王東良，姚小海，孟雷，張維凱

（5111信箱，北京 100094）

1 引言

海面風(fēng)場是海洋環(huán)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(jìn)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(huán)境的分析與預(yù)測起到至關(guān)重要的作用[1]。遺憾的是海面風(fēng)場資料嚴(yán)重缺乏，從浮標(biāo)和船舶所獲得的風(fēng)測量數(shù)據(jù)十分有限，且離散性大，分布不均勻。衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展很好的解決了這一難題，衛(wèi)星觀測的風(fēng)場具有覆蓋范圍大、時空分辨率高、數(shù)據(jù)資料獲取容易等優(yōu)點(diǎn)。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(fēng)速和風(fēng)向。

微波散射計通過測量風(fēng)引起的粗糙海面對微波的后向散射特性來推算海面風(fēng)場。在海面上，毛細(xì)波疊加在重力波上，風(fēng)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(jù)后向散射與風(fēng)矢量之間的相關(guān)模式，經(jīng)過地球物理定標(biāo)后就能得出海面風(fēng)場[2]。

隨著散射計產(chǎn)品重要性不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，有必要對產(chǎn)品的真實(shí)性進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)產(chǎn)品的可靠性和促進(jìn)反演算法的改進(jìn)。國際上已有部分學(xué)者開展了相關(guān)工作：Freilich和Dunbar（1999)利用NDBC浮標(biāo)數(shù)據(jù)驗(yàn)證NSCAT散射計的風(fēng)速、風(fēng)向反演精度，在剔除了超過3個標(biāo)準(zhǔn)偏差的風(fēng)速數(shù)據(jù)后，NSCAT散射計數(shù)據(jù)的均方根誤差為1.2 m/s，均值偏差為0.3 m/s，當(dāng)風(fēng)速為2—17 m/s并忽略了風(fēng)向的多解，風(fēng)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(fēng)矢量反演精度[4]；Nanto對比QuickSCAT散射計資料和全球浮標(biāo)、船舶報資料，得到兩者風(fēng)速的均方根誤差為1.01 m/s，風(fēng)向均方根誤差為23°[5]。

海洋二號（HY-2）衛(wèi)星是我國第一顆動力環(huán)境衛(wèi)星，該衛(wèi)星集主、被動微波遙感器于一體，能獲取包括海面風(fēng)場、浪高、海流、海面溫度等多種海洋動力環(huán)境參數(shù)。張婷等（2013）利用南海北部石油平臺的氣象測風(fēng)儀對ASCAT和海洋二號散射計所測風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析：海洋二號散射計所測風(fēng)速和石油平臺氣象站觀測風(fēng)速的均方根誤差為3.41 m/s，風(fēng)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(fēng)速的均方根誤差為0.72 m/s，風(fēng)向的均方根誤差為8.50°[6]。本文利用國際?！?dú)饩C合數(shù)據(jù)集（ICOADS）的海面風(fēng)場實(shí)測數(shù)據(jù)作為真實(shí)值對2012年5月—2013年5月的海洋二號散射計風(fēng)場產(chǎn)品進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)。對比之前先根據(jù)衛(wèi)星產(chǎn)品的空間分辨率和海面風(fēng)場的時空變化規(guī)律對數(shù)據(jù)進(jìn)行時空匹配，提取滿足相應(yīng)時空條件的配對樣本數(shù)據(jù)，再對兩者的風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行對比，計算平均誤差、平均絕對誤差、均方根誤差等誤差統(tǒng)計量，以此對海洋二號散射計風(fēng)場產(chǎn)品的精度進(jìn)行評估。

受散射計海面風(fēng)場反演原理的限制，海洋二號散射計在2—24 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)場產(chǎn)品較為可靠。本文將先對海洋二號散射計風(fēng)場產(chǎn)品在全風(fēng)速條件下進(jìn)行整體評估檢驗(yàn)，再對2—24 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)風(fēng)場產(chǎn)品按各風(fēng)級劃分進(jìn)行具體統(tǒng)計檢驗(yàn)。

