中法海洋衛(wèi)星散射計(jì)近海岸海面風(fēng)場(chǎng)反演研究

林文明，郎姝燕，趙曉康，劉建強(qiáng)，李秀仲

( 1. 南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；2. 國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東 廣州 511458)

1 引言

星載微波散射計(jì)是目前獲取全球海面風(fēng)場(chǎng)最主要的傳感器。自1978年SEASAT-A衛(wèi)星上第一個(gè)業(yè)務(wù)化散射計(jì)即海洋衛(wèi)星散射計(jì)（SASS）運(yùn)行以來(lái)[1]，美國(guó)、歐洲、印度和中國(guó)先后發(fā)射了多個(gè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的微波散射計(jì)，這些散射計(jì)的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)在海洋氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式以及海氣相互作用科學(xué)研究中得到廣泛且深入的應(yīng)用[2–5]。然而，過(guò)去和當(dāng)前所有衛(wèi)星散射計(jì)業(yè)務(wù)化海面風(fēng)場(chǎng)的典型分辨率為25～50 km，無(wú)法滿足近海岸區(qū)域、中小尺度海面動(dòng)力過(guò)程等一些較高分辨率應(yīng)用的需求。

美國(guó)、歐洲等散射計(jì)科研團(tuán)隊(duì)從21世紀(jì)初陸續(xù)開展星載微波散射計(jì)近海岸海面風(fēng)場(chǎng)反演研究，旨在通過(guò)改進(jìn)風(fēng)場(chǎng)反演處理算法、提高雷達(dá)空間分辨率等方法，實(shí)現(xiàn)空間分辨率優(yōu)于12.5 km的海面風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品研制。Long等[6]為Ku波段筆形波束掃描散射計(jì)（SeaWinds）開發(fā)了基于圖像重構(gòu)技術(shù)的高分辨率風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)場(chǎng)離岸最近距離可達(dá)10 km以內(nèi)。由于重構(gòu)后高分辨單元后向散射系數(shù)的測(cè)量誤差大，反演風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速偏差和風(fēng)向誤差明顯大于25 km分辨率的風(fēng)場(chǎng)，而且風(fēng)場(chǎng)質(zhì)量依賴于風(fēng)單元所處的刈幅位置，從而限制了其應(yīng)用價(jià)值。Fore等[7]首先計(jì)算Ku波段散射計(jì)每個(gè)雷達(dá)分辨單元的陸地污染率（LCR），然后剔除陸地污染率過(guò)大（LCR > 0.01）的后向散射測(cè)量，進(jìn)而反演12.5 km網(wǎng)格分辨率的海面風(fēng)場(chǎng)。Fore等[7]指出，基于LCR對(duì)海陸邊界的雷達(dá)后向散射測(cè)量進(jìn)行校正處理，可進(jìn)一步提高散射計(jì)在近海岸區(qū)域的數(shù)據(jù)獲取率。Verhoef等[8]通過(guò)減小后向散射測(cè)量的平均窗口尺寸，開發(fā)了空間分辨率為12.5 km的C波段固定扇形波束散射計(jì)（即ASCAT）近海岸海面風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品。近年來(lái)，Vogelzang和Stoffelen[9]又基于LCR開發(fā)了5～6 km網(wǎng)格分辨率的ASCAT風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品。然而ASCAT原始后向散射測(cè)量的分辨率約為10 km×25 km，改進(jìn)算法研制的高分辨風(fēng)場(chǎng)的真實(shí)分辨率約為17 km，風(fēng)場(chǎng)離岸最近距離約為20 km。

