海洋二號衛星散射計風場產品真實性檢驗及分析

王東良，姚小海，孟雷，張維凱

（5111信箱，北京 100094）

1 引言

海面風場是海洋環境一個重要參量，不僅可以直接生成海浪，還可以決定海表上空的水汽和溫度，進而影響大氣與海洋之間的能量交換，對洋流、海洋氣象和氣候環境的分析與預測起到至關重要的作用[1]。遺憾的是海面風場資料嚴重缺乏，從浮標和船舶所獲得的風測量數據十分有限，且離散性大，分布不均勻。衛星遙感技術的發展很好的解決了這一難題，衛星觀測的風場具有覆蓋范圍大、時空分辨率高、數據資料獲取容易等優點。其中,微波散射計就是一種重要的遙感手段,它可以全天候地測量海面風速和風向。

微波散射計通過測量風引起的粗糙海面對微波的后向散射特性來推算海面風場。在海面上，毛細波疊加在重力波上，風的變化引起海表面粗糙度的變化，散射計接收到的后向散射會隨之變化。根據后向散射與風矢量之間的相關模式，經過地球物理定標后就能得出海面風場[2]。

隨著散射計產品重要性不斷提高，應用領域不斷擴大，有必要對產品的真實性進行檢驗，以保證數據產品的可靠性和促進反演算法的改進。國際上已有部分學者開展了相關工作：Freilich和Dunbar（1999)利用NDBC浮標數據驗證NSCAT散射計的風速、風向反演精度，在剔除了超過3個標準偏差的風速數據后，NSCAT散射計數據的均方根誤差為1.2 m/s，均值偏差為0.3 m/s，當風速為2—17 m/s并忽略了風向的多解，風向的均值偏差為8°，均方根誤差為 18°[1-3]；Dudley Chelton（2003）指出SeaWinds散射計與NSCAT相比具有類似的風矢量反演精度[4]；Nanto對比QuickSCAT散射計資料和全球浮標、船舶報資料，得到兩者風速的均方根誤差為1.01 m/s，風向均方根誤差為23°[5]。

海洋二號（HY-2）衛星是我國第一顆動力環境衛星，該衛星集主、被動微波遙感器于一體，能獲取包括海面風場、浪高、海流、海面溫度等多種海洋動力環境參數。張婷等（2013）利用南海北部石油平臺的氣象測風儀對ASCAT和海洋二號散射計所測風場數據進行了對比分析：海洋二號散射計所測風速和石油平臺氣象站觀測風速的均方根誤差為3.41 m/s，風向的均方根誤差為58.66°；在150 min和15 km的時空窗口下，ASCAT與海洋二號風速的均方根誤差為0.72 m/s，風向的均方根誤差為8.50°[6]。本文利用國際海—氣綜合數據集（ICOADS）的海面風場實測數據作為真實值對2012年5月—2013年5月的海洋二號散射計風場產品進行真實性檢驗。對比之前先根據衛星產品的空間分辨率和海面風場的時空變化規律對數據進行時空匹配，提取滿足相應時空條件的配對樣本數據，再對兩者的風速、風向進行對比，計算平均誤差、平均絕對誤差、均方根誤差等誤差統計量，以此對海洋二號散射計風場產品的精度進行評估。

受散射計海面風場反演原理的限制，海洋二號散射計在2—24 m/s風速范圍內的風場產品較為可靠。本文將先對海洋二號散射計風場產品在全風速條件下進行整體評估檢驗，再對2—24 m/s風速范圍內風場產品按各風級劃分進行具體統計檢驗。

2 數據說明及檢驗方法

2.1 數據說明

國際海—氣綜合數據集，簡稱ICOADS，是美國NOAA氣候診斷中心的研究成果。它收集了1800年至近期的世界海洋表層觀測資料，包括來自船舶的測量或觀測數據、系泊浮標和漂浮浮標數據、海岸站點數據以及其他海洋臺站數據，是目前最完整和最多樣化的海—氣綜合數據集。數據集的主要變量有海表溫度、氣溫、風場、氣壓、云量等氣象、海洋要素，每個變量都分為“standard”和“enhanced”兩部分數據，反映的是質量控制、混合數據的差異。"standard"資料用其氣候數據的3.5σ（標準差）進行限制校訂，觀測數據僅限于船舶觀測。“enhanced”資料則使用范圍更廣泛的4.5σ（標準差）進行校訂，以更好地描述極端氣候事件，它使用了船測和其他海上平臺原位觀測（現場觀測）類型數據。本文采用“enhanced”資料。

