小苏: 我们东山站北侧高达40米的东山圆锥角上，有个福建省海洋预报台地波雷达站，两站之间应该有不少故事吧？
老海：观测是海洋学之本。第二次世界大战时期目标雷达的广泛军事应用中，发现被称为“海杂波”的海面散射信号，与风速、波高和流速等海面动力状态的相关，推动了战后关于“海杂波”海洋学应用技术的陆续涌现。其中，基于海面多普勒回波信号的海面流场超视距测量技术首先发展成熟，率先进入海洋观测仪器领域，走在前面的是积淀了丰富军用雷达经验的美国和欧洲。1980年代的中国海洋界再次“睁眼看世界”，海洋二所苏纪兰先生注意到海岸雷达的物理海洋学观测潜力，邀请了刚建立CODAR公司，正在推动高频地波雷达科研项目成果商品化的Barrick先生来杭州讲学。苏先生特别邀请了武汉大学侯杰昌初创的高频地波雷达海洋探测团队参加这场科学研讨。具有电磁波传播研究厚实基础的武汉大学团队，从国家自然科学基金和湖北省科技项目支持开始，又争取到科技部专项对高频地波雷达海洋探测技术的多轮支持，终于在2010年代培育出可与美国CODAR系统、欧洲WIRA系统同台竞技的OSMAR系统。
小苏: 二十余年的跟踪研发，肯定遇到相当大的困难！
老海：万事开头难呀。侯杰昌从1987年开始组织吴世才、杨子杰等一批精干力量跟踪研发高频地波雷达系统技术，按他的自述，直到1993年广西北海的样机现场试验，才“使我们第一次看到了高频雷达的海洋回波信号，获得了回波多普勒谱、径向海流图、径向海流日变化图”。后来吴雄斌的博客披露，那个“试验过程中有四十多天看不到回波信号，吴世才教授一直鼓励大家树立信心，坚持下去。经过无数次的改进试验后终于看到海浪的散射回波，探测到15公里的海流分布”。1997年，吴世才领衔争取到国家863计划海洋领域重大课题“高频地波雷达海洋环境监测技术”，将技术指标雄心勃勃地提升到“海流最大测距200km，中等距离两站覆盖的中间区域测量误差为3cm/s”，竟明显超越欧美两个商业化系统! 然而进驻设置于浙江朱家尖岛试验站后，虽通过了2000年的原型机技术验收，由上海示范区组织的2004年、2005年、2007年三次业务化样机应用比测试验，性能仍不能达到预设指标，海洋学用户们的信心掉入低谷。
小苏: 2002年5月，科技部同意在福建省建立“台湾海峡及毗邻海域海洋动力环境实时立体监测系统”项目示范区，明确“示范区建成后，纳入福建省数字福建范畴，进行业务化运行”。2003年3月厦门大学洪华生出任首席科学家的福建示范区，将总体框架定在“建设由海岸/平台基监测网、地波雷达监测网、潜标浮标监测网、卫星遥感监测网、船基监测网组成的立体监测网，建设由信息中心、预报中心和地区数据中心组成的信息服务网，集成一个面向区域性海洋防灾减灾信息服务和相关海洋综合管理的海洋环境实时立体监测和信息服务系统示范区”。武汉大学高频地波雷达系统奉命移师台湾海峡接受业务化应用验证，是喜，是忧？
老海：任何事物都会有两面的。台湾海峡的流强风大，沿海峡主轴的风、浪、流分量均占优，特征信号明晰，相互作用关系简洁，这是有利因素。但海峡两岸电磁环境复杂，则是不利因素。根据2003年5月现场踏勘成果，福建示范区下决心为中外高频地波雷达系统创造一个同台比武的条件，除了在闽南沿海的龙海镇海角和东山圆锥角两站安排国产高频地波雷达系统的业务化监测验证，同时还为闽东沿海的连江北茭和平潭澳前两站增购国际市场上的商业化高频地波雷达系统，直接投入业务化应用。但是，鉴于以往在电磁环境复杂区域所遇困境，信心不足的美国CODAR公司当时也不敢下决心以国际市场正常价位参加闽东系统的竞标。
小苏: 那进入福建示范区应考的，只剩“初生牛犊”武汉大学系统了。
