基于CCMP卫星遥感海面风场数据的渤海风浪模拟研究

张鹏，陈晓玲,2，陆建忠，田礼乔，刘海

（1.武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉，430079；2.江西师范大学 鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，江西 南昌，330022）

基于CCMP卫星遥感海面风场数据的渤海风浪模拟研究

张鹏1，陈晓玲1,2，陆建忠1，田礼乔1，刘海1

（1.武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉，430079；2.江西师范大学 鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，江西 南昌，330022）

CCMP（Cross Calibrated Multi-Platform）风场数据是一种具有较高的时间、空间分辨率和全球海洋覆盖能力的新型卫星遥感资源。在充分分析CCMP海面风场数据可靠性的基础上，以该卫星遥感海面风场数据为强迫输入项，运用第三代浅水波浪模式SWAN对渤海一次风浪过程进行了模拟，将模拟的结果与T/P、Jason卫星高度计观测得到的有效浪高数据进行比较分析，发现两者相关性达到0.78，模拟结果平均偏高0.3 m。试验表明CCMP卫星遥感风场数据能满足海洋浪高预报需求，能在海洋数值预报和海洋环境研究中发挥重要作用。

CCMP；SWAN；卫星高度计；风浪模拟；有效波高；渤海

海浪在研究海洋动力环境和海气相互作用等领域有着重要地位，海浪数值模拟不仅是海浪研究的重要手段，也是海浪预报和分析的重要工具[1]。SWAN(Simulating Wave Nearshore)是借鉴和修改了现有的第三代海浪模式发展起来的适用于海岸、湖泊及河口地区的浅水波浪数值预报模式。Booij[2]等将SWAN模式的计算结果与线性理论及现场实测资料进行对比，表明SWAN能准确地模拟潮流、地形、风场环境下的波浪场，适用于风浪、涌浪和混合浪的预报，Rogers[3]和Lin[4]等的研究都表明，SWAN模式能很好地模拟近岸风浪。李燕[5]、梅婵娟[6]等利用SWAN模式模拟了黄渤海海域的浪高，表明SWAN模式对黄渤海海域的浪高有一定的预报能力，但模拟结果的空间分辨率和精度都较低。

海洋环境数据对于海洋数值预报甚为重要，因为广大的洋面上基本上没有常规观测，只能依靠非常规观测的数据来弥补。卫星遥感作为一种非常规的观测方式，其观测数据具有及时快速、长时间周期性和覆盖范围广的特点，这些数据为海洋生态与环境研究带来了很大的机遇。海洋动力卫星遥感平台上的传感器如高度计、散射计和合成孔径雷达（SAR）等能高效地监测海表动力异常[7]，测量的海表形态数据（如浪高）和风场数据为海洋波浪数值预报提供了新的可供利用与分析的数据，王毅[8]、王跃山[9]等将卫星高度计浪高数据同化到海浪数值预报中对模拟结果进行了分析评估。李明悝、侯一筠[10]利用QuikSCAT卫星散射计和NCEP混合风场及WAVEWATCH模拟东中国海风浪场。

同其他海浪数值模式一样，SWAN模式需要风场来驱动，通常风场是由大气模式预报来提供的，利用数值预报的风场来预报海面波浪场的相关研究工作较多，如梅婵娟[6]利用T213和MM5两种大气模式计算的风场资料对黄渤海风浪进行模拟，但将卫星遥感风场资料作为SWAN波浪模式的动力驱动形式模拟渤海海浪的相关研究较少。研究中往往用现场浮标测量的海浪参数数据来验证模拟结果，在浮标数据缺乏的情况下，用卫星高度计来验证模拟的有效浪高的报道也很少见。

CCMP海面风场数据是NASA（美国国家航空航天局，National Aeronautics and Space Admini--stration）在2009年推出的一种融合了多种卫星遥感平台的新型数据产品，具有较高的时空分辨率，覆盖范围广且具有很高的连续性。本文利用CCMP卫星遥感海面风风场数据，运用SWAN模式以渤海为试验区模拟渤海有效波（浪）高，并将模拟结果与卫星高度计测量的有效浪高数据进行了比较。

1 研究区域和数据

1.1 研究区域

渤海是一个近封闭的内海，地处中国大陆东部的最北端，即北纬37°07’至41°，东经117°35’至122°15’（图1），它一面临海，三面环陆，具有丰富的渔业、港口、石油、景观资源。近年来，环渤海地区经济迅速发展，其中海洋资源的开发和海洋工业成为该地区经济发展重要的领域之一。渤海海底地形复杂，深浅不一，平均水深18 m，最大水深85 m，渤海一半以上的区域深度小于20 m，属于典型的浅海区域。

