利用多年衛(wèi)星資料分析青島和茂名附近海域海面風(fēng)場變化

姜祝輝 陳建 程銳 楊成蔭

摘要：文章圍繞青島海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)和茂名海洋氣象基礎(chǔ)科學(xué)綜合試驗對附近海域基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)的需求，利用多年衛(wèi)星資料開展了青島和茂名附近海域海面風(fēng)場統(tǒng)計分析研究。結(jié)果表明：青島附近海域風(fēng)向頻率和風(fēng)速頻率最大的方向均為北，相對應(yīng)的平均風(fēng)速值為3.5 m/s;茂名附近海域風(fēng)向頻率最大方向為ENE，風(fēng)速頻率最大方向為NNE，茂名附近海域平均風(fēng)速值全年均大于青島附近海域平均風(fēng)速值，研究成果可為開展海洋氣象業(yè)務(wù)觀測和科學(xué)試驗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，為“一帶一路”海上風(fēng)能資源開發(fā)與利用提供決策支撐。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星;青島;茂名;海面風(fēng)場;海洋氣象業(yè)務(wù)觀測

中圖分類號：P732.1;P47 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-9857（2020）01-0026-08

Abstract：Aiming at the basic environmental data demand of Qingdao marine economic development and Maoming marine meteorological basic science comprehensive experiment，the sea surface wind field was analyzed near the shore of Qingdao and Maoming by using multiyear satellite data.The results showed that the maximum wind speed frequency direction and the maximum wind direction frequency direction were all north near the shore of Qingdao，the corresponding average wind speed was 3.5 m/s; the maximum wind direction frequency direction was ENE，and the maximum wind speed frequency direction was NNE near the shore of Maoming.The annual average wind speed near the shore of Maoming was larger than that of Qingdao.The research results could provide basic data support for marine meteorological observation and scientific experiments，and provide decision-making support for the development and utilization of One Belt and One Road offshore wind energy resources.

Key words：Satellite，Qingdao，Maoming，Sea surface wind，Marine meteorological operational observation

0 引言

青島作為我國東部沿海城市，連接著全球180余個國家和地區(qū)的700余個港口，是聯(lián)通“一帶一路”的重要港口樞紐，被定位為“新亞歐大陸橋經(jīng)濟(jì)走廊主要節(jié)點城市”和“海上合作戰(zhàn)略支點”，是我國重要的海洋捕撈、海水養(yǎng)殖以及重要的港口城市，對青島相關(guān)的環(huán)境研究將會提升我國經(jīng)濟(jì)硬實力;位于茂名的博賀海洋氣象觀測站是我國首個海洋氣象科學(xué)綜合試驗基地，為開展海洋氣象業(yè)務(wù)觀測和科學(xué)試驗奠定了基礎(chǔ)，在防御海洋氣象災(zāi)害中開始發(fā)揮積極作用。

林剛等[1]利用CCMP資料研究了中國海海表風(fēng)速的變化趨勢以及變化趨勢的區(qū)域性差異和季節(jié)性差異。鄭崇偉等[2]利用歐洲中期天氣預(yù)報中心的ERA-Interim海表10 m風(fēng)場資料，計算巴基斯坦瓜達(dá)爾港的風(fēng)能資源1979—2014年的歷史變化趨勢，并利用線性回歸和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種方法，對該港的風(fēng)能資源進(jìn)行長期年度預(yù)測。鄭崇偉[3]基于來自歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）的ERA-Interim風(fēng)場資料，綜合考慮風(fēng)能密度的大小、資源的可利用率、富集程度、穩(wěn)定性、資源儲量，對“21 世紀(jì)海上絲綢之路”的風(fēng)能氣候特征展開了系統(tǒng)性研究。肖晶晶等[4]基于1988—2011年的CCMP衛(wèi)星資料對中國海域的風(fēng)能資源進(jìn)行了分析評估，研究了中國海域風(fēng)能資源的空間格局及氣候變化特征并進(jìn)行風(fēng)能資源區(qū)劃。

