中國(guó)近海海上風(fēng)場(chǎng)分布特征研究
——以近10年(2010—2022年)為例

張?chǎng)蝿P

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200335)

0 引言

海面風(fēng)場(chǎng)是海洋上層運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?lái)源,與海洋中幾乎所有的海水運(yùn)動(dòng)直接相關(guān)[1]。在海洋動(dòng)力學(xué)過(guò)程中,它不僅是形成海面波浪的直接動(dòng)力,而且是區(qū)域和全球海洋環(huán)流的動(dòng)力[2]。因此,海面風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量對(duì)于海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)、海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)、海氣相互作用、海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃建設(shè)等都具有重要意義。

目前,觀測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)的傳統(tǒng)方法主要是通過(guò)浮標(biāo)、船舶、沿岸及島嶼自動(dòng)氣象站等手段獲取資料[3]。然而,由于海洋環(huán)境惡劣、儀器耗費(fèi)高等原因,我國(guó)近海觀測(cè)網(wǎng)多設(shè)置于沿海一帶且數(shù)量有限、分布稀疏,無(wú)法獲得大面積同步、長(zhǎng)時(shí)間序列的觀測(cè)資料,缺乏對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)整體性、系統(tǒng)性的認(rèn)知。與傳統(tǒng)觀測(cè)手段相比,衛(wèi)星遙感則具有大面積、準(zhǔn)同步和全天候的觀測(cè)能力。1978年美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)發(fā)射了全球第一顆 SeaSAT 衛(wèi)星,此后一系列用于測(cè)量地表風(fēng)向量的衛(wèi)星傳感器發(fā)射升空,為海面風(fēng)場(chǎng)的全球觀測(cè)提供了行之有效的技術(shù)手段。目前,可以觀測(cè)海面風(fēng)的衛(wèi)星傳感器主要有微波散射計(jì)、微波輻射計(jì)和微波高度計(jì)[4]。同時(shí),交叉校準(zhǔn)多平臺(tái)(Cross-Calibrated Multi-Platform,CCMP)為世界海洋提供了矢量風(fēng)場(chǎng)融合信息,能夠更加深入地了解海上風(fēng)速和風(fēng)向的變化,掌握風(fēng)速風(fēng)向的變化規(guī)律,更好地利用海上風(fēng)能。

中國(guó)近海區(qū)域在人類生產(chǎn)和生活中占有重要的地位,其跨越不同的氣候區(qū)域,氣候差異顯著,各類天氣活動(dòng)頻繁,是世界上受海洋災(zāi)害最嚴(yán)重的區(qū)域之一。除海嘯災(zāi)害外,中國(guó)近海海洋災(zāi)害都與風(fēng)場(chǎng)密切相關(guān),其中,臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)暴潮災(zāi)害造成的損失最嚴(yán)重[5],其次為臺(tái)風(fēng)、寒潮天氣帶來(lái)的海上大風(fēng)相伴生的海浪災(zāi)害,這兩類海洋氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)總災(zāi)害損失的80%以上[6]。因此,對(duì)我國(guó)近海海面風(fēng)的深入研究,不僅對(duì)臺(tái)風(fēng)等海洋天氣形勢(shì)的分析預(yù)報(bào)具有重要意義,而且可以為近海區(qū)域海上風(fēng)能的有效利用提供科學(xué)支撐。