老海：是的，但我们的“初生牛犊”也是信心不足的。记得2003年7月现场勘测时，坐落在火山碎屑堆积台地上的龙海镇海角站址，施工条件不错，负责天线阵设计的武汉大学杨子杰和高火涛很快地确定了天线阵地和机房布局方案。东山圆锥角站址位于石蛋地貌发育的花岗岩坡地，施工条件复杂。参考国外雷达布设经验，福建示范区对接人员提出利用山势，通过栈桥连接，相对紧凑和隐蔽地安排天线阵地和机房的方案。但是武汉大学团队坚决要求平整天线阵地，保证天线阵地和通海地网的准确安装，否则无法保证地波雷达系统的技术指标！考虑到当地复杂电磁条件和国产设备成熟度差距，福建示范区最后决定，挤出几百万元的土建预算，削坡填坑，修建挡土墙与护坡，全力保证业务化运行进度。
小苏: 武汉大学系统的台湾海峡首秀效果理想吗？
老海：经过近两年的设计、征地和施工，2005年5月武汉大学系统终于入场安装调试，福建示范区派出厦门大学数据质控小组跟踪评估（图1）。还好，第一个月的径向数据就能够抓住半日潮周期特征，调和分析结果初步肯定了该系统海流数据的可用性。但是前三个月状况不断，悲的是不断暴露出硬件故障、软件缺陷、值班人员培训、天线抗风、电源和通信保障等系统稳定性问题，欣的是经过努力这些问题都能够一一归零。可惜熬过了这艰难的三个月，海流数据的时间覆盖率和空间覆盖率还未能达到设计指标。
图1 2005年5月，武汉大学系统终于入闽安装调试（载于：袁东星等：《春潺入海－厦门大学环境科学的成长》，厦门大学出版社2023版，第218页。）
小苏: 按《春潺入海－厦门大学环境科学的成长》一书记载，科技部农社司领导对此进度很不满意，要求研制人员下到一线，保障系统正常运行的要求。
老海：武汉大学信息学院柯亨玉院长马上将精兵强将都带到福建。先是与福建示范区方面一起研讨，确定针对雷达数据产品分级、0级产品存档、1级产品说明、2级产品发布、1级产品数据质量信息、雷达数据质量控制流程、高频地波雷达比测试验等七大技术问题的归零方案。接下来一年试验运行中，正面评价渐渐增多，团队信心越来越足。2006年7月碧利斯台风影响期间，整个应急业务流程成功运转，在雷达风场、雷达流场报告的时效性方面达到服务要求。2006年12月完善了地波雷达数据调和常数分析和余流分析流程；2007年2月取得了认定流场观测精度接近设计要求的首份地波雷达数据与小浮标的比测报告；2007年5月实现了地波雷达流场数据逐时发布的数据质量控制流程与2006年数据的示范性分析。直到现场运行三年后的2008年8月，终于通过福建示范区的比测试验证明武汉大学高频地波雷达系统“具备常规业务化运行能力”，打出了OSMAR系统品牌。
小苏: 历经整整一千多天的台湾海峡现场试验，OSMAR系统终于翻过业务化道路上的第一座大山！
老海：借台湾海峡之地利，翻越业务化之山的高频地波雷达海洋学应用进展接连涌现。2008年3月，朱大勇等在《科学通报》中英文版同时发表了题为“台湾海峡西南部表层海流季节变化的地波雷达观测”的研究论文，利用福建示范区中程高频地波雷达2006年试验运行的观测分析，第一次揭示了台湾海峡西南部海域表层海流主要由季风导致的顺岸流季节波动和常年存在的、流速约10 cm/s的东北向背景流所共同组成（图2）。7月，朱大勇的厦门大学博士论文《高频地波雷达在近海区域的应用研究－以台湾海峡为例》通过答辩，系统地向学术界介绍了国产高频地波雷达系统的物理海洋学研究成果。2009年11月，张振昌的厦门大学博士论文《三维海洋并行模型中若干计算问题的研究》通过答辩，该论文检验了数值模型模拟海流、高频地波雷达观测海流、浮标观测海流之间的绝对和相对误差，证明它们之间具有较好的一致性。这项基于高频地波雷达数据源的四维变分同化方法海流预报经验，有力地支持着至今已经稳定运行15年的台湾海峡海洋预报系统。后来，吴祥柏在2012年的第一届亚太海洋雷达会议上，报告了厦门大学利用高频地波雷达观测流场数据反演的浅海拖曳系数时空分布，研究台湾浅滩沙波减阻现象的尝试，也引起了国际同行的关注。