常用的海面風(fēng)場資料有NCEP（National Centers for Environmental Prediction）、ERA-40（ECMWF re-analysis of the global atmosphere and surface conditions for 45-years）、QN（QSCAT/NCEP Blended Ocean Winds）、CCMP（Cross-Calibrated Multi-Platform Wind Vector Analysis）等。NCEP 風(fēng)場和ERA-40風(fēng)場分辨率較低，QN 混合風(fēng)場具有較高精度，但時間序列短，僅有10年，CCMP 風(fēng)場具有分辨率高，時間序列長等優(yōu)點。本研究采用的CCMP風(fēng)場資料來自美國Jet Propulsion Laboratory，數(shù)據(jù)下載鏈接為https：//podaac-tools.jpl.nasa.gov/drive/login？dest=L2RyaXZlL2ZpbGVzL2FsbERhdGEvY2NtcA。CCMP風(fēng)場結(jié)合了ADEOS-II、QuikSCAT、TMI、AMSR-E、SSM/I等多種資料[5]，利用變分方法[6]得到。CCMP 風(fēng)場空間分辨率為0.25°×0.25°。空間范圍為-78.375°N—78.375°N，0.125°—359.875°E，時間范圍為1987年7月至2011年12月。

常用的平均風(fēng)向4種計算方法分別是算術(shù)平均法、標(biāo)量平均法、單位矢量法和矢量法。邱傳濤等[7]利用現(xiàn)場觀測資料對上述4種方法的計算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明：算術(shù)平均法加大了偏南風(fēng)的比重，另外在風(fēng)向變化360°時有可能出現(xiàn)較大的誤差，矢量法的結(jié)果最好，本研究采用矢量法開展統(tǒng)計分析研究。

本研究采用迄今為止所有可下載使用的CCMP月平均資料開展青島和茂名附近海域海面風(fēng)場統(tǒng)計分析研究，為開展海洋氣象業(yè)務(wù)觀測和科學(xué)試驗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，為 “一帶一路”海上風(fēng)能資源開發(fā)與利用提供決策支撐。

1 青島附近海域海面風(fēng)場統(tǒng)計分析

為實現(xiàn)數(shù)據(jù)選取的代表性及準(zhǔn)確性，通過分析與青島市最鄰近海域月平均海面風(fēng)場24年有效值點，選取坐標(biāo)點（35.875°N，121.125°E）上的海面風(fēng)場作為青島周邊海域海面風(fēng)場采樣點。

1.1 青島附近海域海面風(fēng)速統(tǒng)計分析

為分析1年中青島附近海域每個月風(fēng)速變化情況，本研究統(tǒng)計了1987年12月至2011年12月青島附近海域月平均風(fēng)速（圖1）。最大風(fēng)速值出現(xiàn)在1月，約為4.2m/s，最小風(fēng)速值出現(xiàn)在4月，約為1.0m/s。整體趨勢是從1月開始月平均風(fēng)速值逐漸減小，直到4月達(dá)到最小值，5月緩慢上升，8月和10月分別達(dá)到極小值，隨后月平均風(fēng)速逐漸上升到極大值點。

風(fēng)速呈年際周期性變化，一般冬季平均風(fēng)速值大，夏季平均風(fēng)速值小。月平均最大風(fēng)速值為11.9 m/s，出現(xiàn)在1987年12月。月平均最小風(fēng)速值為0.1 m/s，出現(xiàn)在2006年3月。導(dǎo)致該月平均風(fēng)速過小的原因在于在風(fēng)場平均過程中采用的是矢量平均，如2 m/s的東西風(fēng)平均值為0 m/s。圖2中3月的平均風(fēng)速為1.3 m/s，并不是全年中較低的，以此推斷，2006年3月可能出現(xiàn)了一次較大的風(fēng)向變化。

1.2 青島附近海域風(fēng)玫瑰圖統(tǒng)計分析

風(fēng)玫瑰圖是指在極坐標(biāo)底圖上點繪出的一個地區(qū)在某一時段內(nèi)各種風(fēng)向出現(xiàn)頻率或各種風(fēng)向的平均風(fēng)速的統(tǒng)計圖。前者稱為風(fēng)向玫瑰圖，后者稱為風(fēng)速玫瑰圖。16個風(fēng)向可用坐標(biāo)的16個方位表示。繪制風(fēng)向玫瑰圖時，先在16個方位上，按一定的比例，標(biāo)出各個方位上風(fēng)向頻率，聯(lián)結(jié)各點成一封閉折線，頻率最高的方位，表示該風(fēng)向出現(xiàn)次數(shù)最多。風(fēng)速玫瑰圖類似，先在16個方位上，按一定的比例，標(biāo)出各個方位上風(fēng)速的大小，聯(lián)結(jié)各點成一封閉折線，頻率最高的方位，表示該風(fēng)向的風(fēng)速最大。

