基于ASCAT散射计数据的2012年南极周边海面风场特征分析

张婷 张杰 杨俊钢

（国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛266061）

0 引言

南极位于地球最南端，是世界上地理纬度最高的一个洲，总面积约1 400万平方公里，海岸线长约24 700 km，四周濒临海域由南太平洋、南大西洋和南印度洋各一部分，连同南极大陆周围的威德尔海、罗斯海、阿蒙森海、别林斯高晋海等组成。由于这些水域在气候方面的均一性，以及在沟通三大洋，使三大洋深层和底层保持含氧的低温环境方面有重要作用，因此，通常把这些水域合为一个整体以便于研究。随着南极科学考察活动的日益频繁，研究南极周边海洋风场特征对研究南极水文气象及航线保障有重要意义。卞林根等［1］曾对长城站1985年的气象要素特征进行过分析，是研究长城站气象要素场特征的重要参考。黄耀荣等［2］利用南极长城站1985—1996年的风观测资料对长城站的风场分冬、夏两半年进行了分析，结果表明：长城站地区冬半年盛行ESE风，夏半年盛行WNW风。冬半年平均风速 7.9 m·s－1，夏半年 6.9 m·s－1，冬半年大于夏半年。大风日也是冬半年（月平均为14天），大于夏半年（月平均为8天）。魏文良等［3］总结了中国极地考察航线及海洋气象研究成果，分析了极地灾害性系统的天气特点和天气系统的演变、发展及其移动规律。卞林根等［4］利用南极长城站和中山站的降水、风、湿度、气压和云量等地面气象观测资料，对两站基本气候特征和变化趋势进行了分析。

卫星遥感资料具有覆盖范围大、高时空分辨率、可连续观测等优点，在观测和研究中起着越来越重要的作用。目前可以观测海面风的传感器有微波散射计、微波高度计和微波辐射计。其中只有微波散射计可以在昼夜晴空和有云条件下给出海面风矢量风向和风速，其他两种传感器只能给出海面风速，因此，散射计矢量风资料的应用得到广泛的重视［5］。本文选取的研究区域为55°S以南海域，采用2012年1月1日至2012年12月31日的ASCAT散射计数据，空间分辨率为25 km，开展南极周边海洋海面风场特征统计分析研究。重点分析了南极周边海面风场的季平均分布特征、海面风速月平均特征以及海面风速＞10 m·s－1发生的比例。

1 ASCAT数据

ASCAT全称 The Advanced SCAT terometer，是欧空局于2006年10月19日发射的欧洲气象卫星Metop-A上搭载的散射计，由欧洲气象卫星组织运营。ASCAT卫星运行在98.59°倾角、800 km高度的太阳同步轨道上，工作频率为5.25 GHz（C波段，受降雨影响相对较小）。其测风原理为发射微波经海面散射后获取海面后向散射系数，再根据地球物理模型计算得到海面风场。ASCAT风场数据有12.5和25 km分辨率两种产品，获得海面上10 m等效风矢量，可覆盖全球海洋。ASCAT的风速偏差＜0.5 m·s－1，均方根误差 ＜2 m·s－1，风向均方根小于20°［6］。此外，受工作原理限制，ASACT在离岸＜50 km和海冰覆盖海域不能获得风场测量数据。本研究采用了2012年的ASCAT 25 km分辨率海面风场数据产品，南极周边海域ASCAT数据覆盖范围如图1中所示。

图1 南极周边海洋风场遥感调查区域示意图及ASCAT数据覆盖图Fig.1.The sketch map of the sea surface wind field remote sensing investigates district in the South Pole peripheral sea，and the data coveragemap of the ASCATwind data in the South Pole peripheral sea

2 ASCAT散射计数据处理

由于ASCAT数据空间分布不均匀，为了便于分析风场的空间分布特征，需处理成空间网格数据，将空间上分散的数值转换成规则分布的网格数值，弥补空白网格的数值。本文采用最优插值方法对ASCAT散射计数据进行网格化处理［7］，将空间分布不规则的数据处理为0.25°×0.25°的网格化海面风场数据。网格化方法具体介绍如下：

