基于GMI輻射計資料分析南海風速分布特征

林沖 馮經漢 韓靜

（1.海南省氣象科學研究所 海南省海口市 570203 2.海口市氣象局 海南省海口市 570203）

（3.海南省南海氣象防災減災重點實驗室 海南省海口市 570203）

1 引言

海面風場是海洋動力學的基本參數，是海洋和大氣動量交換、熱量交換的重要承載體，直接影響大洋表層物理量的變化。傳統海洋風場主要是靠臺站、浮標、船舶等傳統方式進行常規觀測，由于觀測頻次和探測范圍無法實現對廣闊海域的大范圍、連續觀測，因而利用這些傳統觀測資料繪畫模擬整個海面的風場具有一定的難度[1-4]。

近年來，空間遙感技術的發展，使得高時空分辨率、覆蓋全球、連續觀測的衛星遙感資料的應用成為可能，而這些遙感資料的大量應用，有利于推動海洋氣象事業的發展。衛星遙感監測方法的逐步成熟，為海面風的監測和研究提供了新的資料來源。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[5-7]。在這些傳感器中微波散射計可以測風速、風向，高度計和輻射計可以測風速要素，但在南海研究海風現狀中前兩者研究較多，在微波輻射計這塊研究較少，正因為如此本文將利用輻射計資料研究，彌補南海多種資料分析海面風的缺失。

目前，國內外主要進行了散射計反演風場資料與浮標和船舶觀測資料、島嶼站資料、海洋站資料等的檢驗。研究結果表明散射計矢量風風速在南海區域具有可信性。劉春霞[8]等主要分析了QuikSCAT 散射計矢量風資料的統計特征，得出QuikSCAT 矢量風在南海具有可信性，且南海主要盛行兩種風，即冬季東北風和夏季西南風，東北風最大中心在巴士海峽、臺灣海峽。

利用GMI 輻射計資料和最新的觀測數據定量分析誤差，而這些誤差特征也是GMI 風場數據同化、融合所必須的。本文重點分析了GMI 輻射計風資料在南海海域的可信性和統計特征，并在此基礎上利用輻射計月平均風場資料分析南海月平均風場特征。

綜上所述，學者針對南海近海面風場做了較為系統的研究。但以往的研究時間跨度較短，數據資料空間分辨率較低，且僅風速標量值為統計對象，對于風場經緯向分量長期趨勢研究相對較少。同時GMI 衛星遙感輻射計覆蓋具有一定的局限性。因此，基于GMI輻射計資料分析南海月平均風速分布特征，詳細對比GMI 輻射計資料與西沙永興島和珊瑚島站實測數據的差異，并探討了相關性擬合關系。

2 資料說明

2.1 輻射計資料

采用EARTH MICROWAVE DATA CENTER( http://www.remss.com/) 中GMI輻射計資料，該輻射計搭載全球降水測量（GPM）衛星，該資料自2014年3月開始投入使用，因此為考慮時間序列的分析性，取南海區域2015-2019 近五年的數據資料分析。

圖1：南海地形圖

圖2：2015-2019年GMI 與永興島月平均風速分布

圖3：2015-2019年GMI 與 珊 瑚島月平均風速分布

圖4：GMI 與永興、珊瑚島實測平均風速線性關系

GMI 是雙極化，多通道，錐形掃描，無緣微波輻射計，具有頻繁的重訪時間。GMI 儀器的設計具有嚴格的校準精度要求，其精度要高于任何以前的微波衛星傳感器，從而使該儀器可以用作微波輻射標準。其遙感數據為1440 列和720 行地圖的第一個單元格的中心位于經度0.125 E 和緯度-89.875。第二個像元的中心是0.375 E經度，-89.875 緯度。數據值介于0 到255 之間。

