1991年以来，大量研究证明了星载微波散射计测量海面风场的能力，其海洋风场产品已被广泛应用于海洋天气分析和预报、台风监测以及数值模式同化^[1-6]。目前应用最为成功的是NASA于1999年6月发射的QuikSCAT卫星上搭载的SeaWinds散射计提供的全球业务化风矢量产品，为国内外学者提供了长期稳定的海洋风场数据^[7-8]。但由于仪器故障，QuikSCAT卫星已于2009年11月停止业务运行，因此由欧洲气象卫星组织 (EUMETSAT) 于2006年10月19日成功发射的MetOp-A星上搭载的ASCAT (advance scatterometer) 成为目前最新的测量海洋表面风场的卫星散射计仪器，其主要任务是提供全球海洋风矢量业务化产品^[9-10]。MetOp系列计划共有3颗星，其第2颗星MetOp-B已在2012年9月17日发射升空，最后一颗MetOp-C星计划于2017年发射，每颗卫星的预期寿命为5年，因此，MetOp系列卫星至少可提供卫星数据到2020年，可保证长时间序列的ASCAT海洋风场产品的供给。

对于ASCAT海面风场产品的质量，国外学者对其做过一些检验工作。Bentany等^[9]利用浮标、QuikSCAT卫星风场产品以及欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 的资料对ASCAT的25 km分辨率的风场产品进行检验，得到ASCAT风场产品与浮标观测资料的一致性高。Verspeck等^[11]利用遍布全球的150个浮标数据对12.5 km分辨率的ASCAT洋面风场产品进行检验，得出二者一致性很高，且比25 km分辨率的ASCAT风场产品精度更高，因此ASCAT风场产品的精度可满足业务需求。但上述研究是对ASCAT风场产品精度的整体评估，并未专门分析该产品在近岸海域的适用性。卫星观测以其大面积同步测量的优点适用于大范围的海洋监测，国内学者已将卫星数据广泛应用于监测海雾、赤潮、台风和总云量^[12-15]等方面，但ASCAT海洋风场产品在中国近岸海域的适用性研究还鲜见报道。

本文重点关注微波散射计ASCAT的海洋风场产品在近岸海域的精度。这是因为一方面，近岸海域与人类活动关系密切相关，全球有三分之一的渔业都在近岸海域开展^[16]，准确了解近岸海域的风场信息对人类社会经济活动意义重大；另一方面，由于任何陆地对卫星信号都有干扰，海陆风和海岸地形会造成风向小尺度扰动，Halliwell等^[17]、Dorman等^[18]利用美国西海岸的浮标资料证实了近岸海面的小扰动，而这些小扰动可能在卫星反演产品中未见体现，因此在靠近陆地的近岸海域ASCAT风场可能存在较大误差。目前还没有相关研究提供ASCAT近岸风场产品在近岸海域的精度评估结果，因此本文利用美国国家浮标数据中心 (NDBC) 提供的美国西海岸近岸海域和中国国家气象中心提供的中国近岸海域浮标观测资料对ASCAT近岸风场产品进行精度检验。

美国西海岸的7个近岸浮标位置和离岸距离见图 1和表 1，其观测的海面风场高度为5 m，数据记录的是10 min 1次的平均风场，其风速误差范围为0.55 m·s^-1以内，风向误差范围为10°以内^[19]。本文用于对比分析的美国西海岸浮标数据的时间范围为2012年1月1日—12月31日。

图 1

图 1. 用于ASCAT近岸风场产品检验的美国西海岸近岸浮标站分布 Fig 1. Location of 7 nearshore buoys off US West Coast used to evaluate ASCAT coastal wind product

表 1

表 1 NDBC浮标信息列表 Table 1 Information list of the NDBC buoys 浮标号 纬度 经度 测风高度/m 离岸距离/km 46013 38.242°N 123.301°W 5 22 46014 39.235°N 123.974°W 5 17 46027 41.850°N 124.381°W 5 13 46028 35.741°N 121.884°W 5 41 46041 47.349°N 124.708°W 5 34 46042 36.785°N 122.469°W 5 35 46086 32.491°N 118.034°W 5 85