海洋二號衛星散射計刈幅優于1700 km，每天覆蓋全球海洋80%以上。本文采用海洋二號衛星散射計二級產品中的海面風場數據，空間分辨率為25 km。資料的時間范圍為2012年5月25日—2013年5月31日，其中2013年3月、4月有部分日期產品資料缺失。

2.2 時空匹配

衛星產品和現場實測數據具有不同的時空采樣特性。為了確保衛星觀測時間、采樣區域和實測觀測站點測量時間、位置的一致性，本文采取嚴格的控制標準，根據衛星產品的空間分辨率和海面風場的時空變化規律確定合理的時空匹配窗口。依據該窗口，將海洋二號散射計海面風場資料與ICOADS實測資料進行匹配，作為后續檢驗的數據集[8]。綜合考慮，本文采取的時間匹配窗口為10 min，空間匹配窗口為12.5 km，即當散射計測量時間與實測站點觀測時間≤10 min，空間距離≤12.5 km時，就認為兩者測量結果為同步觀測。

采用上述時空匹配方法，我們共獲得了37175個配對樣本。在2—24 m/s風速范圍內共有36150個配對樣本，約占樣本總數的98.81%。統計發現：配對樣本主要集中在0—16 m/s風速范圍內，風速大于16 m/s的樣本個數明顯偏少；在各風向上的配對樣本個數大體一致。

值得注意的是，ICOADS數據觀測點主要集中在北半球，加上時空匹配條件的限制（見圖1），本文得到的結論有一定的局限性，為得到更全面的分析有待于數據的進一步積累。

2.3 統計檢驗方法

本文主要誤差統計量計算公式為：

式中，H為海洋二號散射計風場產品的風速或風向值，I為ICOADS實測的風速或風向值，n為相應樣本個數。

圖1 滿足時空匹配窗口的ICOADS觀測站點分布圖

3 真實性檢驗及分析

3.1 風速的真實性檢驗

3.1.1 全風速條件下風速真實性檢驗

首先計算各樣本ICOADS實測風速與海洋二號散射計風速誤差，以2 m/s間隔分類（如-1—1 m/s），觀察配對樣本在各風速誤差區間內的統計分布特征。

從圖2可知，海洋二號散射計風速與ICOADS實測風速的誤差接近以0 m/s為軸成對稱分布；兩者風速誤差主要集中在-1—1 m/s范圍內，約占總樣本數的49.2%，在-3—3 m/s誤差范圍內的樣本數占總數的86.6%，當兩者風速誤差超過±3 m/s，樣本數急劇減少。

將ICOADS的實測風速以1 m/s的間隔分類，分別計算ICOADS和與之配對的海洋二號散射計在各風速區間內風速值的平均，繪制ICOADS實測風速和海洋二號散射計風速比較圖（見圖3）。

圖3中，上三角表示超過500個風速樣本的平均，下三角表示0—500個風速樣本的平均，點線表示1∶1的理想狀態，實線表示平均風速線性擬合，圖3b為根據萊茵達準則，剔除超過3個標準偏差的風速樣本（剔除樣本約占樣本總數的5.24%）后的風速比較圖，其線性擬合的線性回歸方程為VICOADS=0.8595VHY-2+1.1671。

圖2 ICOADS和海洋二號散射計各風速誤差范圍內配對樣本個數分布圖

從圖3中可以看出，海洋二號散射計風場產品的風速在4—15 m/s范圍內反演的效果較好。在較低風速和高風速情況下，海洋二號散射計風速與ICOADS實測風速誤差相對較大。在較低風速情況下，由于此時的后向散射主要由小振幅波決定的，因此散射計的風速測量誤差較大，其次海流也會影響散射計的測風精度；在高風速情況下，船舶和浮標會發生傾斜，海浪的飛沫和海面高度的變化也會影響風速的測量精度[1-9]，另外，高風速條件下的配對樣本數偏少，統計特征代表性相對較差，也可能是引起兩者風速誤差較大的原因。剔除超過3個標準偏差的風速數據后，海洋二號散射計風速在高風速段的擬合效果明顯改善，也間接說明了海洋二號散射計風場產品在高風速情況下風速反演存在較大誤差。根據殷曉斌（2007）的發現，當風速大于20 m/s的情況下，散射計嚴重地低估了實際的海面風速，需使用衛星云圖和角動量守恒公式進行修正[10]。

表1 各風級范圍內海洋二號散射計風速與ICOADS實測風速誤差統計特征量

對比點線和實線可以看出，在0—9 m/s風速范圍內，海洋二號散射計風速略大于ICOADS實測風速；當大于9 m/s時，海洋二號散射計風速要略小于ICOADS實測風速。