目前，我國(guó)在軌運(yùn)行的衛(wèi)星散射計(jì)有海洋二號(hào)（HY-2）A/B星搭載的Ku波段筆形波束掃描散射計(jì)和中法海洋衛(wèi)星搭載的Ku波段扇形波束掃描散射計(jì)。前者雷達(dá)分辨單元的大小約為25 km×35 km，并可利用脈沖壓縮技術(shù)將俯仰向的分辨率提高到10 km左右；后者雷達(dá)分辨單元的大小約為10 km×12.5 km，是目前原始空間分辨率最高的在軌運(yùn)行微波散射計(jì)[10–11]。因此，本文針對(duì)中法海洋衛(wèi)星（CFOSAT）散射計(jì)開展近海岸海面風(fēng)場(chǎng)反演研究，旨在研制一種網(wǎng)格分辨率為12.5 km的近海岸海面風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品，為近海岸區(qū)域和中小尺度海面動(dòng)力過(guò)程等較高分辨率應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

2 近海岸風(fēng)場(chǎng)反演

過(guò)去40年，研究人員開發(fā)了多種星載微波散射計(jì)的海面風(fēng)場(chǎng)反演方法。其中，基于貝葉斯原理的風(fēng)場(chǎng)反演是目前被世界上各個(gè)衛(wèi)星地面處理系統(tǒng)所廣泛采用的方法[12]。具體而言，完整的海面風(fēng)場(chǎng)處理包括雷達(dá)后向散射系數(shù)預(yù)處理、最大似然估計(jì)風(fēng)場(chǎng)反演、風(fēng)場(chǎng)去模糊以及質(zhì)量控制等步驟。CFOSAT微波散射計(jì)的近海岸風(fēng)場(chǎng)處理流程與業(yè)務(wù)化的衛(wèi)星散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)反演基本一致，所不同的是前者在進(jìn)行雷達(dá)后向散射系數(shù)預(yù)處理時(shí)需要在近海岸區(qū)域盡量多地保留海面上的后向散射測(cè)量信息，從而使反演的風(fēng)場(chǎng)更接近海岸線。

2.1 預(yù)處理

由于CFOSAT微波散射計(jì)使用扇形波束旋轉(zhuǎn)掃描體制，其天線旋轉(zhuǎn)速度（3.4周/min，即3.4 rpm）遠(yuǎn)小于以往的筆形波束掃描散射計(jì)（18 rpm）。緩慢旋轉(zhuǎn)的天線和較高的脈沖重復(fù)頻率（150 Hz）保障了雷達(dá)能夠?qū)ν坏孛鎱^(qū)域?qū)崿F(xiàn)多次重復(fù)觀測(cè)，從而擁有足夠多的觀測(cè)樣本數(shù)。因此，本文沒(méi)有使用Fore等[7]針對(duì)筆形波束散射計(jì)開發(fā)的近海岸風(fēng)場(chǎng)處理方法，而是通過(guò)判斷每個(gè)原始分辨單元（10 km×12.5 km）中心位置的海陸標(biāo)識(shí)和離岸距離，進(jìn)而對(duì)觀測(cè)入射角和方位角相近的原始分辨單元進(jìn)行算術(shù)平均來(lái)實(shí)現(xiàn)后向散射系數(shù)預(yù)處理。這種方法雖然損失了一定數(shù)量的有用信息，但避免了計(jì)算每個(gè)分辨單元LCR，可節(jié)省近海岸處理的計(jì)算機(jī)資源（重處理一年的QuikSCAT近海岸風(fēng)場(chǎng)需消耗170 d的CPU時(shí)間[7]），更加適用于業(yè)務(wù)化的衛(wèi)星地面處理系統(tǒng)。具體而言，CFOSAT微波散射計(jì)的近海岸風(fēng)場(chǎng)反演的預(yù)處理流程如圖1所示。

圖1 CFOSAT散射計(jì)近海岸風(fēng)場(chǎng)反演的預(yù)處理流程Fig. 1 Preprocessing flow of the coastal wind retrieval for CFOSAT scatterometer