表 1 NDBC浮标信息列表 Table 1 Information list of the NDBC buoys

气象行业使用浮标进行海洋气象探测刚刚开始^[20]。自2009年气象部门在中国沿海陆续投放气象浮标，目前在中国沿海业务试运行的气象浮标站中共有14个, 部分浮标站由于设备故障导致数据缺失较多, 本文选取中国8个气象浮标站的风场观测数据与ASCAT近岸风场产品进行对比分析，浮标位置和离岸距离见图 2和表 2。气象浮标站的风场观测高度为10 m，可提供1 h 1次的海面风速和风向信息。本文用于对比分析的中国近岸浮标数据的时间范围为2012年1月1日—6月30日。

图 2

图 2. 用于ASCAT近岸风场产品检验的中国近岸浮标站分布 Fig 2. Location of 8 nearshore buoys off China Coast used to evaluate ASCAT coastal wind product

表 2

表 2 中国近岸浮标信息列表 Table 2 Information list of China nearshore buoys 浮标号 纬度 经度 测风高度/m 离岸距离/km 54558 39.25°N 120.58°E 10 57 54641 38.85°N 118.55°E 10 8 58573 29.75°N 122.75°E 10 34 58768 27.53°N 121.40°E 10 39 58951 25.50°N 120.32°E 10 45 59334 23.64°N 118.20°E 10 54 59515 22.33°N 117.34°E 10 110 59765 20.75°N 111.66°E 10 85

表 2 中国近岸浮标信息列表 Table 2 Information list of China nearshore buoys

ASCAT是一部C波段微波散射计，该微波散射计工作频率为5.255 GHz，可测量海面后向散射系数，C波段的海面后向散射系数对于海面风矢量的变化和降水均较为敏感。ASCAT共用6根天线，分为左右两组，每组3根，其角度与卫星飞行方向的夹角分别为45°，90°和135°。散射计的测量值与海洋表面的粗糙度有关，随着粗糙度增加，反射回传感器的微波量也增多，海洋表面的粗糙度不同，中等入射角度的后向散射对风速和风向的敏感性能很好地反映风向和风速。因此，ASCAT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来反演海洋表面的风速和风向。利用ASCAT后向散射系数反演海洋风场是通过地球物理模型 (CMOD5) 进行。

EUMETSAT对外发布3种ASCAT海洋风场产品，分别是25 km和12.5 km分辨率的ASCAT常规业务海洋风场产品以及12.5 km分辨率的近岸风场产品。ASCAT近岸风场产品是对常规业务产品进行改进，在开阔海域与12.5 km分辨率的ASCAT常规业务海洋风场产品相当，但在近岸海域该产品可提供更多的风场信息^[21]。由于本文关注的是近岸海域的ASCAT风场精度，因此选用ASCAT近岸风场产品 (简称ASCAT近岸风场) 与浮标观测风场进行对比。该产品提供全球海面10 m高度风速和风向，时间分辨率为每日两次，分别为当地时间09:00和21:00，空间分辨率为12.5 km。ASCAT近岸风场产品处于不断完善改进中，2011年8月进行了一次改进，为了检验改进后的ASCAT近岸风场产品精度，本文将对比分析的数据时间范围设定为2012年1月1日—12月31日。

首先挑选卫星产品与浮标资料在时空上匹配的数据进行对比检验。由于卫星和浮标的观测方式不同，很难找到时间和空间完全一致的数据进行对比，因此设定一定的时空间隔范围，满足该范围的数据，可用于卫星产品和浮标资料的对比检验。由于ASCAT风场产品的空间分辨率为12.5 km，因此设定空间间隔小于12.5 km；由于美国西海岸浮标的时间分辨率为10 min，因此设定时间间隔不大于5 min；由于中国近岸浮标的时间分辨率为1 h，因此设定时间间隔不大于30 min。

