中法海洋衛(wèi)星散射計近海岸海面風場反演研究

林文明，郎姝燕，趙曉康，劉建強，李秀仲

( 1. 南京信息工程大學 海洋科學學院，江蘇 南京 210044；2. 國家衛(wèi)星海洋應用中心，北京 100081；3. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州），廣東 廣州 511458)

1 引言

星載微波散射計是目前獲取全球海面風場最主要的傳感器。自1978年SEASAT-A衛(wèi)星上第一個業(yè)務化散射計即海洋衛(wèi)星散射計（SASS）運行以來[1]，美國、歐洲、印度和中國先后發(fā)射了多個業(yè)務化運行的微波散射計，這些散射計的風場數(shù)據(jù)在海洋氣象災害監(jiān)測、數(shù)值天氣預報模式以及海氣相互作用科學研究中得到廣泛且深入的應用[2–5]。然而，過去和當前所有衛(wèi)星散射計業(yè)務化海面風場的典型分辨率為25～50 km，無法滿足近海岸區(qū)域、中小尺度海面動力過程等一些較高分辨率應用的需求。

美國、歐洲等散射計科研團隊從21世紀初陸續(xù)開展星載微波散射計近海岸海面風場反演研究，旨在通過改進風場反演處理算法、提高雷達空間分辨率等方法，實現(xiàn)空間分辨率優(yōu)于12.5 km的海面風場產品研制。Long等[6]為Ku波段筆形波束掃描散射計（SeaWinds）開發(fā)了基于圖像重構技術的高分辨率風場，風場離岸最近距離可達10 km以內。由于重構后高分辨單元后向散射系數(shù)的測量誤差大，反演風場的風速偏差和風向誤差明顯大于25 km分辨率的風場，而且風場質量依賴于風單元所處的刈幅位置，從而限制了其應用價值。Fore等[7]首先計算Ku波段散射計每個雷達分辨單元的陸地污染率（LCR），然后剔除陸地污染率過大（LCR > 0.01）的后向散射測量，進而反演12.5 km網格分辨率的海面風場。Fore等[7]指出，基于LCR對海陸邊界的雷達后向散射測量進行校正處理，可進一步提高散射計在近海岸區(qū)域的數(shù)據(jù)獲取率。Verhoef等[8]通過減小后向散射測量的平均窗口尺寸，開發(fā)了空間分辨率為12.5 km的C波段固定扇形波束散射計（即ASCAT）近海岸海面風場產品。近年來，Vogelzang和Stoffelen[9]又基于LCR開發(fā)了5～6 km網格分辨率的ASCAT風場產品。然而ASCAT原始后向散射測量的分辨率約為10 km×25 km，改進算法研制的高分辨風場的真實分辨率約為17 km，風場離岸最近距離約為20 km。

目前，我國在軌運行的衛(wèi)星散射計有海洋二號（HY-2）A/B星搭載的Ku波段筆形波束掃描散射計和中法海洋衛(wèi)星搭載的Ku波段扇形波束掃描散射計。前者雷達分辨單元的大小約為25 km×35 km，并可利用脈沖壓縮技術將俯仰向的分辨率提高到10 km左右；后者雷達分辨單元的大小約為10 km×12.5 km，是目前原始空間分辨率最高的在軌運行微波散射計[10–11]。因此，本文針對中法海洋衛(wèi)星（CFOSAT）散射計開展近海岸海面風場反演研究，旨在研制一種網格分辨率為12.5 km的近海岸海面風場產品，為近海岸區(qū)域和中小尺度海面動力過程等較高分辨率應用提供數(shù)據(jù)支撐。

2 近海岸風場反演

過去40年，研究人員開發(fā)了多種星載微波散射計的海面風場反演方法。其中，基于貝葉斯原理的風場反演是目前被世界上各個衛(wèi)星地面處理系統(tǒng)所廣泛采用的方法[12]。具體而言，完整的海面風場處理包括雷達后向散射系數(shù)預處理、最大似然估計風場反演、風場去模糊以及質量控制等步驟。CFOSAT微波散射計的近海岸風場處理流程與業(yè)務化的衛(wèi)星散射計風場反演基本一致，所不同的是前者在進行雷達后向散射系數(shù)預處理時需要在近海岸區(qū)域盡量多地保留海面上的后向散射測量信息，從而使反演的風場更接近海岸線。

