基于ERA-interim再分析資料的ASCAT風場產品在南海的精度評估及南海月平均風場特征分析

張凱峰，項 杰，楊 波，周成鈞

基于ERA-interim再分析資料的ASCAT風場產品在南海的精度評估及南海月平均風場特征分析

張凱峰，項 杰，楊 波，周成鈞

（解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京211101）

利用ERA-interim再分析資料作為參照，統計分析了南海季風盛行時ASCAT散射計L2B和L3風場產品的誤差特征。結果表明：季風盛行時，南海中南部大部分海域，ASCAT兩種散射計風場產品精度較好，與設計精度一致，風速標準偏差小于2 m/s，偏差小于1 m/s，風向標準偏差小于20°，偏差小于5°，ASCATL2B相對L3產品表現更好，西南風盛行時，風場相關性強，在0.8以上，ASCAT與ERA-interim一致性好，東北風盛行時，風場也具有強相關，不過在南海東部海域，風向相關性較弱，小于0.7。另外，利用ASCAT L2B分析了南海月平均風場分布特征，結果表明：南海季風盛行時，存在兩個風速大值中心，分別位于南海中南部和臺灣海峽及巴士海峽一帶，其位置和大小隨時間而變化。

ASCAT；L2B；L3；ERA-interim；海面風場

1 引言

南海地跨熱帶與副熱帶，是我國最大的海域之一，海洋資源豐富，也是國際運輸的重要區域。在氣候上南海具有明顯的熱帶季風氣候，是典型的季風區，不過由于其地理位置特殊，天氣變化復雜，是臺風的多發地，海上大風直接影響著航海和生產，是造成海上災難的主要原因之一[1]。海面風場是海洋上層運動，區域和全球海洋環流的主要動力來源，由風引起的海浪、海流等幾乎所有的海水運動都是海上活動不可忽視的，并且在調節海氣之間水汽、熱量以及物質的交換過程中發揮著重要的作用[2]。因此，獲得高質量的海面風場資料具有重要的研究和應用價值，其對于數值模式初始場精度的改進、臺風路徑和強度的預報以及海洋天氣形勢的分析預報具有重要的意義[3-5]。

目前觀測海面風場主要依賴衛星遙感，星載微波散射計成為獲取海面風場的重要手段之一，其可以在晝夜晴空和有云的情況下進行海面風場的觀測，得到了廣泛應用，比如QuikSCAT[4]，近年來，觀測海面風場的散射計有HY-2A散射計、OSCAT、QuikSCAT、ASCAT等，其中HY-2A衛星搭載的散射計是國內首顆星載微波散射計，工作頻率為13.256 GHz[6]，與美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）發射的QuikSCAT散射計（13.4 GHz）和印度太空研究中心（Indian Space Research Organisation，ISRO）發射的OceanSat-2衛星搭載的散射計（OSCAT，13.5 GHz）采用的工作波段一致，均為ku波段，受降雨影響較大[7-8]。QuikSCAT由于儀器故障，在2009年11月停止運行[9]，OSCAT在2014年運行失敗，HY-2A和ASCAT仍在運行。

ASCAT是2006年10月19日歐空局發射的氣象衛星Metop-A上搭載的散射計，衛星軌道為太陽同步軌道，時間分辨率為每日兩次，升降軌時間分別為13時（世界時，下同）和01時，ASCAT工作頻率為5.25 GHz，為C波段，受云雨影響較小[10]。國內外學者對ASCAT散射計風場產品的質量做過相關的評估檢驗，證明ASCAT風場產品精度較高[11-14]，而在我國南海海域進行散射計風場檢驗的研究主要是QuikSCAT[15]，對ASCAT風場產品的研究相對較少，本文基于2013年1月1日—12月31日ERA-interim再分析風場資料，研究ASCAT兩種風場產品（L2B，L3）在南海的精度，并且利用ASCAT-L2B分析南海月平均風場分布特征。

2 資料

2.1 ERA-interim再分析風場

ERA-interim是歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）向全球提供的最新的大氣數值預報再分析資料，其使用了最新的4D-Var同化方法，本文利用ERA-interim 10 m處的再分析風場資料，時間分辨率為6 h，每天4次（00時，06時，12時，18時），空間分辨率為0.25°×0.25°，變量包括10 m處的風速分量U10、V10，覆蓋全球[16]。Dee等[17]指出由于技術原因，ERA-interim資料并沒有同化ASCAT散射計資料，因此利用ERA-Interim對ASCAT進行評估保證了資料的相對獨立。