美国西海岸近岸浮标观测的风向和风速高度为5 m，而ASCAT风场产品是10 m高度风场，国内外大量研究表明^[22-24]，近海面层风速随高度的分布基本呈对数规律，同时受大气稳定度和下垫面粗糙度的影响。由于海面粗糙度随风场变化，因此海上粗糙度不是一个常数，这里以7 m·s^-1风速，也就是以海面起浪花为界，给出了两个档次。

(1)

(2)

其中，k_z为风速的高度换算系数，z为任意高度，当风速大于7 m·s^-1时，z₀=0.022；当风速不大于7 m·s^-1时，z₀=0.0023。将浮标5 m高度风速转换为10 m高度风速，按式 (3) 进行：

(3)

式 (3) 中，U₅为浮标风速，当U₅大于7 m·s^-1时，将z₀=0.022带入式 (3)，当U₅不大于7 m·s^-1时，将z₀=0.0023带入式 (3)。

7个近岸浮标分布在整个美国西海岸，南北跨度 (32.491°~47.349°N) 约为15°；东西跨度 (118.034°~124.708°W) 约为6°；离岸距离最小为13 km，最大为85 km，该范围基本包含了整个美国西海岸近岸海域，本文将探讨在美国西海岸近岸海域ASCAT近岸风场精度是否存在差异。根据ASCAT近岸风场与美国西海岸近岸浮标的对比结果 (表 3) 可知，ASCAT近岸风场与各浮标匹配的样本量差别较大，其中与浮标46027匹配的样本量最少，为178个，与浮标46086匹配的样本量最多，为354个。将ASCAT近岸风场与各浮标的匹配样本量对照表 1各浮标的离岸距离可知，样本量与浮标的离岸距离存在相关关系，即离岸近的浮标样本量较少，离岸远的浮标样本量较多，这是因为越靠近陆地，对卫星反演海洋风场的干扰越大，因此能够获取的风场信息越少。ASCAT近岸风场与各浮标的风速平均偏差较大，其中与浮标46014和46027的风速平均偏差分别为1.59 m·s^-1和2.14 m·s^-1，与其他浮标的风速平均偏差均小于1 m·s^-1，相对应这两个浮标的离岸距离在20 km以内，而其他浮标的离岸距离大于20 km，因此离岸近是导致ASCAT近岸风场风速偏差大的原因。ASCAT近岸风场与各浮标的风向平均偏差差异较大，其中与浮标46028和46042的风向平均偏差较小 (小于20°)，与浮标46027的风向平均偏差最大 (大于30°)。ASCAT近岸风场风速与各浮标的风速相关性均较高，相关系数在0.9以上。ASCAT近岸风场与各浮标的风向相关性差异较大，其中与浮标46014和46027的风向相关系数较小，分别为0.57和0.55，与浮标46028的风向相关系数最大，为0.87。另外，将ASCAT近岸风场与浮标的风速平均偏差和风向平均偏差与浮标的经度和纬度进行分析，未发现存在相关性。综合上述对比结果可以看出，ASCAT近岸风场与各浮标观测差异主要受浮标离岸距离的影响，即在离岸近 (小于20 km) 的海域ASCAT近岸风场的风速和风向精度受陆地干扰明显。ASCAT近岸风场与美国西海岸近岸浮标风场相关系数均达到0.01显著性水平。

表 3

表 3 ASCAT近岸风场与美国西海岸近岸浮标对比 Table 3 Comparison between ASCAT coastal wind products and US West Coastal buoy wind observations 浮标号 匹配样本量 风速平均偏差/(m·s-1) 风向平均偏差/(°) 风速相关系数 风向相关系数 46013 298 0.82 22.69 0.97 0.78 46014 282 1.59 25.11 0.93 0.57 46027 178 2.14 31.72 0.90 0.55 46028 349 0.77 15.02 0.97 0.87 46041 334 0.92 25.70 0.96 0.67 46042 328 0.74 16.52 0.96 0.78 46086 354 0.68 21.86 0.94 0.74

表 3 ASCAT近岸风场与美国西海岸近岸浮标对比 Table 3 Comparison between ASCAT coastal wind products and US West Coastal buoy wind observations