2.1 預處理

由于CFOSAT微波散射計使用扇形波束旋轉掃描體制，其天線旋轉速度（3.4周/min，即3.4 rpm）遠小于以往的筆形波束掃描散射計（18 rpm）。緩慢旋轉的天線和較高的脈沖重復頻率（150 Hz）保障了雷達能夠對同一地面區(qū)域實現(xiàn)多次重復觀測，從而擁有足夠多的觀測樣本數(shù)。因此，本文沒有使用Fore等[7]針對筆形波束散射計開發(fā)的近海岸風場處理方法，而是通過判斷每個原始分辨單元（10 km×12.5 km）中心位置的海陸標識和離岸距離，進而對觀測入射角和方位角相近的原始分辨單元進行算術平均來實現(xiàn)后向散射系數(shù)預處理。這種方法雖然損失了一定數(shù)量的有用信息，但避免了計算每個分辨單元LCR，可節(jié)省近海岸處理的計算機資源（重處理一年的QuikSCAT近海岸風場需消耗170 d的CPU時間[7]），更加適用于業(yè)務化的衛(wèi)星地面處理系統(tǒng)。具體而言，CFOSAT微波散射計的近海岸風場反演的預處理流程如圖1所示。

圖1 CFOSAT散射計近海岸風場反演的預處理流程Fig. 1 Preprocessing flow of the coastal wind retrieval for CFOSAT scatterometer

首先，根據(jù)風場反演輸入的一級數(shù)據(jù)（L1B）中的衛(wèi)星軌道信息，把CFOSAT散射計的觀測刈幅沿著順軌方向和垂直于星下點地面軌跡（交軌）方向劃分為12.5 km×12.5 km的規(guī)則網格，并按順序賦予每個網格行號和列號。其次，依次計算L1B數(shù)據(jù)中每個分辨單元（稱之為“條帶”，如圖2a所示）所處的規(guī)則網格的行號和列號，并根據(jù)條帶的經緯度判斷其是否位于海面以及離岸線的距離。如果條帶位于海面且離岸距離大于7.5 km，則將其用于條帶組合。條帶組合的原理是把位于同一個網格單元、極化方式相同、且入射角和方位角相近的條帶進行組合平均（算術平均），從而獲取該網格一個視角的觀測信息；每個網格單元通常有4～16個觀測視角，具體取決于網格在刈幅交軌方向的位置。圖2b是條帶組合的示意圖，對于CFOSAT散射計，只有中心位置位于網格方框之內的條帶才用于組合平均。這與ASCAT近海岸的處理有所不同，后者將中心位置離網格點小于15 km的條帶用于組合平均（如圖中虛線圓所示）。最后，計算每個網格內多個觀測視角的平均經緯度，并用于表征該風矢量單元的地理位置。

圖2 CFOSAT散射計在4個不同方位角的雷達足跡（黑色等高線），原始分辨單元（條帶，彩色等高線）示意圖（a）和條帶組合示意圖（b）Fig. 2 The radar footprints (black contours),the raw range-gated resolution (namely slices,color contours) of CFOSAT scatterometer at four different azimuth angles (a) and illustration of the slice aggregation (b)

2.2 風場反演

CFOSAT散射計近海岸海面風場反演也使用最大似然估計方法，即

式中，N表示觀測視角的個數(shù)，N的值為4～16；是第i個視角測量的雷達后向散射系數(shù)；是通過Ku波段散射計地球物理模式函數(shù)（GMF）仿真的第i個視角的后向散射系數(shù)；表示第i個視角雷達后向散射系數(shù)的測量方差。這里使用的GMF是荷蘭皇家氣象研究所（KNMI）改進的NSCAT-4模型[13]。

