基于ASCAT散射計數據的2013年南極周邊海面風速特征分析

張 婷, 張 杰, 楊俊鋼

(國家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島266061)

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km2, 海岸線長約24 700 km。隨著南極科學考察的日益頻繁, 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、薛正夫[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文獻。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, 夏半年 6.9 m/s, 冬半年大于夏半年;大風日也是冬半年(月平均為14 d) , 大于夏半年(月平均為8 d)。魏文良[3]總結了我國極地考察航線海洋氣象研究成果, 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、微波輻射計和 SAR。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]。作者已采用2012年ASCAT散射計數據統計分析了南極周邊海域風速特征[6], 本文在前期研究的基礎上, 采用了2013年1月1日～2013年12月31日的ASCAT散射計數據, 開展了 55°S以南的南極周邊海洋海面風速特征統計分析研究。重點分析了南極周邊海面風速的季平均分布特征、海面風速月平均特征以及海面風速大于10 m/s發生的比例, 并與2012年的特征作了比較。

1 ASCAT數據及其處理

1.1 ASCAT數據

ASCAT全稱 The Advanced SCATterometer, 是歐洲太空局于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 5.25GHz(C波段,受降雨影響相對較小)。數據處理過程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 km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的風速偏差小于0.5 m/s,均方根誤差小于2 m/s, 風向均方根誤差小于20°[7]。此外, 受工作原理限制, ASACT在離岸小于50 km和海冰覆蓋海域不能獲得風場測量數據。本文研究采用了 2013年 55°S以南南極周邊海域海面風場ASCAT散射計原始數據, 分辨率網格為 0.25°×0.25°, 時間分辨率為 1 d。南極周邊海域 1 d的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 1 d的ASCAT數據覆蓋圖Fig.1 The sketch map of the sea surface wind field remote sensing investigation area in the South Pole peripheral sea and the daily data coverage map of the ASCAT wind data in the South Pole peripheral sea

1.2 ASCAT散射計數據處理

ASCAT散射計數據處理方法已在前文中介紹[6],圖2是數據處理方法的流程圖。

2 結果分析

2.1 海面風速季平均分布特征分析

由研究區域逐日海面風速網格數據計算得到海面風速四季的平均數據, 具體計算公式如下。

其中,Uij為(i,j)網格點上的風速季節平均值,為某季節的第n天(i,j)網格點處的風速,N為該季節的時間(單位為d)。

圖2 ASCAT散射計數據處理流程圖Fig.2 ASCAT scatterometer data processing flowchart

基于所得數據繪制海面風速季平均風速圖, 如圖3, 其中空白區域表示海冰覆蓋區域。

從圖3可以看出, 1～3月在60°S以南, 靠近南極大陸的高緯度海域風速較小, 約為 8.5 m/s, 55°～60°S 海域風速較高, 約為 11 m/s; 4～6 月在 55°S 以南, 在 0°～60°W 海域內風速較小, 約為 10 m/s, 其他海域風速較高, 約為11.5 m/s; 7～9月在55°S以南,在 0°～60°W 和 120°E附近海域內風速較小, 約為10 m/s, 其他海域風速較高, 約為 11.5 m/s; 10～12月在 55°S以南, 在 0°～60°W 海域內風速較小, 約為9.5 m/s, 其他海域風速較高, 約為10.5 m/s。從圖3可以看出南極周邊海域在4～6月和7～9月風速普遍較大, 且從全年來看0°～60°W海域內風速明顯比其他海域要小。

2.2 海面風速月平均特征分析

將海面風速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速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4是2013年每日的區域平均風速數據分布圖,可以看出, 2013年全年的最高風速值在13.5 m/s左右,出現在7月; 最低風速值在7 m/s左右, 出現在1月和12月。

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

圖4 2013年每日區域平均風速數據分布圖Fig.4 The daily mean regional wind velocity in 2013

圖5是南極周邊海域月平均風速分布圖, 可以看出, 2013年南極周邊海域風速1月份最小, 約為8 m/s, 從1月份開始逐漸增大, 到7月份達到最大值約12 m/s后開始逐漸減小, 一直到12月, 全年有9個月的區域平均風速大于10 m/s。這與2012年南極周邊海域月平均風速相比, 月變化趨勢及平均風速的最大最小值基本一致。