图2 论证“台湾海峡西南部海域表层海流主要由季风导致的顺岸流季节波动和常年存在的、流速约10 cm/s的东北向背景流所共同组成”的图件截图（载于：ZHU DaYong et al., 2008. Seasonal variation of surface currents in the southwestern Taiwan Strait observed with HF radar. Chinese Science Bulletin. 53(15) , 2385-2391.）
小苏: 于是，国产高频地波雷达系统的研制进入了快车道：全数字化系统、紧凑式天线便携式系统等陆续上市，抗干扰的多频系统也通过样机验收。与此同时，OSMAR系统也不断地分化出在高频地波雷达市场上相互竞争的子系列。但是它们公布的流场观测技术指标，都未能达到当年吴世才提出的3 cm/s误差目标，原因究竟在哪里？
老海：2012年，武汉大学李伦等利用台湾海峡高频地波雷达系统回波的正负两个多普勒频移峰，联解海面波速和径向流速，确认海面波速的实测值与微幅波理论值的误差在10 cm/s左右。按照现行算法原理，地波雷达观测海面对应Bragg波长的重力波波速与水体流速共同作用下的多普勒频移，通过扣除微幅波理论确定的深水波波速背景值，得到水体流速观测值。显然，仅仅这个深水波波速背景值误差因素的传递，流速反演误差很难优于10 cm/s。
小苏: 微幅波理论还认为，浅水波情况下波速与水深的平方根成正比。那么，高频地波雷达可能同时观测到Bragg波浅水区的水深与流速?
老海：当年我们也是根据这个第一性原理判断的。2011年，厦门大学与武汉大学、南京大学、中船重工第724研究所一起策划组织“苏北浅滩高频地波雷达观测月”，根据当地围垦局对掌握方圆近百公里的辐射状潮流沙脊及其潮汐水道动力地貌信息的迫切需求，南京大学高抒建议将符合Bragg波浅水波情况的水下地形动态观测作为观测月的重点突破方向。武汉大学吴雄斌随即针对性地提出基于正负多普勒频移峰的联解算法，并用符合深水波情况的台湾海峡观测数据进行了上面提及的可行性检验。2011年7月至8月间在苏北浅滩实施的岸基高频地波雷达与多船同步连续站联合观测，成为高频地波雷达海洋观测史上第一次关于浅滩水深与流场的同步观测试验。
小苏: 这个第一次试验成功了吗？
老海：有了参试人员的齐心合力，试验过程相当理想，可惜为了防止台风浪涌上设于沿海大堤前缘的雷达天线阵，只好提早结束了。紧接着的信号处理与数据质量控制，需要跨过风、浪、流和底边界相互作用复杂关系带来的高门槛，却是那么漫长。2013年，厦门大学钟耀照等终于在《科学通报》发表了题为“苏北浅滩波浪传播速度的高频地波雷达探测”的研究论文，发布了经频域和时域数据质量控制后统计的第一幅苏北浅滩月平均波速平面分布图，图中已可分辨出潮间浅滩、水下岸坡和潮汐水道等辐射状沙脊系地貌单元相应的波速分区。他们2017年发表的论文中，已可进一步提取出苏北浅滩平均波速平面分布的逐日变化（图3），捕捉到辐射状沙脊系潮汐水道的大小潮周期摆动现象，并结合流场特征的统计分析，揭示水道涨潮优势与沙脊落潮优势的等辐射状沙脊系动力地貌学基本规律，运用水平开尔文数评估地貌系统的稳定性。至此，从提出水下地形动态观测重点，到技术成果被国际同行们认可，已历六年光阴。
图3 2011年7月17日至8月5日苏北浅滩平均波速平面分布的逐日变化（载于：ZHONG, Yao-Zhao et al., 2017. Morphodynamics of a tidal ridge system in the southwestern Yellow Sea: HF radar study. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 206, 27-37.）
