田光輝，劉少軍，李偉光，張國峰，蔡大鑫

（1.海南省氣象科學(xué)研究所，海南?？?570203；2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南?？?570203）

海面風(fēng)場是開展海洋科學(xué)、氣象科學(xué)研究的重要的基本資料，也是研究海氣相互作用，海氣熱量、動量交換的重要參數(shù)［1-4］。衛(wèi)星遙感技術(shù)在海面風(fēng)場觀測優(yōu)勢明顯，在一定程度上解決傳統(tǒng)船舶、海面浮標(biāo)、海島基站觀測成本高、時空分布不均等問題，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候和高時空分辨率觀測，可獲取大面積同步、長時間序列的海面風(fēng)場觀測資料。歐空局（European Space Agency，ESA）在2006和2012年陸續(xù)發(fā)射了兩顆（MetOp-A、MetOp-B）搭載ASCAT散射計的衛(wèi)星，工作頻率為C波段（5.255 GHz），軌道掃描刈幅寬度為1 100 km，每天可以覆蓋全球海洋表面的80%以上，產(chǎn)品最高空間分辨率為12.5 km。

MetOp衛(wèi)星海面風(fēng)場是通過獲取后向散射系數(shù)來探測海洋表面的粗糙度，再根據(jù)海洋表面粗糙度反演海洋表面的風(fēng)速和風(fēng)向。由于天氣狀況、海陸風(fēng)、海面風(fēng)反演模型本身的局限性等因素影響，衛(wèi)星反演風(fēng)速資料的精度和局地適用性需要地面觀測資料的驗(yàn)證。國內(nèi)外已有研究人員使用浮標(biāo)、船舶、海島站數(shù)據(jù)對ASCAT風(fēng)場產(chǎn)品做過檢驗(yàn)和比對分析?；始液商m氣象研究協(xié)會（KNMI）［5］利用 ASCAT資料反演發(fā)布全球的海面風(fēng)場產(chǎn)品，并使用全球的浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)對該產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量評價，其中12.5 km產(chǎn)品風(fēng)速平均偏差和均方根誤差為-0.33和1.06，風(fēng)向平均偏差和均方根誤差分別為-0.50和17.28；沈春等［6］使用Dropsonde資料與ASCAT反演風(fēng)場資料對比分析，兩者風(fēng)速平均絕對偏差和均方根誤差為1.55和1.73，風(fēng)向平均絕對偏差和均方根誤差為3.43和4.15；張增海等［7］對我國近海的ASCAT反演風(fēng)場資料進(jìn)行檢驗(yàn)，近海中相對離岸較近的海域風(fēng)速平均絕對偏差和均方根誤差為1.4和1.2，風(fēng)向絕對偏差和均方根誤差為26和39。以上研究表明，ASCAT反演風(fēng)場產(chǎn)品具備較好的精度，但在不同海域、不同的時間范圍，使用不同的資料檢驗(yàn)結(jié)果會有所差別［8-10］。南海地理位置特珠，地形復(fù)雜，整個南海幾乎被大陸、半島和島嶼所包圍，國內(nèi)外學(xué)者在南海范圍內(nèi)對ASCAT反演風(fēng)場評價較少，本研究利用南海海域內(nèi)的浮標(biāo)站、海島站與ASCAT反演風(fēng)場對比分析，檢驗(yàn)其在南海的可信度，評價該產(chǎn)品在南海的適用性。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 ASCAT風(fēng)場數(shù)據(jù)

本研究使用的ASCAT風(fēng)場反演數(shù)據(jù)來源于美國 RSS（Remote Sensing Systems）采用 C-2013GMF算法模型生產(chǎn)的ASCAT風(fēng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)集［11］。產(chǎn)品的時間序列為2007年3月至2016年6月，數(shù)據(jù)空間分辨率為25 km。該數(shù)據(jù)集包括日、月、周產(chǎn)品，為了便于與地面觀測資料對比分析，本研究僅使用日產(chǎn)品數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)是網(wǎng)格化的二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件，被網(wǎng)格化為0.25°緯度/經(jīng)度單元（25 km），單個文件擁有1 440個經(jīng)向單元和720個緯向單元。數(shù)據(jù)文件內(nèi)容包含過境時間（協(xié)調(diào)世界時）、海面溫度、海面風(fēng)速風(fēng)向（10 m高度）、水汽含量、液態(tài)水水含量、降雨率等信息。

1.2 浮標(biāo)站數(shù)據(jù)

深海浮標(biāo)站是衛(wèi)星遙感反演海面風(fēng)場的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)資料，本研究使用的是海南省氣象局投放在南海的距離海島較遠(yuǎn)的2個氣象海洋觀測浮標(biāo)，風(fēng)要素觀測離海平面高度分別為10和6 m。由于衛(wèi)星反演的風(fēng)場為海面10 m高度風(fēng)場，為了保證兩類數(shù)據(jù)的可比性，本研究通過常用算法將6 m高浮標(biāo)風(fēng)速轉(zhuǎn)換為10 m高的風(fēng)速［12-13］。該資料時間分辨率為10 min。浮標(biāo)站數(shù)據(jù)為2007—2016年的小時級風(fēng)速風(fēng)向部分觀測資料。