圖6為南極周邊海域全年風速分布圖直方圖,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, 全年出現的時間大于280 d, 約占全年的77%, 這與2012年的趨勢基本一致。

圖5 2012～2013年月平均風速數據區域平均后分布圖Fig.5 The monthly mean regional wind velocity in 2012-2013

圖6 2012～2013年全年風速分布圖直方圖Fig.6 The wind velocity distribution histogram in 2012-2013

2.3 海面風速大于10 m/s發生比例統計

基于全部逐日海面風速網格化數據, 統計不同季節每個網格點海面風速大于10 m/s的發生頻次。具體計算公式如下。

其中,為某季節內(i,j)網格點上風速大于10 m/s出現的天數,是該段時間內(i,j)網格點具有有效風速數據的天數。

從圖7不同季節海面風速大于10 m/s所占比例分布可以看出, 1～3月在55°S以南區域, 所占比例小于0.6, 65°S以南區域, 所占比例小于0.3; 4～6月在0°～60°W范圍中所占比例小于 0.5, 其他區域中所占比例在0.7左右, 即南極周邊海域0°～60°W區域海面風速小于其他周邊區域; 7～9月在55°S以南區域, 在0°～60°W 海域, 所占比例約為 0.5, 其他海域所占比例大于 0.6, 在 65°S以南區域所占比例較大; 10～12月在55°S以南區域, 所占比例小于0.6, 60°S以南區域, 所占比例小于 0.3。從上述分析可以看出, 南極周邊海域海面風速在 60°W 附近相對較小, 大于10m/s發生頻率較低, 4～9月在65°S以南區域風速較大, 1～3月和10～12月則相反, 在65°S以南區域風速較小。

圖7 2013年南極周邊海域海面風速大于10 m/s所占比例分布圖Fig.7 The percentage distribution of the South Pole peripheral sea with wind velocity ＞10 m/s in in 2013

3 結語

利用 2013年 1月 1日～2013年 12月 31日的ASCAT散射計風場數據, 從海面風速季平均分布特征、平均海面風速特征、海面風速大于10 m/s發生比例統計等方面, 對 55°S以南的南極周邊海域開展了風速空間分布特性統計, 得到以下結論: 7月平均風速最大, 為12 m/s, 1月平均風速最小, 為8 m/s。對于南極周邊海域, 區域平均風速主要在 9～12 m/s,全年出現的天數大于280 d, 約占全年的77%。風速大于10 m/s所占比例4～9月大于1～3月和10～12月。從全年來看, 南極周邊海域在 4～9月風速普遍較大,且 0°～60°W 海域內風速明顯比其他海域要小, 可能的原因是: 該區域的威德爾海全年海冰覆蓋時間較長, 海冰的存在使得該區域風速變小, 且有效風場觀測天數變少, 進而大風發生比例就小。在此基礎上將2013年每日的區域平均風速與月平均風速與2012年做了對比, 變化趨勢與2012年基本一致。通過本項長期工作, 可以了解南極風場環境基本情況, 建立與更新基礎資料和圖件, 得到南極地區風場要素時空分布、變化規律, 服務于南極科學考察、全球變化等多學科研究應用。

致謝:感謝KNMI的OSI SAF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[C]//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.南極長城站氣壓和風場分析[J].極地研究, 2000, 12(2): 129-136.

[3]魏文良.中國極地考察航線海洋氣象研究[M].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[J].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[J].熱帶氣象學報, 2003, 19(z1):107-117.

[6]張婷, 張杰, 楊俊鋼.基于 ASCAT散射計數據的2012年南極周邊海面風場特征分析[J].極地研究,2014, 26(4): 83-88.

[7]Ocean and Sea Ice SAF.ASCAT Wind Product User Manual [M].Holland: Ocean and Sea Ice SAF, 2012: 1-27.