ASCAT洋面风资料在中国北方海域的真实性检验

杨晓君，张增海

（1.天津海洋中心气象台，天津300074；2.国家气象中心，北京100081）

ASCAT洋面风资料在中国北方海域的真实性检验

杨晓君1，张增海2

（1.天津海洋中心气象台，天津300074；2.国家气象中心，北京100081）

采用北方海域6个海洋观测站风资料对2009年3月—2013年6月ASCAT卫星反演洋面风（10 m）资料进行了检验。ASCAT反演洋面风与测站风向、风速偏差均较小，二者风速平均偏差为0.99 m/s，ASCAT风速略高于测站风速，二者风向平均偏差为-12.97°，表明ASCAT洋面风资料在北方海域具有可信性；分风级统计表明，在北方海域，风力为0—7级（0—17.1 m/s）时，利用ASCAT风速代表洋面风速是可行的（其中风力为4—5级时，ASCAT与测站风速误差最小，为0.10 m/s），当风力达到8级以上时ASCAT的可信度较低。

海洋气象；ASCAT洋面风；检验；北方海域

1 引言

洋面风是海洋环流的主要驱动力，调制着海洋-大气之间的耦合作用，影响着海洋和大气的各种现象，监测洋面风场对于理解海洋-大气之间的相互作用以及开展海洋、大气领域的相关研究至关重要。传统的洋面风观测多来自浮标、船舶、石油平台站、岛屿站等常规观测系统，然而这些观测站多离海岸线较近，其覆盖范围和空间分辨率均难以满足研究和应用的需要。随着卫星遥感技术的发展，星载微波散射计作为目前可以同时探测洋面10 m风向和风速的唯一卫星传感器系统，以其全天候、全天时、高覆盖度和高时空分辨率的观测能力进入人们的视野，近年来散射计洋面风资料的应用被广泛重视[1-5]。

ASCAT（Advanced SCATterometer）作为欧洲遥感卫星散射计的后继者，是欧空局研制的新型散射计，它吸取了美国NSCAT、QuikSCAT和欧洲ERS等散射计卫星的经验，它的主要性能优于上述散射计卫星。ASCAT按频段分属于C波段散射计，C波段具有较长的波长，与Ku波段散射计相比受云雨等因素的影响较小，更适合业务应用。ASCAT资料在国外得到了很好的研究和应用，成为数值预报模式中海上重要的初始场同化资料之一，在短期海风警报、海面气象特征分析中更是起到十分重要的作用。目前ASCAT在我国的应用还很少[6-9]，如果能用好ASCAT反演洋面风场产品，可以解决海洋气象研究中缺少海洋观测资料的重大难题，对海洋气象业务的发展有重大意义。但是ASCAT资料的准确性还不确定，因此开展ASCAT反演洋面风资料在我国北方海域的真实性检验很有必要。

本文通过将北方海域6个海洋自动气象站观测资料与ASCAT洋面风资料进行对比分析，检验ASCAT洋面风资料在北方海域的可信度，并进一步分析讨论了不同风力等级下ASCAT反演风场的真实性和可信度问题。

2 ASCAT工作原理及资料简介

2.1 ASCAT卫星反演风场简介

ASCAT微波散射计属于主动、非成像雷达系统，利用不同风速下海面粗糙度对雷达后向散射系数的不同相应以及多角度观测间接地反演海表10 m风场信息。目前，欧洲卫星气象组织（EUMETSAT）发布的ASCAT业务风场产品有3种：25 km分辨率的海洋风场，12.5 km分辨率的海洋风场，12.5 km分辨率的近岸风场产品。12.5 km的风场产品每一行扫描线由41个12.5 km大小的风矢量单元组成，轨道的宽度为512.5 km。本文选取的资料为12.5 km分辨率的海洋风场产品。

2.2 实况测站资料

实况测站资料选取北方海域6个海洋气象观测站（见表1）逐小时风向、风速资料，资料时间长度为2009年3月—2013年6月。为了分析ASCAT资料在北方海域各海区的性能，渤海、渤海海峡和黄海北部每个海区各取两个检验站点（见图1）。除渤海A平台站以外，其余自动气象站资料均有不同程度的缺测现象，因而样本较渤海A平台站少一些。

3 ASCAT洋面风资料的检验

3.1 检验方法

采用反距离权重插值法将ASCAT矢量风插值到海洋观测站上，与海洋站实测风进行比较，检验ASCAT洋面风资料在中国北方海域的可信度。检验步骤如下：

式中，A为ASCAT卫星遥感反演风场的风速或风向值，B为观测站观测的风速或风向值，n为相应的样本量，Zp为p点的风速或风向值，Zi为第i个点的风速或风向，di为待插点与其邻域内第i个点之间的距离，k为次幂，这里取k=2。

