两种ASCAT散射计风产品的比较及评估

汪 栋，张 杰，范陈清，孟俊敏



两种ASCAT散射计风产品的比较及评估

汪 栋1，2，张 杰2，范陈清2，孟俊敏2

（1. 哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150006； 2. 国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛 266061）

摘要：基于浮标和步进频率微波辐射计（SFMR，Stepped-Frequency Microwave Radiometer）数据对NASA JPL（Jet Propulsion Laboratory ）和RSS（Remote Sensing Systems）公司分别发布的已广泛应用于全球海面风场观测的ASCAT（Advanced SCATterometer）散射计风产品进行了比较和分析。结果表明，两者风速在中低风速（＜15 m/s）时基本一致； 高风速（＞15 m/s）时RSS风速整体高于JPL风速。通过浮标数据对比，风速＜15 m/s时两者风速精度一致； 风速＞15 m/s时两者风速RMS相当，但JPL和RSS风速分别低估和高估。利用SFMR数据检验表明RSS风速与SFMR风速一致性更好。两者风向精度在低风速（＜5 m/s）时较低，但随风速增加而提高并趋于稳定。该研究结果对相关科研人员的ASCAT散射计风产品选择具有重要的指导意义。

关键词：ASCAT散射计； 浮标； 步进频率微波辐射计； 评估

海面风场的监测对于理解海洋-大气之间的相互作用以及开展海洋、大气领域的相关研究至关重要［1］。船舶、浮标等常规观测海面风场资料匮乏，且时空分布不均，难以满足各方面的需求。星载散射计为海面风场观测提供了一种具有独特优势的卫星遥感手段。

星载散射计向地球表面发射微波脉冲并测量后向散射功率，利用雷达后向散射系数对不同风速下海面粗糙度的不同响应以及多角度观测间接地反演海面风场信息［1］。欧空局（ESA，European Space Agency）于2006 和2012年分别发射了MetOp-A和MetOp-B卫星，它们搭载的ASCAT散射计代表了当前欧洲散射计的最高水准。其中，MetOp-A星ASCAT散射计自2007年5月起业务化运行至今。该散射计工作于 C波段（5.255 GHz），双刈幅，每个刈幅宽约 500 km，星下点间隙约700 km，入射角变化范围为25°～65°［2］。

美国航空航天局喷气推进实验室物理海洋学数据分发存档中心（NASA JPL PO.DAAC）［3］发布了利用皇家荷兰气象研究协会（KNMI）ASCAT风场数据处理器（AWDP）生产得到的ASCAT（Advanced SCATterometer）散射计风产品。Soisuvarn等［4］利用GDAS（Global Data Assimilation System）模型风场和QuikSCAT散射计风场与 ASCAT风场进行比较，结果显示中低风速时 ASCAT风速与 GDAS风速和QuikSCAT风速一致性好，但在风速＞15 m/s时ASCAT低估。Bentamy A等［5］将ASCAT风与QuikSCAT风进行匹配比较，显示了相似的结果。 Verspeek等［6］同样对ASCAT风进行了检验，与欧洲中期天气预报中心（ECMWF）风的比较显示风速存在约1.3 m/s的均方根（RMS）误差，风向误差约16°； 与浮标风的比较则显示了约1.8 m/s的RMS误差。Soisuvarn等［7］通过ASCAT 与QuikSCAT和WindSat风的比较研究发现， 当风速超过20 m/s时ASCAT观测风速对高风速敏感性明显降低，而ASCAT后向散射系数则仍对高风速存在敏感性，显示了ASCAT风产品的改进潜力，并基于 2002和2003飓风季期间的高分辨率机载散射计高风速数据研发了 CMOD5.H模型函数，改进了高风速条件下的 ASCAT风速反演。RSS（Remote Sensing Systems）公司是美国一家专业从事地球卫星微波遥感工作的公司，其专注于算法发展，仪器校准，海洋产品发展以及产品检验，重处理并发布了

［Foundation： National High-tech R&D Program （863 Program），No. SS2013AA091206，No. SQ2011GX06D05972； Civil Aerospace Technologies Advance Research Project，No. 2014090-090］

1 研究数据

1.1 ASCAT散射计风产品数据

本研究比较了分别由JPL和RSS发布的12.5 km网格分辨率的ASCAT散射计风产品，选取了2010年全年的数据。用于比较的风产品数据进行了质量控制，其中，JPL风产品选取风矢量单元质量标记（包括有效观测数量标记、噪底超阈值标记、陆地标记、海冰标记、降雨标记、风速超过30 m/s标记、风速小于3 m/s标记）有效的数据［9］； RSS风产品则选取风矢量单元存在 3个或以上观测数据且散射计没有观测到降雨的有效数据。