2.2 ASCAT風場

本文采用的ASCAT風場產品包括ASCAT L2B分辨率為25 km的軌道刈幅數據（國家衛星海洋應用中心提供）和L3空間分辨率為0.25°×0.25°的網格化產品，其中L3產品變量包括風速、風向、降雨標識（http://www.remss.com/missions/ascat），L2B與L3產品中，風向0°表示風自南向北吹（即南風），并按順時針風向增加，在文中計算風向時，風向0°表示風自西向東吹，按逆時針風向增加，再分析資料與散射計風向均以此為標準。

3 方法

首先對散射計和ERA-interim風場產品進行時間和空間上的匹配。圖1為ASCAT與ERA-interim風場對比流程圖，ASCAT L3與ERA-interim為格點資料，而ASCAT L2B為軌道數據，首先利用Zeng等[18]提出的時間-空間插值算法將軌道數據網格化，時空插值公式如下：

式中：

式中：uk是空間尺度范圍內點(xk,yk)在時刻tk的風速分量大小，根據分量可以計算插值后的風向大小，uestimate是插值到網格點上的風速大小，wk是空間尺度范圍內點(xk,yk)的權重大小。(2)式表明對于某一網格點上的風場數據，假設在某一格點A(x0,y0)某一時刻t0沒有風場數據，選擇空間尺度D和時間尺度T，利用A點周圍空間和時間尺度范圍內的N個點上的風場數據進行線性組合得到所求網格點上的數據。劉宇昕等[19]運用該方法實現了ASCAT散射計與NCEP模式數據的融合，馮倩[20]利用時空插值法對散射計軌道數據進行網格化處理，并且將結果與運用Kriging插值算法所得的結果進行對比，發現兩者結果比較接近，偏差只有0.2 m/s，而傳統網格平均插值算法與Kriging插值結果偏差較大，為2 m/s，因此通過時空插值方法對散射計軌道數進行網格化，所得結果精度較高。本文需要將分辨率為25 km的ASCAT-L2B軌道數據插值到再分析資料時刻的分辨率為0.25°規則網格點上，為了防止插值后數據過度平滑，并且保證插值點附近待插值點的樣本量，空間尺度選擇插值點附近1°范圍內的點，由于ASCAT掃過南海海域的時間分別為13時和01時，因此將散射計數據插值到00時與12時，選取插值點兩側前后3 h的觀測值，即時間尺度T取3 h。

為了定量分析散射計風場產品的偏差特征，我們通過以下幾個統計量進行檢驗。定義A為ASCAT風場數據，B為再分析風場資料，N為匹配樣本量。

土壤取樣：共兩次，試驗前大棚土壤均勻布點16點，土鉆取0-20 cm土壤，組成混合樣。試驗收獲后，每小區鉆取5點0-20 cm組成混合樣。土壤樣品經風干、磨細后測定土壤pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀。

圖1 ASCAT與ERA-interim風場對比流程圖

平均值（Mean）：

平均偏差（Bias）：

標準偏差（Standard Deviation，SD）：

相關系數（R）：

4 ASCAT海面風的精度評估

南海處于熱帶地區，熱帶海洋性季風氣候非常明顯，對于南海海面風場的研究，QuikSCAT散射計資料得到了廣泛的應用，張德天等[21]利用QuikSCAT/NCEP研究了1999—2009年中國海面風場的變化趨勢，發現在春季、秋季風速大值中心位于臺灣海峽，夏季位于南海西南部海域，即108°E， 10°N附近，冬季大值區位于臺灣海峽、東沙群島一帶，風向具有明顯的季節特征，劉春霞等[15]利用QuikSCAT月平均風場資料分析了南海海面風場的月平均分布特征，發現風向也具有明顯的季節變化，南海存在兩個平均風速大值中心，位于南海西南部108°E，10°N附近的大值中心從10月至次年3月盛行東北風，6月至8月盛行西南風，位于臺灣、巴士海峽附近的大值中心從10月持續到次年3月。王慧鵬等[22]等利用QuikSCAT月平均風場資料分析了南海海面風場的月平均分布特征，發現在南海4、5、9月是季風轉換季節，10月到次年3月盛行東北風，6月到8月盛行西南風，季風特征明顯，且在季風盛行時，存在兩個平均風速大值中心，與劉春霞等的研究一致，而利用ASCAT研究南海海面風場的分布較少，本節基于ERA-interim資料，分析南海季風盛行期間ASCAT兩種風場產品的偏差特征。