考慮只有位于12.5 km×12.5 km網格內的條帶才用于組合平均，單個風矢量單元的噪聲較大，因此CFOSAT散射計近海岸風場處理采用多模糊解和二維變分分析去模糊的方法，確保反演的風場具有較好的空間一致性。多模糊解是指，每個風矢量單元的風場模糊解個數(shù)設定為144（間隔2.5°）。對于每個風向值，尋找一個風速值使式（1）最小化，那么該風速和風向構成一個模糊解。每個模糊解對應的殘差（即MLE值）表征該模糊解是真實解的概率，殘差越大則該模糊解是真實解的概率就越小。二維變分分析則是指，給定一組散射計觀測數(shù)據(jù)（x表示向量，k表示第k個模糊解）和背景風場矢量xb，通過最小化下列目標函數(shù)得到變分分析風場的矢量x，

式中，Jo和Jb分別表示觀測項和背景風場項，具體參考文獻[14]。最后，選擇風向最接近變分分析風場的散射計模糊解作為反演風場的解。

與CFOSAT散射計業(yè)務化地面處理系統(tǒng)的風場反演一樣，近海岸海面風場處理利用風場質量敏感因子即反演的殘差（MLE值）來進行風場質量控制。本文直接使用業(yè)務化地面處理系統(tǒng)的質量控制方案[11]。

3 近海岸風場分析

本節(jié)通過個例展示和統(tǒng)計分析的方法詳細評估CFOSAT散射計近海岸海面風場（3.0版本）的數(shù)據(jù)特征。統(tǒng)計分析使用的數(shù)據(jù)是CFOSAT散射計和ASCAT在2019年3月的觀測數(shù)據(jù)，以及QuikSCAT在2009年3月的觀測數(shù)據(jù)。由于這3個散射計的任務周期或升交點地方時明顯不同，無法通過直接匹配數(shù)據(jù)的方式進行交叉比對。因此，這里把每個散射計的觀測風場與數(shù)值天氣預報模式的背景場進行對比，間接分析不同散射計近海岸風場的數(shù)據(jù)特征。背景風場均為歐洲中期天氣預報中心提供的預報風場，通過時空插值匹配到各個散射計的觀測位置和時間點，并且已經包含在數(shù)據(jù)文件中。

為了突出近海岸風場數(shù)據(jù)特征分析，本節(jié)主要對離岸線150 km之內的海面風場進行分析，而且所分析的散射計風場均為經過質量控制（由L2數(shù)據(jù)中的質量標識符判定）之后的風場。

3.1 近海岸風場的分布特征

圖3a和圖3b分別表示CFOSAT散射計25 km網格分辨率的業(yè)務化風場數(shù)據(jù)和12.5 km網格分辨率的近海岸風場數(shù)據(jù)，圖3c表示ASCAT的12.5 km近海岸風場數(shù)據(jù)。需要注意的是，CFOSAT散射計和ASCAT的觀測時間不同，圖3只是選取相同的地理位置來直觀展示CFOSAT近海岸風場的分布特征。可以看出，與ASCAT近海岸風場一致，CFOSAT近海岸處理明顯可以獲取比業(yè)務化產品更接近海岸線的海面風場數(shù)據(jù)。

圖3 CFOSAT散射計于2020年5月12日UTC22時41分觀測的臺風“黃蜂”，網格分辨率為25 km（a）；同時間的CFOSAT散射計近海岸海面風場，網格分辨率約為12.5 km（b）；ASCAT散射計于5月14日UTC0時50分觀測的臺風“黃蜂”，網格分辨率為12.5 km的近海岸風場（c）Fig. 3 CFOSAT scatterometer wind field (Typhoon Vongfong) with 25 km grid resolution. The acquisition date and time are May 12th 2020,at UTC 22:41 (a); the same as a,but for the coastal wind product with resolution of 12.5 km (b); ASCAT coastal wind field (Typhoon Vongfong) with resolution of 12.5 km. The acquisition date and time are May 14th 2020,at UTC 00:50 (c)

圖4對比了離岸150 km范圍內ASCAT、CFOSAT散射計（CSCAT）、以及QuikSCAT散射計的觀測數(shù)據(jù)量隨離岸距離變化的趨勢。可見，CFOSAT散射計在近海岸區(qū)域觀測數(shù)據(jù)量的分布與ASCAT基本一致，但兩者風場的離岸距離總體上大于QuikSCAT的近海岸風場。這主要是因為QuikSCAT近海岸處理較精確地估計了陸地對海陸邊界后向散射測量的影響，盡可能多地保留了雷達測量的后向散射系數(shù)。需要注意的是，離岸距離只是近海岸風場產品的一種關鍵指標，離海岸線越近散射計風場反演受陸地影響的概率越大，反演風矢量的精度越低。下面章節(jié)進一步分析散射計近海岸風速和風向的統(tǒng)計特征。