1.3 海島氣象站數(shù)據(jù)

海島站地面觀測資料并不能直接用來驗(yàn)證或檢驗(yàn)衛(wèi)星反演洋面風(fēng)場，對比分析海島站資料和ASCAT反演風(fēng)場目的是在浮標(biāo)站精度檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立兩類風(fēng)場資料的區(qū)別與聯(lián)系，服務(wù)于南海監(jiān)測預(yù)報業(yè)務(wù)。本研究海島站風(fēng)場資料測站范圍覆蓋海南島周邊、西沙、南沙海域，地面自動氣象站測風(fēng)數(shù)據(jù)為2007—2016年的小時級風(fēng)速風(fēng)向觀測資料。

1.4 誤差和對比分析方法

載荷ASCAT的MetOp衛(wèi)星屬于極地軌道衛(wèi)星，每天同一地點(diǎn)能夠獲取2次觀測資料。為對比分析衛(wèi)星資料和地面觀測資料的差異，需要對兩類數(shù)據(jù)做時空匹配。ASCAT風(fēng)場產(chǎn)品的空間分辨率為25 km，衛(wèi)星和地面觀測數(shù)據(jù)的空間匹配誤差小于25 km；浮標(biāo)自動站觀測資料時間分辨率為10 min，衛(wèi)星和地面觀測數(shù)據(jù)的時間匹配誤差小于5 min；海島站自動站觀測資料時間分辨率為1 h，衛(wèi)星和地面觀測數(shù)據(jù)的時間匹配誤差小于30 min。

便于各個區(qū)域和類別之間對比分析，誤差采用3種數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法，分別為其中，A為ASCAT衛(wèi)星觀測風(fēng)場數(shù)據(jù)；B為地面觀測的風(fēng)場數(shù)據(jù)；n為觀測樣本總數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 ASCAT反演風(fēng)場和氣象海洋浮標(biāo)風(fēng)場的比較

衛(wèi)星遙感風(fēng)場反演的精度檢驗(yàn)要使用與陸地有一定距離且海洋有一定深度的浮標(biāo)。B856海洋氣象浮標(biāo)距離海南文昌銅鼓角約50 km，周邊無島礁影響，與ASCAT反演風(fēng)場時間空間匹配樣本多，代表性較好。B132和B134海洋氣象浮標(biāo)距離海南島400 km，對于風(fēng)場對比檢驗(yàn)觀測環(huán)境較理想，但資料時間序列較短，匹配樣本相對較少。

ASCAT反演風(fēng)場和浮標(biāo)對比檢驗(yàn)指標(biāo)表明，反演風(fēng)場與浮標(biāo)所在洋面與浮標(biāo)洋面觀測數(shù)據(jù)匹配度較高（圖1），兩者風(fēng)速平均偏差在0.01～0.05 m/s之間，風(fēng)速平均絕對偏差在0.42～0.89 m/s之間，風(fēng)向平均偏差在3.5°～7.5°之間，風(fēng)向平均絕對偏差在13.50°～21.09°之間，兩者風(fēng)速風(fēng)向存在很好的相關(guān)性（表1）。值得注意的是當(dāng)風(fēng)速達(dá)到高風(fēng)速時，采用 C-2013GMF算法模型生產(chǎn)的ASCAT風(fēng)速會出現(xiàn)高估現(xiàn)象［14］，本研究數(shù)據(jù)分析顯示當(dāng)風(fēng)速＞20 m/s時ASCAT反演風(fēng)速出現(xiàn)高估現(xiàn)象，而對于＞30m/s更高的風(fēng)速數(shù)據(jù)還需收集更多資料進(jìn)一步檢驗(yàn)。

圖1 ASCAT和浮標(biāo)風(fēng)場散點(diǎn)圖

分析ASCAT反演風(fēng)場與浮標(biāo)站風(fēng)場各個月份的偏差表明，各月平均絕對誤差相差不大，6月略微偏大；而平均絕對偏差在6月份最小。平均絕對偏差在6月份稍大的原因，可能與季風(fēng)轉(zhuǎn)向有關(guān)，在風(fēng)向變化或不穩(wěn)定時，散射計反演誤差增大，這跟它的反演原理有較大關(guān)系。

表1 ASCAT風(fēng)場和浮標(biāo)站風(fēng)場資料的對比

2.2 ASCAT反演風(fēng)場和海島站風(fēng)場的比較

由于海島站資料的代表性和衛(wèi)星反演洋面風(fēng)的原理限制，海島站地面觀測資料并不能直接用來驗(yàn)證或檢驗(yàn)衛(wèi)星反演洋面風(fēng)場，但對比分析海島站資料和ASCAT反演風(fēng)場對于氣象監(jiān)測預(yù)報也有一定的參考價值。為更為精準(zhǔn)的分析兩類資料區(qū)別與聯(lián)系，本研究分為海南島周邊、西沙群島、南沙群島3個海域的海島氣象站風(fēng)要素觀測資料與ASCAT反演風(fēng)場分別對比分析。

