ASCAT風(fēng)場在南海的適用性分析

田光輝，劉少軍，李偉光，張國峰，蔡大鑫

（1.海南省氣象科學(xué)研究所，海南?？?570203；2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，海南海口 570203）

海面風(fēng)場是開展海洋科學(xué)、氣象科學(xué)研究的重要的基本資料，也是研究海氣相互作用，海氣熱量、動量交換的重要參數(shù)［1-4］。衛(wèi)星遙感技術(shù)在海面風(fēng)場觀測優(yōu)勢明顯，在一定程度上解決傳統(tǒng)船舶、海面浮標、海島基站觀測成本高、時空分布不均等問題，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候和高時空分辨率觀測，可獲取大面積同步、長時間序列的海面風(fēng)場觀測資料。歐空局（European Space Agency，ESA）在2006和2012年陸續(xù)發(fā)射了兩顆（MetOp-A、MetOp-B）搭載ASCAT散射計的衛(wèi)星，工作頻率為C波段（5.255 GHz），軌道掃描刈幅寬度為1 100 km，每天可以覆蓋全球海洋表面的80%以上，產(chǎn)品最高空間分辨率為12.5 km。

MetOp衛(wèi)星海面風(fēng)場是通過獲取后向散射系數(shù)來探測海洋表面的粗糙度，再根據(jù)海洋表面粗糙度反演海洋表面的風(fēng)速和風(fēng)向。由于天氣狀況、海陸風(fēng)、海面風(fēng)反演模型本身的局限性等因素影響，衛(wèi)星反演風(fēng)速資料的精度和局地適用性需要地面觀測資料的驗證。國內(nèi)外已有研究人員使用浮標、船舶、海島站數(shù)據(jù)對ASCAT風(fēng)場產(chǎn)品做過檢驗和比對分析?；始液商m氣象研究協(xié)會（KNMI）［5］利用 ASCAT資料反演發(fā)布全球的海面風(fēng)場產(chǎn)品，并使用全球的浮標觀測數(shù)據(jù)對該產(chǎn)品進行質(zhì)量評價，其中12.5 km產(chǎn)品風(fēng)速平均偏差和均方根誤差為-0.33和1.06，風(fēng)向平均偏差和均方根誤差分別為-0.50和17.28；沈春等［6］使用Dropsonde資料與ASCAT反演風(fēng)場資料對比分析，兩者風(fēng)速平均絕對偏差和均方根誤差為1.55和1.73，風(fēng)向平均絕對偏差和均方根誤差為3.43和4.15；張增海等［7］對我國近海的ASCAT反演風(fēng)場資料進行檢驗，近海中相對離岸較近的海域風(fēng)速平均絕對偏差和均方根誤差為1.4和1.2，風(fēng)向絕對偏差和均方根誤差為26和39。以上研究表明，ASCAT反演風(fēng)場產(chǎn)品具備較好的精度，但在不同海域、不同的時間范圍，使用不同的資料檢驗結(jié)果會有所差別［8-10］。南海地理位置特珠，地形復(fù)雜，整個南海幾乎被大陸、半島和島嶼所包圍，國內(nèi)外學(xué)者在南海范圍內(nèi)對ASCAT反演風(fēng)場評價較少，本研究利用南海海域內(nèi)的浮標站、海島站與ASCAT反演風(fēng)場對比分析，檢驗其在南海的可信度，評價該產(chǎn)品在南海的適用性。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 ASCAT風(fēng)場數(shù)據(jù)

本研究使用的ASCAT風(fēng)場反演數(shù)據(jù)來源于美國 RSS（Remote Sensing Systems）采用 C-2013GMF算法模型生產(chǎn)的ASCAT風(fēng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)集［11］。產(chǎn)品的時間序列為2007年3月至2016年6月，數(shù)據(jù)空間分辨率為25 km。該數(shù)據(jù)集包括日、月、周產(chǎn)品，為了便于與地面觀測資料對比分析，本研究僅使用日產(chǎn)品數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)是網(wǎng)格化的二進制數(shù)據(jù)文件，被網(wǎng)格化為0.25°緯度/經(jīng)度單元（25 km），單個文件擁有1 440個經(jīng)向單元和720個緯向單元。數(shù)據(jù)文件內(nèi)容包含過境時間（協(xié)調(diào)世界時）、海面溫度、海面風(fēng)速風(fēng)向（10 m高度）、水汽含量、液態(tài)水水含量、降雨率等信息。

1.2 浮標站數(shù)據(jù)

深海浮標站是衛(wèi)星遙感反演海面風(fēng)場的標準檢驗資料，本研究使用的是海南省氣象局投放在南海的距離海島較遠的2個氣象海洋觀測浮標，風(fēng)要素觀測離海平面高度分別為10和6 m。由于衛(wèi)星反演的風(fēng)場為海面10 m高度風(fēng)場，為了保證兩類數(shù)據(jù)的可比性，本研究通過常用算法將6 m高浮標風(fēng)速轉(zhuǎn)換為10 m高的風(fēng)速［12-13］。該資料時間分辨率為10 min。浮標站數(shù)據(jù)為2007—2016年的小時級風(fēng)速風(fēng)向部分觀測資料。