首先，根據(jù)風(fēng)場(chǎng)反演輸入的一級(jí)數(shù)據(jù)（L1B）中的衛(wèi)星軌道信息，把CFOSAT散射計(jì)的觀測(cè)刈幅沿著順軌方向和垂直于星下點(diǎn)地面軌跡（交軌）方向劃分為12.5 km×12.5 km的規(guī)則網(wǎng)格，并按順序賦予每個(gè)網(wǎng)格行號(hào)和列號(hào)。其次，依次計(jì)算L1B數(shù)據(jù)中每個(gè)分辨單元（稱之為“條帶”，如圖2a所示）所處的規(guī)則網(wǎng)格的行號(hào)和列號(hào)，并根據(jù)條帶的經(jīng)緯度判斷其是否位于海面以及離岸線的距離。如果條帶位于海面且離岸距離大于7.5 km，則將其用于條帶組合。條帶組合的原理是把位于同一個(gè)網(wǎng)格單元、極化方式相同、且入射角和方位角相近的條帶進(jìn)行組合平均（算術(shù)平均），從而獲取該網(wǎng)格一個(gè)視角的觀測(cè)信息；每個(gè)網(wǎng)格單元通常有4～16個(gè)觀測(cè)視角，具體取決于網(wǎng)格在刈幅交軌方向的位置。圖2b是條帶組合的示意圖，對(duì)于CFOSAT散射計(jì)，只有中心位置位于網(wǎng)格方框之內(nèi)的條帶才用于組合平均。這與ASCAT近海岸的處理有所不同，后者將中心位置離網(wǎng)格點(diǎn)小于15 km的條帶用于組合平均（如圖中虛線圓所示）。最后，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)多個(gè)觀測(cè)視角的平均經(jīng)緯度，并用于表征該風(fēng)矢量單元的地理位置。

圖2 CFOSAT散射計(jì)在4個(gè)不同方位角的雷達(dá)足跡（黑色等高線），原始分辨單元（條帶，彩色等高線）示意圖（a）和條帶組合示意圖（b）Fig. 2 The radar footprints (black contours),the raw range-gated resolution (namely slices,color contours) of CFOSAT scatterometer at four different azimuth angles (a) and illustration of the slice aggregation (b)

2.2 風(fēng)場(chǎng)反演

CFOSAT散射計(jì)近海岸海面風(fēng)場(chǎng)反演也使用最大似然估計(jì)方法，即

式中，N表示觀測(cè)視角的個(gè)數(shù)，N的值為4～16；是第i個(gè)視角測(cè)量的雷達(dá)后向散射系數(shù)；是通過(guò)Ku波段散射計(jì)地球物理模式函數(shù)（GMF）仿真的第i個(gè)視角的后向散射系數(shù)；表示第i個(gè)視角雷達(dá)后向散射系數(shù)的測(cè)量方差。這里使用的GMF是荷蘭皇家氣象研究所（KNMI）改進(jìn)的NSCAT-4模型[13]。

考慮只有位于12.5 km×12.5 km網(wǎng)格內(nèi)的條帶才用于組合平均，單個(gè)風(fēng)矢量單元的噪聲較大，因此CFOSAT散射計(jì)近海岸風(fēng)場(chǎng)處理采用多模糊解和二維變分分析去模糊的方法，確保反演的風(fēng)場(chǎng)具有較好的空間一致性。多模糊解是指，每個(gè)風(fēng)矢量單元的風(fēng)場(chǎng)模糊解個(gè)數(shù)設(shè)定為144（間隔2.5°）。對(duì)于每個(gè)風(fēng)向值，尋找一個(gè)風(fēng)速值使式（1）最小化，那么該風(fēng)速和風(fēng)向構(gòu)成一個(gè)模糊解。每個(gè)模糊解對(duì)應(yīng)的殘差（即MLE值）表征該模糊解是真實(shí)解的概率，殘差越大則該模糊解是真實(shí)解的概率就越小。二維變分分析則是指，給定一組散射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)（x表示向量，k表示第k個(gè)模糊解）和背景風(fēng)場(chǎng)矢量xb，通過(guò)最小化下列目標(biāo)函數(shù)得到變分分析風(fēng)場(chǎng)的矢量x，