表1：GMI 輻射與永興島實測月平均風速（m/s）統計值

表2：GMI 輻射與珊瑚島實測月平均風速（m/s）統計值

圖5：2015-2019年南海季節平均風速分布特征

（注：本文所提及南海是指經緯度為110-123°E ，0-25°N 區域）

2.2 臺站觀測數據

利用永興島和珊瑚島臺站2015年1月1日-2019年12月31日風速觀測數據作為真實值，對GMP 搭載的輻射計資料進行輻射計風場產品進行檢驗和分析。

3 處理方法

MATLAB 編程處理GMP 衛星輻射計資料，取2015年1月1日-2019年12月31日遙感數據，由于遙感衛星資料的分辨率限制，有必要進行插值處理，并且進行誤差分析：

最鄰近插值鄰插值即指在待插值經緯度處的風速插入映射到的與其最接近的經緯度的風速值。

為了定量的分析GMI 輻射計資料的真實性，對臺站觀測數據和海島數據與GMI 輻射計觀測數據進行樣本統計，定義xi為GMI觀測值，yi為臺站數據，N 為樣本總數，則

4 數據驗證

由于臺站數據一個月內內記錄了多少個風速值，故需要對每一個月內的時間與GMI 輻射計時間進行匹配，得到最接近輻射計的臺站數據。在空間上，取與臺站數據相同經緯的GMI 輻射計網格點進行比對，由于衛星遙感為網格點數據需要數值算法上進行插值處理。

4.1 風速對比分析

根據統計分析結果（表1、圖2）顯示，GMI 定點插值數據與永興島實測的月份平均風速數據對比可知，GMI 輻射計月平均風速為5.7m/s，永興島實測月平均風速為3.4m/s，總體衛星數據比島站月平均風速偏大2.3m/s。相關系數除了3月份0.1 為弱相關外，1月份0.4 和10月份0.4 為中等強度相關，其他月份均大于0.7，相關性極好。

根據統計分析結果（表2、圖3）顯示，GMI 定點插值數據與珊瑚島實測的月份平均風速數據對比可知，GMI 輻射計月平均風速為6.0m/s，珊瑚島實測月平均風速為3.7m/s，總體衛星數據比島站月平均風速偏大2.2m/s。相關系數除了1月份0.6、6月份0.6 和9月份0.4，為中等程度相關外，其他月份均大于0.8，為強相關。

綜上所訴，總體上GMI 輻射計平均風速比島嶼站平均風速偏大，平均高于島嶼站2m/s 左右，且全年逐月平均風速相關系數來看較大程度相關。其偏大的原因可能跟島嶼站地形、城鎮化影響因素有關，另外GMI 資料的反演算法與實測風速機制的影響因子等，有待進一步的深入研究其影響原理。

4.2 相關性分析

根據圖4 結果顯示，GMI 輻射計風與永興島和珊瑚島分別成y1=0.288x+1.7657 和y2=0.4696x+0.9475 關 系，其 中 永 興 島R2為0.283 相關程度較差，珊瑚島R2為0.7933 相關程度較好。

永興島較差，可能跟近年來城鎮化影響風速，以及島嶼站同海面風速存在一定差異有關，而珊瑚島相比而言城鎮化影響較小，總體而言其相關性可反映出GMI 輻射計風速數據得到了好的擬合。

5 平均風場分析

南海雖然地處熱帶，但仍受季風的影響，因此海面風速的變化會表現出一定的季變化特征，故在此就風速的季平均分布和變化特征進行分析討論，以翼得出其分布和變化特征。

南海地處熱帶地區，熱帶海洋性季風非常明顯，由于GMI 輻射計資料只能提供風速資料，因此本文利用GMI 輻射計月平均資料分析南海海面風場的月平均特征。如圖5 所示。

春季（3-5月）風速場分布復雜，經向和緯向梯度均較大，在東北部有一風速最大值區，其趨勢自東北向西南減弱，且由北往南風速逐漸減小，約在15°N 線以北較大，在海南島西南部即東方市西邊海域附近、臺灣海峽和巴士海峽存在較高風速區，最大風速為7.6m/s，而東部和南部近岸有幾處風速極小值，除此中部區域風速較小，但分布比較均勻。風速出現這一分布應與亞洲大陸的冷高壓（東北季風）和副熱帶高壓（包括南海高壓）等多種尺度的天氣過程有關。