4.1 平均偏差分布特征

圖2和圖3分別為西南季風（6—8月）和東北季風（10月—次年3月）盛行時ASCAT（L2B和L3）與ERA-interim海面風場的平均偏差分布圖。可以看出，ASCAT兩種產品風場與再分析風場平均偏差分布比較一致，南海大部分海域，ASCAT風速的平均偏差在-1～1 m/s之間，風向偏差在-5°～5°之間。西南風盛行時，位于108°E，10°N附近的風速大值區，風速風向平均偏差均較小，風速在0.5 m/s左右，風向偏差在5°附近，且風速在該大值中心附近出現負的偏差，散射計風速偏小；東北風盛行時，在南海東北部，即臺灣海峽以及巴士海峽東北風大值區，平均偏差明顯偏大，在2 m/s以上，說明在這一帶ASCAT（L2B和L3）相對于再分析風場偏大，而在西南風盛行時由于該區域大值中心消失，從圖中可以看出在該區域平均偏差較小且部分區域散射計風速偏小，在巴士海峽以及南海西部部分區域風向偏差較大，可能由于季風盛行時島嶼的影響引起的。從平均偏差的分布情況來看，平均偏差低值覆蓋區域ASCAT L2B產品相對ASCAT L3明顯偏大，即二級產品相對較好。

圖2 西南季風盛行時，ASCAT（L2B、L3）與ERA-interim風場平均偏差分布

圖3 東北季風盛行時，ASCAT（L2B、L3）與ERA-interim風場平均偏差分布

圖4 西南季風盛行時，ASCAT（L2B、L3）與ERA-interim風場標準偏差分布

圖5東北季風盛行時，ASCAT（L2B、L3）與ERA-interim風場標準偏差分布

圖4 與圖5為標準偏差（SD）分布圖。南海大部分海域標準偏差風速在2 m/s以內，風向小于20°，與設計精度一致，西南風盛行時，L3標準偏差分布與L2B整體分布形式一致，不過比較散亂，L2B風向標準偏差分布均勻，且低值覆蓋范圍大，108°E，10° N西南季風大值區域一帶，部分海域標準偏差風速小于1 m/s，風向在10°附近，而在南海東北部臺灣海峽以及巴士海峽附近和海南島周圍部分區域，ASCAT風速的標準偏差在2 m/s以上，近海岸線一帶，ASCAT L3產品的標準偏差甚至大于3 m/s，且紅色區域即標準偏差高值區范圍明顯大于ASCAT L2B。東北風盛行時，L2B與L3差異較小，標準偏差空間分布基本一致，在臺灣海峽和巴士海峽一帶的風速大值區域，風速標準偏差偏大，在2.5 m/s以上，風速精度較差。

4.3 相關系數分布特征

圖6與圖7為相關系數分布圖。ASCAT散射計（L2B與L3）與ERA-interim再分析資料風速風向相關系數空間分布基本一致，但風速相關性強的區域L2B覆蓋范圍大，L2B產品表現更好，而風向兩種產品差異較小。西南季風盛行時，海南島和臺灣島周圍風速相關性偏弱，中南部海域相關系數在0.8以上，風向相關性均較強，大部分海域相關系數在0.8以上，即ASCAT兩種產品的風向與再分析資料風向一致性高。東北季風盛行時，風速強相關的海域呈東北西南走向，108°E，10°N風速大值區位于相關性強的區域，在南海東部風向相關性偏小，相關系數小于0.7。

總體來說，季風盛行時，南海大部分海域，散射計兩種風場產品精度較好，與設計精度一致，西南季風盛行時，ASCATL2B產品表現更好，東北季風盛行時，L2B風速表現較好，而兩種產品相對再分析資料的風向差異較小。

