基于ASCAT散射计数据的2013年南极周边海面风速特征分析

张 婷, 张 杰, 杨俊钢

(国家海洋局第一海洋研究所, 山东 青岛266061)

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km2, 海岸线长约24 700 km。随着南极科学考察的日益频繁, 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、薛正夫[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文献。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, 夏半年 6.9 m/s, 冬半年大于夏半年;大风日也是冬半年(月平均为14 d) , 大于夏半年(月平均为8 d)。魏文良[3]总结了我国极地考察航线海洋气象研究成果, 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、微波辐射计和 SAR。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]。作者已采用2012年ASCAT散射计数据统计分析了南极周边海域风速特征[6], 本文在前期研究的基础上, 采用了2013年1月1日～2013年12月31日的ASCAT散射计数据, 开展了 55°S以南的南极周边海洋海面风速特征统计分析研究。重点分析了南极周边海面风速的季平均分布特征、海面风速月平均特征以及海面风速大于10 m/s发生的比例, 并与2012年的特征作了比较。

1 ASCAT数据及其处理

1.1 ASCAT数据

ASCAT全称 The Advanced SCATterometer, 是欧洲太空局于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 5.25GHz(C波段,受降雨影响相对较小)。数据处理过程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 km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的风速偏差小于0.5 m/s,均方根误差小于2 m/s, 风向均方根误差小于20°[7]。此外, 受工作原理限制, ASACT在离岸小于50 km和海冰覆盖海域不能获得风场测量数据。本文研究采用了 2013年 55°S以南南极周边海域海面风场ASCAT散射计原始数据, 分辨率网格为 0.25°×0.25°, 时间分辨率为 1 d。南极周边海域 1 d的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 1 d的ASCAT数据覆盖图Fig.1 The sketch map of the sea surface wind field remote sensing investigation area in the South Pole peripheral sea and the daily data coverage map of the ASCAT wind data in the South Pole peripheral sea

1.2 ASCAT散射计数据处理

ASCAT散射计数据处理方法已在前文中介绍[6],图2是数据处理方法的流程图。

2 结果分析

2.1 海面风速季平均分布特征分析

由研究区域逐日海面风速网格数据计算得到海面风速四季的平均数据, 具体计算公式如下。

其中,Uij为(i,j)网格点上的风速季节平均值,为某季节的第n天(i,j)网格点处的风速,N为该季节的时间(单位为d)。

图2 ASCAT散射计数据处理流程图Fig.2 ASCAT scatterometer data processing flowchart

基于所得数据绘制海面风速季平均风速图, 如图3, 其中空白区域表示海冰覆盖区域。

从图3可以看出, 1～3月在60°S以南, 靠近南极大陆的高纬度海域风速较小, 约为 8.5 m/s, 55°～60°S 海域风速较高, 约为 11 m/s; 4～6 月在 55°S 以南, 在 0°～60°W 海域内风速较小, 约为 10 m/s, 其他海域风速较高, 约为11.5 m/s; 7～9月在55°S以南,在 0°～60°W 和 120°E附近海域内风速较小, 约为10 m/s, 其他海域风速较高, 约为 11.5 m/s; 10～12月在 55°S以南, 在 0°～60°W 海域内风速较小, 约为9.5 m/s, 其他海域风速较高, 约为10.5 m/s。从图3可以看出南极周边海域在4～6月和7～9月风速普遍较大, 且从全年来看0°～60°W海域内风速明显比其他海域要小。

2.2 海面风速月平均特征分析

将海面风速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速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4是2013年每日的区域平均风速数据分布图,可以看出, 2013年全年的最高风速值在13.5 m/s左右,出现在7月; 最低风速值在7 m/s左右, 出现在1月和12月。

