HF radar wave measurements in the US Caribbean in complex sea states: Hurricane Matthew case study

Abstract

Methods for resolving wave information from 2nd order backscatter with SeaSonde high-frequency radars (HFR) were assessed for the west (Mona Passage) and southeast coasts of Puerto Rico during Hurricane Matthew in 2016. A series of complex interactions between distant swells and local wind-wave components inhabited the HFR coverage areas during three separate wave events that occurred during Matthew’s lifespan and were analyzed individually for each region. Wave parameter estimations from two 13 MHz systems located in the Mona Passage and a 5 MHz system in the southeast were compared with oceanographic in situ buoy data and a high-resolution Nearshore Wave Model averaged within the HFR range-ring polygons, or range cells. Good agreement and lower root mean square (RMS) differences were shown during onshore swell conditions during wave event 1 with a maximum r2 of 0.98 in significant wave height comparisons in the southeast. Bimodal conditions depicted within the HFR Doppler spectrum induced by the combination of wind-waves and swell reduced agreement in dominant wave periods in the comparisons, specifically in the southeast coast during wave event 2. The statistical differences in wave events 2 and 3 in the wave parameter comparisons between the 13 MHz sites in the Mona Passage suggest the dependence on direction of swell propagation and wind velocities. Results show a potential use of HFR-derived wave parameters in an operational setting, but there is a directional dependency on the wave conditions for better accuracy in wave parameter estimations as well as signal-to-noise ratio thresholds in the sideband continuum.

Los métodos para obtener datos de oleaje utilizando información de radares de alta frecuencia (HFR) se evaluaron en dos regiones ubicadas en Puerto Rico durante el Huracán Matthew en el 2016. Este evento causó unas condiciones de oleaje complejas debido a la interacción de olas de viento y olas de largo período dentro del area de cobertura de los radares. Los datos de oleaje estimados por dos antenas de radar de 13 MHz en la costa oeste de Puerto Rico y una de 5 MHz en el sureste fueron comparados con datos de boyas de oleaje y el modelo numérico SWAN de CARICOOS. En general se obtuvo buena correlación con un máximo de r2 de 0.98 y menor raíz cuadrada de diferencias cuadráticas (RMS) durante eventos de oleaje que se propagaban en dirección de la orientación de los radares, es decir, en dirección hacia la costa, especialmente en la costa sureste. Las condiciones bimodales representadas en el espectro Doppler del sistema HFR, inducido por la combinación de olas de viento y olas de largo período, redujeron la correlación entre el período del oleaje medido por los radares y las boyas oceanográficas, especialmente en el segundo evento de oleaje. Las diferencias estadísticas durante el segundo y tercer evento de oleaje entre las medidas de oleaje de los radares de 13 MHz en el Canal de la Mona y lo estimado por las boyas y modelos sugieren que el desempeño de los radares en medir correctamente el oleaje depende grandemente de la dirección de las marejadas con respecto a la orientación de las antenas. Igualmente, los resultados demuestran que el desempeño de los radares también es muy sensitivo a la razón de señal a ruido en el espectro Doppler medido por el radar.