1.3 海島氣象站數(shù)據(jù)

海島站地面觀測資料并不能直接用來驗證或檢驗衛(wèi)星反演洋面風(fēng)場，對比分析海島站資料和ASCAT反演風(fēng)場目的是在浮標站精度檢驗的基礎(chǔ)上建立兩類風(fēng)場資料的區(qū)別與聯(lián)系，服務(wù)于南海監(jiān)測預(yù)報業(yè)務(wù)。本研究海島站風(fēng)場資料測站范圍覆蓋海南島周邊、西沙、南沙海域，地面自動氣象站測風(fēng)數(shù)據(jù)為2007—2016年的小時級風(fēng)速風(fēng)向觀測資料。

1.4 誤差和對比分析方法

載荷ASCAT的MetOp衛(wèi)星屬于極地軌道衛(wèi)星，每天同一地點能夠獲取2次觀測資料。為對比分析衛(wèi)星資料和地面觀測資料的差異，需要對兩類數(shù)據(jù)做時空匹配。ASCAT風(fēng)場產(chǎn)品的空間分辨率為25 km，衛(wèi)星和地面觀測數(shù)據(jù)的空間匹配誤差小于25 km；浮標自動站觀測資料時間分辨率為10 min，衛(wèi)星和地面觀測數(shù)據(jù)的時間匹配誤差小于5 min；海島站自動站觀測資料時間分辨率為1 h，衛(wèi)星和地面觀測數(shù)據(jù)的時間匹配誤差小于30 min。

便于各個區(qū)域和類別之間對比分析，誤差采用3種數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法，分別為其中，A為ASCAT衛(wèi)星觀測風(fēng)場數(shù)據(jù)；B為地面觀測的風(fēng)場數(shù)據(jù)；n為觀測樣本總數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 ASCAT反演風(fēng)場和氣象海洋浮標風(fēng)場的比較

衛(wèi)星遙感風(fēng)場反演的精度檢驗要使用與陸地有一定距離且海洋有一定深度的浮標。B856海洋氣象浮標距離海南文昌銅鼓角約50 km，周邊無島礁影響，與ASCAT反演風(fēng)場時間空間匹配樣本多，代表性較好。B132和B134海洋氣象浮標距離海南島400 km，對于風(fēng)場對比檢驗觀測環(huán)境較理想，但資料時間序列較短，匹配樣本相對較少。

ASCAT反演風(fēng)場和浮標對比檢驗指標表明，反演風(fēng)場與浮標所在洋面與浮標洋面觀測數(shù)據(jù)匹配度較高（圖1），兩者風(fēng)速平均偏差在0.01～0.05 m/s之間，風(fēng)速平均絕對偏差在0.42～0.89 m/s之間，風(fēng)向平均偏差在3.5°～7.5°之間，風(fēng)向平均絕對偏差在13.50°～21.09°之間，兩者風(fēng)速風(fēng)向存在很好的相關(guān)性（表1）。值得注意的是當(dāng)風(fēng)速達到高風(fēng)速時，采用 C-2013GMF算法模型生產(chǎn)的ASCAT風(fēng)速會出現(xiàn)高估現(xiàn)象［14］，本研究數(shù)據(jù)分析顯示當(dāng)風(fēng)速＞20 m/s時ASCAT反演風(fēng)速出現(xiàn)高估現(xiàn)象，而對于＞30m/s更高的風(fēng)速數(shù)據(jù)還需收集更多資料進一步檢驗。

圖1 ASCAT和浮標風(fēng)場散點圖

分析ASCAT反演風(fēng)場與浮標站風(fēng)場各個月份的偏差表明，各月平均絕對誤差相差不大，6月略微偏大；而平均絕對偏差在6月份最小。平均絕對偏差在6月份稍大的原因，可能與季風(fēng)轉(zhuǎn)向有關(guān)，在風(fēng)向變化或不穩(wěn)定時，散射計反演誤差增大，這跟它的反演原理有較大關(guān)系。

表1 ASCAT風(fēng)場和浮標站風(fēng)場資料的對比

2.2 ASCAT反演風(fēng)場和海島站風(fēng)場的比較

由于海島站資料的代表性和衛(wèi)星反演洋面風(fēng)的原理限制，海島站地面觀測資料并不能直接用來驗證或檢驗衛(wèi)星反演洋面風(fēng)場，但對比分析海島站資料和ASCAT反演風(fēng)場對于氣象監(jiān)測預(yù)報也有一定的參考價值。為更為精準的分析兩類資料區(qū)別與聯(lián)系，本研究分為海南島周邊、西沙群島、南沙群島3個海域的海島氣象站風(fēng)要素觀測資料與ASCAT反演風(fēng)場分別對比分析。