海洋二號散射計風速與ICOADS實測風速的均方根誤差為2.44 m/s，風速平均誤差為0.17 m/s，平均絕對值誤差為1.55 m/s；剔除了超過3個標準偏差的風速樣本后，海洋二號散射計風速與ICOADS實測風速的均方根誤差為1.95 m/s，風速平均誤差為0.08 m/s，平均絕對值誤差為1.39 m/s。

對于風速的檢驗，因散射計測量的風速是10 m風速，為中性穩定風速，與實測風速略有不同。另外表層邊界層的層化狀態也會影響散射計的測量：不穩定層化會使散射計反演的風速較實測值偏大，而穩定層化會使散射計反演的風速比實測值偏小，誤差范圍在0.1—0.2 m/s[2-9]。

3.1.2 2—24 m/s范圍內風速真實性檢驗

為更好檢驗海洋二號散射計在不同風速條件下反演效果，根據日常業務保障中的使用習慣，將配對樣本按照蒲福風力表的風級劃分為四類，即劃分為2—3級、4—5級、6—7級和8—9級四類。統計發現：配對樣本主要集中在中、低風速區（2—5級），強風速區的配對樣本數偏少，風速≥8級的樣本僅占1.21%；

下面分別針對未剔除超過3個標準偏差風速樣本和已剔除超過3個標準偏差風速樣本（剔除樣本約占樣本總數的5.35%）兩種不同情況計算各風級范圍內樣本的風速誤差統計特征量，具體結果見表1。

從表1可以看出，剔除超過3個標準偏差風速樣本后海洋二號散射計與ICOADS兩者各風速誤差統計特征量都明顯變小。對于剔除前的樣本，海洋二號散射計與ICOADS兩者風速的平均誤差為0.11 m/s，海洋二號散射計風速要略高于ICOADS實測風速；在低風速條件下，兩者風速平均誤差為0.75 m/s，隨著風速增加，兩者平均誤差逐漸減小，隨著風速再次增加，海洋二號散射計風速將低于ICOADS實測風速，兩者平均誤差逐漸增大；當風速≥8級，兩者平均誤差達到最大，為-3.16 m/s，海洋二號散射計嚴重低估了實際海面風速。海洋二號散射計與ICOADS兩者風速的平均絕對誤差和均方根誤差基本隨著風速的增大而增大。對于剔除后的配對樣本，其各風速誤差統計特征量的變化趨勢與剔除前樣本大體一致。

通過對比分析可知，在中、低等風速條件下海洋二號散射計風速與ICOADS實測風速具有較好的一致性，但在較高風速條件下海洋二號散射計會出現風速低估現象。總的來說，在2—24 m/s風速范圍內海洋二號散射計風速的反演精度要略優于全風速條件下的反演精度。

3.2 風向的真實性檢驗

3.2.1 全風速條件下風向真實性檢驗

圖4 ICOADS與海洋二號散射計各風向誤差范圍內配對樣本個數分布圖

首先將海洋二號散射計與ICOADS的風向誤差以10°間隔分類（如-5°—5°），觀察配對的樣本個數在各風向誤差范圍內的統計分布特征。

從圖4可知，海洋二號散射計與ICOADS的風向誤差主要集中在-15°—15°范圍內，約占樣本總數的53.5%。兩者風向誤差接近以0°為軸成對稱分布，隨著兩者風向誤差的增大，樣本數急劇減少，但在風向誤差超過155°后出現了較小的峰值。

Freilich和Dunbar將風向差超過60°定義為風向多解[2-3]。根據此定義，我們共找到了5242個風向多解樣本，約占總樣本數的14.1%。單獨對風向多解樣本進行統計分析，如圖5所示，我們發現：風向多解主要發生在低風速區，這主要是由于在低風速時，浮標和散射計的測量的風向精度都偏低[3-9]，隨著風速的逐漸增大，風向多解發生概率逐漸降低，但在高風速區出現了小的波峰；在各風向上風向多解發生概率雖有小幅震蕩，但基本保持一致，維持在0.14左右。

海洋二號散射計與ICOADS兩者風向的均方根誤差為48.90°，平均絕對誤差為29.11°；若忽略風向多解的影響，海洋二號散射計與ICOADS兩者風向的均方根誤差為20.51°，平均絕對誤差為15.20°。