然而,行業(yè)內(nèi)基于衛(wèi)星遙感手段對(duì)海上風(fēng)場(chǎng)的分析研究相對(duì)較少。針對(duì)實(shí)際的開發(fā)需求和目前研究存在的不足,本文利用長(zhǎng)時(shí)序(2010—2022年)的衛(wèi)星遙感產(chǎn)品資料,對(duì)中國(guó)近海目標(biāo)海域的海面風(fēng)場(chǎng)分布特征開展分析評(píng)估研究,獲取不同近海海域的海面風(fēng)場(chǎng)時(shí)空變化特征,以期為海上風(fēng)電場(chǎng)的前期規(guī)劃提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)橹袊?guó)近海,包括渤海、黃海、東海和南海。渤海三面被陸地環(huán)繞,大陸徑流較強(qiáng),灣內(nèi)海水不易與外部進(jìn)行交換。黃海是西太平洋重要的陸架邊緣海之一,位于東亞季風(fēng)區(qū),受太陽(yáng)輻射、大氣強(qiáng)迫、河流徑流及地形、岸線、潮汐潮流等多種因素的影響,水文和環(huán)流存在顯著的季節(jié)變化和空間差異。東海西有寬廣陸架、東有深海槽,兼有深淺海特征,是海況十分復(fù)雜的海區(qū)。南海位于中國(guó)大陸的南面,通過(guò)狹窄的海峽或水道,東與太平洋相連,西與印度洋相通,是一個(gè)東北-西南走向的半封閉海。

為了研究分析典型子區(qū)域的海面風(fēng)場(chǎng)特征,本文將中國(guó)近海分為12個(gè)子區(qū)域,包括渤海、渤海海峽、黃海北部、黃海中部、黃海南部、東海北部、東海南部、臺(tái)灣海峽、南海東北部、南海北部、瓊州海峽和北部灣。

1.2 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

微波測(cè)量海面風(fēng)速是基于海面的后向散射或亮溫與海面的粗糙度有關(guān),而海面粗糙度與海面風(fēng)速之間具有一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行的。微波散射計(jì)通過(guò)測(cè)量海面微波后向散射系數(shù),根據(jù)它與海面風(fēng)矢量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶瘮?shù)來(lái)反演海面風(fēng)場(chǎng)。對(duì)同一海域不同入射角的資料進(jìn)行分析,可獲得風(fēng)向分布信息。

交叉校準(zhǔn)多平臺(tái)(Cross-Calibrated Multi-Platform,CCMP)是一種網(wǎng)格化的4級(jí)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品(L4),可為世界海洋提供矢量風(fēng)場(chǎng)信息。CCMP是通過(guò)對(duì)衛(wèi)星微波遙感和儀器觀測(cè)的海面風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉校準(zhǔn)和同化而得出的合成風(fēng)場(chǎng)資料。使用的衛(wèi)星傳感器主要有兩種類型,即成像輻射計(jì)和散射計(jì)。成像輻射計(jì)通過(guò)評(píng)估隨著風(fēng)的增加,海洋表面的發(fā)射和散射特性變化所引起的微波輻射變化,反演無(wú)冰海洋上近地面的風(fēng)速[7-9]。以歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的再分析業(yè)務(wù)資料為背景場(chǎng)[10],CCMP產(chǎn)品采用一種增強(qiáng)的變分同化分析法(Variational Analysis Method,VAM)[11-12],同化了特殊傳感器微波/成像儀(Special Sensor Microwave/Imager,SSM/I)、TMI、散射計(jì)QuikSCAT、輻射計(jì)WindSAT和高級(jí)散射計(jì)(Advanced Scatterometer,ASCAT)等20多種衛(wèi)星探測(cè)海面風(fēng)資料以及部分船舶、浮標(biāo)觀測(cè)資料。Atlas等[13]驗(yàn)證了CCMP合成風(fēng)場(chǎng)資料較單個(gè)的衛(wèi)星平臺(tái)風(fēng)場(chǎng)資料在精度方面有很大的提高。毛科峰等[14]分析驗(yàn)證了CCMP風(fēng)場(chǎng)資料的均方根誤差精度在東中國(guó)海海域高于ERA-Interim風(fēng)場(chǎng)資料和QuikSCAT/NCEP合成風(fēng)場(chǎng)資料。由此產(chǎn)生的產(chǎn)品是一個(gè)空間上完整的數(shù)據(jù)集,每6 h提供一次。

本文通過(guò)網(wǎng)站https://www.remss.com/measurements/ccmp/ 下載了2010—2022年共13年的風(fēng)場(chǎng)天數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品以u(píng)和v分量的方式提供每天UTC 0時(shí)、6時(shí)、12時(shí)和18時(shí)的海面矢量風(fēng)場(chǎng),u和v分量分別為距海面10 m處風(fēng)矢量在緯線和經(jīng)線方向的分量[15]。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