2 數(shù)據(jù)說明及檢驗(yàn)方法

2.1 數(shù)據(jù)說明

國際?！?dú)饩C合數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、系泊浮標(biāo)和漂浮浮標(biāo)數(shù)據(jù)、海岸站點(diǎn)數(shù)據(jù)以及其他海洋臺站數(shù)據(jù)，是目前最完整和最多樣化的?！?dú)饩C合數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集的主要變量有海表溫度、氣溫、風(fēng)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?jǐn)?shù)據(jù)，反映的是質(zhì)量控制、混合數(shù)據(jù)的差異。"standard"資料用其氣候數(shù)據(jù)的3.5σ（標(biāo)準(zhǔn)差）進(jìn)行限制校訂，觀測數(shù)據(jù)僅限于船舶觀測?！癳nhanced”資料則使用范圍更廣泛的4.5σ（標(biāo)準(zhǔn)差）進(jìn)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(xiàn)場觀測）類型數(shù)據(jù)。本文采用“enhanced”資料。

海洋二號衛(wèi)星散射計刈幅優(yōu)于1700 km，每天覆蓋全球海洋80%以上。本文采用海洋二號衛(wèi)星散射計二級產(chǎn)品中的海面風(fēng)場數(shù)據(jù)，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(chǎn)品資料缺失。

2.2 時空匹配

衛(wèi)星產(chǎn)品和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)具有不同的時空采樣特性。為了確保衛(wèi)星觀測時間、采樣區(qū)域和實(shí)測觀測站點(diǎn)測量時間、位置的一致性，本文采取嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)衛(wèi)星產(chǎn)品的空間分辨率和海面風(fēng)場的時空變化規(guī)律確定合理的時空匹配窗口。依據(jù)該窗口，將海洋二號散射計海面風(fēng)場資料與ICOADS實(shí)測資料進(jìn)行匹配，作為后續(xù)檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)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(dāng)散射計測量時間與實(shí)測站點(diǎn)觀測時間≤10 min，空間距離≤12.5 km時，就認(rèn)為兩者測量結(jié)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(fēng)速范圍內(nèi)共有36150個配對樣本，約占樣本總數(shù)的98.81%。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：配對樣本主要集中在0—16 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，風(fēng)速大于16 m/s的樣本個數(shù)明顯偏少；在各風(fēng)向上的配對樣本個數(shù)大體一致。

值得注意的是，ICOADS數(shù)據(jù)觀測點(diǎn)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(jié)論有一定的局限性，為得到更全面的分析有待于數(shù)據(jù)的進(jìn)一步積累。

2.3 統(tǒng)計檢驗(yàn)方法

本文主要誤差統(tǒng)計量計算公式為：

式中，H為海洋二號散射計風(fēng)場產(chǎn)品的風(fēng)速或風(fēng)向值，I為ICOADS實(shí)測的風(fēng)速或風(fēng)向值，n為相應(yīng)樣本個數(shù)。

圖1 滿足時空匹配窗口的ICOADS觀測站點(diǎn)分布圖

3 真實(shí)性檢驗(yàn)及分析

3.1 風(fēng)速的真實(shí)性檢驗(yàn)

3.1.1 全風(fēng)速條件下風(fēng)速真實(shí)性檢驗(yàn)

首先計算各樣本ICOADS實(shí)測風(fēng)速與海洋二號散射計風(fēng)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(fēng)速誤差區(qū)間內(nèi)的統(tǒng)計分布特征。

從圖2可知，海洋二號散射計風(fēng)速與ICOADS實(shí)測風(fēng)速的誤差接近以0 m/s為軸成對稱分布；兩者風(fēng)速誤差主要集中在-1—1 m/s范圍內(nèi)，約占總樣本數(shù)的49.2%，在-3—3 m/s誤差范圍內(nèi)的樣本數(shù)占總數(shù)的86.6%，當(dāng)兩者風(fēng)速誤差超過±3 m/s，樣本數(shù)急劇減少。

將ICOADS的實(shí)測風(fēng)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(fēng)速區(qū)間內(nèi)風(fēng)速值的平均，繪制ICOADS實(shí)測風(fēng)速和海洋二號散射計風(fēng)速比較圖（見圖3）。

