ASCAT风场在南海的适用性分析

田光辉，刘少军，李伟光，张国峰，蔡大鑫

（1.海南省气象科学研究所，海南海口 570203；2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南海口 570203）

海面风场是开展海洋科学、气象科学研究的重要的基本资料，也是研究海气相互作用，海气热量、动量交换的重要参数［1-4］。卫星遥感技术在海面风场观测优势明显，在一定程度上解决传统船舶、海面浮标、海岛基站观测成本高、时空分布不均等问题，能够实现全天候和高时空分辨率观测，可获取大面积同步、长时间序列的海面风场观测资料。欧空局（European Space Agency，ESA）在2006和2012年陆续发射了两颗（MetOp-A、MetOp-B）搭载ASCAT散射计的卫星，工作频率为C波段（5.255 GHz），轨道扫描刈幅宽度为1 100 km，每天可以覆盖全球海洋表面的80%以上，产品最高空间分辨率为12.5 km。

MetOp卫星海面风场是通过获取后向散射系数来探测海洋表面的粗糙度，再根据海洋表面粗糙度反演海洋表面的风速和风向。由于天气状况、海陆风、海面风反演模型本身的局限性等因素影响，卫星反演风速资料的精度和局地适用性需要地面观测资料的验证。国内外已有研究人员使用浮标、船舶、海岛站数据对ASCAT风场产品做过检验和比对分析。皇家荷兰气象研究协会（KNMI）［5］利用 ASCAT资料反演发布全球的海面风场产品，并使用全球的浮标观测数据对该产品进行质量评价，其中12.5 km产品风速平均偏差和均方根误差为-0.33和1.06，风向平均偏差和均方根误差分别为-0.50和17.28；沈春等［6］使用Dropsonde资料与ASCAT反演风场资料对比分析，两者风速平均绝对偏差和均方根误差为1.55和1.73，风向平均绝对偏差和均方根误差为3.43和4.15；张增海等［7］对我国近海的ASCAT反演风场资料进行检验，近海中相对离岸较近的海域风速平均绝对偏差和均方根误差为1.4和1.2，风向绝对偏差和均方根误差为26和39。以上研究表明，ASCAT反演风场产品具备较好的精度，但在不同海域、不同的时间范围，使用不同的资料检验结果会有所差别［8-10］。南海地理位置特珠，地形复杂，整个南海几乎被大陆、半岛和岛屿所包围，国内外学者在南海范围内对ASCAT反演风场评价较少，本研究利用南海海域内的浮标站、海岛站与ASCAT反演风场对比分析，检验其在南海的可信度，评价该产品在南海的适用性。

1 数据和方法

1.1 ASCAT风场数据

本研究使用的ASCAT风场反演数据来源于美国 RSS（Remote Sensing Systems）采用 C-2013GMF算法模型生产的ASCAT风产品数据集［11］。产品的时间序列为2007年3月至2016年6月，数据空间分辨率为25 km。该数据集包括日、月、周产品，为了便于与地面观测资料对比分析，本研究仅使用日产品数据集。数据是网格化的二进制数据文件，被网格化为0.25°纬度/经度单元（25 km），单个文件拥有1 440个经向单元和720个纬向单元。数据文件内容包含过境时间（协调世界时）、海面温度、海面风速风向（10 m高度）、水汽含量、液态水水含量、降雨率等信息。

1.2 浮标站数据

深海浮标站是卫星遥感反演海面风场的标准检验资料，本研究使用的是海南省气象局投放在南海的距离海岛较远的2个气象海洋观测浮标，风要素观测离海平面高度分别为10和6 m。由于卫星反演的风场为海面10 m高度风场，为了保证两类数据的可比性，本研究通过常用算法将6 m高浮标风速转换为10 m高的风速［12-13］。该资料时间分辨率为10 min。浮标站数据为2007—2016年的小时级风速风向部分观测资料。

1.3 海岛气象站数据

海岛站地面观测资料并不能直接用来验证或检验卫星反演洋面风场，对比分析海岛站资料和ASCAT反演风场目的是在浮标站精度检验的基础上建立两类风场资料的区别与联系，服务于南海监测预报业务。本研究海岛站风场资料测站范围覆盖海南岛周边、西沙、南沙海域，地面自动气象站测风数据为2007—2016年的小时级风速风向观测资料。

1.4 误差和对比分析方法

载荷ASCAT的MetOp卫星属于极地轨道卫星，每天同一地点能够获取2次观测资料。为对比分析卫星资料和地面观测资料的差异，需要对两类数据做时空匹配。ASCAT风场产品的空间分辨率为25 km，卫星和地面观测数据的空间匹配误差小于25 km；浮标自动站观测资料时间分辨率为10 min，卫星和地面观测数据的时间匹配误差小于5 min；海岛站自动站观测资料时间分辨率为1 h，卫星和地面观测数据的时间匹配误差小于30 min。

便于各个区域和类别之间对比分析，误差采用3种数学统计方法，分别为其中，A为ASCAT卫星观测风场数据；B为地面观测的风场数据；n为观测样本总数。

2 结果与分析

2.1 ASCAT反演风场和气象海洋浮标风场的比较

卫星遥感风场反演的精度检验要使用与陆地有一定距离且海洋有一定深度的浮标。B856海洋气象浮标距离海南文昌铜鼓角约50 km，周边无岛礁影响，与ASCAT反演风场时间空间匹配样本多，代表性较好。B132和B134海洋气象浮标距离海南岛400 km，对于风场对比检验观测环境较理想，但资料时间序列较短，匹配样本相对较少。

