基于渤海石油平臺(tái)海面風(fēng)觀測(cè)的FNL資料評(píng)估

王金梅，張軼雯，黨岳，李宛桐，邵旻

（1.天津市氣象探測(cè)中心，天津 300202；2.天津智慧泉科技發(fā)展有限公司，天津300100；3.南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210023）

海上氣象觀測(cè)由于復(fù)雜的沿岸地形［1］及不便利的海上交通，使得海上氣象觀測(cè)站的布設(shè)較難，海洋觀測(cè)資料匱乏，通常以全球或區(qū)域再分析資料代替海面風(fēng)以研究海洋、大氣、陸地城市之間的聯(lián)系。其中，美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）中的海面風(fēng)場(chǎng)資料受到廣泛關(guān)注［2－3］，并應(yīng)用于包括臺(tái)風(fēng)災(zāi)害［4－6］、海浪能源［7］、波速及其他形式的數(shù)值模擬研究等［8］。渤海是中國(guó)最北的近海，擁有豐富的自然資源，為周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了有力的支持，因此，研究渤海區(qū)域海面風(fēng)場(chǎng)特征有其實(shí)用價(jià)值。

目前針對(duì)NCEP／NCA的全球分析資料（Final Operational Global Analysis data，F(xiàn)NL）在渤海海域的可信度還沒(méi)有具體評(píng)估。本研究基于渤海石油平臺(tái)氣象觀測(cè)站收集了2018年全年連續(xù)的海上觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了渤海海面觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)特征，并利用雙線性插值法、誤差分析法等方法，對(duì)2018年1、4、7和10月的FNL資料風(fēng)場(chǎng)可信度進(jìn)行評(píng)估分析，進(jìn)而對(duì)該資料在研究區(qū)域內(nèi)適用性提供客觀、合理的評(píng)價(jià)及認(rèn)識(shí)。對(duì)FNL資料在渤海海域的海洋和大氣科學(xué)的應(yīng)用研究提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料

渤海石油平臺(tái)海上觀測(cè)站于2017年10月正式投入業(yè)務(wù)使用，本研究所選取的觀測(cè)資料為2018年15個(gè)站的逐時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向資料。觀測(cè)站點(diǎn)位置分布如圖1所示，按緯度從高到低的順序分別編號(hào)為P1-P15站，觀測(cè)平均高度約40 m。

圖1 渤海海上石油平臺(tái)自動(dòng)氣象站分布

為了優(yōu)化比較，本研究選取了數(shù)據(jù)較完整、有區(qū)域代表性的5個(gè)站點(diǎn)（遼東灣的P5、P9站，渤海灣的P10、P11站，以及萊州灣的P15站）進(jìn)行重點(diǎn)比較研究，比較的時(shí)間為1、4、7和10月，選取的時(shí)段為（00：00（世界時(shí)，下同）、06：00、12：00、18：00）。首先根據(jù)觀測(cè)資料的監(jiān)測(cè)范圍（0～45 m／s）和數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了質(zhì)量控制，剔除了風(fēng)速風(fēng)向異常值；并對(duì)觀測(cè)值的合理性進(jìn)行了人工檢查，剔除了異常值，保證觀測(cè)資料的可信度。本研究擬對(duì)美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP提供的FNL海面風(fēng)場(chǎng)資料進(jìn)行評(píng)估。FNL是水平分辨率為0.25°×0.25°、時(shí)間間隔為6 h、1 d 4次（00：00、06：00、12：00、18：00）的全球分析數(shù)據(jù)。本研究選用該資料中10和80 m高度經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)資料在空間上的插值結(jié)果作為校驗(yàn)對(duì)象。

1.2 方法

首先，對(duì)觀測(cè)風(fēng)速資料做整體分析；其次，根據(jù)選取的代表站，對(duì)FNL資料做重點(diǎn)評(píng)估分析。數(shù)據(jù)處理時(shí)，水平方向上利用雙線性插值法將FNL資料插值到選取的5個(gè)觀測(cè)站對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度，垂直方向上將FNL資料中10和80 m高度資料根據(jù)觀測(cè)站點(diǎn)實(shí)際高度進(jìn)行線性插值。數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，大部分站點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向的比較樣本數(shù)較完整，風(fēng)速、風(fēng)向比較樣本數(shù)在120以上；部分站點(diǎn)（P10站、P15站）由于在4、10月部分時(shí)段有數(shù)據(jù)缺失，同時(shí)對(duì)海上觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制后，由于剔除了可信度較低部分?jǐn)?shù)據(jù)，導(dǎo)致樣本數(shù)不足120個(gè)。

