汪 棟，張 杰，范陳清，孟俊敏

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兩種ASCAT散射計風產(chǎn)品的比較及評估

汪 棟1，2，張 杰2，范陳清2，孟俊敏2

（1. 哈爾濱工業(yè)大學 電子與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱 150006； 2. 國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061）

摘要：基于浮標和步進頻率微波輻射計（SFMR，Stepped-Frequency Microwave Radiometer）數(shù)據(jù)對NASA JPL（Jet Propulsion Laboratory ）和RSS（Remote Sensing Systems）公司分別發(fā)布的已廣泛應用于全球海面風場觀測的ASCAT（Advanced SCATterometer）散射計風產(chǎn)品進行了比較和分析。結(jié)果表明，兩者風速在中低風速（＜15 m/s）時基本一致； 高風速（＞15 m/s）時RSS風速整體高于JPL風速。通過浮標數(shù)據(jù)對比，風速＜15 m/s時兩者風速精度一致； 風速＞15 m/s時兩者風速RMS相當，但JPL和RSS風速分別低估和高估。利用SFMR數(shù)據(jù)檢驗表明RSS風速與SFMR風速一致性更好。兩者風向精度在低風速（＜5 m/s）時較低，但隨風速增加而提高并趨于穩(wěn)定。該研究結(jié)果對相關(guān)科研人員的ASCAT散射計風產(chǎn)品選擇具有重要的指導意義。

關(guān)鍵詞：ASCAT散射計； 浮標； 步進頻率微波輻射計； 評估

海面風場的監(jiān)測對于理解海洋-大氣之間的相互作用以及開展海洋、大氣領(lǐng)域的相關(guān)研究至關(guān)重要［1］。船舶、浮標等常規(guī)觀測海面風場資料匱乏，且時空分布不均，難以滿足各方面的需求。星載散射計為海面風場觀測提供了一種具有獨特優(yōu)勢的衛(wèi)星遙感手段。

星載散射計向地球表面發(fā)射微波脈沖并測量后向散射功率，利用雷達后向散射系數(shù)對不同風速下海面粗糙度的不同響應以及多角度觀測間接地反演海面風場信息［1］。歐空局（ESA，European Space Agency）于2006 和2012年分別發(fā)射了MetOp-A和MetOp-B衛(wèi)星，它們搭載的ASCAT散射計代表了當前歐洲散射計的最高水準。其中，MetOp-A星ASCAT散射計自2007年5月起業(yè)務化運行至今。該散射計工作于 C波段（5.255 GHz），雙刈幅，每個刈幅寬約 500 km，星下點間隙約700 km，入射角變化范圍為25°～65°［2］。

美國航空航天局噴氣推進實驗室物理海洋學數(shù)據(jù)分發(fā)存檔中心（NASA JPL PO.DAAC）［3］發(fā)布了利用皇家荷蘭氣象研究協(xié)會（KNMI）ASCAT風場數(shù)據(jù)處理器（AWDP）生產(chǎn)得到的ASCAT（Advanced SCATterometer）散射計風產(chǎn)品。Soisuvarn等［4］利用GDAS（Global Data Assimilation System）模型風場和QuikSCAT散射計風場與 ASCAT風場進行比較，結(jié)果顯示中低風速時 ASCAT風速與 GDAS風速和QuikSCAT風速一致性好，但在風速＞15 m/s時ASCAT低估。Bentamy A等［5］將ASCAT風與QuikSCAT風進行匹配比較，顯示了相似的結(jié)果。 Verspeek等［6］同樣對ASCAT風進行了檢驗，與歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）風的比較顯示風速存在約1.3 m/s的均方根（RMS）誤差，風向誤差約16°； 與浮標風的比較則顯示了約1.8 m/s的RMS誤差。Soisuvarn等［7］通過ASCAT 與QuikSCAT和WindSat風的比較研究發(fā)現(xiàn)， 當風速超過20 m/s時ASCAT觀測風速對高風速敏感性明顯降低，而ASCAT后向散射系數(shù)則仍對高風速存在敏感性，顯示了ASCAT風產(chǎn)品的改進潛力，并基于 2002和2003颶風季期間的高分辨率機載散射計高風速數(shù)據(jù)研發(fā)了 CMOD5.H模型函數(shù)，改進了高風速條件下的 ASCAT風速反演。RSS（Remote Sensing Systems）公司是美國一家專業(yè)從事地球衛(wèi)星微波遙感工作的公司，其專注于算法發(fā)展，儀器校準，海洋產(chǎn)品發(fā)展以及產(chǎn)品檢驗，重處理并發(fā)布了

