Wave height and wind direction from the HF coastal ocean surface radar

Abstract

The biggest difficulty in extracting wind direction from high-frequency (HF) backscatter ground-wave radar data is in not knowing the fundamental shape of the directional spreading function at the Bragg wavelength for the sea-surface gravity waves. In this paper we present data from a deployment of the HF coastal ocean surface radar (COSRAD) which samples the same patch of water from a range of different angles, allowing us to determine the shape of the spectral spreading function for the Bragg resonant gravity waves. The resulting evaluation of wind direction compares favourably with wind-vane measurements in the vicinity. A routine method for extracting root mean square (rms) wave heights from HF backscatter ground-wave radar spectra has been developed based on the theoretical work of D.E. Barrick. This method is reviewed in the paper and a "best practice" procedure is described for routine production of rms wave heights. Results are shown for a recent deployment of the COSRAD HF radar near Cairns in the Great Barrier Reef Region of northeast Australia. The observed rms wave heights agree reasonably well with those given by the JONSWAP model over the same range of wind speeds. A method for obtaining a measure of the spreading of the directional wave spectrum has been developed. Over the period of observation, the wind speeds varied between 2 and 11 m/s, and the S values for the M.S. Longuet-Higgins et al. spreading function were in the range 1.94 ± 0.62. These S values are less than those given by the JONSWAP model, especially at low wind speeds. A sensitivity study was carried out on the spread of wind directions which would arise from this variability in the wave directional spreading function. For single measurements, the error in wind direction is ±25°, but with spectral averaging over time and space the HF radar errors in wind directions are reduced to about ±10°.

La plus grande difficulté dans l'extraction de la vitesse du vent à partir des données de rétrodiffusion radar HF de surface provient du fait que l'on ne connaît pas la forme de base de la fonction d'étalement directionnel à la longueur d'onde de Bragg pour les ondes de gravité à la surface de la mer. Dans cet article, nous présentons des données acquises par le capteur HF COSRAD (HF coastal ocean surface radar) qui échantillonne la même surface d'eau à partir de différents angles, permettant ainsi de déterminer la forme de la fonction d'étalement spectral pour les ondes de gravité de la résonance de Bragg. L'évaluation résultante de la direction du vent se compare avantageusement aux mesures réalisées au moyen de girouettes dans le secteur. Une méthode usuelle pour l'extraction des valeurs rms des hauteurs de vague à partir des spectres de rétrodiffusion radar HF de surface a été développée basée sur les travaux théoriques de D.E. Barrick. Dans cet article, on décrit la méthode ainsi qu'une procédure de « meilleure pratique » pour la production routinière de hauteurs de vague rms. On y présente les résultats d'une campagne de mesures récente utilisant le radar HF COSRAD, près de Cairns dans la région de la Grande barrière de corail du nord-est de l'Australie. Les valeurs observées de hauteur de vague rms sont raisonnablement en accord avec les valeurs fournies par le modèle JONSWAP par rapport à la même gamme de vitesses de vent. Une méthode pour obtenir une mesure de l'étalement du spectre directionnel de la vague a été développée. Durant la période d'observation, les vitesses de vent variaient entre 2 et 11 m/s et les valeurs de S pour la fonction d'étalement de M.S. Longuet-Higgins et al. se situaient dans la fourchette 1,94 ± 0,62. Ces valeurs de S sont inférieures à celles du modèle JONSWAP, spécialement pour les basses vitesses de vent. Une étude de sensibilité a été réalisée sur l'étalement des directions de vent qui proviendrait de la variabilité dans la fonction d'étalement directionnel de la vague. Pour des mesures uniques, l'erreur dans la direction du vent est de ±25°, mais en appliquant un moyennage spectral par rapport au temps et à l'espace, les erreurs radar HF dans les directions de vent sont réduites à environ ±10°.[Traduit par la Rédaction]