為進(jìn)一步定量分析和評(píng)估FNL資料的可信度，對(duì)FNL資料和觀測(cè)值誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)的誤差量包括風(fēng)速、風(fēng)向的平均偏差（Bias）和均方根誤差（RMSE）。

2 結(jié)果與分析

2.1 2018年海上觀測(cè)站點(diǎn)風(fēng)速風(fēng)向特征

圖2為2018年全年海上觀測(cè)站風(fēng)速箱型圖，其中風(fēng)速分布參照中國(guó)氣象局的《風(fēng)力等級(jí)》劃分標(biāo)準(zhǔn)［9］。由圖2可以看出，渤海海域內(nèi)風(fēng)速觀測(cè)間差異明顯，站點(diǎn)平均風(fēng)速分布在2.5～7.5 m／s之間。分析結(jié)果表明，P11站（處于渤海海灣出口）平均風(fēng)速最大，春夏季以偏南風(fēng)為主，秋冬季以偏西北風(fēng)為主，一年四季風(fēng)速均偏大，春、冬季節(jié)偏大明顯，夜間風(fēng)速略偏大，可能因其位于出?？谖恢?，西部遠(yuǎn)離沿岸，東南部無(wú)地形阻擋，易形成較大風(fēng)速。P14站觀測(cè)風(fēng)速中值最小，表明該站點(diǎn)小風(fēng)樣本數(shù)量較多，P14站春夏季以南風(fēng)為主，秋冬季以西風(fēng)為主，小風(fēng)主要集中在冬季，冬季5 m／s以下的風(fēng)速占全年小風(fēng)68.82%，白天小風(fēng)頻率高于夜間。P15站（最南端）平均風(fēng)速最小，其次為P4站。P15站一年四季風(fēng)速均偏小，春夏主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，秋冬主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟衔髂巷L(fēng)，冬季白天小風(fēng)頻率高于夜間，由于該站點(diǎn)離大陸最近，其可能受海陸風(fēng)影響，使其風(fēng)速偏小，且風(fēng)向主要為偏南風(fēng)。各站均有異常大風(fēng)值，P2站異常大風(fēng)最少，以東北－西南風(fēng)為主，與海岸線方向一致。P5、P9、P11站整體風(fēng)速略偏大，P4、P15站整體風(fēng)速略偏小，且風(fēng)速擾動(dòng)范圍較小。

圖2 2018年全年海上觀測(cè)站風(fēng)速箱型圖

如圖3所示，渤海地區(qū)，春季主要以偏南風(fēng)為主，占34.36%，風(fēng)速范圍主要集中在0.0～13.8 m／s；夏季主要以東南風(fēng)為主，風(fēng)速范圍主要集中在1.6～13.8 m／s；秋季風(fēng)向不穩(wěn)定，以偏北風(fēng)和西南風(fēng)為主，風(fēng)速范圍主要集中在1.6～13.8 m／s；冬季主要以北風(fēng)和東北風(fēng)為主，風(fēng)速范圍主要集中在0～13.8 m／s。

圖3 2018年全年海上觀測(cè)站4季的風(fēng)向玫瑰圖

圖4顯示了2018年全年海上觀測(cè)站點(diǎn)按不同風(fēng)速等級(jí)的概率分布。由圖4可以看到，大部分站點(diǎn)風(fēng)速主要分布在輕風(fēng)、微風(fēng)、和風(fēng)和勁風(fēng)范圍內(nèi)?？倶颖局校瑹o(wú)風(fēng)占比為12.28%，微風(fēng)占比最大為19.92%，大風(fēng)占比最小為0.58%。單個(gè)站點(diǎn)樣本中，P14站無(wú)風(fēng)占比最高為40.24%，P5站最低為0.79%。P15和P4站點(diǎn)中軟風(fēng)和輕風(fēng)比例明顯高于其他站點(diǎn)，導(dǎo)致其平均風(fēng)速較小。P4、P10、P11、P12、P13、P14、P15軟風(fēng)占比均大于10%，所有站點(diǎn)疾風(fēng)、大風(fēng)占比均小于10%，其中P11站點(diǎn)強(qiáng)風(fēng)、疾風(fēng)占比較高，導(dǎo)致其平均風(fēng)速最大。