3.2.2 2—24 m/s范圍內風向真實性檢驗

對于海洋二號散射計風向的真實性檢驗，也依照其風速真實性檢驗的劃分方法,將配對樣本按風級劃分為四類，分別針對未剔除風向多解樣本和已剔除風速多解樣本（剔除樣本約占樣本總數的13.13%）兩種不同情況計算各風級范圍內樣本風向的誤差統計特征量，因平均誤差不適用于風向的誤差統計分析，故在此不做計算，具體結果見表2。

圖5 風向多解樣本統計分布

表2 各風級范圍內海洋二號散射計風向與ICOADS實測風向誤差統計特征量

從表2可以看出，剔除風向多解樣本后，海洋二號散射計與ICOADS兩者風向誤差統計特征量明顯變小。對于未剔除風向多解的配對樣本，海洋二號散射計與ICOADS兩者風向的平均絕對誤差為27.98°，均方根誤差為47.47°，在低風速條件（2—3級）下，兩者風向誤差統計特征量最大，平均絕對誤差達到40.16°均方根誤差達到58.36°；隨著風速的增大，到中等風速時，兩者風向誤差統計特征量最小；隨著風速的再次增大，兩者風向誤差又呈現逐漸增大趨勢，但增幅相對較小。對于已剔除風向多解的配對樣本，海洋二號散射計與ICOADS兩者風向的平均絕對誤差為14.98°，均方根誤差為20.21°，兩者風向誤差統計特征量的最大值同樣出現在低風速條件（2—3級）下，平均絕對誤差為20.94°，均方根誤差為26.25°；在其他風級區，兩者風向誤差統計特征量都遠小于低風速條件下的誤差統計特征量，各風級區之間樣本的風向誤差統計特征量相差不大。

總的來說，在低風速條件下，海洋二號與ICOADS兩者風向存在較大偏差，而在其他風速條件下，兩者的風向誤差統計特征量較為接近，都遠小于低風速條件下的誤差統計特征量。

4 小結

本文基于國際海—氣綜合數據集（ICOADS）的實測風場數據，對海洋二號散射計風場產品進行了真實性檢驗及分析，初步得到以下結論：

（1）海洋二號散射計風速與ICOADS實測風速數據具有良好相關性，在中、低風速條件下，兩者風速具有較好的一致性，但在較高風速條件下海洋二號散射計會出現風速低估現象；

（2）在2—24 m/s風速范圍內，海洋二號散射計與ICOADS兩者風速的平均絕對誤差為1.53 m/s，均方根誤差為2.41 m/s，剔除超過3個標準偏差風速樣本后，兩者風速的平均絕對誤差為1.36 m/s，均方根誤差為1.92 m/s；

（3）海洋二號散射計風向與ICOADS實測風向的誤差主要集中在-15°—15°范圍內，在低風速條件下，海洋二號與ICOADS兩者風向存在較大偏差，風向多解也主要發生在低風速情況下，在各風向上風向多解發生概率基本一致，約為0.14；

（4）在2—24 m/s風速范圍內，海洋二號散射計與ICOADS兩者風向的平均絕對誤差為27.98°，均方根誤差為47.47°，若忽略風向多解的影響，兩者風向的平均絕對誤差為14.98°，均方根誤差為20.21°。

[1]苗俊剛,劉大偉.微波遙感導論[M].北京:機械工業出版社,2012.

[2]馮士筰,李風岐,李少箐.海洋科學導論[M].北京:高等教育出版社,1999.

[3]Freilich M H,Dunbar R S.The accuracy of the NSCAT 1 vector winds:comparison with National Data Center buoys[J].J Geophys Res,104(C5):11231-11246.

[4]Chelton D B,Freilich M H.Scatterometer-based assessment of 10-windsanalysesfrom theoperationalECMWF andNCEP numerical weather prediction models[J].Monthly Weather Review,2005,133(2):409-427.

[5]Naoto E,Hans C B,Michael J C.Evaluation of wind vectors observed by QuickSCAT/Sea Winds using ocean data[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2002,19(12):2049-2062.

[6]張婷,張杰,楊俊鋼.衛星散射計與海面平臺所測的風場數據比較[J].海洋學研究,2013,31(2):45-51.

[7]穆松寧.海-陸-氣常規數據說明手冊（2011版）[R].中國科學院大氣物理研究所,2011:73-74.

[8]孟雷,何宜軍,伍玉梅.基于SSMI數據的神經網絡方法反演海面風速[J].高技術通訊,2006,16(7):763-770.

[9]Seelye Martin.海洋遙感導論[M].蔣興偉等譯,北京:海洋出版社,2008.

[10]殷曉斌,王震占.微波傳感器遙感臺風對海洋影響的初步分析[R].2007年全國微波毫米波會議論文集（下冊）,2007,2:1739-1742.