［Foundation： National High-tech R&D Program （863 Program），No. SS2013AA091206，No. SQ2011GX06D05972； Civil Aerospace Technologies Advance Research Project，No. 2014090-090］

1 研究數(shù)據(jù)

1.1 ASCAT散射計風產(chǎn)品數(shù)據(jù)

本研究比較了分別由JPL和RSS發(fā)布的12.5 km網(wǎng)格分辨率的ASCAT散射計風產(chǎn)品，選取了2010年全年的數(shù)據(jù)。用于比較的風產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行了質(zhì)量控制，其中，JPL風產(chǎn)品選取風矢量單元質(zhì)量標記（包括有效觀測數(shù)量標記、噪底超閾值標記、陸地標記、海冰標記、降雨標記、風速超過30 m/s標記、風速小于3 m/s標記）有效的數(shù)據(jù)［9］； RSS風產(chǎn)品則選取風矢量單元存在 3個或以上觀測數(shù)據(jù)且散射計沒有觀測到降雨的有效數(shù)據(jù)。

1.2 浮標數(shù)據(jù)

為評估兩個風產(chǎn)品的精度，本研究使用了NDBC（National Data Buoy Center）、PIRATA（Pilot Research Moored Array in the Tropical Atlantic）、RAMA（Research Moored Array for African-Asian-Australian Monsoon Analysis and Prediction）和TAO（Tropical Atmosphere Ocean）浮標數(shù)據(jù)，所使用的浮標位置如圖1所示。

圖1 浮標位置示意圖Fig. 1 Map of buoy locations

NDBC浮標主要分布于美國沿海地區(qū)、夏威夷周圍以及墨西哥灣和加勒比海，主要采用美國R.M YOUNG公司的風速計觀測風速，觀測范圍為0～62 m/s。本研究使用的數(shù)據(jù)為標準氣象數(shù)據(jù)，風速精度為1 m/s或10%（取大者），風向精度為10°。PIRATA、RAMA和TAO浮標陣列分別位于熱帶大西洋、印度洋海以及熱帶太平洋，采用R.M YOUNG 05103風速風向傳感器觀測風速，最大觀測風速為 60 m/s，在 1～20 m/s風速范圍內(nèi)風速精度為0.3 m/s或3%（取大者），風向精度為7.8°［10］。

1.3 SFMR數(shù)據(jù)

美國國家海洋和大氣管理局颶風研究部（NOAA HRD）從1980年開始利用安裝于NOAA/AOCWP-3D飛機上的SFMR估算颶風表面風速。SFMR是一個C波段星下點視向輻射計，以 6個獨立頻率（4.63，5.5，5.915，6.344，6.6和7.05 GHz）同時測量海面和大氣的輻射，然后反演得到10 m高近海面風速，最高風速可達70 m/s以上［11］。Uhlhorn等［12］利用GPS下投式探空儀的觀測風速對SFMR風速進行評估，得到偏差為2.3 m/s，在10～60 m/s風速范圍內(nèi)RMS為3.3 m/s。本研究利用2010年颶風季的SFMR數(shù)據(jù)檢驗颶風條件下ASCAT風產(chǎn)品高風速的精度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究使用的JPL和RSS風產(chǎn)品在相同觀測時間內(nèi)具有相同數(shù)量的風矢量單元，對應的風矢量單元位置偏差小于1 km，考慮12.5 km的網(wǎng)格分辨率，認為兩個風產(chǎn)品位置是一致的。

利用浮標數(shù)據(jù)評估風產(chǎn)品精度時采用時空匹配的方法，時間和空間窗口分別選擇30 min和25 km。各個浮標風速計安裝高度不完全一致，ASCAT散射計風產(chǎn)品提供10 m高風矢量數(shù)據(jù)，因此利用Hsu等［13］提出的方法把浮標風速轉(zhuǎn)換為 10 m高風速。利用SFMR數(shù)據(jù)評估產(chǎn)品高風速精度時同樣采用時空匹配的方法，但由于匹配數(shù)據(jù)較少，時間窗口擴展為 1 h，空間窗口仍選擇25 km。