圖4 2018年全年海上站點(diǎn)觀測(cè)風(fēng)速不同等級(jí)風(fēng)速概率分布

2.2 FNL資料與海上觀測(cè)的風(fēng)速和風(fēng)向?qū)Ρ?/h3>

從FNL資料的風(fēng)速和風(fēng)向與對(duì)應(yīng)的海上觀測(cè)風(fēng)速的散點(diǎn)分布（圖5）的擬合度R2來(lái)看，除4月份外，大部分站點(diǎn)在各月份的R2均大于0.5；從風(fēng)速散點(diǎn)分布來(lái)看，除P15站外，風(fēng)速的散點(diǎn)基本集中在偏差線附近，總體來(lái)說(shuō)，觀測(cè)與FNL資料風(fēng)速之間大部分對(duì)應(yīng)比較好。P15站的FNL資料在各個(gè)月份風(fēng)速均偏大。風(fēng)向?qū)Ρ冉Y(jié)果顯示，F(xiàn)NL資料大部分（72.3%）風(fēng)向散點(diǎn)分布在偏差線附近，總體來(lái)說(shuō)，觀測(cè)與FNL資料風(fēng)向大部分對(duì)應(yīng)比較好。

圖5 FNL風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速（a）和風(fēng)向（b）與海上觀測(cè)風(fēng)速的散點(diǎn)分布

將風(fēng)向樣本分為4個(gè)風(fēng)速等級(jí)：小于5 m／s、5～10 m／s、10～15 m／s和大于15 m／s。圖6所示，F(xiàn)NL與觀測(cè)風(fēng)向偏差較大的散點(diǎn)均主要分布在風(fēng)速小于5 m／s的范圍內(nèi)，其它風(fēng)速等級(jí)下風(fēng)向的偏差主要分布在30°以內(nèi)。其中，風(fēng)速在小于5 m／s和5～10 m／s級(jí)別的風(fēng)向分布比較均勻；當(dāng)風(fēng)速小于5 m／s時(shí)，F(xiàn)NL資料與觀測(cè)資料的風(fēng)向差異較大。

圖6 不同風(fēng)速等級(jí)FNL風(fēng)向與觀測(cè)風(fēng)向散點(diǎn)分布

2.3 風(fēng)場(chǎng)資料誤差分析與評(píng)估

表1給出了觀測(cè)資料與FNL資料的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表1可以看出，4個(gè)代表月中，風(fēng)速RMSE由大到小依次為4、10、1、7月，范圍為2.59～4.22 m／s；風(fēng)向RMSE由大到小的次序?yàn)?0、4、7、1月，范圍為38.40°～44.22°。FNL資料在各月的平均風(fēng)速均高于觀測(cè)資料，其中，F(xiàn)NL1月風(fēng)速高估較多，4月最接近觀測(cè)值。

表1 不同月份觀測(cè)資料與FNL資料風(fēng)速和風(fēng)向的均方根誤差和平均偏差

由于數(shù)值模型模擬小風(fēng)時(shí)普遍存在較大問(wèn)題，本研究分別計(jì)算了觀測(cè)風(fēng)速大于1和1.5 m／s時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速和風(fēng)向的RMSE和Bias。

結(jié)果顯示，分別剔除小于1和1.5 m／s的觀測(cè)風(fēng)速和對(duì)應(yīng)FNL數(shù)據(jù)后，風(fēng)速和風(fēng)向的RMSE差明顯變小。其中，4月份的風(fēng)速RMSE改善最明顯（0.34 m／s和0.48 m／s），7月份則無(wú)明顯改善。從風(fēng)向來(lái)看，當(dāng)剔除風(fēng)速較小數(shù)據(jù)后，10月份風(fēng)向改善最明顯（7.77°和13.02°），而7月最小。值得注意的是，當(dāng)剔除小于1或1.5 m／s的數(shù)據(jù)后，4月份的觀測(cè)風(fēng)速偏大，表明4月份FNL對(duì)小于1.5 m／s的風(fēng)速有較多的高估。