由2012年逐月ASCAT近岸风场与浮标风速和风向相关系数 (图 3) 可以看出，二者风速相关系数高，且变化不大，均为0.89~0.97，但二者风向的相关系数变化幅度较大，其中8月和9月的风向相关系数明显偏小，分别为0.43和0.49，其他月份的风向相关系数为0.7~0.9。因此，全年ASCAT近岸风场风速的浮标观测风速一致性高；全年ASCAT近岸风场风向与浮标观测风向相关系数波动较大，其中8月和9月的ASCAT近岸风场风向与浮标观测风向相关性差。根据图 3给出的参与对比检验的各月低风速 (不超过3 m·s^-1) 样本百分比的柱状图可以看出，8月和9月的低风速样本占总样本量的比例全年较大，分别为31%和42%。根据ASCAT微波散射计反演海面风场的原理可知，当风速较低时，海面波浪起伏较小，卫星接收到的后向散射干扰增大^[25]，因此，8月和9月风向相关系数小是参与对比检验的样本中低风速样本较多导致的。

图 3

图 3. 2012年ASCAT近岸风场与美国西海岸近岸浮标风速和风向相关分布 Fig 3. Correlation coefficients between ASCAT coastal wind products and US West Coastal buoy wind observations in 2012

根据ASCAT近岸风场与浮标的相关性分析可知，风速大小对ASCAT近岸风场中风向的精度有影响，因此将所有样本按风速分等级对比 (表 4)。由表 4可知，2012年ASCAT近岸风场与美国西海岸浮标风速时空匹配样本量为2123对，整体风速平均偏差为1.0 m·s^-1，风向平均偏差为21.89°，风速相关系数为0.94，风向相关系数为0.71。低风速 (不超过3 m·s^-1) 样本占总样本量的26%，剔除低风速样本，风速平均偏差降低4%，风向平均偏差减少46%，风速相关系数不变，风向相关系数增至0.84，各相关系数均达到0.01显著性水平。因此，剔除低风速样本可明显提高ASCAT近岸风场风向精度，且对风速精度影响不大。图 4给出ASCAT近岸风场与浮标风速和风向偏差。风速偏差呈正态分布 (图 4a)，但风向偏差未呈正态分布，这是因为存在一些风向偏差较大的样本 (图 4b)。

表 4

表 4 根据风速等级划分的ASCAT近岸风场和美国西海岸近岸浮标观测风场对比 Table 4 Comparison between ASCAT coastal wind products and US West Coastal buoy wind observations according to wind speed 类型 样本量 风速平均偏差/(m·s-1) 风向平均偏差/(°) 风速相关系数 风向相关系数 全部样本 2123 1.0 21.89 0.94 0.71 风速不大于3 m·s-1 548 1.15 50.8 0.26 0.39 风速大于3 m·s-1 1575 0.96 11.83 0.94 0.84

表 4 根据风速等级划分的ASCAT近岸风场和美国西海岸近岸浮标观测风场对比 Table 4 Comparison between ASCAT coastal wind products and US West Coastal buoy wind observations according to wind speed

图 4

图 4. ASCAT近岸风场与美国西海岸近岸浮标风速和风向偏差直方统计图 (a) 风速偏差, (b) 风向偏差 Fig 4. differences between ASCAT coastal wind products and US West Coastal buoy observations (a) wind speed, (b) wind direction

根据上述风速对ASCAT近岸风场精度的影响分析可知，风速较小时ASCAT近岸风场的精度较低，因此在下面的分析中首先剔除掉浮标风速不超过3 m·s^-1的样本。图 5为当风速大于3 m·s^-1时，ASCAT近岸风场和浮标观测二者风速和风向均方根误差的风向玫瑰图。由图 5可以看出，风速的均方根误差在正北风向最大，为1.85 m·s^-1，在西北风向最小，为1.03 m·s^-1，整体均方根误差都较小；风向的均方根误差在正北、西北和正西风向时较小，范围为11.02°~18.22°，在西南和正南风向略大，范围为29.19°~31.86°，在东北、正东和东南风向较大，范围为37.94°~39.22°。将上述对比结果对照各浮标与海岸的相对位置，发现从陆地吹向海洋风向均方根误差较大，而从海洋吹向陆地风向均方根误差较小。

