基于ASCAT散射計(jì)數(shù)據(jù)的2012年南極周邊海面風(fēng)場特征分析

張婷 張杰 楊俊鋼

（國家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061）

0 引言

南極位于地球最南端，是世界上地理緯度最高的一個洲，總面積約1 400萬平方公里，海岸線長約24 700 km，四周瀕臨海域由南太平洋、南大西洋和南印度洋各一部分，連同南極大陸周圍的威德爾海、羅斯海、阿蒙森海、別林斯高晉海等組成。由于這些水域在氣候方面的均一性，以及在溝通三大洋，使三大洋深層和底層保持含氧的低溫環(huán)境方面有重要作用，因此，通常把這些水域合為一個整體以便于研究。隨著南極科學(xué)考察活動的日益頻繁，研究南極周邊海洋風(fēng)場特征對研究南極水文氣象及航線保障有重要意義。卞林根等［1］曾對長城站1985年的氣象要素特征進(jìn)行過分析，是研究長城站氣象要素場特征的重要參考。黃耀榮等［2］利用南極長城站1985—1996年的風(fēng)觀測資料對長城站的風(fēng)場分冬、夏兩半年進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：長城站地區(qū)冬半年盛行ESE風(fēng)，夏半年盛行WNW風(fēng)。冬半年平均風(fēng)速 7.9 m·s－1，夏半年 6.9 m·s－1，冬半年大于夏半年。大風(fēng)日也是冬半年（月平均為14天），大于夏半年（月平均為8天）。魏文良等［3］總結(jié)了中國極地考察航線及海洋氣象研究成果，分析了極地災(zāi)害性系統(tǒng)的天氣特點(diǎn)和天氣系統(tǒng)的演變、發(fā)展及其移動規(guī)律。卞林根等［4］利用南極長城站和中山站的降水、風(fēng)、濕度、氣壓和云量等地面氣象觀測資料，對兩站基本氣候特征和變化趨勢進(jìn)行了分析。

衛(wèi)星遙感資料具有覆蓋范圍大、高時空分辨率、可連續(xù)觀測等優(yōu)點(diǎn)，在觀測和研究中起著越來越重要的作用。目前可以觀測海面風(fēng)的傳感器有微波散射計(jì)、微波高度計(jì)和微波輻射計(jì)。其中只有微波散射計(jì)可以在晝夜晴空和有云條件下給出海面風(fēng)矢量風(fēng)向和風(fēng)速，其他兩種傳感器只能給出海面風(fēng)速，因此，散射計(jì)矢量風(fēng)資料的應(yīng)用得到廣泛的重視［5］。本文選取的研究區(qū)域?yàn)?5°S以南海域，采用2012年1月1日至2012年12月31日的ASCAT散射計(jì)數(shù)據(jù)，空間分辨率為25 km，開展南極周邊海洋海面風(fēng)場特征統(tǒng)計(jì)分析研究。重點(diǎn)分析了南極周邊海面風(fēng)場的季平均分布特征、海面風(fēng)速月平均特征以及海面風(fēng)速＞10 m·s－1發(fā)生的比例。

1 ASCAT數(shù)據(jù)

ASCAT全稱 The Advanced SCAT terometer，是歐空局于2006年10月19日發(fā)射的歐洲氣象衛(wèi)星Metop-A上搭載的散射計(jì)，由歐洲氣象衛(wèi)星組織運(yùn)營。ASCAT衛(wèi)星運(yùn)行在98.59°傾角、800 km高度的太陽同步軌道上，工作頻率為5.25 GHz（C波段，受降雨影響相對較?。Ｆ錅y風(fēng)原理為發(fā)射微波經(jīng)海面散射后獲取海面后向散射系數(shù)，再根據(jù)地球物理模型計(jì)算得到海面風(fēng)場。ASCAT風(fēng)場數(shù)據(jù)有12.5和25 km分辨率兩種產(chǎn)品，獲得海面上10 m等效風(fēng)矢量，可覆蓋全球海洋。ASCAT的風(fēng)速偏差＜0.5 m·s－1，均方根誤差 ＜2 m·s－1，風(fēng)向均方根小于20°［6］。此外，受工作原理限制，ASACT在離岸＜50 km和海冰覆蓋海域不能獲得風(fēng)場測量數(shù)據(jù)。本研究采用了2012年的ASCAT 25 km分辨率海面風(fēng)場數(shù)據(jù)產(chǎn)品，南極周邊海域ASCAT數(shù)據(jù)覆蓋范圍如圖1中所示。

圖1 南極周邊海洋風(fēng)場遙感調(diào)查區(qū)域示意圖及ASCAT數(shù)據(jù)覆蓋圖Fig.1.The sketch map of the sea surface wind field remote sensing investigates district in the South Pole peripheral sea，and the data coveragemap of the ASCATwind data in the South Pole peripheral sea