進(jìn)一步按風(fēng)速大小分為小于5 m／s、5～10 m／s、10～15 m／s和大于15 m／s的4個(gè)風(fēng)速級(jí)別進(jìn)行分析（表2），當(dāng)風(fēng)速小于10 m／s時(shí)，F(xiàn)NL資料的風(fēng)速較觀測(cè)值偏大，且當(dāng)風(fēng)速小于5 m／s時(shí)，F(xiàn)NL資料偏大最明顯，且風(fēng)向RMSE最大，為52.5°；在風(fēng)速大于10 m／s時(shí)則相反。5～10 m／s時(shí)，風(fēng)速RMSE最?。?.54 m／s）；風(fēng)速大于15 m／s時(shí)，風(fēng)速RMSE最大，為5.36 m／s。

表2 不同風(fēng)速等級(jí)觀測(cè)資料與FNL資料風(fēng)速和風(fēng)向的均方根誤差和平均偏差

分別剔除小于1和1.5 m／s等級(jí)的觀測(cè)資料后，發(fā)現(xiàn)剔除小于1 m／s時(shí)的風(fēng)速風(fēng)向誤差比1.5 m／s的變化更為明顯，站點(diǎn)風(fēng)向誤差受小于1 m／s風(fēng)場(chǎng)的影響更大，F(xiàn)NL對(duì)小于1 m／s的風(fēng)速的模擬不確定性最大。

3 結(jié)論

1）觀測(cè)資料表明，渤海地區(qū)風(fēng)速主要集中在1.6～13.8 m／s，P15站整體風(fēng)速偏小，P11站風(fēng)速偏大，P12站和P14站無(wú)風(fēng)占比高，使得平均風(fēng)速偏低。風(fēng)向存在明顯的季節(jié)變化，大部分站點(diǎn)觀測(cè)風(fēng)向與主導(dǎo)風(fēng)向走向基本一致，風(fēng)場(chǎng)平面分布特征相似。P15站（墾利10號(hào)站）風(fēng)向與主導(dǎo)風(fēng)向偏差較大。

2）FNL資料的可信度在不同季節(jié)、不同風(fēng)速等級(jí)、不同地理位置下存在明顯差異：其中，夏季，當(dāng)風(fēng)速小于15 m／s時(shí)，F(xiàn)NL資料的風(fēng)速可信度最高；冬季當(dāng)風(fēng)速大于15 m／s時(shí)，F(xiàn)NL資料的風(fēng)向可信度最高。從季節(jié)來(lái)看，秋季風(fēng)向誤差最大，可信度最低。從站點(diǎn)來(lái)看，P15站風(fēng)向誤差最大，可信度最低，P9站可信度較高。從風(fēng)速等級(jí)來(lái)看，當(dāng)風(fēng)速小于5 m／s時(shí)，風(fēng)向誤差最大，可信度最低。

3）FNL資料在渤海地區(qū)的風(fēng)速整體偏大，尤其當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，F(xiàn)NL風(fēng)速偏大明顯。FNL風(fēng)場(chǎng)資料在渤海地區(qū)近海面的風(fēng)速和風(fēng)向的偏差和均方根誤差分別為－0.82、3.42 m／s，4.67°和40.51°。在渤海海域南部，墾利10號(hào)站，當(dāng)風(fēng)速小于1.5 m／s時(shí)，F(xiàn)NL風(fēng)場(chǎng)資料的風(fēng)向誤差較大。

由于觀測(cè)站點(diǎn)位于渤海海域，本研究對(duì)FNL資料風(fēng)場(chǎng)資料的誤差評(píng)估的結(jié)論適用于渤海海域。對(duì)于特殊天氣過(guò)程（如臺(tái)風(fēng)等），可能存在較大不確定性，未來(lái)將開(kāi)展相應(yīng)的比較研究。本研究結(jié)論可以為0.25°×0.25°的NCEP分析資料在渤海海域的海洋與大氣科學(xué)的研究提供參考。