高頻雷達測流簡介

隨著文明以及經濟發展，人類社會對於海上活動的需求以及頻度均大幅增加。

基於安全以及經濟效益等因素考量，海上活動諸如航運、遊憩、救難搜索或是汙 染追蹤等都需要參考海洋的資訊，特別是海面流場變化更是其中重要的一環。海 表面流場除了受背景海流場之作用外，還會受到波浪、風場、潮汐等外在因素的 影響，其變化十分複雜。海流觀測傳統上是利用漂流浮標(drifter)，或是錨碇(mooring) 海流儀(如都卜勒流速儀 Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP，或其他型式海流 儀)等方法，缺點是在時間和空間尺度上難以同時兼顧。近代發展出的海流遙測技 術，例如岸基高頻雷達(shore-based high-frequency radars)，則具有觀測資料空間涵 蓋範圍大(尺度從數百公尺到數百公里)和時間解析度高(可以小至數分鐘)的優點，

目前雖然其量測精確度尚不能與傳統方法相比，但對作業化海流觀測而言這已是 一種可行的觀測工具(Barrick et al., 1977; Paduan and Rosenfeld, 1996)。

國外運用高頻(high-frequency, HF)雷達觀測海流之研究已發展了近 40 年之久 (Teague et al., 1997)，其遙測原理如圖 1-1 所示：由雷達天線發射出的電磁波在傳 播過程中接觸到海面粗糙構造時會產生後向散射(backscattering)，後向散射的回波 其性質與會影響到海面粗糙度特性和分佈的物理因子(如波浪、海流等)之間有密切 的關係，所以利用雷達回波的訊號可以反推出這些物理因子的分佈特性(Barrick et al., 1977; Paduan and Rosenfeld, 1996)。後向回波訊號主要是由布拉格散射(Bragg scattering)所造成，也就是當波長為 λ 的雷達波遇到海面上波長為

(

)

2 n= nλ

的水波時，雷達後向散射回波會發生建設性的疊加效應，因此回波信號就會較強(圖 1-1a)，其中尤以n=1時為最強。當海面無流時，雷達回波頻譜圖上會在此

2 λ波長

水波所對應之頻率處出現能量尖峰(如圖 1-1b 上圖)；但當海面有流時，由於海流

會對水波產生都卜勒頻移(Doppler shift)，因此在雷達回波頻譜圖上能量尖峰頻率 亦會發生偏移(圖 1-1b 下圖)，故從雷達回波的頻移可以反算出表面海流的大小。

不過單一雷達只能測到雷達天線徑向方向上的海流速度分量，需要二正交之分量 才能結合成為海流速度向量，是以至少要結合兩座以上的雷達才能得到共同涵蓋 範圍內的海流向量流場資訊(Barrick et al., 1977; Paduan and Rosenfeld, 1996)。

(a)

(b)

圖1-1 (a)雷達波與波浪作用示意圖；(b)上：無海流作用時的雷達回波頻譜圖，下：

有海流作用時的頻譜圖(縱軸表示回波能量密度，橫軸為頻率) (引自 Barrick et al., 1977)。

Emery et al. (2004)指出目前使用的高頻雷達測流系統大致可分成兩類：其一為 波束形成(beam forming)雷達，例如 Wellen radar (WERA; Gurgel et al., 1999)；另一 種則是測向(direction finding)雷達，如 Coastal Ocean Dynamics Application Radar (CODAR)。其中 CODAR 系統因為體積小便於攜帶(Barrick et al., 1977)，且較早商

業化(1984 年即已開始；參見 CODAR Ocean Sensors 網站，http://www.codar.com/)，

目前使用較廣泛(Fang et al., 2011)。Paduan and Rosenfeld (1996)曾在美國加州的 Monterey Bay 地區利用 1994 年的 CODAR 雷達資料與 AVHRR 衛星資料所觀測到 海灣及外海的海表溫相互比對(如圖 1-2)，其結果顯示 CODAR 測得的平均流場(黑 色箭頭)在灣口處呈現出一股往南的海流，而灣內的海表溫也同樣呈現往南方擴展 的狀況，這種分佈態勢相當符合當地歷史水文資料統計特性，因此他們認為高頻 雷達測流系統在長期觀測以及即時監測海流等作業方面具有很大的發展潛力。

圖1-2 美國加州利用 CODAR 雷達並配合 AVHRR 衛星在 Monterey Bay 觀測到的 海灣內及外海的海流和海表溫(引自 Paduan and Rosenfeld, 1996)。