2 結(jié)果與分析

2.1 JPL與RSS風產(chǎn)品數(shù)據(jù)的比較

本研究首先對JPL和RSS風產(chǎn)品2010年全年的數(shù)據(jù)進行了匹配比較，結(jié)果如圖2所示。圖2a顯示風產(chǎn)品的中低風速（＜15 m/s）一致性相對較好，當風速＞15 m/s時，RSS風速整體高于JPL風速，且兩者偏差具有隨風速增加而增大的趨勢。圖2b的風向結(jié)果表明兩個風產(chǎn)品的絕大部分風向基本一致，但存在部分風向偏差較大的數(shù)據(jù)。風向偏差接近 180°的數(shù)據(jù)由散射計風向模糊問題引起，其余較大風向偏差（接近90°）產(chǎn)生原因仍有待研究。表1中基于不同JPL風速區(qū)的風速統(tǒng)計結(jié)果顯示了圖2a中相同的風速變化趨勢，風向結(jié)果則表明低風速時風向差異較大，但隨著風速增加，風向差異減小并趨于穩(wěn)定。

圖2 JPL和RSS風產(chǎn)品比較結(jié)果Fig. 2 Comparisons between JPL and RSS wind products

JPL風速（m/s） 　　匹配點數(shù) 　　風速偏差（m/s） 　　風速RMS（m/s）0～5 　81100210 　-0.15 　0.38 5～10 　340458261 　0.07 　0.36 10～15 　138708690 　0.15 　0.40 15～20 　24686118 　1.36 　1.66 ＞20 　1255219 　4.18 　4.38全部 　586208498 　0.12 　0.54風向偏差（°） 　　風向RMS（°）0.63 　45.20 -0.21 　21.19 -0.31 　5.20 -0.35 　3.19 -0.34 　3.93 -0.12 　23.46

2.2 浮標數(shù)據(jù)對JPL和RSS風產(chǎn)品精度的評估

目前已有多位學者［4，6，14］對JPL風產(chǎn)品進行了評估，但暫未有較系統(tǒng)的 RSS風產(chǎn)品評估結(jié)果。利用NDBC、PIRATA、RAMA和TAO浮標數(shù)據(jù)定性檢驗的結(jié)果如圖3所示?？傮w上，JPL和RSS風矢量與浮標數(shù)據(jù)一致性較好，但存在浮標風速較低而散射計風速明顯偏大的現(xiàn)象，其中一個原因是部分匹配數(shù)據(jù)靠近海岸導致ASCAT散射計NRCS受到了污染。當浮標風速＞15 m/s時， RSS風速還存在略微過估的趨勢； 風向方面則存在部分近 180°偏差的數(shù)據(jù)，由散射計風場反演時出現(xiàn)的180°風向模糊所導致。

風速/風向殘差的直方分布均近似正態(tài)分布，分別擬合風速/風向殘差的正態(tài)分布均值μ和標準差σ，并將殘差絕對值大于2σ 的數(shù)據(jù)作為異常值，得到原始數(shù)據(jù)集（未做處理的匹配數(shù)據(jù)集）和有效數(shù)據(jù)集（剔除異常值后的匹配數(shù)據(jù)集）。分別對JPL和RSS風產(chǎn)品的兩個數(shù)據(jù)集進行風速分段統(tǒng)計，得到表2和表3所示結(jié)果。

風速結(jié)果顯示，低風速（0～5 m/s）時兩者風速均高估，剔除異常值后RMS由相對較大的2.22 m/s下降為1.24 m/s，表明部分異常值嚴重影響了風速精度；中等風速 （5～15 m/s）時，兩者風速偏差和RMS基本相同且較小，剔除異常值后RMS減小量值很小，表明該風速條件下 JPL和 RSS風速具有較高的精度；高風速條件（＞15 m/s）下出現(xiàn)了JPL風速低估，RSS風速高估的不同變化趨勢，RMS則相差不大。但圖3顯示的風速主要集中于15～20 m/s風速范圍（約占＞15 m/s風速范圍匹配數(shù)據(jù)的 91.7%），對于更高的風速數(shù)據(jù)還需進一步檢驗。

圖3 JPL和RSS風產(chǎn)品數(shù)據(jù)與浮標風數(shù)據(jù)的比較Fig. 3 Comparison between JPL and RSS wind products data and buoy wind data

風向結(jié)果顯示兩者風向總體上均沒有明顯的偏差，但部分異常值導致精度偏低，剔除異常值后風向RMS明顯減小。不同風速區(qū)的統(tǒng)計結(jié)果顯示了風向精度隨風速增大而提高并趨于穩(wěn)定的變化趨勢。