2 ASCAT散射計(jì)數(shù)據(jù)處理

由于ASCAT數(shù)據(jù)空間分布不均勻，為了便于分析風(fēng)場的空間分布特征，需處理成空間網(wǎng)格數(shù)據(jù)，將空間上分散的數(shù)值轉(zhuǎn)換成規(guī)則分布的網(wǎng)格數(shù)值，彌補(bǔ)空白網(wǎng)格的數(shù)值。本文采用最優(yōu)插值方法對ASCAT散射計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理［7］，將空間分布不規(guī)則的數(shù)據(jù)處理為0.25°×0.25°的網(wǎng)格化海面風(fēng)場數(shù)據(jù)。網(wǎng)格化方法具體介紹如下：

其中，Ag（Bg）是網(wǎng)格點(diǎn) g的分析值（初猜值），Oi（Bi）是觀測點(diǎn) i的觀測值（初猜值），Wi是觀測點(diǎn)i的權(quán)重，N是觀測點(diǎn)的個數(shù)。

假定無偏、無關(guān)情況下，最合適的權(quán)重定義為：

其中，μB（μO）是觀測點(diǎn) i和 j的初猜值（觀測值）的誤差相關(guān)系數(shù)，λ是這兩個誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差的比值，定義為：

其中，σB（σO）是初次初猜值（觀測值）誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差，假定為 1［8］。μB的定義為：

其中，rz（rm）是兩個任意觀測點(diǎn)i和j的緯向（經(jīng)向）距離；Lz和Lm是緯向和經(jīng)向上的特征尺度。在本文中，分別取為300和150 km，μΟ的值假定為1（0）對于相同（不同）觀測點(diǎn)間［9］。本文中海面風(fēng)場初猜值采用NCEP／NCAR提供的NRA1的日平均風(fēng)場數(shù)據(jù)。

3 海面風(fēng)場特征分析

季平均分布特征分析由研究區(qū)域逐日海面風(fēng)場網(wǎng)格數(shù)據(jù)計(jì)算得到海面風(fēng)場春（7—9月）、夏（10—12月）、秋（1—3月）、冬（4—6月）四季的平均數(shù)據(jù)，具體計(jì)算公式如下。

其中，Uij、為（i，j）網(wǎng)格點(diǎn)上的風(fēng)速風(fēng)向季節(jié)平均值為某季節(jié)的第 n天（i，j）網(wǎng)格點(diǎn)處的風(fēng)速風(fēng)向，N為該季節(jié)的天數(shù)。

基于所得數(shù)據(jù)繪制海面風(fēng)場季平均風(fēng)向圖，如圖2，其中空白區(qū)域表示海冰覆蓋區(qū)域。

圖2 南極周邊海面風(fēng)場季平均風(fēng)向圖Fig.2.The seasonalmean wind direction in the South Pole peripheral sea

從圖2中可以看出，春季在 55°S以南，在120°W和60°E附近海域盛行北風(fēng)，其他海域風(fēng)向無明顯規(guī)律；夏季在55°S以南，在0°W附近海域、120°W附近海域和120°E附近海域盛行北風(fēng)，在180°W和60°E附近海域盛行南風(fēng)，其他海域風(fēng)向無明顯規(guī)律；秋季在55°S以南，0°W—60°W海域內(nèi)盛行西北風(fēng)，60°W—120°W海域內(nèi)盛行東北風(fēng)，120°W—180°W海域內(nèi)盛行東風(fēng)，0°E—60°E海域內(nèi)盛行西風(fēng)，南極大陸近海區(qū)域盛行西北風(fēng)，60°E—120°E海域內(nèi)盛行西南風(fēng)，120°E—180°E海域內(nèi)盛行南風(fēng)；冬季在55°S以南，風(fēng)向無明顯規(guī)律。

圖3為南極周邊海面風(fēng)場季平均風(fēng)速圖，從圖中可以看出，春季在55°S以南，在0°W—60°W海域內(nèi)風(fēng)速較小，其他海域風(fēng)速較高；夏季在55°S以南，靠近南極大陸的高緯度海域風(fēng)速較高；秋季在55°S以南，0°W—60°W海域內(nèi)風(fēng)速較小，靠近南極大陸的高緯度海域風(fēng)速較??；冬季在55°S以南，0°W—60°W海域內(nèi)風(fēng)速較小，其他海域風(fēng)速較高。從圖3可以看出南極周邊海域在冬季（4—6月）和春季（7—9月）風(fēng)速普遍較大，且從全年來看0°W—60°W海域內(nèi)風(fēng)速明顯比其他海域要小。