ASCAT反演风场和浮标对比检验指标表明，反演风场与浮标所在洋面与浮标洋面观测数据匹配度较高（图1），两者风速平均偏差在0.01～0.05 m/s之间，风速平均绝对偏差在0.42～0.89 m/s之间，风向平均偏差在3.5°～7.5°之间，风向平均绝对偏差在13.50°～21.09°之间，两者风速风向存在很好的相关性（表1）。值得注意的是当风速达到高风速时，采用 C-2013GMF算法模型生产的ASCAT风速会出现高估现象［14］，本研究数据分析显示当风速＞20 m/s时ASCAT反演风速出现高估现象，而对于＞30m/s更高的风速数据还需收集更多资料进一步检验。

图1 ASCAT和浮标风场散点图

分析ASCAT反演风场与浮标站风场各个月份的偏差表明，各月平均绝对误差相差不大，6月略微偏大；而平均绝对偏差在6月份最小。平均绝对偏差在6月份稍大的原因，可能与季风转向有关，在风向变化或不稳定时，散射计反演误差增大，这跟它的反演原理有较大关系。

表1 ASCAT风场和浮标站风场资料的对比

2.2 ASCAT反演风场和海岛站风场的比较

由于海岛站资料的代表性和卫星反演洋面风的原理限制，海岛站地面观测资料并不能直接用来验证或检验卫星反演洋面风场，但对比分析海岛站资料和ASCAT反演风场对于气象监测预报也有一定的参考价值。为更为精准的分析两类资料区别与联系，本研究分为海南岛周边、西沙群岛、南沙群岛3个海域的海岛气象站风要素观测资料与ASCAT反演风场分别对比分析。

1）ASCAT风场和海南岛周边海岛站风观测的比较。

本研究选择了可以与ASCAT反演风场空间匹配的洋浦原油码头、文昌七洲列岛、万宁白鞍岛海岛站与卫星反演风场对比，分析ASCAT反演风场在海南岛周边海域适用性。

ASCAT反演风场和海南岛附近海岛站风的观测数据对比分析表明，反演风场与海岛站地面观测数据存在一定的相关性（表2），两者风速平均偏差为 0.402 m/s，风速平均绝对偏差为1.973 m/s，风向平均偏差为17.74°，风向平均绝对偏差为51.047°，风速相关系数在0.34～0.60之间，风向相关系数在0.12～0.39之间。

表2 ASCAT风场和海南岛附近海岛站风场资料的对比

2）ASCAT风场和西沙群岛海岛站风场的比较。

对比分析ASCAT反演风场和海南岛附近海岛站风的观测数据，两者存在较好的相关性（表3）。两者风速平均偏差为-0.112 m/s，风速平均绝对偏差为 0.788 m/s，风向平均偏差为-1.616°，风向平均绝对偏差为 20.994°；风速相关系数在0.56～0.86，风向相关系数在0.32～0.73。

表3 ASCAT风场和西沙群岛海岛站风场资料的对比

3）ASCAT风场和南沙群岛海岛站风场的比较。

对比分析ASCAT反演风场和海南岛附近海岛站风的观测数据，大部分匹配点存在较好的相关性（表 4）。两者风速平均偏差为 -0.425 m/s，风速平均绝对偏差为1.551 m/s，风向平均偏差为52.12°；风向平均绝对偏差为74.294°，风速相关系数在0.06～0.78，风向相关系数在0.37～0.71。

表4 ASCAT风场和南沙群岛海岛站风场资料的对比

综合分析ASCAT反演风场与海岛站的观测风并不像浮标站高度吻合，这是因为散射计反演风通过获得海面向后散射系数来模拟推算风场的，散射系数与海面的粗糙度息息相关。依托南海岛礁建设的海岛站一般都有较大的隐藏在海面下的海岛礁盘，这些区域大部分水深度不大，风浪在此会受到礁盘的摩擦力作用，对海浪的能量传播造成了较大的影响，会导致波高迅速增大［15］，因而导致海面的粗糙度剧增散射系数变大，造就了卫星反演风场明显大于实际观测风速，同样风向反演也受到影响。部分海岛站依海岛地形顺势而建，由于周边环境特别是地形的影响，观测的风并不具代表性，也是两者数据差异的一个原因。另外，分析发现无论是海岛站还是浮标站和ASCAT风场对比都存在不同程度的季节性特征，是因为不同季节或者季风转换时段，风向变化大导致海面粗糙度处于紊乱状态，也是导致反演风场不真实存在偏差。

3 结论

1）使用深海浮标站对ASCAT风场进行精度检验显示，ASCAT风场在南海的反演精度较高，其中风速平均绝对偏差为0.65 m/s，风向平均绝对偏差为17.3°。相比全球的ASCAT风场的精度评价，反演的南海风场风速优于全球的平均值，风向比全球的平均值稍差。

2）对比海岛站与ASCAT风场数据显示，大部分海岛站和ASCAT风场数据相关性较好，其中风速相关系数在0.7左右，风向相关系数在0.5左右。海岛站与ASCAT风场的偏差及相关性在各个区域有所异同，其中在西沙群岛的海岛站偏差较小相关性较好，海南岛附近的海岛站次之，在南沙群岛的海岛站偏差相对较大相关性稍差。