基于ASCAT散射計數據的2012年南極周邊海面風場特征分析

張婷 張杰 楊俊鋼

（國家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061）

0 引言

南極位于地球最南端，是世界上地理緯度最高的一個洲，總面積約1 400萬平方公里，海岸線長約24 700 km，四周瀕臨海域由南太平洋、南大西洋和南印度洋各一部分，連同南極大陸周圍的威德爾海、羅斯海、阿蒙森海、別林斯高晉海等組成。由于這些水域在氣候方面的均一性，以及在溝通三大洋，使三大洋深層和底層保持含氧的低溫環境方面有重要作用，因此，通常把這些水域合為一個整體以便于研究。隨著南極科學考察活動的日益頻繁，研究南極周邊海洋風場特征對研究南極水文氣象及航線保障有重要意義。卞林根等［1］曾對長城站1985年的氣象要素特征進行過分析，是研究長城站氣象要素場特征的重要參考。黃耀榮等［2］利用南極長城站1985—1996年的風觀測資料對長城站的風場分冬、夏兩半年進行了分析，結果表明：長城站地區冬半年盛行ESE風，夏半年盛行WNW風。冬半年平均風速 7.9 m·s－1，夏半年 6.9 m·s－1，冬半年大于夏半年。大風日也是冬半年（月平均為14天），大于夏半年（月平均為8天）。魏文良等［3］總結了中國極地考察航線及海洋氣象研究成果，分析了極地災害性系統的天氣特點和天氣系統的演變、發展及其移動規律。卞林根等［4］利用南極長城站和中山站的降水、風、濕度、氣壓和云量等地面氣象觀測資料，對兩站基本氣候特征和變化趨勢進行了分析。

衛星遙感資料具有覆蓋范圍大、高時空分辨率、可連續觀測等優點，在觀測和研究中起著越來越重要的作用。目前可以觀測海面風的傳感器有微波散射計、微波高度計和微波輻射計。其中只有微波散射計可以在晝夜晴空和有云條件下給出海面風矢量風向和風速，其他兩種傳感器只能給出海面風速，因此，散射計矢量風資料的應用得到廣泛的重視［5］。本文選取的研究區域為55°S以南海域，采用2012年1月1日至2012年12月31日的ASCAT散射計數據，空間分辨率為25 km，開展南極周邊海洋海面風場特征統計分析研究。重點分析了南極周邊海面風場的季平均分布特征、海面風速月平均特征以及海面風速＞10 m·s－1發生的比例。

1 ASCAT數據

ASCAT全稱 The Advanced SCAT terometer，是歐空局于2006年10月19日發射的歐洲氣象衛星Metop-A上搭載的散射計，由歐洲氣象衛星組織運營。ASCAT衛星運行在98.59°傾角、800 km高度的太陽同步軌道上，工作頻率為5.25 GHz（C波段，受降雨影響相對較小）。其測風原理為發射微波經海面散射后獲取海面后向散射系數，再根據地球物理模型計算得到海面風場。ASCAT風場數據有12.5和25 km分辨率兩種產品，獲得海面上10 m等效風矢量，可覆蓋全球海洋。ASCAT的風速偏差＜0.5 m·s－1，均方根誤差 ＜2 m·s－1，風向均方根小于20°［6］。此外，受工作原理限制，ASACT在離岸＜50 km和海冰覆蓋海域不能獲得風場測量數據。本研究采用了2012年的ASCAT 25 km分辨率海面風場數據產品，南極周邊海域ASCAT數據覆蓋范圍如圖1中所示。

圖1 南極周邊海洋風場遙感調查區域示意圖及ASCAT數據覆蓋圖Fig.1.The sketch map of the sea surface wind field remote sensing investigates district in the South Pole peripheral sea，and the data coveragemap of the ASCATwind data in the South Pole peripheral sea