夏季（6-8月）風速的分布與春季明顯不同，風速場分布比春季均勻得多。但從總趨勢看，表現為西強東弱。在110°E，10°N附近海區形成風速較大值區，最大風速為8.0m/s。而風速增大的海區正與副熱帶高壓的夏季活動頻繁區相對應，可見副熱帶高壓的活動是影響南海夏季風速分布的主要原因。

秋季（9-11月）風速呈現出較為均勻得分布，但就整體而言，北部較大，南部較小，成東北-西南方向遞減趨勢。在臺灣海峽和巴士海峽風速較大，最大風速為9.8m/s，在東南部和西南近岸海區也有兩處風速分布較為均勻得7m/s 以上的較大面積的區域。秋季即是臺風等氣旋作用最強烈的時期，也是夏季風和冬季風轉換的時期，因此風速的這種分布變化與多種因素有關。

冬季（12-2月）風速分布仍表現為北部大，南部小，并且大部分海區的風速值均是全年中的最大值。在東北海區風速最大，而在臺灣海峽和巴士海峽風速為全年最大，且最大風速為12.5m/s，相比秋季風速分布的進一步加強，總體呈東北至西南走向，為啞鈴狀分布，與東南部陸岸線大致平行。冬季風速的分布主要是東北季風的強烈作用，南海高壓對其也有一定的貢獻。

通過上訴分析，發現在南海東北部從秋季開始平均風以東北風為主，從秋季到冬季逐漸增強，12月月平均風速達到最大并可持續到翌年3月，且一直存在東北風中心，到4月份此東北風中心消失，夏季5月份開始在越南東南部出現極大值中心在110°E，10°N 附近海區形成風速較大值區，即至直到9月份逐漸減弱，才重新開始出現東北風，11月份此處的東北風大風中心開始明顯。由此看來，南海北部的大風中心主要體現了冬季風的影響，同時由于海峽的狹管效應致使巴士海峽和臺灣海峽的風速值較大。亞洲高壓不斷減弱，副熱帶高壓不斷增強的趨勢，風速也逐漸由強勁的東北風為主轉變為較弱的東北信風為主，可見，南海風速的分布正是這些因素相互作用的結果。

齊義泉等利用GEOSAT 衛星高度計給出了南海四季風速分布特征，提出春季（2～4月）、秋季（8～10月）存在兩個風速區即南海東北部海區自東北向西南方向逐漸減小的舌狀高值區和110°E，11°N 附近的次大風速區。對照我們的各月風場的分析發現2月和10月明顯具有此特征，較好印證符合了齊義泉等觀點。

6 結果討論

本文以近五年（2015-2019年）GPM 衛星攜帶的GMI 輻射計資料為依據，給出了南海海區風速季平均時空分布，并對比分析了GMI 輻射計風速與永興島、珊瑚島月平均風速的分布特征及相關系數，初步得出以下結論：

（1）春季南海表面平均風速從南到北逐漸增加；夏季在越南沿岸部分海域仍有一個風速極大值中心，從該海域向四周逐漸減小；秋季由南北依次增加；冬季南海整片海域風速都較大，越南沿岸和我國東沙群島海域（臺灣海峽和巴士海峽）存在兩個極大值中心。

（2）南海海面風速春、夏、秋季相差較小，冬季平均風速最大，比其他季節大1m/s 以上。南海北部的大風中心主要體現了冬季風的影響，同時由于海峽的狹管效應致使巴士海峽和臺灣海峽的風速值較大。

（3）GMI 輻射計平均風速比島嶼站平均風速偏大，平均高于島嶼站2m/s 左右，且全年逐月平均風速相關系數來看較大程度相關。GMI 輻射風與珊瑚島站實測風的相關性比永興島好，數據基本一致。

通過以上輻射計和臺站資料的基礎上，出現海面風和海島臺站之間風速的差異，有可能是輻射計風速對于島嶼風速的反演算法需要進一步優化改進，提高精度，同時也有可能是熱力方面原因，具體機制原理有待后續的深入分析。