其中，Ag（Bg）是网格点 g的分析值（初猜值），Oi（Bi）是观测点 i的观测值（初猜值），Wi是观测点i的权重，N是观测点的个数。

假定无偏、无关情况下，最合适的权重定义为：

其中，μB（μO）是观测点 i和 j的初猜值（观测值）的误差相关系数，λ是这两个误差标准偏差的比值，定义为：

其中，σB（σO）是初次初猜值（观测值）误差的标准偏差，假定为 1［8］。μB的定义为：

其中，rz（rm）是两个任意观测点i和j的纬向（经向）距离；Lz和Lm是纬向和经向上的特征尺度。在本文中，分别取为300和150 km，μΟ的值假定为1（0）对于相同（不同）观测点间［9］。本文中海面风场初猜值采用NCEP／NCAR提供的NRA1的日平均风场数据。

3 海面风场特征分析

季平均分布特征分析由研究区域逐日海面风场网格数据计算得到海面风场春（7—9月）、夏（10—12月）、秋（1—3月）、冬（4—6月）四季的平均数据，具体计算公式如下。

其中，Uij、为（i，j）网格点上的风速风向季节平均值为某季节的第 n天（i，j）网格点处的风速风向，N为该季节的天数。

基于所得数据绘制海面风场季平均风向图，如图2，其中空白区域表示海冰覆盖区域。

图2 南极周边海面风场季平均风向图Fig.2.The seasonalmean wind direction in the South Pole peripheral sea

从图2中可以看出，春季在 55°S以南，在120°W和60°E附近海域盛行北风，其他海域风向无明显规律；夏季在55°S以南，在0°W附近海域、120°W附近海域和120°E附近海域盛行北风，在180°W和60°E附近海域盛行南风，其他海域风向无明显规律；秋季在55°S以南，0°W—60°W海域内盛行西北风，60°W—120°W海域内盛行东北风，120°W—180°W海域内盛行东风，0°E—60°E海域内盛行西风，南极大陆近海区域盛行西北风，60°E—120°E海域内盛行西南风，120°E—180°E海域内盛行南风；冬季在55°S以南，风向无明显规律。

图3为南极周边海面风场季平均风速图，从图中可以看出，春季在55°S以南，在0°W—60°W海域内风速较小，其他海域风速较高；夏季在55°S以南，靠近南极大陆的高纬度海域风速较高；秋季在55°S以南，0°W—60°W海域内风速较小，靠近南极大陆的高纬度海域风速较小；冬季在55°S以南，0°W—60°W海域内风速较小，其他海域风速较高。从图3可以看出南极周边海域在冬季（4—6月）和春季（7—9月）风速普遍较大，且从全年来看0°W—60°W海域内风速明显比其他海域要小。

4 平均海面风速特征分析

将海面风场月平均数据根据空间网格点数进行研究区域空间平均，得到代表该月份整个研究区域内海面风场的区域平均海面风速数据，具体计算公式如下。

其中，uij为区域内（i，j）网格点上的风速。

图3 南极周边海面风场季平均风速图Fig.3.The seasonalmean wind velocity in the South Pole peripheral sea

图4 2012年月平均风速数据区域平均后分布图Fig.4.The regional averaged wind velocity after monthly mean in 2012

从图4可以看出，南极周边海域风速从1月份开始逐渐增大，7月份达到最大值后开始逐渐减小，全年有8个月的区域平均风速＞10m·s－1，只有12月区域平均风速＜8 m·s－1。因此，南极周边海域的海面风速变化特征为从1月份开始逐渐增大，到7月份左右达到最大值后开始减小，一直到12月。