為全面分析青島附近海域海面風(fēng)場情況，下面針對所有資料全年、代表冬季的1月、代表春季的4月、代表夏季的7月和代表秋季的10月5個方面開展風(fēng)玫瑰統(tǒng)計分析。

1.2.1 全年風(fēng)玫瑰統(tǒng)計分析

利用1987年7月至2011年12月的CCMP資料，統(tǒng)計青島附近海域海面風(fēng)場風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)速玫瑰圖（圖2和圖3）。圖2表明在統(tǒng)計的24年中，風(fēng)向頻率最大的方向為“N”，即北風(fēng)，存在較少頻率的西北風(fēng)、南風(fēng)等。從圖3中可見，在圖2中風(fēng)向頻率較大的 “N”處，相應(yīng)的風(fēng)速也是較大的，平均風(fēng)速為3.5 m/s左右，其他方向的風(fēng)速在3 m/s以下。值得注意的是，在“WSW、ESE”兩個方向上，圖2中風(fēng)向頻率相對來說較低，而在圖3中可見，這兩個方向雖然數(shù)據(jù)少，但是其平均風(fēng)速仍有0.4～2 m/s。

1.2.2 1月風(fēng)玫瑰統(tǒng)計分析

為便于統(tǒng)計計算，利用1987年12月至2011年12月的CCMP資料，統(tǒng)計1月青島附近海域海面風(fēng)場風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)速玫瑰圖（圖4和圖5）。

從圖4可見，1月風(fēng)向集中在“N、NNW、NW”3個方向上，尤其“N”方向上占比最大，即冬季青島附近海域吹北風(fēng)的概率最大。

從圖5可以看出，1月“NNW”風(fēng)速最大，達(dá)3.5m/s，“NW”次之，為2.7m/s左右，“N”最小，其他方向統(tǒng)計結(jié)果為0m/s。

1.2.3 4月風(fēng)玫瑰統(tǒng)計分析

統(tǒng)計4月青島附近海域海面風(fēng)場風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)速玫瑰圖（圖6和圖7）。從圖6中可見，春季最大風(fēng)向為“SSW”，“S”方向次之，“ENE、W、SSE、WSW”4個方向有少量分布。從圖7中可見，風(fēng)向頻率最高的方向“SSW”并非風(fēng)速最大的方向，風(fēng)速最大的地方位于“SW”方向上。

1.2.4 7月風(fēng)玫瑰統(tǒng)計分析

統(tǒng)計7月青島附近海域海面風(fēng)場風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)速玫瑰圖（圖8和圖9）。

從圖8可見，7月風(fēng)向集中在“SSW、S、SSE、SE”等方向上，相比春季，青島附近海域海面風(fēng)向逆時針轉(zhuǎn)向，尤其“SSE”方向占比最大，即夏季青島附近海域吹“SSE”的概率最大。

從圖9可見，7月“SE”（即西南風(fēng)）風(fēng)速最大，為4.8m/s左右，“SSW、S、SSE”3個方向次之，“SSW”方向最小，其他方向統(tǒng)計結(jié)果為0m/s。

1.2.5 10月風(fēng)玫瑰統(tǒng)計分析

統(tǒng)計10月青島附近海域海面風(fēng)場風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)速玫瑰圖（圖10和圖11）。

從圖10可見，秋季青島附近海域風(fēng)向在向北方向轉(zhuǎn)向，風(fēng)向多數(shù)集中在“N”方向，少量集中在“NNW”方向。綜合圖10和圖11可見，風(fēng)速玫瑰圖中南風(fēng)平均風(fēng)速較大，而風(fēng)向玫瑰圖中該方向頻率僅為1。經(jīng)數(shù)據(jù)提取，該數(shù)據(jù)為2006年10月數(shù)據(jù)。2006年3月平均風(fēng)速很小，可能2006年出現(xiàn)了異常系統(tǒng)性天氣。

2 茂名附近海域海面風(fēng)場統(tǒng)計分析

為實現(xiàn)數(shù)據(jù)選取的代表性及準(zhǔn)確性，通過分析與茂名市最鄰近海域月平均海面風(fēng)場24年有效值點，選取坐標(biāo)點（20.625°N，111.625°E）上的海面風(fēng)場作為茂名周邊海域海面風(fēng)場采樣點。