5 南海ASCAT-L2B月平均風場分析

圖6 西南季風盛行時，ASCAT（L2B、L3）與ERA-interim風場相關系數分布

圖7 東北季風盛行時，ASCAT（L2B、L3）與ERA-interim風場相關系數分布

根據第3節誤差統計特征可知，ASCATL2B風場產品表現更好，本節利用ASCATL2B分析南海海面風場的月平均分布特征。圖8顯示了南海各月平均風場的分布，1月南海盛行東北風，在臺灣海峽和巴士海峽以及108°E，10°N附近為風速大值區，最大平均風速在10 m/s以上，2月與1月風場基本一致，東北風大值中心仍然存在，不過相對1月份，風速略微偏小。3月，南海大部分地區受東北風影響，不過，在海南島附近出現了偏東風，風速大值中心仍然存在，但中心風速明顯減小，臺灣海峽以及巴士海峽最大值在9 m/s左右，而108°E，10°N附近的大值中心風速在7 m/s左右。4月，南海西北部出現東南風，南部仍然受東北風控制，臺灣附近的大值中心仍然存在。5月南海大部分地區為偏南風，風速大值中心不是很明顯，108°E，10°N附近風速大值區已經消失。6到8月份，西南季風爆發，南海主要受西南風的影響，且108°E，10°N附近大值中心重新出現，最大平均風速從6月份的7 m/s增加到8月份的9 m/s，范圍也逐漸擴大。8月，南海中部風速都比較大，臺灣附近的大值中心不太明顯。9月，南海北部出現偏東風，并向南推進，10月，南海北部受東北風控制，此前南海東北部消失的大值中心開始變得明顯，而南海南部風向較亂，風速也很小，至11月份，整個南海均在東北風的控制下，108°E，10°N附近大值區已經消失，臺灣巴士海峽一帶大值區范圍變大。12月與1月風場類似，盛行東北風，明顯存在兩個大值中心，中心風速都比較大，在12 m/s左右。

綜上所述，11月—次年3月份，整個南海盛行東北風；6—8月為西南風，其他月份為季風轉換季節。在季風盛行期間，存在兩個風速大值中心，東北季風盛行時，即11月—次年3月，南海東北部存在一個風速大值區，風速在12月達到最大并持續到2月份，之后最大風速逐漸減小，范圍也逐漸縮小；位于108°E，10°N附近的大值中心，在4、5、10月不太明顯之外，在12月—次年3月為東北風大值中心，而西南季風爆發期間，該地區大值中心又轉為受西南風影響，在8月份平均風速達到最大值9 m/s，范圍也達到最大，這與劉春霞等[9]以及張德天等[21]的研究結果基本一致。

圖8 南海各月平均風場分布圖（陰影表示風速大小，單位：m/s；箭頭表示風向）

6 結論

本文主要分析了ASCAT風場產品在南海的精度以及月平均風場分布特征，具體如下：

（1）利用ERA-Interim再分析海面風場資料對ASCAT兩種反演海面風場產品進行了誤差分析，得出季風盛行時，南海中南部大部分海域，ASCAT兩種散射計風場產品精度較好，與設計精度一致，風速標準偏差小于2 m/s，平均偏差在-1～1 m/s之間，風向標準偏差小于20°，平均偏差在-5°～5°之間，ASCAT L2B相對L3產品表現更好，低值覆蓋范圍大。西南風盛行時，風場相關性強，在0.8以上，ASCAT與ERA-interim一致性好；東北風盛行時，風場也具有強相關，不過在南海東部海域，風向相關性較弱，小于0.7，而且在臺灣海峽和巴士海峽一帶，散射計反演風場產品較差，風速標準偏差甚至達到3 m/s，可能是由于散射計反演風場時受島嶼影響引起的；

（2）利用ASCAT-L2B資料對南海的風場月平均分布特征進行了分析，結果表明：南海季風隨季節變化，11月—次年3月，南海盛行東北風，6至8月為西南風，其他月份為季風轉換季節。季風盛行期間，存在兩個風速大值中心，位于臺灣海峽巴士海峽的東北風大值中心從10月份持續到次年2月份，而南部108°E，10°N附近的大值中心不僅在東北風盛行時存在，而且隨著西南季風爆發，該海域又轉換為西南風大值中心，大小和位置隨時間變化。

[1]尹盡勇,徐晶,曹越男,等.我國海洋氣象預報業務現狀與發展[J].氣象科技進展,2012,2(6):17-26.

[2]何宜軍,陳戈,郭佩芳,等.高度計海洋遙感研究與應用[M].北京:科學出版社,2002:111.

[3]李艷兵,黃思訓,翟景秋.衛星反演風場進展概述[J].氣象科學, 2009,29(2):277-284.

[4]趙大軍,于玉斌,李瑩.“0814”號強臺風發展維持的環境場分析[J].氣象科學,2011,31(5):591-597.

[5]Liu W T.Progress in Scatterometer Application[J].Journal of Oceanography,2002,58(1):121-136.

[6]林明森,鄒巨洪,解學通,等.HY-2A微波散射計風場反演算法[J].中國工程科學,2013,15(7),68-74.

[7]Hoffman R N,Leidner S M.An Introduction to the Near-Real-Time QuikSCAT Data[J].Weather and Forecasting,2005,20(4): 476-493.