图5 2012年全年风速分布图直方图Fig.5.The wind velocity distribution histogram in 2012

从图5可以看出，对于南极周边海域，区域平均风速主要在9—12 m·s－1之间，全年出现的天数＞280天，约占全年的77%。

5 海面风速＞10 m·s－1发生的比例统计

基于全部逐日海面风场网格化数据，统计每个网格点海面风速＞10 m·s－1的情形在该季的发生比例。具体计算公式如下。

从图6不同季节海面风速＞10 m·s－1所占比例分布可以看出，在春季55°S以南区域，在60°W附近海域，所占比例约为0.5，其他海域所占比例＞0.6；在夏季 55°S以南区域，所占比例 ＜0.5，60°S以南区域，所占比例＜0.3；在秋季55°S以南区域，所占比例 ＜0.6，65°S以南区域，所占比例 ＜0.3；在冬季，30°W—60°W范围中所占比例 ＜0.5，其他区域中所占比例＞0.7，即南极周边海域30°W—60°W区域海面风速小于其他周边区域。从上述分析可以看出，南极周边海域海面风速在65°S以南区域风速较小，＞10 m·s－1发生频率较低，在 60°W附近南极周边海域海面风速相对较小。

图6 南极周边海域2012年海面风场中，风速＞10 m·s－1所占比例分布图Fig.6.The wind velocity＞10 m·s－1 percentage distributionin the South Pole peripheral sea in 2012

6 结语

利用2012年1月1日至2012年12月31日的ASCAT散射计风场数据，从海面风场季平均分布特征、平均海面风速特征、海面风速＞10 m·s－1发生比例统计等方面，对55°S以南海域开展了风场空间分布特性统计，得到以下结论：7月平均风速最大，为12 m·s－1，12月平均风速最小，为 8 m·s－1，冬季大于夏季。对于南极周边海域，区域平均风速主要在9—12 m·s－1之间，全年出现的天数＞280天，约占全年的77%。风速＞10 m·s－1所占比例也是冬季大于夏季。从全年来看，南极周边海域在冬季（4—6月）和春季（7—9月）风速普遍较大，且0°W—60°W海域内风速明显比其他海域要小。此外，由于本文使用的是2012年的数据，得到的结论为2012年南极周围海域风场分布特征，不能代表南极周围海域海面风场的时空分布多年统计结果，利用多年数据分析南极周围海域风场分布特征也是接下来的工作之一。

致谢 感谢KNMI的OSISAF提供ASCAT散射计数据。

1 卞林根，薛正夫.1985年长城站气象要素的特征／／国家南极考察委员会.南极科学考察论文集，第四集.北京：海洋出版社.1989：55—65.

2 黄耀荣，许淙，尹涛，等.南极长城站气压场和风场分析.极地研究，2000，12（2）：129—136.

3 魏文良，等.中国极地考察航线海洋气象研究.北京：海洋出版社，2008：1—234.

4 卞林根，马永锋，逯昌贵，等.南极长城站（1985—2008）和中山站（1989—2008）风和降水等要素的气候特征.极地研究，2010，22（4）：321—333.

5 刘春霞，何溪澄.QuikSCAT散射计矢量风统计特征及南海大风遥感分析.热带气象学报，2003，19（z1）：107—117.

6 Ocean and Sea Ice SAF.ASCATWind Product User Manual.2012，Version 1.12：1—27.

7 Kako S，Isobe A，Kubota M.High-resolution ASCATwind vector data setgridded by applying anoptimum interpolationmethod to the global ocean.Journal of Geophysical Research：Atmospheres，2011，116（D23）：doi：10.1029／2010JD015484.

8 Kako S，Kubota M.Relationship between an El Niño eventand the interannual variability of significant wave heights in the NorthPacific.Atmosphere-Ocean，2006，44（4）：377—395.

9 Kuragano T，Shibata A.Sea surface dynamics height of the Pacific Ocean derived from TOPEX／POSEIDON altimeter data：calculationmethod and accuracy.Journal of Oceanography，1997，53：585—599.