2 ASCAT散射計數據處理

由于ASCAT數據空間分布不均勻，為了便于分析風場的空間分布特征，需處理成空間網格數據，將空間上分散的數值轉換成規則分布的網格數值，彌補空白網格的數值。本文采用最優插值方法對ASCAT散射計數據進行網格化處理［7］，將空間分布不規則的數據處理為0.25°×0.25°的網格化海面風場數據。網格化方法具體介紹如下：

其中，Ag（Bg）是網格點 g的分析值（初猜值），Oi（Bi）是觀測點 i的觀測值（初猜值），Wi是觀測點i的權重，N是觀測點的個數。

假定無偏、無關情況下，最合適的權重定義為：

其中，μB（μO）是觀測點 i和 j的初猜值（觀測值）的誤差相關系數，λ是這兩個誤差標準偏差的比值，定義為：

其中，σB（σO）是初次初猜值（觀測值）誤差的標準偏差，假定為 1［8］。μB的定義為：

其中，rz（rm）是兩個任意觀測點i和j的緯向（經向）距離；Lz和Lm是緯向和經向上的特征尺度。在本文中，分別取為300和150 km，μΟ的值假定為1（0）對于相同（不同）觀測點間［9］。本文中海面風場初猜值采用NCEP／NCAR提供的NRA1的日平均風場數據。

3 海面風場特征分析

季平均分布特征分析由研究區域逐日海面風場網格數據計算得到海面風場春（7—9月）、夏（10—12月）、秋（1—3月）、冬（4—6月）四季的平均數據，具體計算公式如下。

其中，Uij、為（i，j）網格點上的風速風向季節平均值為某季節的第 n天（i，j）網格點處的風速風向，N為該季節的天數。

基于所得數據繪制海面風場季平均風向圖，如圖2，其中空白區域表示海冰覆蓋區域。

圖2 南極周邊海面風場季平均風向圖Fig.2.The seasonalmean wind direction in the South Pole peripheral sea

從圖2中可以看出，春季在 55°S以南，在120°W和60°E附近海域盛行北風，其他海域風向無明顯規律；夏季在55°S以南，在0°W附近海域、120°W附近海域和120°E附近海域盛行北風，在180°W和60°E附近海域盛行南風，其他海域風向無明顯規律；秋季在55°S以南，0°W—60°W海域內盛行西北風，60°W—120°W海域內盛行東北風，120°W—180°W海域內盛行東風，0°E—60°E海域內盛行西風，南極大陸近海區域盛行西北風，60°E—120°E海域內盛行西南風，120°E—180°E海域內盛行南風；冬季在55°S以南，風向無明顯規律。

圖3為南極周邊海面風場季平均風速圖，從圖中可以看出，春季在55°S以南，在0°W—60°W海域內風速較小，其他海域風速較高；夏季在55°S以南，靠近南極大陸的高緯度海域風速較高；秋季在55°S以南，0°W—60°W海域內風速較小，靠近南極大陸的高緯度海域風速較小；冬季在55°S以南，0°W—60°W海域內風速較小，其他海域風速較高。從圖3可以看出南極周邊海域在冬季（4—6月）和春季（7—9月）風速普遍較大，且從全年來看0°W—60°W海域內風速明顯比其他海域要小。

4 平均海面風速特征分析

將海面風場月平均數據根據空間網格點數進行研究區域空間平均，得到代表該月份整個研究區域內海面風場的區域平均海面風速數據，具體計算公式如下。

其中，uij為區域內（i，j）網格點上的風速。

圖3 南極周邊海面風場季平均風速圖Fig.3.The seasonalmean wind velocity in the South Pole peripheral sea

圖4 2012年月平均風速數據區域平均后分布圖Fig.4.The regional averaged wind velocity after monthly mean in 2012

從圖4可以看出，南極周邊海域風速從1月份開始逐漸增大，7月份達到最大值后開始逐漸減小，全年有8個月的區域平均風速＞10m·s－1，只有12月區域平均風速＜8 m·s－1。因此，南極周邊海域的海面風速變化特征為從1月份開始逐漸增大，到7月份左右達到最大值后開始減小，一直到12月。

