“好用”和“廣泛應用”的方向發展?！耙匝邪l帶動技術進步，以應用提升地波雷達技術業務化應用水平，進而推動粵港澳大灣區海洋災害應急聯動觀測能力的提升，是我們下一步要做的事情?！表f駿堅定地說。

要做“抓臺風”的人

從理論到應用，不唯是“粵港澳大灣區地波雷達組網及模式同化關鍵技術研發與示范”項目的重要目標之一，也是韋駿入職中山大學大氣科學學院的初衷之一。從遠離海洋的內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觀測網組網和應用示范的工作中。以日本有明灣為參考樣本，韋駿團隊持續思考在粵港澳大灣區建立高頻、高效、長時間運行高頻地波雷達網，以及開展基于高頻地波雷達和高分辨率數值模式的海洋環境監測、預報預警及海上搜救等方面示范應用的可能性。

對于粵港澳大灣區地波雷達觀測網組網工作的內容，韋駿形象地將其概括為“軟硬兼施”。在與海洋和海洋災害“打交道”的過程中，韋駿團隊也經歷了諸多考驗。在硬件基礎——珠江口雷達站的選址及建設過程中，他們一次次踏足荒島、反復勘測，只為尋找合適的“落點”；選址確定以后，建成的雷達站還要反復經歷臺風的“試煉”：“雷達網的重要作用之一，就是‘抓臺風，即在臺風天里對海面各種數據進行觀測，從而得出相應的數據和規律用于災害預報和相關研究。去年臺風季的時候，我們的雷達直接被臺風掀翻了。這就要求我們從基礎建設到機箱天線設計的每個細節都要考慮到，保證雷達站在沒有人工輔助的條件下，在臺風中‘站得住還要‘讀得出，這樣才能發揮出地波雷達觀測網‘抓臺風的作用?！表f駿說道。

在雷達生產企業廣東藍圖信息技術有限公司團隊的協助下，硬件基礎涉及的問題逐一被解決，雷達站的建設也在穩步進行中。而在軟件基礎——各類算法的優化和整合的研發過程中，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計過程中缺乏海洋學的相關知識，相關算法往往基于算法設計者的經驗得出。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相關知識和數據引入反演算法的設計內容中，并通過人工智能等優勢技術成果，進一步提升反演算法的精準度。此外，在比測實踐過程中，還要考慮海洋環境中其他作業船只對項目開展過程中設備和數據的影響。例如我們放在海上的設備經常會受到臨近的船只破壞或把設備拖離原有的位置。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，將傳統的浮標陣列放到海里，以形成實際觀測數據，對目前已建成雷達站所收集的數據進行驗證。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，讓雷達觀測方法和傳統觀測方法的‘配合更默契、讓地波雷達的數據更精準?！?/p>

“軟硬兼施”的最終目標，是建立粵港澳大灣區地波雷達組網可視化海洋環境監測預報系統，并將觀測數據及分析結果數據通過相關平臺發布，建立一個集多種可視化功能、實時入庫、展示、監測、數據接口和數據共享于一體的高頻海洋探測儀數據可視化應用示范平臺，并開展地波雷達海洋環境監測、預報預警及海上搜救等的應用示范，實現地波雷達海洋監測與數值預報平臺的穩定運行、數據共享。系統試運行期間，韋駿團隊將進行數值預報產品與觀測數據資料的對比分析，并對數值預報系統的時效性和精確度進行評估?！熬拖瘳F在的天氣預報一樣，我們希望將來海洋的‘氣象也可以通過這一系統進行預報?！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體系，也可以成為地波雷達技術推廣應用的示范工程，為后續推動相關技術成果由南海走向北海區、走向東海區，并最終形成覆蓋全國海域的地波雷達觀測網絡提供巨大推力?！?/p>

在“走向遠海、走入深海、走向大洋”目標的號召下，韋駿時刻謹記自身作為海洋氣象工作者在推動我國海洋事業發展過程中的重要使命。對于深耕多年的地波雷達觀測領域，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?！闭劶拔磥?，韋駿滿懷期待：“項目有很多，事業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，中國的地波雷達觀測網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、社會經濟效益和產業發展紅利將會惠及更多從業者。到那時，作為中國地波雷達網最初的創建者，我們也將感到無比光榮?！?/p>

（責編：唐一白）