式中，Jo和Jb分別表示觀測(cè)項(xiàng)和背景風(fēng)場(chǎng)項(xiàng)，具體參考文獻(xiàn)[14]。最后，選擇風(fēng)向最接近變分分析風(fēng)場(chǎng)的散射計(jì)模糊解作為反演風(fēng)場(chǎng)的解。

與CFOSAT散射計(jì)業(yè)務(wù)化地面處理系統(tǒng)的風(fēng)場(chǎng)反演一樣，近海岸海面風(fēng)場(chǎng)處理利用風(fēng)場(chǎng)質(zhì)量敏感因子即反演的殘差（MLE值）來(lái)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)質(zhì)量控制。本文直接使用業(yè)務(wù)化地面處理系統(tǒng)的質(zhì)量控制方案[11]。

3 近海岸風(fēng)場(chǎng)分析

本節(jié)通過(guò)個(gè)例展示和統(tǒng)計(jì)分析的方法詳細(xì)評(píng)估CFOSAT散射計(jì)近海岸海面風(fēng)場(chǎng)（3.0版本）的數(shù)據(jù)特征。統(tǒng)計(jì)分析使用的數(shù)據(jù)是CFOSAT散射計(jì)和ASCAT在2019年3月的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及QuikSCAT在2009年3月的觀測(cè)數(shù)據(jù)。由于這3個(gè)散射計(jì)的任務(wù)周期或升交點(diǎn)地方時(shí)明顯不同，無(wú)法通過(guò)直接匹配數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行交叉比對(duì)。因此，這里把每個(gè)散射計(jì)的觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的背景場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，間接分析不同散射計(jì)近海岸風(fēng)場(chǎng)的數(shù)據(jù)特征。背景風(fēng)場(chǎng)均為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)，通過(guò)時(shí)空插值匹配到各個(gè)散射計(jì)的觀測(cè)位置和時(shí)間點(diǎn)，并且已經(jīng)包含在數(shù)據(jù)文件中。

為了突出近海岸風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)特征分析，本節(jié)主要對(duì)離岸線150 km之內(nèi)的海面風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行分析，而且所分析的散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)均為經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制（由L2數(shù)據(jù)中的質(zhì)量標(biāo)識(shí)符判定）之后的風(fēng)場(chǎng)。

3.1 近海岸風(fēng)場(chǎng)的分布特征

圖3a和圖3b分別表示CFOSAT散射計(jì)25 km網(wǎng)格分辨率的業(yè)務(wù)化風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)和12.5 km網(wǎng)格分辨率的近海岸風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，圖3c表示ASCAT的12.5 km近海岸風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。需要注意的是，CFOSAT散射計(jì)和ASCAT的觀測(cè)時(shí)間不同，圖3只是選取相同的地理位置來(lái)直觀展示CFOSAT近海岸風(fēng)場(chǎng)的分布特征。可以看出，與ASCAT近海岸風(fēng)場(chǎng)一致，CFOSAT近海岸處理明顯可以獲取比業(yè)務(wù)化產(chǎn)品更接近海岸線的海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

圖3 CFOSAT散射計(jì)于2020年5月12日UTC22時(shí)41分觀測(cè)的臺(tái)風(fēng)“黃蜂”，網(wǎng)格分辨率為25 km（a）；同時(shí)間的CFOSAT散射計(jì)近海岸海面風(fēng)場(chǎng)，網(wǎng)格分辨率約為12.5 km（b）；ASCAT散射計(jì)于5月14日UTC0時(shí)50分觀測(cè)的臺(tái)風(fēng)“黃蜂”，網(wǎng)格分辨率為12.5 km的近海岸風(fēng)場(chǎng)（c）Fig. 3 CFOSAT scatterometer wind field (Typhoon Vongfong) with 25 km grid resolution. The acquisition date and time are May 12th 2020,at UTC 22:41 (a); the same as a,but for the coastal wind product with resolution of 12.5 km (b); ASCAT coastal wind field (Typhoon Vongfong) with resolution of 12.5 km. The acquisition date and time are May 14th 2020,at UTC 00:50 (c)