2.1 茂名附近海域海面風(fēng)速統(tǒng)計分析

為分析一年中茂名附近海域每個月風(fēng)速變化情況，統(tǒng)計了1987年12月至2011年12月茂名附近海域月平均風(fēng)速（圖12）。最大風(fēng)速值出現(xiàn)在12月，約為8 m/s，最小風(fēng)速值出現(xiàn)在8月，約為2.5 m/s。整體趨勢是從1月開始月平均風(fēng)速值逐漸減小，直到5月達(dá)到最小值，6月緩慢上升，8月和9月達(dá)到極小值，隨后月平均風(fēng)速逐漸上升到極大值點。

風(fēng)速呈年際周期性變化，一般冬季平均風(fēng)速值大，夏季平均風(fēng)速值小。月平均最大風(fēng)速值為12.2 m/s，出現(xiàn)在1987年12月。月平均最小風(fēng)速值為0.3 m/s，出現(xiàn)在1992年8月。

總體而言，茂名附近海域平均風(fēng)速值全年均大于青島附近海域平均風(fēng)速值。

2.2 茂名附近海域風(fēng)玫瑰統(tǒng)計分析

為全面分析茂名附近海域海面風(fēng)場情況，下面針對所有資料全年、代表冬季的1月、代表春季的4月、代表夏季的7月和代表秋季的10月開展風(fēng)玫瑰統(tǒng)計分析。

2.2.1 全年風(fēng)玫瑰統(tǒng)計分析

利用1987年7月至2011年12月的CCMP資料，統(tǒng)計茂名附近海域海面風(fēng)場風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)速玫瑰圖見圖13和圖14。圖13表明了在統(tǒng)計的24年中，風(fēng)向頻率最大的方向為“ENE”，存在較少頻率的“SSW、S、SSE、SE、ESE、E”，而西風(fēng)、西北風(fēng)、北風(fēng)頻率近乎0。從全年風(fēng)速玫瑰圖可見，茂名附近海域海面風(fēng)向統(tǒng)計與青島附近海域海面風(fēng)向統(tǒng)計相比有較大差別，可能與兩者所處地形有關(guān)。從圖14中可見，風(fēng)速最大值出現(xiàn)在“NNE”處，平均風(fēng)速為12.2 m/s左右，其頻率卻很低，其他方向的風(fēng)速在6 m/s以下。

2.2.2 1月風(fēng)玫瑰統(tǒng)計分析

統(tǒng)計1月茂名附近海域海面風(fēng)場風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)速玫瑰圖（圖15和圖16）。

從圖15可見，1月風(fēng)向集中在“NE、ENE”兩個方向上，尤其“ENE”方向上占比最大，即冬季茂名附近海域吹“ENE”的概率最大。

從圖16可見，1月“NE、ENE”兩個方向上風(fēng)速平均值相差無幾，為5.2 m/s左右，其他方向統(tǒng)計結(jié)果為0 m/s。

2.2.3 4月風(fēng)玫瑰統(tǒng)計分析

統(tǒng)計4月茂名附近海域海面風(fēng)場風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)速玫瑰圖（圖17和圖18）。從圖17中可見，春季風(fēng)向順時針轉(zhuǎn)向，最大風(fēng)向為“SE”，“ESE”方向次之，“E、SSE”兩個方向有少量分布。從圖18中可見，風(fēng)向頻率最高的方向“SE”并非風(fēng)速最大的方向，風(fēng)速最大的地方位于“SSE”方向，為6.4 m/s左右。

2.2.4 7月風(fēng)玫瑰統(tǒng)計分析

統(tǒng)計7月茂名附近海域海面風(fēng)場風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)速玫瑰圖（圖19和圖20）。

從圖19可見，7月風(fēng)向集中在“SSE、S、SSW”等3個方向上，相比春季，茂名附近海域海面風(fēng)向繼續(xù)向南轉(zhuǎn)向，尤其“S”方向上占比最大，即夏季茂名附近海域吹南風(fēng)的概率最大。