4 平均海面風(fēng)速特征分析

將海面風(fēng)場月平均數(shù)據(jù)根據(jù)空間網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)進(jìn)行研究區(qū)域空間平均，得到代表該月份整個研究區(qū)域內(nèi)海面風(fēng)場的區(qū)域平均海面風(fēng)速數(shù)據(jù)，具體計(jì)算公式如下。

其中，uij為區(qū)域內(nèi)（i，j）網(wǎng)格點(diǎn)上的風(fēng)速。

圖3 南極周邊海面風(fēng)場季平均風(fēng)速圖Fig.3.The seasonalmean wind velocity in the South Pole peripheral sea

圖4 2012年月平均風(fēng)速數(shù)據(jù)區(qū)域平均后分布圖Fig.4.The regional averaged wind velocity after monthly mean in 2012

從圖4可以看出，南極周邊海域風(fēng)速從1月份開始逐漸增大，7月份達(dá)到最大值后開始逐漸減小，全年有8個月的區(qū)域平均風(fēng)速＞10m·s－1，只有12月區(qū)域平均風(fēng)速＜8 m·s－1。因此，南極周邊海域的海面風(fēng)速變化特征為從1月份開始逐漸增大，到7月份左右達(dá)到最大值后開始減小，一直到12月。

圖5 2012年全年風(fēng)速分布圖直方圖Fig.5.The wind velocity distribution histogram in 2012

從圖5可以看出，對于南極周邊海域，區(qū)域平均風(fēng)速主要在9—12 m·s－1之間，全年出現(xiàn)的天數(shù)＞280天，約占全年的77%。

5 海面風(fēng)速＞10 m·s－1發(fā)生的比例統(tǒng)計(jì)

基于全部逐日海面風(fēng)場網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)每個網(wǎng)格點(diǎn)海面風(fēng)速＞10 m·s－1的情形在該季的發(fā)生比例。具體計(jì)算公式如下。

從圖6不同季節(jié)海面風(fēng)速＞10 m·s－1所占比例分布可以看出，在春季55°S以南區(qū)域，在60°W附近海域，所占比例約為0.5，其他海域所占比例＞0.6；在夏季 55°S以南區(qū)域，所占比例 ＜0.5，60°S以南區(qū)域，所占比例＜0.3；在秋季55°S以南區(qū)域，所占比例 ＜0.6，65°S以南區(qū)域，所占比例 ＜0.3；在冬季，30°W—60°W范圍中所占比例 ＜0.5，其他區(qū)域中所占比例＞0.7，即南極周邊海域30°W—60°W區(qū)域海面風(fēng)速小于其他周邊區(qū)域。從上述分析可以看出，南極周邊海域海面風(fēng)速在65°S以南區(qū)域風(fēng)速較小，＞10 m·s－1發(fā)生頻率較低，在 60°W附近南極周邊海域海面風(fēng)速相對較小。

圖6 南極周邊海域2012年海面風(fēng)場中，風(fēng)速＞10 m·s－1所占比例分布圖Fig.6.The wind velocity＞10 m·s－1 percentage distributionin the South Pole peripheral sea in 2012

6 結(jié)語

利用2012年1月1日至2012年12月31日的ASCAT散射計(jì)風(fēng)場數(shù)據(jù)，從海面風(fēng)場季平均分布特征、平均海面風(fēng)速特征、海面風(fēng)速＞10 m·s－1發(fā)生比例統(tǒng)計(jì)等方面，對55°S以南海域開展了風(fēng)場空間分布特性統(tǒng)計(jì)，得到以下結(jié)論：7月平均風(fēng)速最大，為12 m·s－1，12月平均風(fēng)速最小，為 8 m·s－1，冬季大于夏季。對于南極周邊海域，區(qū)域平均風(fēng)速主要在9—12 m·s－1之間，全年出現(xiàn)的天數(shù)＞280天，約占全年的77%。風(fēng)速＞10 m·s－1所占比例也是冬季大于夏季。從全年來看，南極周邊海域在冬季（4—6月）和春季（7—9月）風(fēng)速普遍較大，且0°W—60°W海域內(nèi)風(fēng)速明顯比其他海域要小。此外，由于本文使用的是2012年的數(shù)據(jù)，得到的結(jié)論為2012年南極周圍海域風(fēng)場分布特征，不能代表南極周圍海域海面風(fēng)場的時空分布多年統(tǒng)計(jì)結(jié)果，利用多年數(shù)據(jù)分析南極周圍海域風(fēng)場分布特征也是接下來的工作之一。

致謝 感謝KNMI的OSISAF提供ASCAT散射計(jì)數(shù)據(jù)。

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