圖4對(duì)比了離岸150 km范圍內(nèi)ASCAT、CFOSAT散射計(jì)（CSCAT）、以及QuikSCAT散射計(jì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)量隨離岸距離變化的趨勢(shì)?？梢?，CFOSAT散射計(jì)在近海岸區(qū)域觀測(cè)數(shù)據(jù)量的分布與ASCAT基本一致，但兩者風(fēng)場(chǎng)的離岸距離總體上大于QuikSCAT的近海岸風(fēng)場(chǎng)。這主要是因?yàn)镼uikSCAT近海岸處理較精確地估計(jì)了陸地對(duì)海陸邊界后向散射測(cè)量的影響，盡可能多地保留了雷達(dá)測(cè)量的后向散射系數(shù)。需要注意的是，離岸距離只是近海岸風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品的一種關(guān)鍵指標(biāo)，離海岸線越近散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)反演受陸地影響的概率越大，反演風(fēng)矢量的精度越低。下面章節(jié)進(jìn)一步分析散射計(jì)近海岸風(fēng)速和風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)特征。

圖4 近海岸區(qū)域ASCAT、CFOSAT散射計(jì)（CSCAT）以及QuikSCAT散射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)量的分布特征Fig. 4 The normalized number of wind observations as a function of the distance to coastline for ASCAT,CFOSAT scatterometer (CSCAT),and QuikSCAT,respectively

3.2 近海岸風(fēng)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)特征

近海岸區(qū)域的海面狀況比開闊大洋更加復(fù)雜。對(duì)微波散射計(jì)而言，近海岸區(qū)域頻繁出現(xiàn)的船只、潛在的小島礁以及海陸相互作用引起的風(fēng)場(chǎng)易變性都可能影響雷達(dá)的后向散射系數(shù)，進(jìn)而影響散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)的質(zhì)量。

圖5展示ASCAT、CSCAT和QuikSCAT的風(fēng)速相對(duì)于背景風(fēng)場(chǎng)的偏差和標(biāo)準(zhǔn)差隨離岸距離變化的趨勢(shì)?？梢钥闯觯猩⑸溆?jì)反演風(fēng)速的偏差和標(biāo)準(zhǔn)差都隨著離岸距離的減小而增大。ASCAT的近海岸風(fēng)速的精度最穩(wěn)定，只有在離岸距離小于20 km時(shí)風(fēng)速誤差才顯著上升。QuikSCAT的近海岸風(fēng)速偏差雖然比CSCAT小，但離岸距離大于80 km時(shí)存在負(fù)的風(fēng)速偏差，這可能是由于QuikSCAT近海岸數(shù)據(jù)的定標(biāo)處理仍存在一定的后向系數(shù)偏差。離岸距離大于40 km時(shí)，CSCAT的風(fēng)速偏差和標(biāo)準(zhǔn)差都具有較好的一致性和精度，但隨著離岸距離減小，這兩項(xiàng)指標(biāo)都顯著惡化。

圖5 近海岸區(qū)域ASCAT、CFOSAT散射計(jì)（CSCAT）以及QuikSCAT散射計(jì)的風(fēng)速偏差（a）和風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差（b）統(tǒng)計(jì)特征Fig. 5 The wind speed bias (a) and standard deviation errors (b) as a function of the distance to coastline for ASCAT,CFOSAT scatterometer (CSCAT),and QuikSCAT,respectively