图 1 研究区域渤海（其中★为实测站点位置，●为CCMP网格风场点位置，—为高度计扫描带，＋、■、▲分别三个扫描带上的高度计数据点位置）Fig.1 Study area in Bohai Sea.(The observation position ★ , the CCMP position ●, the altimetry path —,and altimetry point on each path)

1.2 CCMP卫星遥感海面风场

CCMP（多平台交叉校正，Cross Calibrated Multi-Platform）海面风场计划由NASA地球科学事业（ESE）提出的“让地球系统数据应用于环境研究”的合作协议公告提供项目经费支持，在此项目中，Atlas[11,12]（2008，2009）等人经过理论和方法论证，提出了具有很高精度和适用性的CCMP海面风场数据集，该数据集采用一种增强的变分同化分析法（VAM）融合了QuikSCAT/SeaWinds、ADEOS-II/SeaWinds、AMSR-E、TRMM TMI和SSM/I等诸多海洋被动微波和散射计遥感平台上采集的海面风场数据，该数据由NASA在2009年推出，它提供了从1987年7月到2008年6月的海洋风场数据，几乎可以覆盖全球所有海洋，并且具有很高的空间连续性。该数据空间分辨率为0.25°，时间间隔为6 h，给出的是距海面10 m处风场沿经向和纬向的速度分量。Atlas[12]通过实验证实了CCMP较其他单个的卫星平台测量的风场数据在精度方面有很大的提高，能够满足很多海洋和大气环境应用与研究的需要。CCMP海面风场计划将为全球海洋和大气研究以及天气和短期气候的预测做出巨大的贡献，势必会推动气候和海洋学更加深远的应用和发展。

考虑到CCMP海面风场能满足海浪模拟中输入风场的要求，本研究选择渤海为试验区，尝试研究它对我国近海浪高的模拟能力。

2 方法和实验

2.1 CCMP风场分析

选取从气象部门得到的渤海海区一个点位（119°15’E，38°06’N）的实测风场数据，通过分析发现1月15日—25日这段时间该处风速和风向变化较大（图2），因此用该时间段的实测数据对CCMP风场数据进行验证具有一定的代表性。由于实测点位置与CCMP风场点位置不一致，实验中采用实测点周围3个海面上的CCMP风场点数据的平均值与实测风场数据进行对比分析。从该段时间内每天4个时刻的风场数据来看（图2，4个时刻分别是0:00、6:00、12:00、18:00点，11天共44个时间点），CCMP风场数据能够较好地描述该段时间风场的动态变化，除两者风速大小有少数的偏离外，其他都能够极好地拟合，风速大小和风向平均偏高为0.35 m/s和4.1°。CCMP风场和实测风场的风速风向相关系数分别为0.89和0.91。结果表明，CCMP风场能够很好地代表渤海海面的风场状况，可以为模拟渤海风浪场提供可靠的输入数据。

2.2 SWAN波浪模拟

第三代波浪数值预报模式SWAN适用于包括海岸、湖泊、河口的浅水区域风浪、涌浪及混合浪的预报，是国际上比较成熟和应用比较广泛的波浪数值预报模式，它能够合理预报计算域内波周期、波长、波陡、波浪行进方向、近底水质点的运动速度、波能传播方向及能量耗散率、单位水面面积所受波力等海岸工程所需的重要参数[2]。

图 2 观测点风场和CCMP风场的比较Fig.2 Comparison between observation and CCMP wind

由于SWAN能够合理地预报计算区域中的浪高变化规律，并且模式计算的时间和空间步长更加宽松合理，同时考虑到渤海为一个典型的浅海区域，本研究选用SWAN波浪模式来模拟渤海的风浪过程。

图 3 模拟当天4个时刻的CCMP风场（A、B、C、D分别是0时、6时、12时、18时的CCMP风场图）Fig.3 Wind fields in simulation day at 0, 6, 12, 18 o’clock