本文利用中國(guó)近海多個(gè)浮標(biāo)觀測(cè)資料,對(duì)CCMP風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品進(jìn)行了精度驗(yàn)證。在資料的時(shí)間匹配上,將對(duì)應(yīng)時(shí)次(UTC 0時(shí)、6時(shí)、12時(shí)和18時(shí))的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料與產(chǎn)品資料進(jìn)行最近時(shí)間匹配。在資料的空間匹配上,將CCMP產(chǎn)品資料采取雙線性二次插值方案插值到現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)站點(diǎn)所在的經(jīng)緯度上,然后進(jìn)行空間匹配。此外,根據(jù)對(duì)數(shù)風(fēng)廓線風(fēng)速高度換算方法,本文通過(guò)CCMP和實(shí)測(cè)10 m風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)得到100 m高度處風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。海面高度Z處風(fēng)速計(jì)算公式如下:

(1)

式(1)中:VZ為高度Z處的風(fēng)速;V0為高度Z0處風(fēng)速;Z、Z0為距海面高度。

1.4 精度評(píng)價(jià)

本文基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料,對(duì)CCMP海面風(fēng)速風(fēng)向融合產(chǎn)品進(jìn)行了精度檢驗(yàn),采用的精度檢驗(yàn)指標(biāo)包括決定系數(shù)(R2)、平均偏差(Bias)、均方根誤差(Root Mean-square Error,ERMS)和平均絕對(duì)百分比誤差(Mean Absolute Percentage Error,EMAP),其具體計(jì)算如公式(2)—(5)所示。

(2)

(3)

(4)

(5)

2 研究結(jié)果與分析

2.1 海上風(fēng)場(chǎng)資料的精度評(píng)估

基于星地同步數(shù)據(jù),本文獲得的實(shí)測(cè)海面100 m高度風(fēng)速與衛(wèi)星反演值對(duì)比情況如圖1所示。可以看出:大多數(shù)散點(diǎn)都集中在1∶1線附近,表明反演的海面風(fēng)速與實(shí)測(cè)值較為接近。從誤差值來(lái)看,EMAP與ERMS值均比較低,決定系數(shù)R2值較高,其中R2=0.9,EMAP=14.8%,ERMS=1.1 m/s。綜合以上精度評(píng)價(jià)指標(biāo),衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠較好地反演出海面100 m高度的風(fēng)速。同時(shí),基于星地同步數(shù)據(jù),獲得的實(shí)測(cè)海面100 m高度風(fēng)向與衛(wèi)星反演值對(duì)比情況如圖2所示?？梢钥闯?大多數(shù)散點(diǎn)都集中在1∶1線附近,表明反演的海面風(fēng)向與實(shí)測(cè)值較為接近。從誤差值來(lái)看,Bias與ERMS值均比較低,ERMS=17.33°,Bias=15.17°。綜合以上精度評(píng)價(jià)指標(biāo),衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠較好地反演出海面100 m高度的風(fēng)向。

圖1 實(shí)測(cè)海面風(fēng)速與反演得到的海面風(fēng)速之間的散點(diǎn)圖

圖2 實(shí)測(cè)海面風(fēng)向與反演得到的海面風(fēng)向之間的散點(diǎn)圖

2.2 中國(guó)近海風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空分布特征

基于13年間海上風(fēng)場(chǎng)月產(chǎn)品數(shù)據(jù),本文采用均值合成法得到并繪制海面風(fēng)場(chǎng)多年月平均變化圖,以探究海面風(fēng)場(chǎng)月變化特征。整體上東海和南海交界處風(fēng)速一直高于其他區(qū)域,但在不同的季節(jié)也表現(xiàn)出一定的差異性。春冬季節(jié)東海和南海交界處海面風(fēng)速達(dá)到高峰,夏秋季節(jié)此處海面風(fēng)速與其他海域海面風(fēng)速差異遠(yuǎn)小于春、冬兩季。從典型區(qū)域渤海海域、黃海海域、東海海域和南海海域角度分析,4個(gè)子區(qū)域的海面風(fēng)場(chǎng)在3—10月風(fēng)速都保持較低的水平,風(fēng)速變化不明顯。11月至次年2月風(fēng)速逐漸升高,全年風(fēng)速整體呈現(xiàn)冬春季高、夏季低的趨勢(shì)。