图 5

图 5. ASCAT近岸风场与美国西海岸近岸浮标风速和风向均方根误差风玫瑰图 (a) 风速均方根误差 (单位：m·s-1), (b) 风向均方根误差 (单位：(°)) Fig 5. Wind rose diagram of root mean square error between ASCAT coastal wind products and US West Coastal buoy observations (a) wind speed root mean square error (unit:m·s-1), (b) wind direction root mean square error (unit:(°))

中国近岸的8个气象浮标分布在中国渤海、黄海、东海和南海海域，南北跨度 (20.75°~39.25°N) 约为19°；东西跨度 (111.66°~122.75°E) 约为11°；离岸距离最小为8 km，最大为110 km (表 2)。ASCAT近岸风场与中国近岸各浮标的对比结果见表 5。

表 5

表 5 ASCAT近岸风场与中国近岸浮标对比 Table 5 Comparison between ASCAT coastal wind products and China nearshore buoy wind observations 浮标号 样本量 风速平均偏差/(m·s-1) 风向平均偏差/(°) 风速相关系数 风向相关系数 54558 204 1.33 136.10 0.94 0.06 54641 141 8.37 53.63 0.42 0.55 58573 274 2.48 36.27 0.87 0.77 58768 196 1.12 30.18 0.96 0.95 58951 173 1.27 38.04 0.97 0.78 59334 124 1.60 40.86 0.96 0.83 59515 137 1.15 26.92 0.98 0.93 59765 160 1.06 29.64 0.96 0.92

表 5 ASCAT近岸风场与中国近岸浮标对比 Table 5 Comparison between ASCAT coastal wind products and China nearshore buoy wind observations

在中国近海，ASCAT近岸风场与离岸一定距离的浮标观测风场一致性高，ASCAT近岸风场风速与离岸较近的浮标风速一致性较差，表现为ASCAT近岸风场风速与离岸距离最小的浮标54641观测风速相关系数仅为0.42，风速平均偏差为8.37 m·s^-1，ASCAT近岸风场风速一致性高与其他离岸距离在34 km以上浮标站的观测风速，相关系数为0.87~0.98，风速平均偏差为1.06~2.48 m·s^-1。

ASCAT近岸风场与中国近岸8个浮标风向对比结果相差大，与浮标59515平均偏差最小，其平均偏差为26.92°，与位于渤海海域的浮标54558平均偏差最大，其平均偏差为136.10°，也与位于渤海海域的浮标54641平均偏差较大，其平均偏差为53.63°，ASCAT近岸风场与其他浮标风向的平均偏差都在50°以内。位于渤海海域的浮标54558相关系数最小，其相关系数仅为0.06，可认为二者不存在相关性。ASCAT近岸风场与渤海海域的浮标54641风向相关系数略高，为0.55，可认为二者存在相关。ASCAT近岸风场与其他浮标风向相关系数均在0.77以上，尤其是ASCAT近岸风场与浮标58768，59515和59765风向相关系数达到0.9以上，相关显著。除了浮标54558，ASCAT近岸风场与其他浮标相关系数均达到0.01显著性水平。

