楊曉君，張?jiān)龊?/p>

（1.天津海洋中心氣象臺(tái)，天津300074；2.國(guó)家氣象中心，北京100081）

ASCAT洋面風(fēng)資料在中國(guó)北方海域的真實(shí)性檢驗(yàn)

楊曉君1，張?jiān)龊?

（1.天津海洋中心氣象臺(tái)，天津300074；2.國(guó)家氣象中心，北京100081）

采用北方海域6個(gè)海洋觀(guān)測(cè)站風(fēng)資料對(duì)2009年3月—2013年6月ASCAT衛(wèi)星反演洋面風(fēng)（10 m）資料進(jìn)行了檢驗(yàn)。ASCAT反演洋面風(fēng)與測(cè)站風(fēng)向、風(fēng)速偏差均較小，二者風(fēng)速平均偏差為0.99 m/s，ASCAT風(fēng)速略高于測(cè)站風(fēng)速，二者風(fēng)向平均偏差為-12.97°，表明ASCAT洋面風(fēng)資料在北方海域具有可信性；分風(fēng)級(jí)統(tǒng)計(jì)表明，在北方海域，風(fēng)力為0—7級(jí)（0—17.1 m/s）時(shí)，利用ASCAT風(fēng)速代表洋面風(fēng)速是可行的（其中風(fēng)力為4—5級(jí)時(shí)，ASCAT與測(cè)站風(fēng)速誤差最小，為0.10 m/s），當(dāng)風(fēng)力達(dá)到8級(jí)以上時(shí)ASCAT的可信度較低。

海洋氣象；ASCAT洋面風(fēng)；檢驗(yàn)；北方海域

1 引言

洋面風(fēng)是海洋環(huán)流的主要驅(qū)動(dòng)力，調(diào)制著海洋-大氣之間的耦合作用，影響著海洋和大氣的各種現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)洋面風(fēng)場(chǎng)對(duì)于理解海洋-大氣之間的相互作用以及開(kāi)展海洋、大氣領(lǐng)域的相關(guān)研究至關(guān)重要。傳統(tǒng)的洋面風(fēng)觀(guān)測(cè)多來(lái)自浮標(biāo)、船舶、石油平臺(tái)站、島嶼站等常規(guī)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，然而這些觀(guān)測(cè)站多離海岸線(xiàn)較近，其覆蓋范圍和空間分辨率均難以滿(mǎn)足研究和應(yīng)用的需要。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，星載微波散射計(jì)作為目前可以同時(shí)探測(cè)洋面10 m風(fēng)向和風(fēng)速的唯一衛(wèi)星傳感器系統(tǒng)，以其全天候、全天時(shí)、高覆蓋度和高時(shí)空分辨率的觀(guān)測(cè)能力進(jìn)入人們的視野，近年來(lái)散射計(jì)洋面風(fēng)資料的應(yīng)用被廣泛重視[1-5]。

ASCAT（Advanced SCATterometer）作為歐洲遙感衛(wèi)星散射計(jì)的后繼者，是歐空局研制的新型散射計(jì)，它吸取了美國(guó)NSCAT、QuikSCAT和歐洲ERS等散射計(jì)衛(wèi)星的經(jīng)驗(yàn)，它的主要性能優(yōu)于上述散射計(jì)衛(wèi)星。ASCAT按頻段分屬于C波段散射計(jì)，C波段具有較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，與Ku波段散射計(jì)相比受云雨等因素的影響較小，更適合業(yè)務(wù)應(yīng)用。ASCAT資料在國(guó)外得到了很好的研究和應(yīng)用，成為數(shù)值預(yù)報(bào)模式中海上重要的初始場(chǎng)同化資料之一，在短期海風(fēng)警報(bào)、海面氣象特征分析中更是起到十分重要的作用。目前ASCAT在我國(guó)的應(yīng)用還很少[6-9]，如果能用好ASCAT反演洋面風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品，可以解決海洋氣象研究中缺少海洋觀(guān)測(cè)資料的重大難題，對(duì)海洋氣象業(yè)務(wù)的發(fā)展有重大意義。但是ASCAT資料的準(zhǔn)確性還不確定，因此開(kāi)展ASCAT反演洋面風(fēng)資料在我國(guó)北方海域的真實(shí)性檢驗(yàn)很有必要。

本文通過(guò)將北方海域6個(gè)海洋自動(dòng)氣象站觀(guān)測(cè)資料與ASCAT洋面風(fēng)資料進(jìn)行對(duì)比分析，檢驗(yàn)ASCAT洋面風(fēng)資料在北方海域的可信度，并進(jìn)一步分析討論了不同風(fēng)力等級(jí)下ASCAT反演風(fēng)場(chǎng)的真實(shí)性和可信度問(wèn)題。