為了進(jìn)一步分析散射計(jì)近海岸風(fēng)場(chǎng)的特征，圖6展示了離岸40 km以內(nèi)ASCAT、CSCAT以及QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)與模式背景風(fēng)場(chǎng)的二維分布圖。與ASCAT和QuikSCAT相比，CSCAT風(fēng)場(chǎng)總體上與背景風(fēng)場(chǎng)具有更好的一致性，除了圖6b左邊存在一些異常值。正是這些異常值使圖6左上角的統(tǒng)計(jì)值以及圖5中CSCAT在近海岸區(qū)域的風(fēng)速偏差和標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)值顯著上升。如果定義風(fēng)速偏差大于6 m/s（即常用精度指標(biāo)2.0 m/s的3倍）的統(tǒng)計(jì)樣本為異常觀測(cè)，那么去除這些異常值之后，圖6b中風(fēng)速偏差減小為0.43 m/s，風(fēng)速和風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)差則分別減小至1.99 m/s和20.9°。考慮近海岸海面風(fēng)場(chǎng)反演的特點(diǎn)，產(chǎn)生上述異常值的主要原因有以下幾個(gè)方面：首先，上述異常值發(fā)生的區(qū)域多集中在兩極附近（如圖7所示），是海冰較為集中區(qū)域。由此推測(cè)，目前CSCAT風(fēng)場(chǎng)反演使用的海冰掩膜仍有較大的誤差，導(dǎo)致一小部分被海冰污染的數(shù)據(jù)被判別為海面測(cè)量的數(shù)據(jù)。如果只考慮南北緯60°之間的近海岸風(fēng)場(chǎng)，則圖6b中的風(fēng)速偏差減小至0.17 m/s，風(fēng)速和風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)差分別減小至1.83 m/s和19.1°。其次，CSCAT近海岸風(fēng)場(chǎng)處理時(shí)可能仍有一些受到陸地污染的后向散射測(cè)量通過(guò)了預(yù)處理并進(jìn)入風(fēng)場(chǎng)反演流程，其原因是目前CSCAT L1B數(shù)據(jù)中雷達(dá)分辨單元的地理位置精度較低（約7.3 km），導(dǎo)致一小部分被陸地污染的數(shù)據(jù)被判別為海面測(cè)量的數(shù)據(jù)[15]。最后，目前的質(zhì)量控制是一種基于反演殘差的經(jīng)驗(yàn)方法，并沒(méi)有針對(duì)近海岸區(qū)域進(jìn)行閾值優(yōu)化[16]。有必要在風(fēng)場(chǎng)反演的預(yù)處理階段先剔除異常的后向散射測(cè)量值，再進(jìn)行后續(xù)的處理。

圖6 離岸 40 km 以內(nèi)的 ASCAT（a），CSCAT（b），以及 QuikSCAT（c）海面風(fēng)場(chǎng)與模式背景風(fēng)場(chǎng)的對(duì)比Fig. 6 The ASCAT (a),CSCAT(b),and QuikSCAT (c) wind vectors versus model background winds for the observations with distance to coastline < 40 km

圖7 離岸40 km以內(nèi)，CSCAT風(fēng)速偏差（相對(duì)于ECMWF）大于6 m/s的異常值的分布直方圖Fig. 7 Geographic histograms of the abnormal CSCAT observations (e.g.,wind speed bias larger than 6 m/s with respect to ECMWF) which distance to coastline are less than 40 km

最后，圖8對(duì)比了離岸40 km以內(nèi)CSCAT與全球固定浮標(biāo)（主要是美國(guó)國(guó)家資料浮標(biāo)中心（NDBC）的浮標(biāo)）的風(fēng)場(chǎng)。由于近岸的浮標(biāo)數(shù)量有限，在研究時(shí)間段內(nèi)只獲取了112個(gè)CSCAT和浮標(biāo)的匹配點(diǎn)（空間距離小于25 km、時(shí)間差小于半小時(shí)）?？偟脕?lái)說(shuō)，近海岸風(fēng)場(chǎng)與浮標(biāo)的風(fēng)場(chǎng)具有較好的一致性，左圖中風(fēng)速相關(guān)系數(shù)大于0.7，風(fēng)速精度優(yōu)于2.0 m/s。右圖中除了180°風(fēng)向模糊的散點(diǎn)，風(fēng)向精度優(yōu)于20°。