根据上述分析可知，ASCAT近岸风场与渤海海域的两个近岸气象浮标的风场观测结果差异大，ASCAT近岸风场与浮标54641观测风速的平均偏差为8.37 m·s^-1，为各浮标中平均偏差最大，风速相关系数为0.42，为8个浮标中相关系数最小。ASCAT近岸风场与浮标54558风速相关性很好，达到0.94，风速平均偏差小，为1.33 m·s^-1，但风向平均偏差为136.10°，风向相关系数为0.06，即不存在相关性，且统计结果显示有65%的情况ASCAT近岸风场风向与浮标54558风向相差180°左右，即方向刚好相反 (图 6)。由图 6可知，ASCAT近岸风场与浮标54558在南风方向的风向偏差最大，为126.8°，在西风方向的风向偏差最小，为94.6°。ASCAT近岸风场与浮标54641在西风方向的风向偏差最大为47.3°，在南风方向的风向偏差最小为26.6°。ASCAT近岸风场与这两个浮标的风向偏差在各方向的分布特征不一致，但总体来说与浮标54558在各风向上的偏差均较大，且比与浮标54641的偏差大，没有明显的方向性。ASCAT近岸风场与上述浮标的风向偏差及气温、海平面气压、经度、纬度相关关系不显著 (统计结果略)，其中与浮标54641观测风场偏差大是由于该浮标离岸近 (8 km)，小于ASCAT近岸风场的空间分辨率12.5 km；浮标54558离岸较远，为57 km，远大于ASCAT近岸风场的空间分辨率，因此不存在陆地信息干扰ASCAT反演精度。其原因仍需进一步探讨。

图 6

图 6. 2012年1—6月ASCAT近岸风场与中国渤海海域气象浮标平均偏差的风玫瑰图 (单位：(°)) Fig 6. Wind rose diagram of wind direction mean error between ASCAT coastal wind products and nearshore buoy data of Bohai Sea in China from January to June in 2012(unit:(°))

由表 6可知，2012年1—6月ASCAT近岸风场与中国近岸浮标时空匹配总的样本数为1409对，整体风速平均偏差为1.7 m·s^-1，风向平均偏差为32.73°，风速相关系数为0.92，风向相关系数为0.63。低风速 (不超过3 m·s^-1) 样本占总样本量的18%，剔除低风速样本，风速平均偏差降低9%，风向平均偏差减少44%，风速相关系数略有增加，达到0.93，风向相关系数从0.63增加到0.73，各相关系数均达到0.01显著性水平。因此，同美国西海岸浮标对比结果相似，剔除低风速样本可明显提高ASCAT近岸风场风向精度，但对风速精度影响不大。

表 6

表 6 根据风速等级划分的ASCAT近岸风场和中国近岸浮标对比 Table 6 Comparison result between ASCAT coastal wind products and China nearshore buoy wind observations according to wind speed 分类 样本量 风速平均偏差/(m·s-1) 风向平均偏差/(°) 风速相关系数 风向相关系数 全部样本 1409 1.70 32.73 0.92 0.63 风速不大于3 m·s-1 253 2.00 65.80 0.30 0.40 风速大于3 m·s-1 1156 1.55 18.20 0.93 0.73

表 6 根据风速等级划分的ASCAT近岸风场和中国近岸浮标对比 Table 6 Comparison result between ASCAT coastal wind products and China nearshore buoy wind observations according to wind speed

通过利用美国西海岸近岸7个浮标和中国近岸8个浮标的风场资料与ASCAT近岸风场产品进行对比分析，得到以下结论：

1) 在美国西海岸近岸海域，ASCAT近岸风场产品的风速与浮标观测风速一致性高，与逐个浮标的风速相关系数都在0.9以上，整体风速相关系数为0.94。

2) ASCAT近岸风场产品在美国西海岸近岸海域的精度存在空间差异，该空间差异与经度、纬度无明显关系，与离岸距离有关，表现为在离岸近的海域，ASCAT近岸风场产品与浮标观测风场的一致性较差。ASCAT近岸风场产品与浮标的总体风向相关系数为0.71，但ASCAT近岸风场产品与离岸距离最近的浮标风向相关系数仅为0.55。

3) 低风速 (不超过3 m·s^-1) 是影响ASCAT近岸风场产品中风向精度的一个主要因素。统计发现，将低风速剔除可明显提高ASCAT近岸风场产品精度，ASCAT近岸风场产品与浮标的平均风向偏差由21.89°减小到11.83°，风向相关系数由0.71增加到0.84。

4) 在中国近岸海域，ASCAT近岸风场产品与渤海海域的气象浮标观测风向差异大，与其他近岸海域的气象浮标的观测风场对比结果与美国西海岸风场对比结果相似。