其中，風速＜5 m/s時，原始數(shù)據(jù)集中風向RMS均大于47°，剔除異常值后仍都接近 30°； 當風速為 5～15 m/s時，兩者風向 RMS明顯減小，隨著風速增加，風向精度進一步提高并趨于穩(wěn)定。

注： 部分浮標存在風速有效而風向無效的數(shù)據(jù)，因此JPL風產(chǎn)品風速與風向的匹配點數(shù)量不一致，表3同； 另外，JPL和RSS風產(chǎn)品的風速和風向有效數(shù)據(jù)集根據(jù)各自原始數(shù)據(jù)集分別統(tǒng)計得到，因此匹配點數(shù)量也不一致。

表3 RSS風產(chǎn)品數(shù)據(jù)與浮標風數(shù)據(jù)的比較統(tǒng)計結(jié)果Tab. 3 Comparison between RSS wind and buoy wind measurements

2.3 SFMR數(shù)據(jù)對JPL和RSS高風速精度的評估

本研究利用2010年颶風季SFMR數(shù)據(jù)進一步評估颶風條件下 JPL和 RSS高風速的精度，得到圖 4所示的風速散點比較結(jié)果。圖中顯示當風速＞15 m/s時，JPL風速即出現(xiàn)低估的趨勢，而RSS風速低估趨勢出現(xiàn)在約35 m/s。其中，圖中橢圓標示的3個數(shù)據(jù)點的風速偏差異常偏大，可能是由颶風特殊的風場結(jié)構(gòu)以及較長觀測時間差導致。

ASCAT關(guān)于SFMR的風速殘差隨兩者絕對觀測時差的變化分布情況（圖5）顯示異常數(shù)據(jù)的絕對觀測時差約為0.5 h或1 h。圖4a和4b中3個相應的風速明顯異常的匹配數(shù)據(jù)分別對應于圖 5a和 5b中橢圓標示的數(shù)據(jù)。進一步研究發(fā)現(xiàn)，異常數(shù)據(jù)點均位于ASCAT觀測風場的颶風風墻位置?？紤]一般颶風眼20～30 km/h的移動速度、颶風的風場結(jié)構(gòu)特征以及散射計數(shù)據(jù)12.5 km的網(wǎng)格分辨率，會出現(xiàn)散射計觀測颶風最大風速區(qū)而SFMR觀測風眼區(qū)的特殊情況，從而出現(xiàn)了上述異常數(shù)據(jù)。

以5 m/s和15 m/s風速為界分別對絕對觀測時差小于1 h和0.5 h的匹配數(shù)據(jù)（剔除上述3個異常數(shù)據(jù)）進行統(tǒng)計分析，得到表4和表5所示結(jié)果。結(jié)果顯示風速＜15 m/s時，JPL和RSS風速精度基本相同，與浮標檢驗結(jié)果趨勢一致但精度偏低（0～5 m/s時匹配數(shù)據(jù)較少，不予討論）； 風速＞15 m/s時SFMR檢驗結(jié)果與浮標檢驗結(jié)果存在明顯的差異，JPL風速明顯低估，且精度較低，而 RSS風速的精度雖然同樣低于浮標檢驗結(jié)果，但其與 SFMR風速具有較好的一致性。需要注意的是，匹配數(shù)據(jù)中包含了較多風速＞20 m/s的數(shù)據(jù)（絕對時差＜1 h時占＞15 m/s風速范圍匹配數(shù)據(jù)的80%，絕對時差＜0.5 h時占70%），而浮標統(tǒng)計時以15～20 m/s風速為主，因此SFMR和浮標檢驗結(jié)果的比較在本研究中只作為參考。

圖4 JPL和RSS風速數(shù)據(jù)與SFMR風速數(shù)據(jù)的比較Fig. 4 Comparison between JPL and RSS wind speed data and SFMR wind speed data

圖5 ASCAT關(guān)于SFMR的風速殘差隨兩者絕對時間差的分布Fig. 5 Distribution of wind speed residuals with respect to time difference between ASCAT and SFMR

表4 JPL風速與SFMR風速的比較統(tǒng)計結(jié)果Tab. 4 Comparison between JPL wind speed and SFMR wind speed

表5 RSS風速與SFMR風速的比較統(tǒng)計結(jié)果Tab. 5 Comparison between RSS wind speed and SFMR wind speed