[8]Singh R,Kumar P,Pal P K.Assimilation of Oceansat-2-Scatterometer-Derived Surface Winds in the Weather Research and Forecasting Model[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote sensing,2012,50(4):1015-1021.

[9]Weissman D E,Stiles B W,Hristova-Veleva S M,et al.Challenges to Satellite Sensors of Ocean Winds:Addressing Precipitation Effects[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2012, 29(3):356-374.

[10]ASCAT Wind Product User Manual.Holland:Ocean and Sea Ice SAF,2012,Version 1.12:1-27.

[11]楊曉君,張增海.ASCAT洋面風資料在中國北方海域的真實性檢驗[J].海洋預報,2014,31(5):8-12.

[12]張增海,曹越男,劉濤,等.ASCAT散射計風場在我國近海的初步檢驗與應用[J].氣象,2014,40(4):473-481.

[13]Bentamy A,Croize-Fillon D,Perigaud C.Characterization of ASCAT Measurements Based on Buoy and QuikSCAT Wind Vector Observations[J].Ocean Science,2008,4(4):265-274.

[14]Verspeek J,Stoffelen A,Portabella M,et al.Validation and Calibration of ASCAT Using CMOD5.n[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2010,48(1):386-395.

[15]劉春霞,何溪澄.QuikSCAT散射計矢量風統計特征及南海大風遙感分析[J].熱帶氣象學報,2003,19(S1):107-117.

[16]Berrisford P,Dee D,Fielding K,et al.The ERA-interim archive [J].2009.

[17]Dee D P,Uppala S M,Simmons A J,et al.The Era-Interim Reanalysis:ConfigurationandPerformanceoftheData AssimilationSystem[J].QuarterlyJournaloftheRoyal Meteorological Society,2011,137(656):553-597

[18]Zeng L X,Levy G.Space and Time Aliasing Structure in Monthly Mean Polar-Orbiting Satellite Data[J].Journal of Geophysical ResearchAtmospheres,1995,100(D3):5133-5142.

[19]劉宇昕,張毅,王兆徽,等.基于ASCAT微波散射計風場與NCEP再分析風場的全球海洋表面混合風場[J].海洋預報, 2014,31(3):10-18.

[20]馮倩.衛星散射計數據處理及其應用[D].青島:青島海洋大學, 2001.

[21]張德天,鄭崇偉,石嶺琳,等.基于QuikSCAT/NCEP風場的1999-2009年中國海表風場研究[J].海洋預報,2011,28(4):58-64.

[22]王慧鵬,王春明,項杰,等.QuikSCAT衛星散射計矢量風檢驗及南海月平均風場特征分析[J].氣象科學,2014,34(1):54-59.

Validation of ASCAT satellite scatterometer winds based on ERA-interim and monthly mean wind field over the South China Sea

ZHANG Kai-feng，XIANG Jie，YANG Bo，ZHOU Cheng-jun
(Institute of Meteorology and Oceanography,PLA University of Science and Technology,Nanjing 211101 China)

Based on the ERA-Interim surface wind analysis generated at the European Center for Medium Range Weather forecasts,the errors characteristics of two ASCAT wind field products Level2B and Level3 are analyzed when the monsoon is prevailing in the South China Sea.The results show that：ASCAT wind field products perform well which meet the accuracy requirement in the most areas of the South China Sea.The standard deviation of ASCAT wind speed and direction is less than 2m/s and 20°,and the bias is less than 1m/s and 5°, respectively,while the ASCAT L2B is better.When the southwest is prevailing,the ASCAT wind field have a good consistency and large correlation which is higher than 0.8 with the ERA-interim,and when it is northeast, the correlation is also good,while in the east of the South China Sea,the correlation rate is less than 0.7.Besides, the ASCAT L2B are used to the climatic characteristics of the South China Sea.It is shown that there are two average wind speed value centers:one is located at the central south 108°E,10°N of South China Sea,while the other is near the Taiwan and Bashi Strait whose site and intensity change with time.

ASCAT;L2B;L3;ERA-interim;surface wind

P732

A

1003-0239（2017）02-0027-10

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.02.004

2016-06-29；

2016-09-05。

國家自然科學基金（41275113）；“全球變化與海氣相互作用”專項（GASI-02-PAC-YGST02，GASI-02-SCS-YGST02）。

張凱峰（1994-），男，碩士在讀，從事南海海面風場融合研究。E-mail:15380426538@163.com