圖3中，上三角表示超過500個風(fēng)速樣本的平均，下三角表示0—500個風(fēng)速樣本的平均，點(diǎn)線表示1∶1的理想狀態(tài)，實(shí)線表示平均風(fēng)速線性擬合，圖3b為根據(jù)萊茵達(dá)準(zhǔn)則，剔除超過3個標(biāo)準(zhǔn)偏差的風(fēng)速樣本（剔除樣本約占樣本總數(shù)的5.24%）后的風(fēng)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(fēng)速誤差范圍內(nèi)配對樣本個數(shù)分布圖

從圖3中可以看出，海洋二號散射計風(fēng)場產(chǎn)品的風(fēng)速在4—15 m/s范圍內(nèi)反演的效果較好。在較低風(fēng)速和高風(fēng)速情況下，海洋二號散射計風(fēng)速與ICOADS實(shí)測風(fēng)速誤差相對較大。在較低風(fēng)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(fēng)速測量誤差較大，其次海流也會影響散射計的測風(fēng)精度；在高風(fēng)速情況下，船舶和浮標(biāo)會發(fā)生傾斜，海浪的飛沫和海面高度的變化也會影響風(fēng)速的測量精度[1-9]，另外，高風(fēng)速條件下的配對樣本數(shù)偏少，統(tǒng)計特征代表性相對較差，也可能是引起兩者風(fēng)速誤差較大的原因。剔除超過3個標(biāo)準(zhǔn)偏差的風(fēng)速數(shù)據(jù)后，海洋二號散射計風(fēng)速在高風(fēng)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(fēng)場產(chǎn)品在高風(fēng)速情況下風(fēng)速反演存在較大誤差。根據(jù)殷曉斌（2007）的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速大于20 m/s的情況下，散射計嚴(yán)重地低估了實(shí)際的海面風(fēng)速，需使用衛(wèi)星云圖和角動量守恒公式進(jìn)行修正[10]。

表1 各風(fēng)級范圍內(nèi)海洋二號散射計風(fēng)速與ICOADS實(shí)測風(fēng)速誤差統(tǒng)計特征量

對比點(diǎn)線和實(shí)線可以看出，在0—9 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，海洋二號散射計風(fēng)速略大于ICOADS實(shí)測風(fēng)速；當(dāng)大于9 m/s時，海洋二號散射計風(fēng)速要略小于ICOADS實(shí)測風(fēng)速。

海洋二號散射計風(fēng)速與ICOADS實(shí)測風(fēng)速的均方根誤差為2.44 m/s，風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)偏差的風(fēng)速樣本后，海洋二號散射計風(fēng)速與ICOADS實(shí)測風(fēng)速的均方根誤差為1.95 m/s，風(fēng)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(fēng)速的檢驗(yàn)，因散射計測量的風(fēng)速是10 m風(fēng)速，為中性穩(wěn)定風(fēng)速，與實(shí)測風(fēng)速略有不同。另外表層邊界層的層化狀態(tài)也會影響散射計的測量：不穩(wěn)定層化會使散射計反演的風(fēng)速較實(shí)測值偏大，而穩(wěn)定層化會使散射計反演的風(fēng)速比實(shí)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(nèi)風(fēng)速真實(shí)性檢驗(yàn)

為更好檢驗(yàn)海洋二號散射計在不同風(fēng)速條件下反演效果，根據(jù)日常業(yè)務(wù)保障中的使用習(xí)慣，將配對樣本按照蒲福風(fēng)力表的風(fēng)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(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：配對樣本主要集中在中、低風(fēng)速區(qū)（2—5級），強(qiáng)風(fēng)速區(qū)的配對樣本數(shù)偏少，風(fēng)速≥8級的樣本僅占1.21%；

下面分別針對未剔除超過3個標(biāo)準(zhǔn)偏差風(fēng)速樣本和已剔除超過3個標(biāo)準(zhǔn)偏差風(fēng)速樣本（剔除樣本約占樣本總數(shù)的5.35%）兩種不同情況計算各風(fēng)級范圍內(nèi)樣本的風(fēng)速誤差統(tǒng)計特征量，具體結(jié)果見表1。