图1 观测站点分布

表1 海洋观测站点信息表

3.2 ASCAT洋面风资料在中国北方海域的真实性检验

3.2.1 总体检验结果

图2a给出了ASCAT风速与观测站风速对比情况，对比分析资料的样本数有2746个，图中等值线代表ASCAT风速与观测站对应风速出现的频次，对角线代表ASCAT风速与观测站风速相等。从图中可以看出风速频次等值线均位于对角线附近，风速最大频次中心达到70次以上，频次大值区位于对角线附近略偏下的位置，说明大部分的ASCAT风速略高于实测风速。从不同海区的6个测站风速和ASCAT风速对比情况（图略）可以看出，6个测站与ASCAT的风速对比图与图2a的分布类似，风速频次等值线均位于对角线附近，频次大值区均位于对角线附近略偏下的位置。图2b为ASCAT风向与观测站风向对比情况，对比分析资料的样本数有2746个，图中等值线代表ASCAT风向与观测站对应风向出现的频次，对角线代表ASCAT风向与观测站风向相同。可以看出风向最大频次中心大都分布在对角线上，说明二者大部分风向一致；ASCAT风向为350°附近也存在风向高频次中心，此时实测为东北风，ASCAT反演风向为偏北风，二者相差60°左右。其余风向频次等值线分布较分散，说明在某些样本中ASCAT与观测站风向还存在一定误差。从不同海区的6个测站风向和ASCAT风向对比情况（图略）可以看出，除了小龙山岛以外，其他测站与ASCAT风向等值线均位于对角线附近，说明大部分测站风向与ASCAT风向较一致；小龙山岛测站的风向多集中在120°和240°附近，与ASCAT风向的一致性较差。

图2 ASCAT风速、风向与观测站风速对比图（等值线代表二者风速出现的频次）

表2 ASCAT洋面风资料和海洋测站风资料的对比

从不同测站风资料和ASCAT洋面风资料进行统计特征分析发现（见表2），除了位于渤海海峡的小龙山岛测站风速略大于ASCAT风速，其余测站风速均小于ASCAT风速；6个测站中外长山岛和大黑山岛的风速平均绝对偏差较小，均小于2 m/s，曹妃甸浮标的风速绝对偏差最大，为3.04 m/s；6个测站与ASCAT风速相关系数均在0.5以上（包括0.5），其中有4个测站相关系数达到0.7以上，说明二者相关性较好，对天气系统的相应具有一致性。统计结果显示，ASCAT与观测站风速总体误差为0.99 m/s，ASCAT风速普遍略高于测站风速，风速平均绝对偏差和风速均方根误差分别为2.3 m/s和2.9 m/s，二者平均绝对偏差优于张增海等统计的ASCAT洋面风与中国近岸海域浮标的误差4.9 m/s，说明在北方海域ASCAT风速可信度较高。

对于风向来说，6个测站中误差较小的为曹妃甸浮标，平均绝对偏差为30.14°，平均偏差为0.79°；小龙山岛的风向误差最大，风向均方根误差和平均绝对偏差分布为94.4°和82.21°，这可能与小龙山岛的地理位置有关，小龙山岛位于辽东半岛的南端，受地形影响其实际风向以西南风和东南风为主，与测站相比较的ASCAT风向是通过将周围格点风向插值到测站所在经纬度得到的，因而考虑了半岛周围其他风向的影响，导致二者风向误差较大。6个测站与ASCAT风向总体样本偏差为-12.97°，ASCAT风向较测站风向角度略偏小，风向平均绝对偏差和风向均方根误差分别为47.44°和63.91°。

由于ASCAT反演洋面风与测站实测风的探测地点不可能完全吻合，时间上也存在偏差，所以两种资料不可能完全匹配，二者之间存在偏差，同时二者之间也存在误差；因此造成上述统计结果偏差的原因，即包含对比数据的时间偏差、空间偏差，也包含误差。总体来看，ASCAT风资料与测站风资料相比，二者风速差别很小（平均偏差为0.99 m/s，平均绝对偏差为2.3 m/s），风向略有偏差（平均偏差为-12.97°，平均绝对偏差为47.44°），说明利用ASCAT风速代表洋面风速是可行的。