2 ASCAT工作原理及資料簡(jiǎn)介

2.1 ASCAT衛(wèi)星反演風(fēng)場(chǎng)簡(jiǎn)介

ASCAT微波散射計(jì)屬于主動(dòng)、非成像雷達(dá)系統(tǒng)，利用不同風(fēng)速下海面粗糙度對(duì)雷達(dá)后向散射系數(shù)的不同相應(yīng)以及多角度觀(guān)測(cè)間接地反演海表10 m風(fēng)場(chǎng)信息。目前，歐洲衛(wèi)星氣象組織（EUMETSAT）發(fā)布的ASCAT業(yè)務(wù)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品有3種：25 km分辨率的海洋風(fēng)場(chǎng)，12.5 km分辨率的海洋風(fēng)場(chǎng)，12.5 km分辨率的近岸風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品。12.5 km的風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品每一行掃描線(xiàn)由41個(gè)12.5 km大小的風(fēng)矢量單元組成，軌道的寬度為512.5 km。本文選取的資料為12.5 km分辨率的海洋風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品。

2.2 實(shí)況測(cè)站資料

實(shí)況測(cè)站資料選取北方海域6個(gè)海洋氣象觀(guān)測(cè)站（見(jiàn)表1）逐小時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速資料，資料時(shí)間長(zhǎng)度為2009年3月—2013年6月。為了分析ASCAT資料在北方海域各海區(qū)的性能，渤海、渤海海峽和黃海北部每個(gè)海區(qū)各取兩個(gè)檢驗(yàn)站點(diǎn)（見(jiàn)圖1）。除渤海A平臺(tái)站以外，其余自動(dòng)氣象站資料均有不同程度的缺測(cè)現(xiàn)象，因而樣本較渤海A平臺(tái)站少一些。

3 ASCAT洋面風(fēng)資料的檢驗(yàn)

3.1 檢驗(yàn)方法

采用反距離權(quán)重插值法將ASCAT矢量風(fēng)插值到海洋觀(guān)測(cè)站上，與海洋站實(shí)測(cè)風(fēng)進(jìn)行比較，檢驗(yàn)ASCAT洋面風(fēng)資料在中國(guó)北方海域的可信度。檢驗(yàn)步驟如下：

式中，A為ASCAT衛(wèi)星遙感反演風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速或風(fēng)向值，B為觀(guān)測(cè)站觀(guān)測(cè)的風(fēng)速或風(fēng)向值，n為相應(yīng)的樣本量，Zp為p點(diǎn)的風(fēng)速或風(fēng)向值，Zi為第i個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速或風(fēng)向，di為待插點(diǎn)與其鄰域內(nèi)第i個(gè)點(diǎn)之間的距離，k為次冪，這里取k=2。

