ASCAT洋面風資料在中國北方海域的真實性檢驗

楊曉君，張增海

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

ASCAT洋面風資料在中國北方海域的真實性檢驗

楊曉君1，張增海2

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

采用北方海域6個海洋觀測站風資料對2009年3月—2013年6月ASCAT衛星反演洋面風（10 m）資料進行了檢驗。ASCAT反演洋面風與測站風向、風速偏差均較小，二者風速平均偏差為0.99 m/s，ASCAT風速略高于測站風速，二者風向平均偏差為-12.97°，表明ASCAT洋面風資料在北方海域具有可信性；分風級統計表明，在北方海域，風力為0—7級（0—17.1 m/s）時，利用ASCAT風速代表洋面風速是可行的（其中風力為4—5級時，ASCAT與測站風速誤差最小，為0.10 m/s），當風力達到8級以上時ASCAT的可信度較低。

海洋氣象；ASCAT洋面風；檢驗；北方海域

1 引言

洋面風是海洋環流的主要驅動力，調制著海洋-大氣之間的耦合作用，影響著海洋和大氣的各種現象，監測洋面風場對于理解海洋-大氣之間的相互作用以及開展海洋、大氣領域的相關研究至關重要。傳統的洋面風觀測多來自浮標、船舶、石油平臺站、島嶼站等常規觀測系統，然而這些觀測站多離海岸線較近，其覆蓋范圍和空間分辨率均難以滿足研究和應用的需要。隨著衛星遙感技術的發展，星載微波散射計作為目前可以同時探測洋面10 m風向和風速的唯一衛星傳感器系統，以其全天候、全天時、高覆蓋度和高時空分辨率的觀測能力進入人們的視野，近年來散射計洋面風資料的應用被廣泛重視[1-5]。

ASCAT（Advanced SCATterometer）作為歐洲遙感衛星散射計的后繼者，是歐空局研制的新型散射計，它吸取了美國NSCAT、QuikSCAT和歐洲ERS等散射計衛星的經驗，它的主要性能優于上述散射計衛星。ASCAT按頻段分屬于C波段散射計，C波段具有較長的波長，與Ku波段散射計相比受云雨等因素的影響較小，更適合業務應用。ASCAT資料在國外得到了很好的研究和應用，成為數值預報模式中海上重要的初始場同化資料之一，在短期海風警報、海面氣象特征分析中更是起到十分重要的作用。目前ASCAT在我國的應用還很少[6-9]，如果能用好ASCAT反演洋面風場產品，可以解決海洋氣象研究中缺少海洋觀測資料的重大難題，對海洋氣象業務的發展有重大意義。但是ASCAT資料的準確性還不確定，因此開展ASCAT反演洋面風資料在我國北方海域的真實性檢驗很有必要。

本文通過將北方海域6個海洋自動氣象站觀測資料與ASCAT洋面風資料進行對比分析，檢驗ASCAT洋面風資料在北方海域的可信度，并進一步分析討論了不同風力等級下ASCAT反演風場的真實性和可信度問題。

2 ASCAT工作原理及資料簡介

2.1 ASCAT衛星反演風場簡介

ASCAT微波散射計屬于主動、非成像雷達系統，利用不同風速下海面粗糙度對雷達后向散射系數的不同相應以及多角度觀測間接地反演海表10 m風場信息。目前，歐洲衛星氣象組織（EUMETSAT）發布的ASCAT業務風場產品有3種：25 km分辨率的海洋風場，12.5 km分辨率的海洋風場，12.5 km分辨率的近岸風場產品。12.5 km的風場產品每一行掃描線由41個12.5 km大小的風矢量單元組成，軌道的寬度為512.5 km。本文選取的資料為12.5 km分辨率的海洋風場產品。

2.2 實況測站資料

實況測站資料選取北方海域6個海洋氣象觀測站（見表1）逐小時風向、風速資料，資料時間長度為2009年3月—2013年6月。為了分析ASCAT資料在北方海域各海區的性能，渤海、渤海海峽和黃海北部每個海區各取兩個檢驗站點（見圖1）。除渤海A平臺站以外，其余自動氣象站資料均有不同程度的缺測現象，因而樣本較渤海A平臺站少一些。