1）ASCAT風(fēng)場和海南島周邊海島站風(fēng)觀測的比較。

本研究選擇了可以與ASCAT反演風(fēng)場空間匹配的洋浦原油碼頭、文昌七洲列島、萬寧白鞍島海島站與衛(wèi)星反演風(fēng)場對比，分析ASCAT反演風(fēng)場在海南島周邊海域適用性。

ASCAT反演風(fēng)場和海南島附近海島站風(fēng)的觀測數(shù)據(jù)對比分析表明，反演風(fēng)場與海島站地面觀測數(shù)據(jù)存在一定的相關(guān)性（表2），兩者風(fēng)速平均偏差為 0.402 m/s，風(fēng)速平均絕對偏差為1.973 m/s，風(fēng)向平均偏差為17.74°，風(fēng)向平均絕對偏差為51.047°，風(fēng)速相關(guān)系數(shù)在0.34～0.60之間，風(fēng)向相關(guān)系數(shù)在0.12～0.39之間。

表2 ASCAT風(fēng)場和海南島附近海島站風(fēng)場資料的對比

2）ASCAT風(fēng)場和西沙群島海島站風(fēng)場的比較。

對比分析ASCAT反演風(fēng)場和海南島附近海島站風(fēng)的觀測數(shù)據(jù)，兩者存在較好的相關(guān)性（表3）。兩者風(fēng)速平均偏差為-0.112 m/s，風(fēng)速平均絕對偏差為 0.788 m/s，風(fēng)向平均偏差為-1.616°，風(fēng)向平均絕對偏差為 20.994°；風(fēng)速相關(guān)系數(shù)在0.56～0.86，風(fēng)向相關(guān)系數(shù)在0.32～0.73。

表3 ASCAT風(fēng)場和西沙群島海島站風(fēng)場資料的對比

3）ASCAT風(fēng)場和南沙群島海島站風(fēng)場的比較。

對比分析ASCAT反演風(fēng)場和海南島附近海島站風(fēng)的觀測數(shù)據(jù)，大部分匹配點存在較好的相關(guān)性（表 4）。兩者風(fēng)速平均偏差為 -0.425 m/s，風(fēng)速平均絕對偏差為1.551 m/s，風(fēng)向平均偏差為52.12°；風(fēng)向平均絕對偏差為74.294°，風(fēng)速相關(guān)系數(shù)在0.06～0.78，風(fēng)向相關(guān)系數(shù)在0.37～0.71。

表4 ASCAT風(fēng)場和南沙群島海島站風(fēng)場資料的對比

綜合分析ASCAT反演風(fēng)場與海島站的觀測風(fēng)并不像浮標站高度吻合，這是因為散射計反演風(fēng)通過獲得海面向后散射系數(shù)來模擬推算風(fēng)場的，散射系數(shù)與海面的粗糙度息息相關(guān)。依托南海島礁建設(shè)的海島站一般都有較大的隱藏在海面下的海島礁盤，這些區(qū)域大部分水深度不大，風(fēng)浪在此會受到礁盤的摩擦力作用，對海浪的能量傳播造成了較大的影響，會導(dǎo)致波高迅速增大［15］，因而導(dǎo)致海面的粗糙度劇增散射系數(shù)變大，造就了衛(wèi)星反演風(fēng)場明顯大于實際觀測風(fēng)速，同樣風(fēng)向反演也受到影響。部分海島站依海島地形順勢而建，由于周邊環(huán)境特別是地形的影響，觀測的風(fēng)并不具代表性，也是兩者數(shù)據(jù)差異的一個原因。另外，分析發(fā)現(xiàn)無論是海島站還是浮標站和ASCAT風(fēng)場對比都存在不同程度的季節(jié)性特征，是因為不同季節(jié)或者季風(fēng)轉(zhuǎn)換時段，風(fēng)向變化大導(dǎo)致海面粗糙度處于紊亂狀態(tài)，也是導(dǎo)致反演風(fēng)場不真實存在偏差。

3 結(jié)論

1）使用深海浮標站對ASCAT風(fēng)場進行精度檢驗顯示，ASCAT風(fēng)場在南海的反演精度較高，其中風(fēng)速平均絕對偏差為0.65 m/s，風(fēng)向平均絕對偏差為17.3°。相比全球的ASCAT風(fēng)場的精度評價，反演的南海風(fēng)場風(fēng)速優(yōu)于全球的平均值，風(fēng)向比全球的平均值稍差。

2）對比海島站與ASCAT風(fēng)場數(shù)據(jù)顯示，大部分海島站和ASCAT風(fēng)場數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，其中風(fēng)速相關(guān)系數(shù)在0.7左右，風(fēng)向相關(guān)系數(shù)在0.5左右。海島站與ASCAT風(fēng)場的偏差及相關(guān)性在各個區(qū)域有所異同，其中在西沙群島的海島站偏差較小相關(guān)性較好，海南島附近的海島站次之，在南沙群島的海島站偏差相對較大相關(guān)性稍差。