圖4 近海岸區(qū)域ASCAT、CFOSAT散射計（CSCAT）以及QuikSCAT散射計觀測數(shù)據(jù)量的分布特征Fig. 4 The normalized number of wind observations as a function of the distance to coastline for ASCAT,CFOSAT scatterometer (CSCAT),and QuikSCAT,respectively

3.2 近海岸風場的統(tǒng)計特征

近海岸區(qū)域的海面狀況比開闊大洋更加復雜。對微波散射計而言，近海岸區(qū)域頻繁出現(xiàn)的船只、潛在的小島礁以及海陸相互作用引起的風場易變性都可能影響雷達的后向散射系數(shù)，進而影響散射計風場的質量。

圖5展示ASCAT、CSCAT和QuikSCAT的風速相對于背景風場的偏差和標準差隨離岸距離變化的趨勢。可以看出，所有散射計反演風速的偏差和標準差都隨著離岸距離的減小而增大。ASCAT的近海岸風速的精度最穩(wěn)定，只有在離岸距離小于20 km時風速誤差才顯著上升。QuikSCAT的近海岸風速偏差雖然比CSCAT小，但離岸距離大于80 km時存在負的風速偏差，這可能是由于QuikSCAT近海岸數(shù)據(jù)的定標處理仍存在一定的后向系數(shù)偏差。離岸距離大于40 km時，CSCAT的風速偏差和標準差都具有較好的一致性和精度，但隨著離岸距離減小，這兩項指標都顯著惡化。

圖5 近海岸區(qū)域ASCAT、CFOSAT散射計（CSCAT）以及QuikSCAT散射計的風速偏差（a）和風速標準差（b）統(tǒng)計特征Fig. 5 The wind speed bias (a) and standard deviation errors (b) as a function of the distance to coastline for ASCAT,CFOSAT scatterometer (CSCAT),and QuikSCAT,respectively

為了進一步分析散射計近海岸風場的特征，圖6展示了離岸40 km以內ASCAT、CSCAT以及QuikSCAT風場與模式背景風場的二維分布圖。與ASCAT和QuikSCAT相比，CSCAT風場總體上與背景風場具有更好的一致性，除了圖6b左邊存在一些異常值。正是這些異常值使圖6左上角的統(tǒng)計值以及圖5中CSCAT在近海岸區(qū)域的風速偏差和標準差統(tǒng)計值顯著上升。如果定義風速偏差大于6 m/s（即常用精度指標2.0 m/s的3倍）的統(tǒng)計樣本為異常觀測，那么去除這些異常值之后，圖6b中風速偏差減小為0.43 m/s，風速和風向的標準差則分別減小至1.99 m/s和20.9°。考慮近海岸海面風場反演的特點，產生上述異常值的主要原因有以下幾個方面：首先，上述異常值發(fā)生的區(qū)域多集中在兩極附近（如圖7所示），是海冰較為集中區(qū)域。由此推測，目前CSCAT風場反演使用的海冰掩膜仍有較大的誤差，導致一小部分被海冰污染的數(shù)據(jù)被判別為海面測量的數(shù)據(jù)。如果只考慮南北緯60°之間的近海岸風場，則圖6b中的風速偏差減小至0.17 m/s，風速和風向的標準差分別減小至1.83 m/s和19.1°。其次，CSCAT近海岸風場處理時可能仍有一些受到陸地污染的后向散射測量通過了預處理并進入風場反演流程，其原因是目前CSCAT L1B數(shù)據(jù)中雷達分辨單元的地理位置精度較低（約7.3 km），導致一小部分被陸地污染的數(shù)據(jù)被判別為海面測量的數(shù)據(jù)[15]。最后，目前的質量控制是一種基于反演殘差的經驗方法，并沒有針對近海岸區(qū)域進行閾值優(yōu)化[16]。有必要在風場反演的預處理階段先剔除異常的后向散射測量值，再進行后續(xù)的處理。