圖5 2012年全年風速分布圖直方圖Fig.5.The wind velocity distribution histogram in 2012

從圖5可以看出，對于南極周邊海域，區域平均風速主要在9—12 m·s－1之間，全年出現的天數＞280天，約占全年的77%。

5 海面風速＞10 m·s－1發生的比例統計

基于全部逐日海面風場網格化數據，統計每個網格點海面風速＞10 m·s－1的情形在該季的發生比例。具體計算公式如下。

從圖6不同季節海面風速＞10 m·s－1所占比例分布可以看出，在春季55°S以南區域，在60°W附近海域，所占比例約為0.5，其他海域所占比例＞0.6；在夏季 55°S以南區域，所占比例 ＜0.5，60°S以南區域，所占比例＜0.3；在秋季55°S以南區域，所占比例 ＜0.6，65°S以南區域，所占比例 ＜0.3；在冬季，30°W—60°W范圍中所占比例 ＜0.5，其他區域中所占比例＞0.7，即南極周邊海域30°W—60°W區域海面風速小于其他周邊區域。從上述分析可以看出，南極周邊海域海面風速在65°S以南區域風速較小，＞10 m·s－1發生頻率較低，在 60°W附近南極周邊海域海面風速相對較小。

圖6 南極周邊海域2012年海面風場中，風速＞10 m·s－1所占比例分布圖Fig.6.The wind velocity＞10 m·s－1 percentage distributionin the South Pole peripheral sea in 2012

6 結語

利用2012年1月1日至2012年12月31日的ASCAT散射計風場數據，從海面風場季平均分布特征、平均海面風速特征、海面風速＞10 m·s－1發生比例統計等方面，對55°S以南海域開展了風場空間分布特性統計，得到以下結論：7月平均風速最大，為12 m·s－1，12月平均風速最小，為 8 m·s－1，冬季大于夏季。對于南極周邊海域，區域平均風速主要在9—12 m·s－1之間，全年出現的天數＞280天，約占全年的77%。風速＞10 m·s－1所占比例也是冬季大于夏季。從全年來看，南極周邊海域在冬季（4—6月）和春季（7—9月）風速普遍較大，且0°W—60°W海域內風速明顯比其他海域要小。此外，由于本文使用的是2012年的數據，得到的結論為2012年南極周圍海域風場分布特征，不能代表南極周圍海域海面風場的時空分布多年統計結果，利用多年數據分析南極周圍海域風場分布特征也是接下來的工作之一。

致謝 感謝KNMI的OSISAF提供ASCAT散射計數據。

1 卞林根，薛正夫.1985年長城站氣象要素的特征／／國家南極考察委員會.南極科學考察論文集，第四集.北京：海洋出版社.1989：55—65.

2 黃耀榮，許淙，尹濤，等.南極長城站氣壓場和風場分析.極地研究，2000，12（2）：129—136.

3 魏文良，等.中國極地考察航線海洋氣象研究.北京：海洋出版社，2008：1—234.

4 卞林根，馬永鋒，逯昌貴，等.南極長城站（1985—2008）和中山站（1989—2008）風和降水等要素的氣候特征.極地研究，2010，22（4）：321—333.

5 劉春霞，何溪澄.QuikSCAT散射計矢量風統計特征及南海大風遙感分析.熱帶氣象學報，2003，19（z1）：107—117.

6 Ocean and Sea Ice SAF.ASCATWind Product User Manual.2012，Version 1.12：1—27.

7 Kako S，Isobe A，Kubota M.High-resolution ASCATwind vector data setgridded by applying anoptimum interpolationmethod to the global ocean.Journal of Geophysical Research：Atmospheres，2011，116（D23）：doi：10.1029／2010JD015484.

8 Kako S，Kubota M.Relationship between an El Ni?o eventand the interannual variability of significant wave heights in the NorthPacific.Atmosphere-Ocean，2006，44（4）：377—395.

9 Kuragano T，Shibata A.Sea surface dynamics height of the Pacific Ocean derived from TOPEX／POSEIDON altimeter data：calculationmethod and accuracy.Journal of Oceanography，1997，53：585—599.