1）ASCAT風(fēng)場和海南島周邊海島站風(fēng)觀測的比較。

本研究選擇了可以與ASCAT反演風(fēng)場空間匹配的洋浦原油碼頭、文昌七洲列島、萬寧白鞍島海島站與衛(wèi)星反演風(fēng)場對比，分析ASCAT反演風(fēng)場在海南島周邊海域適用性。

ASCAT反演風(fēng)場和海南島附近海島站風(fēng)的觀測數(shù)據(jù)對比分析表明，反演風(fēng)場與海島站地面觀測數(shù)據(jù)存在一定的相關(guān)性（表2），兩者風(fēng)速平均偏差為 0.402 m/s，風(fēng)速平均絕對偏差為1.973 m/s，風(fēng)向平均偏差為17.74°，風(fēng)向平均絕對偏差為51.047°，風(fēng)速相關(guān)系數(shù)在0.34～0.60之間，風(fēng)向相關(guān)系數(shù)在0.12～0.39之間。

表2 ASCAT風(fēng)場和海南島附近海島站風(fēng)場資料的對比

2）ASCAT風(fēng)場和西沙群島海島站風(fēng)場的比較。

對比分析ASCAT反演風(fēng)場和海南島附近海島站風(fēng)的觀測數(shù)據(jù)，兩者存在較好的相關(guān)性（表3）。兩者風(fēng)速平均偏差為-0.112 m/s，風(fēng)速平均絕對偏差為 0.788 m/s，風(fēng)向平均偏差為-1.616°，風(fēng)向平均絕對偏差為 20.994°；風(fēng)速相關(guān)系數(shù)在0.56～0.86，風(fēng)向相關(guān)系數(shù)在0.32～0.73。

表3 ASCAT風(fēng)場和西沙群島海島站風(fēng)場資料的對比

3）ASCAT風(fēng)場和南沙群島海島站風(fēng)場的比較。

對比分析ASCAT反演風(fēng)場和海南島附近海島站風(fēng)的觀測數(shù)據(jù)，大部分匹配點(diǎn)存在較好的相關(guān)性（表 4）。兩者風(fēng)速平均偏差為 -0.425 m/s，風(fēng)速平均絕對偏差為1.551 m/s，風(fēng)向平均偏差為52.12°；風(fēng)向平均絕對偏差為74.294°，風(fēng)速相關(guān)系數(shù)在0.06～0.78，風(fēng)向相關(guān)系數(shù)在0.37～0.71。

表4 ASCAT風(fēng)場和南沙群島海島站風(fēng)場資料的對比

綜合分析ASCAT反演風(fēng)場與海島站的觀測風(fēng)并不像浮標(biāo)站高度吻合，這是因?yàn)樯⑸溆嫹囱蒿L(fēng)通過獲得海面向后散射系數(shù)來模擬推算風(fēng)場的，散射系數(shù)與海面的粗糙度息息相關(guān)。依托南海島礁建設(shè)的海島站一般都有較大的隱藏在海面下的海島礁盤，這些區(qū)域大部分水深度不大，風(fēng)浪在此會受到礁盤的摩擦力作用，對海浪的能量傳播造成了較大的影響，會導(dǎo)致波高迅速增大［15］，因而導(dǎo)致海面的粗糙度劇增散射系數(shù)變大，造就了衛(wèi)星反演風(fēng)場明顯大于實(shí)際觀測風(fēng)速，同樣風(fēng)向反演也受到影響。部分海島站依海島地形順勢而建，由于周邊環(huán)境特別是地形的影響，觀測的風(fēng)并不具代表性，也是兩者數(shù)據(jù)差異的一個原因。另外，分析發(fā)現(xiàn)無論是海島站還是浮標(biāo)站和ASCAT風(fēng)場對比都存在不同程度的季節(jié)性特征，是因?yàn)椴煌竟?jié)或者季風(fēng)轉(zhuǎn)換時段，風(fēng)向變化大導(dǎo)致海面粗糙度處于紊亂狀態(tài)，也是導(dǎo)致反演風(fēng)場不真實(shí)存在偏差。

3 結(jié)論

1）使用深海浮標(biāo)站對ASCAT風(fēng)場進(jìn)行精度檢驗(yàn)顯示，ASCAT風(fēng)場在南海的反演精度較高，其中風(fēng)速平均絕對偏差為0.65 m/s，風(fēng)向平均絕對偏差為17.3°。相比全球的ASCAT風(fēng)場的精度評價，反演的南海風(fēng)場風(fēng)速優(yōu)于全球的平均值，風(fēng)向比全球的平均值稍差。

2）對比海島站與ASCAT風(fēng)場數(shù)據(jù)顯示，大部分海島站和ASCAT風(fēng)場數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，其中風(fēng)速相關(guān)系數(shù)在0.7左右，風(fēng)向相關(guān)系數(shù)在0.5左右。海島站與ASCAT風(fēng)場的偏差及相關(guān)性在各個區(qū)域有所異同，其中在西沙群島的海島站偏差較小相關(guān)性較好，海南島附近的海島站次之，在南沙群島的海島站偏差相對較大相關(guān)性稍差。