小苏: 看来，台湾海峡很适合组织高频地波雷达系统海流观测能力的“科目二考试”呀。
老海：如果将复杂电磁环境下的海流观测抗干扰能力考核视为高频地波雷达系统的“科目二考试”，台湾海峡确实是个理想的演武场。2013年以来，这里曾组织过多次国产高频地波雷达系统与海洋水文浮标阵列的比测检验。据厦门大学魏国妹等2020年关于不同海况下高频地波雷达海流观测误差分析的论文公布，台湾海峡海流观测误差在7~13 cm/s区间，背景流、风浪所致斯托克斯漂流，以及水下地形的调制作用，都影响着海流观测的偏差。
小苏: 如果将复杂风、浪、流环境综合观测能力视为高频地波雷达系统的“科目三考试”，“路考”的演武场选在哪里更合适？
老海：我们先回过头来考察武汉大学系统先期入驻的浙江朱家尖岛试验站，该站高频地波雷达观测扇区位于舟山群岛外侧的东海沿岸流区，潮流场与风场、浪场、余流场近于正交，风、浪、流关系较为复杂，是可称为“科目三考试”场地。更难通过的“科目三考试”场地，应属潮流振幅更小，风、浪、流关系更为复杂的南海东北部沿岸流区。希望十余年前通过台湾海峡“科目二考试”的OSMAR各子系列产品，苦练基本功，准备迎接更接近业务化需求的“科目三考试”演武场挑战！
参考文献
吴雄斌：《高频地波雷达简介》（一）~（六），载于：《科学网博客》2010年，https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=39338。
侯杰昌，吴世才，杨子杰，等：《海洋表面流的高频雷达遥感》，载于：《地球物理学报》1997年第40卷第1期，第18~26页。
吴世才，杨子杰，文必洋，等：《高频地波雷达的东海试验》，载于：《武汉大学学报（理学版）》2001年第41卷第1期，第111~117页。
袁东星，李炎，洪华生：《春潺入海－厦门大学环境科学的成长》，厦门大学出版社2023版，第218页。
ZHU DaYong，LI Li，LI Yan，et al., 2008. Seasonal variation of surface currents in the southwestern Taiwan Strait observed with HF radar. Chinese Science Bulletin. 53(15), 2385-2391.
LI, Lun, Xiongbin WU, Xing’an XU, et al., 2012, Ocean gravity wave phase velocity detection by HFSWR. IEICE Electron Express, 9, 724-730.
钟耀照，李炎，吴雄斌，等：《苏北浅滩波浪传播速度的高频地波雷达探测》，载于：《科学通报》2014年第59期第4-5期，第412-418页。
ZHONG, Yao-Zhao, Yan Li, , Xiong-Bin Wu, et al., 2017. Morphodynamics of a tidal ridge system in the southwestern Yellow Sea: HF radar study. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 206, 27-37.
WEI, Guomei, Zhigang HE, Yanshuang XIE, et al., 2020. Assessment of HF radar in mapping surface currents under different sea states. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 37,1403-1422.
文| 李炎
编辑| 李灿如