從圖20可見，7月“S、SSE”風(fēng)速最大，為5.3 m/s左右，“SSW”方向次之，其他方向統(tǒng)計結(jié)果為0 m/s。

2.2.5 10月風(fēng)玫瑰統(tǒng)計分析

統(tǒng)計10月茂名附近海域海面風(fēng)場風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)速玫瑰圖（圖21和圖22）。

從圖21可見，秋季茂名附近海域風(fēng)向從東北方向轉(zhuǎn)向，風(fēng)向多數(shù)集中在“NE、ENE”方向。綜合圖5可見，冬季風(fēng)向?qū)⒃跂|北風(fēng)方向徘徊，然后春夏秋冬周而復(fù)始。從圖22可見，秋季“ENE、NE”兩個方向上的平均風(fēng)速在4.6～6 m/s。

3 總結(jié)

本研究采用迄今為止所有可下載使用的（即1987年7月至2011年12月）CCMP月平均資料開展青島和茂名附近海域海面風(fēng)場統(tǒng)計分析研究，結(jié)果表明：

（1）青島附近海域月平均最大風(fēng)速值出現(xiàn)在1月，約為4.2 m/s，最小風(fēng)速值出現(xiàn)在4月，約為1.0 m/s。整體趨勢是從1月開始月平均風(fēng)速值逐漸減小，直到4月達(dá)到最小值，5月緩慢上升，8月和10月分別達(dá)到極小值，隨后月平均風(fēng)速逐漸上升到極大值點。

（2）青島附近海域冬季風(fēng)向頻率最大的方向為“N”，即北風(fēng)，相對應(yīng)的平均風(fēng)速值為3.5 m/s;春季風(fēng)向頻率最大的方向為“SSW”，相對應(yīng)的平均風(fēng)速值約為2.7 m/s;夏季風(fēng)向頻率最大的方向為“SSE”，相對應(yīng)的平均風(fēng)速值約為2.5 m/s;秋季風(fēng)向頻率最大的方向為“N”，相對應(yīng)的平均風(fēng)速值約為2.8 m/s。

（3）茂名附近海域最大風(fēng)速值出現(xiàn)在12月，約為8 m/s，最小風(fēng)速值出現(xiàn)在8月，約為2.5 m/s。整體趨勢是從1月開始月平均風(fēng)速值逐漸減小，直到5月達(dá)到最小值，6月緩慢上升，8月和9月達(dá)到極小值，隨后月平均風(fēng)速逐漸上升到極大值點。

（4）茂名附近海域冬季風(fēng)向頻率最大的方向為“ENE”，相對應(yīng)的平均風(fēng)速值為5.2 m/s;春季風(fēng)向頻率最大的方向為“SE”，相對應(yīng)的平均風(fēng)速值約為6 m/s;夏季風(fēng)向頻率最大的方向為“S”，相對應(yīng)的平均風(fēng)速值約為5.5 m/s;秋季風(fēng)向頻率最大的方向為“ENE”，相對應(yīng)的平均風(fēng)速值約為4.6 m/s。

（5）總體而言，茂名附近海域平均風(fēng)速值全年均大于青島附近海域平均風(fēng)速值，兩處海域風(fēng)向變化可能與地形相關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1] 林剛，鄭崇偉，邵龍?zhí)?，?南中國海海表風(fēng)速長期變化趨勢[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，14（6）：704-708.

[2] 鄭崇偉，高悅，陳璇.巴基斯坦瓜達(dá)爾港風(fēng)能資源的歷史變化趨勢及預(yù)測[J].北京大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，53（4）：617-626.

[3] 鄭崇偉.21世紀(jì)海上絲綢之路：風(fēng)能資源詳查[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2018，39（1）：16-22.

[4] 肖晶晶，李正泉，郭芬芬，馬浩.基于CCMP衛(wèi)星資料的中國海域風(fēng)能資源分析[J].海洋預(yù)報，2017（1）：9-18.

[5] ATLAS R，Hoffman R N，Ardizzone J，Leidner S M，Jusem J C，Smith D K，Gombos D.A cross-calibrated，multiplatform ocean surface wind velocity product for meteorological and oceanographic applications[J].Bull.Amer.Meteor.Soc.，2011（92）：157-174.

[6] NOCEDAl J，WRIGHT S T.Numerical Optimization[M].Berlin：Springer-Verlag，2006.

[7] 邱傳濤，李丁華.平均風(fēng)向的計算方法及其比較[J].高原氣象，1997（1）：94-98.