圖1 觀(guān)測(cè)站點(diǎn)分布

表1 海洋觀(guān)測(cè)站點(diǎn)信息表

3.2 ASCAT洋面風(fēng)資料在中國(guó)北方海域的真實(shí)性檢驗(yàn)

3.2.1 總體檢驗(yàn)結(jié)果

圖2a給出了ASCAT風(fēng)速與觀(guān)測(cè)站風(fēng)速對(duì)比情況，對(duì)比分析資料的樣本數(shù)有2746個(gè)，圖中等值線(xiàn)代表ASCAT風(fēng)速與觀(guān)測(cè)站對(duì)應(yīng)風(fēng)速出現(xiàn)的頻次，對(duì)角線(xiàn)代表ASCAT風(fēng)速與觀(guān)測(cè)站風(fēng)速相等。從圖中可以看出風(fēng)速頻次等值線(xiàn)均位于對(duì)角線(xiàn)附近，風(fēng)速最大頻次中心達(dá)到70次以上，頻次大值區(qū)位于對(duì)角線(xiàn)附近略偏下的位置，說(shuō)明大部分的ASCAT風(fēng)速略高于實(shí)測(cè)風(fēng)速。從不同海區(qū)的6個(gè)測(cè)站風(fēng)速和ASCAT風(fēng)速對(duì)比情況（圖略）可以看出，6個(gè)測(cè)站與ASCAT的風(fēng)速對(duì)比圖與圖2a的分布類(lèi)似，風(fēng)速頻次等值線(xiàn)均位于對(duì)角線(xiàn)附近，頻次大值區(qū)均位于對(duì)角線(xiàn)附近略偏下的位置。圖2b為ASCAT風(fēng)向與觀(guān)測(cè)站風(fēng)向?qū)Ρ惹闆r，對(duì)比分析資料的樣本數(shù)有2746個(gè)，圖中等值線(xiàn)代表ASCAT風(fēng)向與觀(guān)測(cè)站對(duì)應(yīng)風(fēng)向出現(xiàn)的頻次，對(duì)角線(xiàn)代表ASCAT風(fēng)向與觀(guān)測(cè)站風(fēng)向相同?？梢钥闯鲲L(fēng)向最大頻次中心大都分布在對(duì)角線(xiàn)上，說(shuō)明二者大部分風(fēng)向一致；ASCAT風(fēng)向?yàn)?50°附近也存在風(fēng)向高頻次中心，此時(shí)實(shí)測(cè)為東北風(fēng)，ASCAT反演風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)，二者相差60°左右。其余風(fēng)向頻次等值線(xiàn)分布較分散，說(shuō)明在某些樣本中ASCAT與觀(guān)測(cè)站風(fēng)向還存在一定誤差。從不同海區(qū)的6個(gè)測(cè)站風(fēng)向和ASCAT風(fēng)向?qū)Ρ惹闆r（圖略）可以看出，除了小龍山島以外，其他測(cè)站與ASCAT風(fēng)向等值線(xiàn)均位于對(duì)角線(xiàn)附近，說(shuō)明大部分測(cè)站風(fēng)向與ASCAT風(fēng)向較一致；小龍山島測(cè)站的風(fēng)向多集中在120°和240°附近，與ASCAT風(fēng)向的一致性較差。

圖2 ASCAT風(fēng)速、風(fēng)向與觀(guān)測(cè)站風(fēng)速對(duì)比圖（等值線(xiàn)代表二者風(fēng)速出現(xiàn)的頻次）

表2 ASCAT洋面風(fēng)資料和海洋測(cè)站風(fēng)資料的對(duì)比

從不同測(cè)站風(fēng)資料和ASCAT洋面風(fēng)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)表2），除了位于渤海海峽的小龍山島測(cè)站風(fēng)速略大于A(yíng)SCAT風(fēng)速，其余測(cè)站風(fēng)速均小于A(yíng)SCAT風(fēng)速；6個(gè)測(cè)站中外長(zhǎng)山島和大黑山島的風(fēng)速平均絕對(duì)偏差較小，均小于2 m/s，曹妃甸浮標(biāo)的風(fēng)速絕對(duì)偏差最大，為3.04 m/s；6個(gè)測(cè)站與ASCAT風(fēng)速相關(guān)系數(shù)均在0.5以上（包括0.5），其中有4個(gè)測(cè)站相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7以上，說(shuō)明二者相關(guān)性較好，對(duì)天氣系統(tǒng)的相應(yīng)具有一致性。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，ASCAT與觀(guān)測(cè)站風(fēng)速總體誤差為0.99 m/s，ASCAT風(fēng)速普遍略高于測(cè)站風(fēng)速，風(fēng)速平均絕對(duì)偏差和風(fēng)速均方根誤差分別為2.3 m/s和2.9 m/s，二者平均絕對(duì)偏差優(yōu)于張?jiān)龊５冉y(tǒng)計(jì)的ASCAT洋面風(fēng)與中國(guó)近岸海域浮標(biāo)的誤差4.9 m/s，說(shuō)明在北方海域ASCAT風(fēng)速可信度較高。

對(duì)于風(fēng)向來(lái)說(shuō)，6個(gè)測(cè)站中誤差較小的為曹妃甸浮標(biāo)，平均絕對(duì)偏差為30.14°，平均偏差為0.79°；小龍山島的風(fēng)向誤差最大，風(fēng)向均方根誤差和平均絕對(duì)偏差分布為94.4°和82.21°，這可能與小龍山島的地理位置有關(guān)，小龍山島位于遼東半島的南端，受地形影響其實(shí)際風(fēng)向以西南風(fēng)和東南風(fēng)為主，與測(cè)站相比較的ASCAT風(fēng)向是通過(guò)將周?chē)顸c(diǎn)風(fēng)向插值到測(cè)站所在經(jīng)緯度得到的，因而考慮了半島周?chē)渌L(fēng)向的影響，導(dǎo)致二者風(fēng)向誤差較大。6個(gè)測(cè)站與ASCAT風(fēng)向總體樣本偏差為-12.97°，ASCAT風(fēng)向較測(cè)站風(fēng)向角度略偏小，風(fēng)向平均絕對(duì)偏差和風(fēng)向均方根誤差分別為47.44°和63.91°。