3 結(jié)論與討論

本研究對JPL和RSS分別發(fā)布的兩個ASCAT散射計風產(chǎn)品2010年的12.5 km網(wǎng)格分辨率沿軌數(shù)據(jù)進行了系統(tǒng)比較，并利用NDBC、PIRATA、RAMA 和TAO浮標數(shù)據(jù)以及SFMR數(shù)據(jù)對兩個風產(chǎn)品進行了檢驗，得到以下結(jié)論。

1） 風速＜15 m/s時兩者風速基本一致； 風速＞15 m/s時，RSS風速整體高于JPL風速。通過浮標數(shù)據(jù)對比，兩者風速精度在風速＜15 m/s時幾乎相同； 當風速＞15 m/s時，兩者風速RMS相當，但JPL和RSS風速分別低估和高估。利用SFMR數(shù)據(jù)檢驗表明RSS風速與SFMR風速一致性更好。

2） JPL和RSS風向整體偏差不大，低風速（＜5 m/s）時風向精度低。隨著風速增加，風向精度提高并趨于穩(wěn)定。

3） SFMR數(shù)據(jù)檢驗ASCAT高風速時，考慮到颶風眼的移動以及特殊的颶風風場結(jié)構(gòu)，時空窗口不宜過大。

關(guān)于高風速尤其是＞20 m/s風速的檢驗，本研究只使用了2010年的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量相對不夠充分，后續(xù)將使用更多的颶風數(shù)據(jù)檢驗兩個風產(chǎn)品的高風速精度。

致謝： 感謝NASA JPL PO.DAAC和RSS提供ASCAT散射計L2級風產(chǎn)品數(shù)據(jù)； 感謝NOAA提供NDBC、PIRATA、RAMA以及TAO浮標數(shù)據(jù)； 感謝NOAA HRD提供SFMR數(shù)據(jù)。

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（本文編輯： 劉珊珊）

中圖分類號：P732.1

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3096（2016）04-0108-08

doi：10.11759/hykx20150508002

收稿日期：2015-05-08； 修回日期： 2015-06-29

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）（SS2013AA091206，SQ2011GX06D05972）； 民用航天技術(shù)預先研究項目（2014090-090）

作者簡介：汪棟（1988-），男，浙江紹興人，博士研究生，主要從事海洋遙感應用研究，電話： 18765959154，E-mail： wangdong88_12@163.comQuikSCAT散射計、AMSE2/AMSRE輻射計、SSMI/ SSMIS輻射計等遙感數(shù)據(jù)，且得到了廣泛的應用。RSS基于歐洲氣象衛(wèi)星應用組織（EUMETSAT） L1B σ0產(chǎn)品以及SSM/I和SSMIS風速研發(fā)了C-2013 GMF［8］，并用于生產(chǎn) ASCAT風產(chǎn)品，一定程度上改進了ASCAT高風速反演精度。本研究基于浮標和SFMR （Stepped-Frequency Microwave Radiometer）數(shù)據(jù)對JPL和 RSS發(fā)布的兩個風產(chǎn)品進行了比較分析，以評估兩個風產(chǎn)品的精度。

Comparison and evaluation between two versions of ASCAT scatterometer wind products

WANG Dong1，2，ZHANG Jie2，F(xiàn)AN Chen-qing2，MENG Jun-min2
（1. School of Electronics and Information Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150006，China；2. First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China）

Received： May 8，2015

Key words：Advanced SCATterometer （ASCAT）； buoy； Stepped-Frequency Microwave Radiometer （SFMR）； evaluation

Abstract：Advanced SCATterometer （ASCAT） wind product data has been widely used in the observation of global sea surface wind fields. In this study，two ASCAT wind products one released by the NASA Jet Propulsion Laboratory （JPL） and the other by Remote Sensing Systems （RSS） company are compared and analyzed on the basis of buoy data and Stepped-Frequency Microwave Radiometer （SFMR） data. A comparison between these two products shows good agreement at low to moderate wind speeds； however，there is an increase in the wind speed of RSS at speeds of higher than 15 m/s with increasing wind speeds，compared to the performance of JPL. A comparison of buoy data shows an almost identical accuracy for the two wind speed products when the wind speed is lower than 15 m/s. In addition，their RMS is consistent at higher wind speeds （＞15 m/s），although JPL and RSS wind speeds are underestimated and overestimated，respectively. A comparison using SFMR data shows a better agreement for wind speed with RSS than JPL. The accuracy of the two wind direction products is low at wind speeds under 5 m/s；however，it improves and tends to be stable with increasing wind speed. These results provide important guidance for the selection of suitable ASCAT scatterometer wind products in associated research.