圖6 離岸 40 km 以內的 ASCAT（a），CSCAT（b），以及 QuikSCAT（c）海面風場與模式背景風場的對比Fig. 6 The ASCAT (a),CSCAT(b),and QuikSCAT (c) wind vectors versus model background winds for the observations with distance to coastline < 40 km

圖7 離岸40 km以內，CSCAT風速偏差（相對于ECMWF）大于6 m/s的異常值的分布直方圖Fig. 7 Geographic histograms of the abnormal CSCAT observations (e.g.,wind speed bias larger than 6 m/s with respect to ECMWF) which distance to coastline are less than 40 km

最后，圖8對比了離岸40 km以內CSCAT與全球固定浮標（主要是美國國家資料浮標中心（NDBC）的浮標）的風場。由于近岸的浮標數(shù)量有限，在研究時間段內只獲取了112個CSCAT和浮標的匹配點（空間距離小于25 km、時間差小于半小時）。總得來說，近海岸風場與浮標的風場具有較好的一致性，左圖中風速相關系數(shù)大于0.7，風速精度優(yōu)于2.0 m/s。右圖中除了180°風向模糊的散點，風向精度優(yōu)于20°。

圖8 離岸40 km以內CSCAT與全球固定浮標的風場散點對比圖Fig. 8 Scatter plots of CSCAT wind speed and direction versus global moored buoy winds. Here the observations with distance to coastline < 40 km are studied

4 結論和展望

中法海洋衛(wèi)星散射計（CSCAT）是世界上首個在軌運行的扇形波束掃描微波散射計，其新穎的觀測體制可以實現(xiàn)對海面同一風單元進行多入射角和多方位角觀測。另一方面，CSCAT具有較高空間分辨率的原始分辨單元，這些都為微波散射計近海岸海面風場的研究和開發(fā)提供了新的機遇。本文針對CSCAT提出一種適用于扇形波束掃描散射計的近海岸風場處理的流程，充分發(fā)揮該散射計觀測樣本數(shù)多的優(yōu)勢，即利用一種簡單的條帶組合方法進行近海岸數(shù)據(jù)預處理，一方面提高近海岸區(qū)域海面風場處理的效率，另一方面使其近海岸風場具有與ASCAT近海岸風場相似的空間分布特征。研究表明，與ASCAT、QuikSCAT的近海岸風場相比，CSCAT離岸40 km以外的風場總體上具有良好的質量和空間一致性；離岸40 km以內，得益于CSCAT較高的原始空間分辨率，其風場與模式預報風場和浮標風場相比，總體上具有更好的一致性。但是由于潛在的陸地污染、質量控制原因，特別是海冰污染，CSCAT在離岸40 km以內也存在一些風速偏差特別大的異常反演結果，導致統(tǒng)計特征顯著惡化。這種顯著的異常反演結果，另一方面也為海冰識別提供了新的思路。

下一步我們將在目前研究的基礎上，改進CSCAT原始分辨單元的定位精度、繼續(xù)優(yōu)化近海岸風場的預處理，特別是用于條帶組合平均的窗口設計和質量控制，進而提高近海岸區(qū)域、尤其是離岸40 km以內海面風場的質量。此外，我國即將發(fā)射的風云三號E星雙頻測風雷達也使用了扇形波束旋轉掃描體制[17]，因此本文的研究結果對這種新型散射計的近海岸風場反演也具有重要的參考價值。

致謝：本文使用的ASCAT近海岸風場數(shù)據(jù)由歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）海洋與海冰衛(wèi)星應用設施（OSI SAF）、QuikSCAT近海岸風場數(shù)據(jù)由海洋數(shù)據(jù)存檔中心（PODAAC）提供，這兩種數(shù)據(jù)都可以通過https://podaac-tools.jpl.nasa.gov/drive/網址獲取。浮標數(shù)據(jù)由ECMWF氣象存檔與檢索系統(tǒng)（MARS）提供，并由荷蘭皇家氣象研究所的散射計團隊轉換成海面10 m高度的等效中性風。