基于渤海石油平台海面风观测的FNL资料评估

王金梅，张轶雯，党岳，李宛桐，邵旻

（1.天津市气象探测中心，天津 300202；2.天津智慧泉科技发展有限公司，天津300100；3.南京师范大学环境学院，江苏南京 210023）

海上气象观测由于复杂的沿岸地形［1］及不便利的海上交通，使得海上气象观测站的布设较难，海洋观测资料匮乏，通常以全球或区域再分析资料代替海面风以研究海洋、大气、陆地城市之间的联系。其中，美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）中的海面风场资料受到广泛关注［2－3］，并应用于包括台风灾害［4－6］、海浪能源［7］、波速及其他形式的数值模拟研究等［8］。渤海是中国最北的近海，拥有丰富的自然资源，为周边地区的经济发展提供了有力的支持，因此，研究渤海区域海面风场特征有其实用价值。

目前针对NCEP／NCA的全球分析资料（Final Operational Global Analysis data，FNL）在渤海海域的可信度还没有具体评估。本研究基于渤海石油平台气象观测站收集了2018年全年连续的海上观测数据，分析了渤海海面观测风场特征，并利用双线性插值法、误差分析法等方法，对2018年1、4、7和10月的FNL资料风场可信度进行评估分析，进而对该资料在研究区域内适用性提供客观、合理的评价及认识。对FNL资料在渤海海域的海洋和大气科学的应用研究提供参考。

1 资料和方法

1.1 资料

渤海石油平台海上观测站于2017年10月正式投入业务使用，本研究所选取的观测资料为2018年15个站的逐时风速和风向资料。观测站点位置分布如图1所示，按纬度从高到低的顺序分别编号为P1-P15站，观测平均高度约40 m。

图1 渤海海上石油平台自动气象站分布

为了优化比较，本研究选取了数据较完整、有区域代表性的5个站点（辽东湾的P5、P9站，渤海湾的P10、P11站，以及莱州湾的P15站）进行重点比较研究，比较的时间为1、4、7和10月，选取的时段为（00：00（世界时，下同）、06：00、12：00、18：00）。首先根据观测资料的监测范围（0～45 m／s）和数据质量进行了质量控制，剔除了风速风向异常值；并对观测值的合理性进行了人工检查，剔除了异常值，保证观测资料的可信度。本研究拟对美国国家环境预报中心NCEP提供的FNL海面风场资料进行评估。FNL是水平分辨率为0.25°×0.25°、时间间隔为6 h、1 d 4次（00：00、06：00、12：00、18：00）的全球分析数据。本研究选用该资料中10和80 m高度经向风和纬向风资料在空间上的插值结果作为校验对象。

1.2 方法

首先，对观测风速资料做整体分析；其次，根据选取的代表站，对FNL资料做重点评估分析。数据处理时，水平方向上利用双线性插值法将FNL资料插值到选取的5个观测站对应的经纬度，垂直方向上将FNL资料中10和80 m高度资料根据观测站点实际高度进行线性插值。数据经处理后，大部分站点的风速、风向的比较样本数较完整，风速、风向比较样本数在120以上；部分站点（P10站、P15站）由于在4、10月部分时段有数据缺失，同时对海上观测数据进行质量控制后，由于剔除了可信度较低部分数据，导致样本数不足120个。

为进一步定量分析和评估FNL资料的可信度，对FNL资料和观测值误差进行统计，统计的误差量包括风速、风向的平均偏差（Bias）和均方根误差（RMSE）。

2 结果与分析

2.1 2018年海上观测站点风速风向特征

图2为2018年全年海上观测站风速箱型图，其中风速分布参照中国气象局的《风力等级》划分标准［9］。由图2可以看出，渤海海域内风速观测间差异明显，站点平均风速分布在2.5～7.5 m／s之间。分析结果表明，P11站（处于渤海海湾出口）平均风速最大，春夏季以偏南风为主，秋冬季以偏西北风为主，一年四季风速均偏大，春、冬季节偏大明显，夜间风速略偏大，可能因其位于出海口位置，西部远离沿岸，东南部无地形阻挡，易形成较大风速。P14站观测风速中值最小，表明该站点小风样本数量较多，P14站春夏季以南风为主，秋冬季以西风为主，小风主要集中在冬季，冬季5 m／s以下的风速占全年小风68.82%，白天小风频率高于夜间。P15站（最南端）平均风速最小，其次为P4站。P15站一年四季风速均偏小，春夏主导风向为南风，秋冬主导风向为南西南风，冬季白天小风频率高于夜间，由于该站点离大陆最近，其可能受海陆风影响，使其风速偏小，且风向主要为偏南风。各站均有异常大风值，P2站异常大风最少，以东北－西南风为主，与海岸线方向一致。P5、P9、P11站整体风速略偏大，P4、P15站整体风速略偏小，且风速扰动范围较小。

图2 2018年全年海上观测站风速箱型图

如图3所示，渤海地区，春季主要以偏南风为主，占34.36%，风速范围主要集中在0.0～13.8 m／s；夏季主要以东南风为主，风速范围主要集中在1.6～13.8 m／s；秋季风向不稳定，以偏北风和西南风为主，风速范围主要集中在1.6～13.8 m／s；冬季主要以北风和东北风为主，风速范围主要集中在0～13.8 m／s。