3 ASCAT洋面風資料的檢驗

3.1 檢驗方法

采用反距離權重插值法將ASCAT矢量風插值到海洋觀測站上，與海洋站實測風進行比較，檢驗ASCAT洋面風資料在中國北方海域的可信度。檢驗步驟如下：

式中，A為ASCAT衛星遙感反演風場的風速或風向值，B為觀測站觀測的風速或風向值，n為相應的樣本量，Zp為p點的風速或風向值，Zi為第i個點的風速或風向，di為待插點與其鄰域內第i個點之間的距離，k為次冪，這里取k=2。

圖1 觀測站點分布

表1 海洋觀測站點信息表

3.2 ASCAT洋面風資料在中國北方海域的真實性檢驗

3.2.1 總體檢驗結果

圖2a給出了ASCAT風速與觀測站風速對比情況，對比分析資料的樣本數有2746個，圖中等值線代表ASCAT風速與觀測站對應風速出現的頻次，對角線代表ASCAT風速與觀測站風速相等。從圖中可以看出風速頻次等值線均位于對角線附近，風速最大頻次中心達到70次以上，頻次大值區位于對角線附近略偏下的位置，說明大部分的ASCAT風速略高于實測風速。從不同海區的6個測站風速和ASCAT風速對比情況（圖略）可以看出，6個測站與ASCAT的風速對比圖與圖2a的分布類似，風速頻次等值線均位于對角線附近，頻次大值區均位于對角線附近略偏下的位置。圖2b為ASCAT風向與觀測站風向對比情況，對比分析資料的樣本數有2746個，圖中等值線代表ASCAT風向與觀測站對應風向出現的頻次，對角線代表ASCAT風向與觀測站風向相同。可以看出風向最大頻次中心大都分布在對角線上，說明二者大部分風向一致；ASCAT風向為350°附近也存在風向高頻次中心，此時實測為東北風，ASCAT反演風向為偏北風，二者相差60°左右。其余風向頻次等值線分布較分散，說明在某些樣本中ASCAT與觀測站風向還存在一定誤差。從不同海區的6個測站風向和ASCAT風向對比情況（圖略）可以看出，除了小龍山島以外，其他測站與ASCAT風向等值線均位于對角線附近，說明大部分測站風向與ASCAT風向較一致；小龍山島測站的風向多集中在120°和240°附近，與ASCAT風向的一致性較差。

圖2 ASCAT風速、風向與觀測站風速對比圖（等值線代表二者風速出現的頻次）

表2 ASCAT洋面風資料和海洋測站風資料的對比

從不同測站風資料和ASCAT洋面風資料進行統計特征分析發現（見表2），除了位于渤海海峽的小龍山島測站風速略大于ASCAT風速，其余測站風速均小于ASCAT風速；6個測站中外長山島和大黑山島的風速平均絕對偏差較小，均小于2 m/s，曹妃甸浮標的風速絕對偏差最大，為3.04 m/s；6個測站與ASCAT風速相關系數均在0.5以上（包括0.5），其中有4個測站相關系數達到0.7以上，說明二者相關性較好，對天氣系統的相應具有一致性。統計結果顯示，ASCAT與觀測站風速總體誤差為0.99 m/s，ASCAT風速普遍略高于測站風速，風速平均絕對偏差和風速均方根誤差分別為2.3 m/s和2.9 m/s，二者平均絕對偏差優于張增海等統計的ASCAT洋面風與中國近岸海域浮標的誤差4.9 m/s，說明在北方海域ASCAT風速可信度較高。

對于風向來說，6個測站中誤差較小的為曹妃甸浮標，平均絕對偏差為30.14°，平均偏差為0.79°；小龍山島的風向誤差最大，風向均方根誤差和平均絕對偏差分布為94.4°和82.21°，這可能與小龍山島的地理位置有關，小龍山島位于遼東半島的南端，受地形影響其實際風向以西南風和東南風為主，與測站相比較的ASCAT風向是通過將周圍格點風向插值到測站所在經緯度得到的，因而考慮了半島周圍其他風向的影響，導致二者風向誤差較大。6個測站與ASCAT風向總體樣本偏差為-12.97°，ASCAT風向較測站風向角度略偏小，風向平均絕對偏差和風向均方根誤差分別為47.44°和63.91°。