為分析中國(guó)近海海面100 m高風(fēng)場(chǎng)多年的年際變化特征,繪制2010—2022年13年間風(fēng)速風(fēng)向年平均圖。整體上來(lái)看,在不同年份中國(guó)近海海域海面風(fēng)場(chǎng)也表現(xiàn)出一定的差異。雖然風(fēng)速和風(fēng)向大小在13年間均呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的趨勢(shì),但也有一定的分布特征,東海和南海交界處區(qū)域風(fēng)速相比其他區(qū)域常年偏大,呈現(xiàn)一個(gè)三角狀的高風(fēng)速區(qū)域。

綜合來(lái)看,典型區(qū)域渤海海域、黃海海域、東海海域和南海海域4個(gè)子區(qū)域的海面風(fēng)場(chǎng)在2010—2011年呈現(xiàn)上升趨勢(shì),隨后在2012—2016年逐漸下降,又在2017—2019年逐年上升,在2020—2021年有所下降,到2022年風(fēng)速回升。2010—2022年13年間一直維持在較低值,平均風(fēng)速小于10 m/s。

2.3 典型子區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)變化特征

為了更深入地了解中國(guó)近海風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空變化特征,本文分析了12個(gè)子區(qū)域的風(fēng)速變化特征,結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?總體上12個(gè)區(qū)域 的風(fēng)速最大值都集中在冬季,夏季風(fēng)速略有回升,但總體呈現(xiàn)低值狀態(tài)。就風(fēng)速變化而言,其中渤海、渤海海峽、瓊州海峽、北部灣風(fēng)速的變化較為平緩,其余地區(qū)的風(fēng)速變化較大。

圖3 中國(guó)近海12個(gè)子區(qū)域的海面風(fēng)速月均值變化

針對(duì)不同子區(qū)域而言,12個(gè)區(qū)域雖然波動(dòng)程度有大有小,但波動(dòng)起伏趨勢(shì)相似。風(fēng)速月均值峰值都集中在12月,最低值分布略有不同:渤海、渤海海峽、黃海北部、黃海中部、黃海南部、東海北部的最低值分布在4月;東海南部的最低值分布在6月;臺(tái)灣海峽、南海東北部、南海北部、瓊州海峽最低值在8月;北部灣最低值在9月。

3 結(jié)論

針對(duì)我國(guó)近海海域,本文利用實(shí)測(cè)海上風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)對(duì)海上風(fēng)場(chǎng)融合資料進(jìn)行精度評(píng)價(jià),進(jìn)而系統(tǒng)地分析了13年間(2010—2022年)我國(guó)近海海上風(fēng)速風(fēng)向的時(shí)空特征,并對(duì)典型子海域開展局部特征分析。本文得到的主要結(jié)論如下:

(1)基于星地同步數(shù)據(jù),獲得的衛(wèi)星反演海面風(fēng)場(chǎng)與實(shí)測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比,其中海面風(fēng)速平均相對(duì)絕對(duì)誤差為14.8%,均方差誤差為1.1 m/s,海面風(fēng)向的均方差誤差為17.33°,平均偏差為15.17°。

(2)整體上而言,我國(guó)近海海域呈現(xiàn)冬春季風(fēng)速大,夏季風(fēng)速低的特點(diǎn);東海和南海交界處有三角形高風(fēng)速區(qū)域,秋冬季三角區(qū)域向兩角延伸,春夏季向沿岸區(qū)域收縮。

(3)針對(duì)12個(gè)典型子海域,風(fēng)速最大值均集中在冬季,夏季風(fēng)速略低,其中渤海、瓊州海峽、北部灣的月尺度風(fēng)速變化較小,黃海、東海、臺(tái)灣海峽、南海北部的月尺度風(fēng)速變化較大。