图3 2018年全年海上观测站4季的风向玫瑰图

图4显示了2018年全年海上观测站点按不同风速等级的概率分布。由图4可以看到，大部分站点风速主要分布在轻风、微风、和风和劲风范围内。总样本中，无风占比为12.28%，微风占比最大为19.92%，大风占比最小为0.58%。单个站点样本中，P14站无风占比最高为40.24%，P5站最低为0.79%。P15和P4站点中软风和轻风比例明显高于其他站点，导致其平均风速较小。P4、P10、P11、P12、P13、P14、P15软风占比均大于10%，所有站点疾风、大风占比均小于10%，其中P11站点强风、疾风占比较高，导致其平均风速最大。

图4 2018年全年海上站点观测风速不同等级风速概率分布

2.2 FNL资料与海上观测的风速和风向对比

从FNL资料的风速和风向与对应的海上观测风速的散点分布（图5）的拟合度R2来看，除4月份外，大部分站点在各月份的R2均大于0.5；从风速散点分布来看，除P15站外，风速的散点基本集中在偏差线附近，总体来说，观测与FNL资料风速之间大部分对应比较好。P15站的FNL资料在各个月份风速均偏大。风向对比结果显示，FNL资料大部分（72.3%）风向散点分布在偏差线附近，总体来说，观测与FNL资料风向大部分对应比较好。

图5 FNL风场的风速（a）和风向（b）与海上观测风速的散点分布

将风向样本分为4个风速等级：小于5 m／s、5～10 m／s、10～15 m／s和大于15 m／s。图6所示，FNL与观测风向偏差较大的散点均主要分布在风速小于5 m／s的范围内，其它风速等级下风向的偏差主要分布在30°以内。其中，风速在小于5 m／s和5～10 m／s级别的风向分布比较均匀；当风速小于5 m／s时，FNL资料与观测资料的风向差异较大。

图6 不同风速等级FNL风向与观测风向散点分布

2.3 风场资料误差分析与评估

表1给出了观测资料与FNL资料的误差统计结果。从表1可以看出，4个代表月中，风速RMSE由大到小依次为4、10、1、7月，范围为2.59～4.22 m／s；风向RMSE由大到小的次序为10、4、7、1月，范围为38.40°～44.22°。FNL资料在各月的平均风速均高于观测资料，其中，FNL1月风速高估较多，4月最接近观测值。

表1 不同月份观测资料与FNL资料风速和风向的均方根误差和平均偏差

由于数值模型模拟小风时普遍存在较大问题，本研究分别计算了观测风速大于1和1.5 m／s时对应的风速和风向的RMSE和Bias。

结果显示，分别剔除小于1和1.5 m／s的观测风速和对应FNL数据后，风速和风向的RMSE差明显变小。其中，4月份的风速RMSE改善最明显（0.34 m／s和0.48 m／s），7月份则无明显改善。从风向来看，当剔除风速较小数据后，10月份风向改善最明显（7.77°和13.02°），而7月最小。值得注意的是，当剔除小于1或1.5 m／s的数据后，4月份的观测风速偏大，表明4月份FNL对小于1.5 m／s的风速有较多的高估。

进一步按风速大小分为小于5 m／s、5～10 m／s、10～15 m／s和大于15 m／s的4个风速级别进行分析（表2），当风速小于10 m／s时，FNL资料的风速较观测值偏大，且当风速小于5 m／s时，FNL资料偏大最明显，且风向RMSE最大，为52.5°；在风速大于10 m／s时则相反。5～10 m／s时，风速RMSE最小（2.54 m／s）；风速大于15 m／s时，风速RMSE最大，为5.36 m／s。

表2 不同风速等级观测资料与FNL资料风速和风向的均方根误差和平均偏差

分别剔除小于1和1.5 m／s等级的观测资料后，发现剔除小于1 m／s时的风速风向误差比1.5 m／s的变化更为明显，站点风向误差受小于1 m／s风场的影响更大，FNL对小于1 m／s的风速的模拟不确定性最大。

3 结论

1）观测资料表明，渤海地区风速主要集中在1.6～13.8 m／s，P15站整体风速偏小，P11站风速偏大，P12站和P14站无风占比高，使得平均风速偏低。风向存在明显的季节变化，大部分站点观测风向与主导风向走向基本一致，风场平面分布特征相似。P15站（垦利10号站）风向与主导风向偏差较大。

2）FNL资料的可信度在不同季节、不同风速等级、不同地理位置下存在明显差异：其中，夏季，当风速小于15 m／s时，FNL资料的风速可信度最高；冬季当风速大于15 m／s时，FNL资料的风向可信度最高。从季节来看，秋季风向误差最大，可信度最低。从站点来看，P15站风向误差最大，可信度最低，P9站可信度较高。从风速等级来看，当风速小于5 m／s时，风向误差最大，可信度最低。

3）FNL资料在渤海地区的风速整体偏大，尤其当风速较低时，FNL风速偏大明显。FNL风场资料在渤海地区近海面的风速和风向的偏差和均方根误差分别为－0.82、3.42 m／s，4.67°和40.51°。在渤海海域南部，垦利10号站，当风速小于1.5 m／s时，FNL风场资料的风向误差较大。

由于观测站点位于渤海海域，本研究对FNL资料风场资料的误差评估的结论适用于渤海海域。对于特殊天气过程（如台风等），可能存在较大不确定性，未来将开展相应的比较研究。本研究结论可以为0.25°×0.25°的NCEP分析资料在渤海海域的海洋与大气科学的研究提供参考。