圖8 離岸40 km以內(nèi)CSCAT與全球固定浮標(biāo)的風(fēng)場(chǎng)散點(diǎn)對(duì)比圖Fig. 8 Scatter plots of CSCAT wind speed and direction versus global moored buoy winds. Here the observations with distance to coastline < 40 km are studied

4 結(jié)論和展望

中法海洋衛(wèi)星散射計(jì)（CSCAT）是世界上首個(gè)在軌運(yùn)行的扇形波束掃描微波散射計(jì)，其新穎的觀測(cè)體制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海面同一風(fēng)單元進(jìn)行多入射角和多方位角觀測(cè)。另一方面，CSCAT具有較高空間分辨率的原始分辨單元，這些都為微波散射計(jì)近海岸海面風(fēng)場(chǎng)的研究和開發(fā)提供了新的機(jī)遇。本文針對(duì)CSCAT提出一種適用于扇形波束掃描散射計(jì)的近海岸風(fēng)場(chǎng)處理的流程，充分發(fā)揮該散射計(jì)觀測(cè)樣本數(shù)多的優(yōu)勢(shì)，即利用一種簡(jiǎn)單的條帶組合方法進(jìn)行近海岸數(shù)據(jù)預(yù)處理，一方面提高近海岸區(qū)域海面風(fēng)場(chǎng)處理的效率，另一方面使其近海岸風(fēng)場(chǎng)具有與ASCAT近海岸風(fēng)場(chǎng)相似的空間分布特征。研究表明，與ASCAT、QuikSCAT的近海岸風(fēng)場(chǎng)相比，CSCAT離岸40 km以外的風(fēng)場(chǎng)總體上具有良好的質(zhì)量和空間一致性；離岸40 km以內(nèi)，得益于CSCAT較高的原始空間分辨率，其風(fēng)場(chǎng)與模式預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)和浮標(biāo)風(fēng)場(chǎng)相比，總體上具有更好的一致性。但是由于潛在的陸地污染、質(zhì)量控制原因，特別是海冰污染，CSCAT在離岸40 km以內(nèi)也存在一些風(fēng)速偏差特別大的異常反演結(jié)果，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)特征顯著惡化。這種顯著的異常反演結(jié)果，另一方面也為海冰識(shí)別提供了新的思路。

下一步我們將在目前研究的基礎(chǔ)上，改進(jìn)CSCAT原始分辨單元的定位精度、繼續(xù)優(yōu)化近海岸風(fēng)場(chǎng)的預(yù)處理，特別是用于條帶組合平均的窗口設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制，進(jìn)而提高近海岸區(qū)域、尤其是離岸40 km以內(nèi)海面風(fēng)場(chǎng)的質(zhì)量。此外，我國(guó)即將發(fā)射的風(fēng)云三號(hào)E星雙頻測(cè)風(fēng)雷達(dá)也使用了扇形波束旋轉(zhuǎn)掃描體制[17]，因此本文的研究結(jié)果對(duì)這種新型散射計(jì)的近海岸風(fēng)場(chǎng)反演也具有重要的參考價(jià)值。

致謝：本文使用的ASCAT近海岸風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)由歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）海洋與海冰衛(wèi)星應(yīng)用設(shè)施（OSI SAF）、QuikSCAT近海岸風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)由海洋數(shù)據(jù)存檔中心（PODAAC）提供，這兩種數(shù)據(jù)都可以通過(guò)https://podaac-tools.jpl.nasa.gov/drive/網(wǎng)址獲取。浮標(biāo)數(shù)據(jù)由ECMWF氣象存檔與檢索系統(tǒng)（MARS）提供，并由荷蘭皇家氣象研究所的散射計(jì)團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)換成海面10 m高度的等效中性風(fēng)。