由于ASCAT反演洋面風與測站實測風的探測地點不可能完全吻合，時間上也存在偏差，所以兩種資料不可能完全匹配，二者之間存在偏差，同時二者之間也存在誤差；因此造成上述統計結果偏差的原因，即包含對比數據的時間偏差、空間偏差，也包含誤差。總體來看，ASCAT風資料與測站風資料相比，二者風速差別很小（平均偏差為0.99 m/s，平均絕對偏差為2.3 m/s），風向略有偏差（平均偏差為-12.97°，平均絕對偏差為47.44°），說明利用ASCAT風速代表洋面風速是可行的。

3.2.2 分風級檢驗結果

為驗證ASCAT洋面風資料在不同風速時的質量，將風速按風力等級分為4段，分布代表較弱風速、中等風速、較強風速和強風速。統計表明（見表3），風力為4—5級時，二者風速平均偏差和平均絕對偏差最小，分別為0.1 m/s和2.16 m/s；風力在8級以上時，二者誤差最大；8級以上的14個樣本中ASCAT風速均小于測站風速，平均偏小5.89 m/s，此誤差產生的原因可能有兩個方面，一是8級以上大風出現的瞬時性相對較強，衛星掃描時間與測站實際觀測時間不完全相同導致二者出現風速偏差，二是8級以上大風出現的局地性相對較強，ASCAT通過插值處理后的風速不能較好地體現這種局地性特征導致二者出現風速偏差。風力為0—3級和6—7級時，風速絕對偏差分別為2.49 m/s和2.84 m/s，接近于衛星原始數據偏差（2 m/s）。同時可以看出，當風力為0—3級時，衛星呈現高估現象；風力為4—5級時衛星與測站風速量級近乎相同；風力為6—7級時衛星開始呈現低估現象，風力為8級以上時衛星低估現象加劇。

從上述統計結果看，對于北方海域，風力在0—7級（0—17.1 m/s）時，利用ASCAT風速代表洋面風速是可行的，風力超過8級時ASCAT的可信度較低。

3.2.3 分風向檢驗結果

由于風向受地形影響比較大，本文對不同風向時ASCAT反演風場的質量再進行檢驗，這里將風向分為8個風方位。通過對5個海洋測站不同風向時ASCAT反演風向和海洋測站觀測風向進行對比分析（由于小龍山島站的地理位置很特殊，風向的局地性特強，這里不將此站用作風向的檢驗分析），可以看出（見表4），8個風方位的風向平均偏差均為負數，說明對于8個風方位來說ASCAT反演風向都比觀測風向偏左；8個風方位的風向平均絕對偏差差異不大，除東北風的風向平均絕對偏差為46°，其余7個風方位的風向平均絕對偏差均控制在45°以內。說明ASCAT反演風向的誤差基本控制在一個風方位以內，可用性較強。

表3 ASCAT風速和海洋測站風速的分級對比分析

表4 ASCAT風向和海洋測站風向不同風方位對比分析

4 結論

（1）通過ASCAT洋面風資料與測站風資料對比分析表明，二者風速、風向接近相等的幾率最大。整體來說，ASCAT洋面風資料在北方海域具有可信性；

（2）ASCAT風資料與測站風資料相比，二者風速差別很小（平均偏差為0.99 m/s，平均絕對偏差為2.3 m/s），ASCAT風速普遍略高于測站風速，風向略有偏差（平均偏差為-12.97°，平均絕對偏差為47.44°），說明利用ASCAT風速代表洋面風速是可行的；

（3）分風級統計表明，當風力為4—5級時，ASCAT與測站風速誤差最小；當風力為0—3級和6—7級時二者風速平均絕對偏差分別為2.49 m/s和2.84 m/s；8級以上時二者誤差最大；說明對于北方海域，風力在0—7級（0—17.1 m/s）時，利用ASCAT風速代表洋面風速是可行的，風力超過8級時ASCAT的可信度較低；

（4）分風向檢驗表明，八個風方位的風向平均偏差均為負數，說明ASCAT反演風向都比觀測風向偏左，通過八個風方位的風向平均絕對偏差可以看出ASCAT反演風向的誤差基本控制在一個風方位以內，可用性較強。

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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

中國氣象局2014年小型基建項目

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