3.2.2 分风级检验结果

为验证ASCAT洋面风资料在不同风速时的质量，将风速按风力等级分为4段，分布代表较弱风速、中等风速、较强风速和强风速。统计表明（见表3），风力为4—5级时，二者风速平均偏差和平均绝对偏差最小，分别为0.1 m/s和2.16 m/s；风力在8级以上时，二者误差最大；8级以上的14个样本中ASCAT风速均小于测站风速，平均偏小5.89 m/s，此误差产生的原因可能有两个方面，一是8级以上大风出现的瞬时性相对较强，卫星扫描时间与测站实际观测时间不完全相同导致二者出现风速偏差，二是8级以上大风出现的局地性相对较强，ASCAT通过插值处理后的风速不能较好地体现这种局地性特征导致二者出现风速偏差。风力为0—3级和6—7级时，风速绝对偏差分别为2.49 m/s和2.84 m/s，接近于卫星原始数据偏差（2 m/s）。同时可以看出，当风力为0—3级时，卫星呈现高估现象；风力为4—5级时卫星与测站风速量级近乎相同；风力为6—7级时卫星开始呈现低估现象，风力为8级以上时卫星低估现象加剧。

从上述统计结果看，对于北方海域，风力在0—7级（0—17.1 m/s）时，利用ASCAT风速代表洋面风速是可行的，风力超过8级时ASCAT的可信度较低。

3.2.3 分风向检验结果

由于风向受地形影响比较大，本文对不同风向时ASCAT反演风场的质量再进行检验，这里将风向分为8个风方位。通过对5个海洋测站不同风向时ASCAT反演风向和海洋测站观测风向进行对比分析（由于小龙山岛站的地理位置很特殊，风向的局地性特强，这里不将此站用作风向的检验分析），可以看出（见表4），8个风方位的风向平均偏差均为负数，说明对于8个风方位来说ASCAT反演风向都比观测风向偏左；8个风方位的风向平均绝对偏差差异不大，除东北风的风向平均绝对偏差为46°，其余7个风方位的风向平均绝对偏差均控制在45°以内。说明ASCAT反演风向的误差基本控制在一个风方位以内，可用性较强。

表3 ASCAT风速和海洋测站风速的分级对比分析

表4 ASCAT风向和海洋测站风向不同风方位对比分析

4 结论

（1）通过ASCAT洋面风资料与测站风资料对比分析表明，二者风速、风向接近相等的几率最大。整体来说，ASCAT洋面风资料在北方海域具有可信性；

（2）ASCAT风资料与测站风资料相比，二者风速差别很小（平均偏差为0.99 m/s，平均绝对偏差为2.3 m/s），ASCAT风速普遍略高于测站风速，风向略有偏差（平均偏差为-12.97°，平均绝对偏差为47.44°），说明利用ASCAT风速代表洋面风速是可行的；

（3）分风级统计表明，当风力为4—5级时，ASCAT与测站风速误差最小；当风力为0—3级和6—7级时二者风速平均绝对偏差分别为2.49 m/s和2.84 m/s；8级以上时二者误差最大；说明对于北方海域，风力在0—7级（0—17.1 m/s）时，利用ASCAT风速代表洋面风速是可行的，风力超过8级时ASCAT的可信度较低；

（4）分风向检验表明，八个风方位的风向平均偏差均为负数，说明ASCAT反演风向都比观测风向偏左，通过八个风方位的风向平均绝对偏差可以看出ASCAT反演风向的误差基本控制在一个风方位以内，可用性较强。

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Validation of ASCAT sea surface wind products in the Northern China Sea

YANG Xiao-jun1,ZHANG Zeng-hai2
（1.Tianjin Marine Meteorological Centre,Tianjin 300074 China;2.National Meteorological Centre,Beijing 100081 China）

The observatory data from 6 northern China Sea ocean stations are used to validate ASCAT sea surface wind(10 m)products from March 2009 to June 2013.Results show that the differences in wind direction and speed between ASCAT and observatory data are small.The average deviation of wind speed is 0.99 m/s,and the average deviation of wind direction is only-12.97°,with ASCAT wind speed slightly higher than that of observatory data.The results indicate that ASCAT sea surface wind products in northern China Sea are credible. Classification statistics shows that:in northern China Sea,when wind speed scale is in the range of 0—7(0—17.1 m/s),ASCAT sea surface wind speed products can be used to represent the real wind，with the minimum deviation of 0.10 m/s when wind speed scale is 4—5(5.5—10.7 m/s).Credibility of ASCAT products is lower when wind speed scale is above 8.

marine meteorology;ASCAT sea surface wind;validation;Northern China Sea

P732

：A

：1003-0239（2014）05-0008-05

10.11737/j.issn.1003-0239.2014.05.002

2013-11-25

中国气象局2014年小型基建项目

杨晓君（1982-），女，工程师，主要从事海洋气象方面的工作。E-mail：boluo0127@yeah.net