Remote sensing of swell and currents in coastal zone by HF radar

• Main Author: Wang, Weili
• Other Authors: Toulon
• Language: en
• Published: 2015
• Subjects: Radar haute-fréquence; Spectre Doppler; Houle; Direction du vent; High-frequency radar; Doppler spectrum; Swell; Wind direction
• Online Access: http://www.theses.fr/2015TOUL0011/document

L’environnement maritime du littoral implique de nombreux processus complexes, mais le manque de données en haute résolution couvrant une large zone sur une longue période est souvent l’obstacle principal à des recherches plus approfondies. Le radar haute-fréquence (HF) est un moyen de faire de la télédétection afin d’obtenir pratiquement en temps réel de l’information sur la surface de la mer et sur une large zone. Ainsi l’étude de l’inversion des paramètres marins à partir de données issues de radars HF est réellement porteuse de sens. Cette thèse fait l’usage d’un jeu de données collectées durant 13 mois par deux réseaux de radar HF à commande de phase pour étudier les caractéristiques de signaux d’échos de la mer, étudier les données à traiter et les méthodes d’inversion, calculer les paramètres de la surface de la mer et évaluer la précision de l’inversion radar des paramètres de la houle.Cette thèse se réfère à l’onde de sol radar HF, dont les ondes radio interagissent avec l’océan du fait de la diffraction de résonance de Bragg. Nous passons en revue l’historique et les applications du radar HF. Nous rappelons les bases de la théorie des ondes électromagnétiques. Nous décrivons les principes d’inversion des courants de surface de la mer, direction du vent et paramètres de houles. La faisabilité de l’inversion de paramètres de houle est examinée. A partir de l’analyse théorique et des études statistiques de nombreux échantillons de données, cette thèse propose une série de méthodes sur le traitement du signal brut et le contrôle de qualité, ce qui inclut la détermination du niveau de bruit, le moyennage des données dans l’espace et le temps, l’identification correcte des pics spectraux, le seuil de largeur de pic, etc. Respectant les caractéristiques de différents processus physiques, les inversions de courant et de vent utilisent des spectres collectés toutes les 20 minutes ; l’inversion des paramètres de houle utilise des spectres moyennés sur 1 heure. Les statistiques des spectres utilisés pour le calcul des paramètres de houle sont présentées pour chacune des stations. Un ensemble de programme efficaces de calculs automatiques avec une complexité algorithme réduite sont développés pour réaliser le traitement et en tirer les paramètres marins.Les vitesses de courants radiales sont obtenues à partir d’une unique station radar. Les champs de vecteurs de courants sont obtenus en combinant chaque station. On montre une année de débit moyen dans la mer d’Iroise, ainsi que le calcul de la vorticité et de la divergence. On étudie un ensemble de données d’un mois du radar SeaSonde de Qingdao. Les schémas de débit moyen, ainsi que la vorticité et la divergence sur un mois sont présentés.La direction relative du vent par rapport à la direction de visée du radar est mesurée à travers le ratio des amplitudes des pics de Bragg. Différents modèles empiriques sont employés pour obtenir la vitesse relative du vent par inversion radar. Les résultats présentés sont en accord avec les estimations prédites par le modèle. Différents modèles de distribution directionnelle sont utilisés pour mesurer le facteur de diffusion pour la mer d’Iroise.Cette thèse se concentre sur l’étude des paramètres de houle. Les résultats sont validés à l’aide de bouées et de données du modèle de vagues (Wavewatch III). L’estimation montre que la précision de la fréquence de houle est très bonne, la précision sur la hauteur significative de houle est très raisonnable et la précision sur la direction absolue de la houle est faible. La cohérence des mesures par chacune des stations radars est vérifiée par comparaison entre les deux. L’utilisation conjointe des échantillons est également prise en charge pour réaliser l’inversion. L’utilisation de deux radars n’améliore pas seulement la précision, mais résout aussi l’ambiguïté de direction relative de houle à partir d’une unique station et donne la direction absolue de vague avec une certaine précision. === Nearshore marine environment contains many complex processes, but the lack of high-resolution data over a large area during a long time is often the primary obstacle to further research. High-frequency (HF) radar is a mean of remote sensing which obtains continuous near-real time sea surface information over a large area. Thus the study of inversion of marine parameters from HF radar data is very meaningful. Thisthesis makes use of a 13-month-long dataset collected by two phased array HF radar to investigate the characteristics of the sea echo signals, study the data processing and inversion methods, compute sea surface parameters and evaluate the accuracy of radarinversion of swell parameters.The thesis refers to the ground wave HF radar, whose radio waves interact with ocean by Bragg resonance scattering. The development history and applications of HF radar is introduced. The basic theory of electromagnetic wave is reviewed. The principles of inversion of sea surface current, wind direction and swell parameters are described. The feasibility of the swell parameter inversion is investigated. Based on theoretical analysis and statistical studies of a large number of samples, the thesis proposes a series of methods on raw signal processing and quality control, including the determination of the noise level, data averaging in space and time, the proper identification of spectral peaks, the peak width threshold, etc. Respecting the characteristics of different physical processes, inversions of current and wind use spectra collected every 20 min; inversion of swell parameters uses one-hour averaged spectra. The statistics of qualified spectra for swell parameter calculations are presented for both stations. A set of efficient, with a reduced computational cost, automatic computing programs are developed to do the processing and derive marine parameters. Radial current velocities are derived from single radar station. Current vector fields are obtained by combination of both stations. One-year mean flow field in the Iroise Sea is shown, together with the computation of vorticity and divergence. A one-month SeaSonde radar dataset off Qingdao is studied. One-month mean flow pattern together with vorticity and divergence are presented.Relative wind direction with respect to radar look direction is measured through ratio of Bragg peaks amplitudes. Different empirical models are employed to derive radar-inverted relative wind direction. Results show reasonable agreement with model estimations. Different directional distribution models are used to measure the spreading factor for the Iroise Sea. The thesis focuses on the study of swell parameters. Results are validated by buoy and wave model (WAVEWATCH III) data. The assessments show that the accuracy of swell frequency is very good, the accuracy of swell significant waveheight is reasonable, and the accuracy of relative swell direction is low.Consistency of measurements by both radar stations is verified by comparison between the two. This also supports the use of double samples to do the inversion. Use of two radars not only further improves the accuracy but also solves the ambiguity of relative swell direction from single station and gives the absolute wave direction to a certain precision. The thesis proposes a constant relative directionmethod to derive swell significant waveheight, based on the studies of radar integral equation and the inverted results of relative swell direction. This proposal is demonstrated to improve the agreement of radar inversion and buoy/model provided significant waveheight and increases significantly the number of samples. The thesis investigates the accuracy of swell parameters obtained by HF radar. Contributions of random errors in radar observations are quantified. Comparing the differences between radar and buoy/model estimations gives assessments of the contribution of radar intrinsic uncertainty and contribution of other factors.