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

图4 2013年每日区域平均风速数据分布图Fig.4 The daily mean regional wind velocity in 2013

图5是南极周边海域月平均风速分布图, 可以看出, 2013年南极周边海域风速1月份最小, 约为8 m/s, 从1月份开始逐渐增大, 到7月份达到最大值约12 m/s后开始逐渐减小, 一直到12月, 全年有9个月的区域平均风速大于10 m/s。这与2012年南极周边海域月平均风速相比, 月变化趋势及平均风速的最大最小值基本一致。

图6为南极周边海域全年风速分布图直方图,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, 全年出现的时间大于280 d, 约占全年的77%, 这与2012年的趋势基本一致。

图5 2012～2013年月平均风速数据区域平均后分布图Fig.5 The monthly mean regional wind velocity in 2012-2013

图6 2012～2013年全年风速分布图直方图Fig.6 The wind velocity distribution histogram in 2012-2013

2.3 海面风速大于10 m/s发生比例统计

基于全部逐日海面风速网格化数据, 统计不同季节每个网格点海面风速大于10 m/s的发生频次。具体计算公式如下。

其中,为某季节内(i,j)网格点上风速大于10 m/s出现的天数,是该段时间内(i,j)网格点具有有效风速数据的天数。

从图7不同季节海面风速大于10 m/s所占比例分布可以看出, 1～3月在55°S以南区域, 所占比例小于0.6, 65°S以南区域, 所占比例小于0.3; 4～6月在0°～60°W范围中所占比例小于 0.5, 其他区域中所占比例在0.7左右, 即南极周边海域0°～60°W区域海面风速小于其他周边区域; 7～9月在55°S以南区域, 在0°～60°W 海域, 所占比例约为 0.5, 其他海域所占比例大于 0.6, 在 65°S以南区域所占比例较大; 10～12月在55°S以南区域, 所占比例小于0.6, 60°S以南区域, 所占比例小于 0.3。从上述分析可以看出, 南极周边海域海面风速在 60°W 附近相对较小, 大于10m/s发生频率较低, 4～9月在65°S以南区域风速较大, 1～3月和10～12月则相反, 在65°S以南区域风速较小。

图7 2013年南极周边海域海面风速大于10 m/s所占比例分布图Fig.7 The percentage distribution of the South Pole peripheral sea with wind velocity ＞10 m/s in in 2013

3 结语

利用 2013年 1月 1日～2013年 12月 31日的ASCAT散射计风场数据, 从海面风速季平均分布特征、平均海面风速特征、海面风速大于10 m/s发生比例统计等方面, 对 55°S以南的南极周边海域开展了风速空间分布特性统计, 得到以下结论: 7月平均风速最大, 为12 m/s, 1月平均风速最小, 为8 m/s。对于南极周边海域, 区域平均风速主要在 9～12 m/s,全年出现的天数大于280 d, 约占全年的77%。风速大于10 m/s所占比例4～9月大于1～3月和10～12月。从全年来看, 南极周边海域在 4～9月风速普遍较大,且 0°～60°W 海域内风速明显比其他海域要小, 可能的原因是: 该区域的威德尔海全年海冰覆盖时间较长, 海冰的存在使得该区域风速变小, 且有效风场观测天数变少, 进而大风发生比例就小。在此基础上将2013年每日的区域平均风速与月平均风速与2012年做了对比, 变化趋势与2012年基本一致。通过本项长期工作, 可以了解南极风场环境基本情况, 建立与更新基础资料和图件, 得到南极地区风场要素时空分布、变化规律, 服务于南极科学考察、全球变化等多学科研究应用。

致谢:感谢KNMI的OSI SAF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[C]//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.南极长城站气压和风场分析[J].极地研究, 2000, 12(2): 129-136.

[3]魏文良.中国极地考察航线海洋气象研究[M].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[J].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[J].热带气象学报, 2003, 19(z1):107-117.

[6]张婷, 张杰, 杨俊钢.基于 ASCAT散射计数据的2012年南极周边海面风场特征分析[J].极地研究,2014, 26(4): 83-88.

[7]Ocean and Sea Ice SAF.ASCAT Wind Product User Manual [M].Holland: Ocean and Sea Ice SAF, 2012: 1-27.