计算区域为整个渤海海区（图1）。模拟实验的过程如下：根据划分的计算网格大小进行渤海水下地形和CCMP风场数据的预处理，其他参数如计算时间步长和输出数据时间间隔，按照模式要求的文件输入形式组织成SWAN执行文件，模式程序运行后输出波浪的参数文件有多种形式，实验中选择按文本文件形式输出，并编程实现输出结果的处理分析。模式采用动态模拟，计算时间为2005年1月25日全天，共24 h，风能输入项为空间分辨率0.25°，每6 h一次的CCMP风场资料，从全天4个时间点风场看（图3），该天渤海大部分地区风速呈先增后减趋势，最大风速分别为12.668 m/s、13.329 m/s、13.711 m/s、8.725 m/s，风向以东北偏北向为主，渤海海峡风向最后演变成正北向；最小风速发生在渤海湾附近，4个时间点分别为4.763 m/s、2.491 m/s、1.293 m/s、0.238 m/s，风速不断减小，风向有由东北向东，最后变成东南风向的趋势。模式计算的空间步长为0.01°，约1 km，时间步长为5 min，每20 min输出一次计算结果。在进行运算时，将CCMP海面风场在空间上线性插值到模式的每个计算网格点上。由于渤海三面被陆地包围，3个方向陆地边界不生波，将入射波能吸收，对于没有观测条件输入的东面水边界，模式计算时将其设定为自由边界。

2.3 验证数据处理

卫星高度计以卫星为载体，以海面为遥测靶，由卫星上装载的微波雷达测高仪向海面发射微波信号，该雷达脉冲传播到海面后经过海面反射再返回到雷达测高仪，根据回波理论，用雷达脉冲行程于卫星—海面—卫星的往返时间计算得到卫星高度的测量值，而通过检验分析卫星高度计回波信号前沿的斜率可以计算得到海面的有效波高（1/3大波波高的平均值）。卫星高度计测量有效波高数据具有覆盖全球和观测点密集的特点，其资料密度远远高于常规观测的密度，并且其最大的优点是观测的浪高数据可靠性高[7,8]。本研究采用具有很高有效波高测量精度的T/P和Jason数据来验证SWAN模式计算的有效浪高。

TOPEX/POSEIDON（以下简称T/P）和Jason是法国空间局（CNES）和NASA的合作项目，两颗星上携带的主动微波雷达高度计，主要用来测量有效浪高、平均海表面和海面风的后向散射系数等计算海表面异常的数据，验证结果表明，T/P和Jason高度计反演的有效波高精度分别为在0.3 m[7]和0.5 m[13]，达到了定量观测对测量误差的要求。T/P卫星高度计于1992年发射，Jason是T/P的后续卫星。T/P和Jason重返周期大约是10 d，轨道周期大约是100 min，一个周期有254个扫描带，半个轨道为一个扫描带。本研究选用2005年1月25日在渤海过境的T/P和Jason高度计所有轨道测量的数据，T/P和Jason高度计在当日共有3个轨道在渤海海面的数据采集点位置（图1），3个位置分布范围广，具有一定的代表性。实验中将其分为3个区域，标号分别为1、2、3，第1个区域数据点由Jason高度计采集，第2、3个区域数据点由T/P高度计采集，3个区域数据采集的轨道和时间各不相同（表1）。由于设置SWAN模式每20 min输出一次结果，高度计采集数据时间和模式计算结果输出时间略有差距，实验中取距离高度计采集数据时间最短的模式计算结果进行对比分析，在空间上取距离高度计数据点最近的计算网格模拟结果分析。

表 1 3个区域高度计数据相关参数Tab.1 Parameters of altimeter data in three areas

3 结果分析

3.1 波高验证

将SWAN模拟结果与卫星高度计测量的有效浪高数据进行比较，从有效浪高散点分布图（图4）可以看出，大部分点的模拟结果和高度计结果吻合得较好，分析结果表明模拟计算结果平均偏高0.3 m，相关系数为0.78，模拟结果略有偏高一方面是风场偏高所致，另一方面可能是模式本身的精度问题。

图 4 有效浪高散点分布图Fig.4 Distribution of significant wave height

从图4可以看出，第1、2个区域模拟计算的结果有所偏高，第3个区域模拟结果没有明显的偏高趋势。分别对3个区域的有效浪高进行误差分析和相关性分析，表2是分别对3个区域进行分析的结果，与高度计数据相比，第1、2区域模拟的有效浪高数据偏高0.3 m左右，且这两个区域中模拟结果和卫星高度计结果有很高的相关性；第3个区域模拟的结果波动较大，有部分点的有效浪高数据偏小，剩下部分点的有效浪高数据偏大（0.3 m以下），3个区域的均方根误差都在0.5 m以下，模拟结果的可信度较高。