由于A(yíng)SCAT反演洋面風(fēng)與測(cè)站實(shí)測(cè)風(fēng)的探測(cè)地點(diǎn)不可能完全吻合，時(shí)間上也存在偏差，所以?xún)煞N資料不可能完全匹配，二者之間存在偏差，同時(shí)二者之間也存在誤差；因此造成上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果偏差的原因，即包含對(duì)比數(shù)據(jù)的時(shí)間偏差、空間偏差，也包含誤差。總體來(lái)看，ASCAT風(fēng)資料與測(cè)站風(fēng)資料相比，二者風(fēng)速差別很?。ㄆ骄顬?.99 m/s，平均絕對(duì)偏差為2.3 m/s），風(fēng)向略有偏差（平均偏差為-12.97°，平均絕對(duì)偏差為47.44°），說(shuō)明利用ASCAT風(fēng)速代表洋面風(fēng)速是可行的。

3.2.2 分風(fēng)級(jí)檢驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證ASCAT洋面風(fēng)資料在不同風(fēng)速時(shí)的質(zhì)量，將風(fēng)速按風(fēng)力等級(jí)分為4段，分布代表較弱風(fēng)速、中等風(fēng)速、較強(qiáng)風(fēng)速和強(qiáng)風(fēng)速。統(tǒng)計(jì)表明（見(jiàn)表3），風(fēng)力為4—5級(jí)時(shí)，二者風(fēng)速平均偏差和平均絕對(duì)偏差最小，分別為0.1 m/s和2.16 m/s；風(fēng)力在8級(jí)以上時(shí)，二者誤差最大；8級(jí)以上的14個(gè)樣本中ASCAT風(fēng)速均小于測(cè)站風(fēng)速，平均偏小5.89 m/s，此誤差產(chǎn)生的原因可能有兩個(gè)方面，一是8級(jí)以上大風(fēng)出現(xiàn)的瞬時(shí)性相對(duì)較強(qiáng)，衛(wèi)星掃描時(shí)間與測(cè)站實(shí)際觀(guān)測(cè)時(shí)間不完全相同導(dǎo)致二者出現(xiàn)風(fēng)速偏差，二是8級(jí)以上大風(fēng)出現(xiàn)的局地性相對(duì)較強(qiáng)，ASCAT通過(guò)插值處理后的風(fēng)速不能較好地體現(xiàn)這種局地性特征導(dǎo)致二者出現(xiàn)風(fēng)速偏差。風(fēng)力為0—3級(jí)和6—7級(jí)時(shí)，風(fēng)速絕對(duì)偏差分別為2.49 m/s和2.84 m/s，接近于衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)偏差（2 m/s）。同時(shí)可以看出，當(dāng)風(fēng)力為0—3級(jí)時(shí)，衛(wèi)星呈現(xiàn)高估現(xiàn)象；風(fēng)力為4—5級(jí)時(shí)衛(wèi)星與測(cè)站風(fēng)速量級(jí)近乎相同；風(fēng)力為6—7級(jí)時(shí)衛(wèi)星開(kāi)始呈現(xiàn)低估現(xiàn)象，風(fēng)力為8級(jí)以上時(shí)衛(wèi)星低估現(xiàn)象加劇。

從上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，對(duì)于北方海域，風(fēng)力在0—7級(jí)（0—17.1 m/s）時(shí)，利用ASCAT風(fēng)速代表洋面風(fēng)速是可行的，風(fēng)力超過(guò)8級(jí)時(shí)ASCAT的可信度較低。

3.2.3 分風(fēng)向檢驗(yàn)結(jié)果

由于風(fēng)向受地形影響比較大，本文對(duì)不同風(fēng)向時(shí)ASCAT反演風(fēng)場(chǎng)的質(zhì)量再進(jìn)行檢驗(yàn)，這里將風(fēng)向分為8個(gè)風(fēng)方位。通過(guò)對(duì)5個(gè)海洋測(cè)站不同風(fēng)向時(shí)ASCAT反演風(fēng)向和海洋測(cè)站觀(guān)測(cè)風(fēng)向進(jìn)行對(duì)比分析（由于小龍山島站的地理位置很特殊，風(fēng)向的局地性特強(qiáng)，這里不將此站用作風(fēng)向的檢驗(yàn)分析），可以看出（見(jiàn)表4），8個(gè)風(fēng)方位的風(fēng)向平均偏差均為負(fù)數(shù)，說(shuō)明對(duì)于8個(gè)風(fēng)方位來(lái)說(shuō)ASCAT反演風(fēng)向都比觀(guān)測(cè)風(fēng)向偏左；8個(gè)風(fēng)方位的風(fēng)向平均絕對(duì)偏差差異不大，除東北風(fēng)的風(fēng)向平均絕對(duì)偏差為46°，其余7個(gè)風(fēng)方位的風(fēng)向平均絕對(duì)偏差均控制在45°以?xún)?nèi)。說(shuō)明ASCAT反演風(fēng)向的誤差基本控制在一個(gè)風(fēng)方位以?xún)?nèi)，可用性較強(qiáng)。