從表1可以看出，剔除超過3個標(biāo)準(zhǔn)偏差風(fēng)速樣本后海洋二號散射計與ICOADS兩者各風(fēng)速誤差統(tǒng)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(fēng)速的平均誤差為0.11 m/s，海洋二號散射計風(fēng)速要略高于ICOADS實(shí)測風(fēng)速；在低風(fēng)速條件下，兩者風(fēng)速平均誤差為0.75 m/s，隨著風(fēng)速增加，兩者平均誤差逐漸減小，隨著風(fēng)速再次增加，海洋二號散射計風(fēng)速將低于ICOADS實(shí)測風(fēng)速，兩者平均誤差逐漸增大；當(dāng)風(fēng)速≥8級，兩者平均誤差達(dá)到最大，為-3.16 m/s，海洋二號散射計嚴(yán)重低估了實(shí)際海面風(fēng)速。海洋二號散射計與ICOADS兩者風(fēng)速的平均絕對誤差和均方根誤差基本隨著風(fēng)速的增大而增大。對于剔除后的配對樣本，其各風(fēng)速誤差統(tǒng)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(fēng)速條件下海洋二號散射計風(fēng)速與ICOADS實(shí)測風(fēng)速具有較好的一致性，但在較高風(fēng)速條件下海洋二號散射計會出現(xiàn)風(fēng)速低估現(xiàn)象。總的來說，在2—24 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)海洋二號散射計風(fēng)速的反演精度要略優(yōu)于全風(fēng)速條件下的反演精度。

3.2 風(fēng)向的真實(shí)性檢驗(yàn)

3.2.1 全風(fēng)速條件下風(fēng)向真實(shí)性檢驗(yàn)

圖4 ICOADS與海洋二號散射計各風(fēng)向誤差范圍內(nèi)配對樣本個數(shù)分布圖

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

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

Freilich和Dunbar將風(fēng)向差超過60°定義為風(fēng)向多解[2-3]。根據(jù)此定義，我們共找到了5242個風(fēng)向多解樣本，約占總樣本數(shù)的14.1%。單獨(dú)對風(fēng)向多解樣本進(jìn)行統(tǒng)計分析，如圖5所示，我們發(fā)現(xiàn)：風(fēng)向多解主要發(fā)生在低風(fēng)速區(qū)，這主要是由于在低風(fēng)速時，浮標(biāo)和散射計的測量的風(fēng)向精度都偏低[3-9]，隨著風(fēng)速的逐漸增大，風(fēng)向多解發(fā)生概率逐漸降低，但在高風(fēng)速區(qū)出現(xiàn)了小的波峰；在各風(fēng)向上風(fēng)向多解發(fā)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(fēng)向的均方根誤差為48.90°，平均絕對誤差為29.11°；若忽略風(fēng)向多解的影響，海洋二號散射計與ICOADS兩者風(fēng)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(nèi)風(fēng)向真實(shí)性檢驗(yàn)

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

圖5 風(fēng)向多解樣本統(tǒng)計分布

表2 各風(fēng)級范圍內(nèi)海洋二號散射計風(fēng)向與ICOADS實(shí)測風(fēng)向誤差統(tǒng)計特征量

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

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

4 小結(jié)

本文基于國際?！?dú)饩C合數(shù)據(jù)集（ICOADS）的實(shí)測風(fēng)場數(shù)據(jù)，對海洋二號散射計風(fēng)場產(chǎn)品進(jìn)行了真實(shí)性檢驗(yàn)及分析，初步得到以下結(jié)論：

（1）海洋二號散射計風(fēng)速與ICOADS實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)具有良好相關(guān)性，在中、低風(fēng)速條件下，兩者風(fēng)速具有較好的一致性，但在較高風(fēng)速條件下海洋二號散射計會出現(xiàn)風(fēng)速低估現(xiàn)象；

（2）在2—24 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，海洋二號散射計與ICOADS兩者風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)偏差風(fēng)速樣本后，兩者風(fēng)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(fēng)向與ICOADS實(shí)測風(fēng)向的誤差主要集中在-15°—15°范圍內(nèi)，在低風(fēng)速條件下，海洋二號與ICOADS兩者風(fēng)向存在較大偏差，風(fēng)向多解也主要發(fā)生在低風(fēng)速情況下，在各風(fēng)向上風(fēng)向多解發(fā)生概率基本一致，約為0.14；

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

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