表 2 模拟值和高度计数据分析结果Tab.2 Analyzed results of simulated and altimeter data

3.2 波高分析

对于用来验证的3个区域来说，3个区域有效浪高的相对大小表现出区域2＞区域1＞区域3的趋势（图3），这是由于海面浪高的大小主要与风速大小相关，区域1和区域2中分析数据的计算时间很近，从CCMP风场（图3）的空间分布来看，区域2的风速普遍要大于区域1，模拟的有效波高大于区域1的模拟结果；区域3模拟数据的时间是19:40，从当天CCMP风场的变化情况看（图3），此时处于渤海整个区域风速减小的时间段，计算的有效波高明显小于其他两个区域。同时，从表3列出的SWAN模式输出的每个验证区域数据点的风速数据可以看出，风速变化范围是第2个区域普遍高于其他两个区域，第1个区域的风速大于第3个区域，平均风速大小也是按区域2、区域1、区域3从大到小排序，这些都与3个区域的有效浪高大小趋势一致。3个区域风速范围在7.3～11.1 m/s之间，对应的浪高范围为1.1～2.8 m之间，满足了风套浪经验关系的要求。

表3 3个区域验证数据点风速比较Tab.3 Comparison of wind speed on three areas

前面已根据CCMP风场数据分析到模拟当天渤海大部分地区风速呈先增大后减少的状态（图3），从6点和12点两个时刻的有效波高分布来看（图5），随着风速增大，渤海中心区域有效波高也变大，同时由于能量的聚集和传播，沿岸的波高也增大，从而可以看出风场的变化很好的反应了波高的变化。

另外，结合各个区域风速范围和模拟精度可以看出，在风速较高的情况下模拟结果较好，这和许多对SWAN风浪模拟的研究结果是一致的。总的来说，此次利用CCMP遥感风场进行风浪模拟的过程较好地反映了不同海面风场情况下风浪变化的趋势，对浪高模拟的可信度和精度较高。

图 5 6点(A)和12点(B)的有效波高分布Fig.5 Distributions of significant wave height at 6 and 12 o’clock

4 结 论

本研究利用CCMP风场数据，基于SWAN波浪模式模拟了渤海海区2005年1月25日的一次风浪过程，模拟的有效波高与卫星高度计测量的有效浪高数据具有很好的相关性，平均偏高0.3 m，能够满足海浪浪高数值预报的精度要求，CCMP这种具有较高时空分辨率和较大覆盖范围和密度的新型卫星遥感海面风场数据可以在海洋数值预报以及海洋、气候生态环境监测研究中发挥重要作用。

由于CCMP卫星遥感海面风场数据与实测站点的风场数据具有很好的一致性，CCMP卫星遥感海面风场数据可以弥补实地观测数据的不足，若将该数据同化到数值预报模式中，将有助于提高海浪预报精度。

由于数据的限制，用到的高度计数据观测周期较短、覆盖范围小，对整个区域模拟精度的评估有一定影响，这也是以后的研究中需要去解决的问题。

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[2]Booij N, Ris R C, Holthuijsen L H.A third-generation wave model for coastal regions.Part I.Model description and validation [J].Geophys Res, 1999, 104(c4): 7649-7666.

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Research on wave simulation of Bohai Sea based on the CCMP remotely sensed sea winds

ZHANG Peng1, CHEN Xiao-ling1,2, LU Jian-zhong1, TIAN Li-qiao1, LIU Hai1

(1.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 2.Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research, Ministry of Education, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China)

Cross Calibrated Multi-Platform (CCMP) remotely sensed wind is a newly released ocean wind dataset which has much higher spatial and temporal resolution, and it can cover the entire ocean surface.After analyzing their reliability, the CCMP wind datasets are used as the input to simulate wind-induced wave with the SWAN model, then the simulated significant wave height (SWH) is analyzed .The comparison between the model result and the data obtained by the radar altimeter shows that the simulated SWH meets the requirements of precision in the sea wave forecasting.

CCMP; SWAN; altimeter; wind-wave simulation; SWH; Bohai sea

P731.33；P714+.2

A

1001-6932(2011)03-0266-06

2010-06-07；收修改稿日期：2011-02-22

973 项目（2009CB723905）；国家自然科学基金项目（40906092，41071261）；国家自然基金委创新研究群体科学基金项目（41021061）；湖北省自然科学基金资助项目（2009CDB107）；中国博士后科学基金（20100480861）；南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室开放课题（Z03975）；测绘遥感信息工程国家重点实验室专项科研经费；中央高校基本科研业务专项资金资助。

张鹏 ( 1986－ )，男，硕士研究生，主要从事海洋遥感和数值模拟研究。电子邮箱：zp_5474@163.com。

陈晓玲，教授，博导。电子邮箱：cecxl@yahoo.com。