表3 ASCAT風(fēng)速和海洋測(cè)站風(fēng)速的分級(jí)對(duì)比分析

表4 ASCAT風(fēng)向和海洋測(cè)站風(fēng)向不同風(fēng)方位對(duì)比分析

4 結(jié)論

（1）通過(guò)ASCAT洋面風(fēng)資料與測(cè)站風(fēng)資料對(duì)比分析表明，二者風(fēng)速、風(fēng)向接近相等的幾率最大。整體來(lái)說(shuō)，ASCAT洋面風(fēng)資料在北方海域具有可信性；

（2）ASCAT風(fēng)資料與測(cè)站風(fēng)資料相比，二者風(fēng)速差別很?。ㄆ骄顬?.99 m/s，平均絕對(duì)偏差為2.3 m/s），ASCAT風(fēng)速普遍略高于測(cè)站風(fēng)速，風(fēng)向略有偏差（平均偏差為-12.97°，平均絕對(duì)偏差為47.44°），說(shuō)明利用ASCAT風(fēng)速代表洋面風(fēng)速是可行的；

（3）分風(fēng)級(jí)統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)風(fēng)力為4—5級(jí)時(shí)，ASCAT與測(cè)站風(fēng)速誤差最?。划?dāng)風(fēng)力為0—3級(jí)和6—7級(jí)時(shí)二者風(fēng)速平均絕對(duì)偏差分別為2.49 m/s和2.84 m/s；8級(jí)以上時(shí)二者誤差最大；說(shuō)明對(duì)于北方海域，風(fēng)力在0—7級(jí)（0—17.1 m/s）時(shí)，利用ASCAT風(fēng)速代表洋面風(fēng)速是可行的，風(fēng)力超過(guò)8級(jí)時(shí)ASCAT的可信度較低；

（4）分風(fēng)向檢驗(yàn)表明，八個(gè)風(fēng)方位的風(fēng)向平均偏差均為負(fù)數(shù)，說(shuō)明ASCAT反演風(fēng)向都比觀(guān)測(cè)風(fēng)向偏左，通過(guò)八個(gè)風(fēng)方位的風(fēng)向平均絕對(duì)偏差可以看出ASCAT反演風(fēng)向的誤差基本控制在一個(gè)風(fēng)方位以?xún)?nèi)，可用性較強(qiáng)。

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Validation of ASCAT sea surface wind products in the Northern China Sea

YANG Xiao-jun1,ZHANG Zeng-hai2
（1.Tianjin Marine Meteorological Centre,Tianjin 300074 China;2.National Meteorological Centre,Beijing 100081 China）

The observatory data from 6 northern China Sea ocean stations are used to validate ASCAT sea surface wind(10 m)products from March 2009 to June 2013.Results show that the differences in wind direction and speed between ASCAT and observatory data are small.The average deviation of wind speed is 0.99 m/s,and the average deviation of wind direction is only-12.97°,with ASCAT wind speed slightly higher than that of observatory data.The results indicate that ASCAT sea surface wind products in northern China Sea are credible. Classification statistics shows that:in northern China Sea,when wind speed scale is in the range of 0—7(0—17.1 m/s),ASCAT sea surface wind speed products can be used to represent the real wind，with the minimum deviation of 0.10 m/s when wind speed scale is 4—5(5.5—10.7 m/s).Credibility of ASCAT products is lower when wind speed scale is above 8.

marine meteorology;ASCAT sea surface wind;validation;Northern China Sea

P732

：A

：1003-0239（2014）05-0008-05

10.11737/j.issn.1003-0239.2014.05.002

2013-11-25

中國(guó)氣象局2014年小型基建項(xiàng)目

楊曉君（1982-），女，工程師，主要從事海洋氣象方面的工作。E-mail：boluo0127@yeah.net