1.2 浮标数据

为评估两个风产品的精度，本研究使用了NDBC（National Data Buoy Center）、PIRATA（Pilot Research Moored Array in the Tropical Atlantic）、RAMA（Research Moored Array for African-Asian-Australian Monsoon Analysis and Prediction）和TAO（Tropical Atmosphere Ocean）浮标数据，所使用的浮标位置如图1所示。

图1 浮标位置示意图Fig. 1 Map of buoy locations

NDBC浮标主要分布于美国沿海地区、夏威夷周围以及墨西哥湾和加勒比海，主要采用美国R.M YOUNG公司的风速计观测风速，观测范围为0～62 m/s。本研究使用的数据为标准气象数据，风速精度为1 m/s或10%（取大者），风向精度为10°。PIRATA、RAMA和TAO浮标阵列分别位于热带大西洋、印度洋海以及热带太平洋，采用R.M YOUNG 05103风速风向传感器观测风速，最大观测风速为 60 m/s，在 1～20 m/s风速范围内风速精度为0.3 m/s或3%（取大者），风向精度为7.8°［10］。

1.3 SFMR数据

美国国家海洋和大气管理局飓风研究部（NOAA HRD）从1980年开始利用安装于NOAA/AOCWP-3D飞机上的SFMR估算飓风表面风速。SFMR是一个C波段星下点视向辐射计，以 6个独立频率（4.63，5.5，5.915，6.344，6.6和7.05 GHz）同时测量海面和大气的辐射，然后反演得到10 m高近海面风速，最高风速可达70 m/s以上［11］。Uhlhorn等［12］利用GPS下投式探空仪的观测风速对SFMR风速进行评估，得到偏差为2.3 m/s，在10～60 m/s风速范围内RMS为3.3 m/s。本研究利用2010年飓风季的SFMR数据检验飓风条件下ASCAT风产品高风速的精度。

1.4 数据处理

本研究使用的JPL和RSS风产品在相同观测时间内具有相同数量的风矢量单元，对应的风矢量单元位置偏差小于1 km，考虑12.5 km的网格分辨率，认为两个风产品位置是一致的。

利用浮标数据评估风产品精度时采用时空匹配的方法，时间和空间窗口分别选择30 min和25 km。各个浮标风速计安装高度不完全一致，ASCAT散射计风产品提供10 m高风矢量数据，因此利用Hsu等［13］提出的方法把浮标风速转换为 10 m高风速。利用SFMR数据评估产品高风速精度时同样采用时空匹配的方法，但由于匹配数据较少，时间窗口扩展为 1 h，空间窗口仍选择25 km。

2 结果与分析

2.1 JPL与RSS风产品数据的比较

本研究首先对JPL和RSS风产品2010年全年的数据进行了匹配比较，结果如图2所示。图2a显示风产品的中低风速（＜15 m/s）一致性相对较好，当风速＞15 m/s时，RSS风速整体高于JPL风速，且两者偏差具有随风速增加而增大的趋势。图2b的风向结果表明两个风产品的绝大部分风向基本一致，但存在部分风向偏差较大的数据。风向偏差接近 180°的数据由散射计风向模糊问题引起，其余较大风向偏差（接近90°）产生原因仍有待研究。表1中基于不同JPL风速区的风速统计结果显示了图2a中相同的风速变化趋势，风向结果则表明低风速时风向差异较大，但随着风速增加，风向差异减小并趋于稳定。

图2 JPL和RSS风产品比较结果Fig. 2 Comparisons between JPL and RSS wind products

JPL风速（m/s） 　　匹配点数 　　风速偏差（m/s） 　　风速RMS（m/s）0～5 　81100210 　-0.15 　0.38 5～10 　340458261 　0.07 　0.36 10～15 　138708690 　0.15 　0.40 15～20 　24686118 　1.36 　1.66 ＞20 　1255219 　4.18 　4.38全部 　586208498 　0.12 　0.54风向偏差（°） 　　风向RMS（°）0.63 　45.20 -0.21 　21.19 -0.31 　5.20 -0.35 　3.19 -0.34 　3.93 -0.12 　23.46

2.2 浮标数据对JPL和RSS风产品精度的评估

目前已有多位学者［4，6，14］对JPL风产品进行了评估，但暂未有较系统的 RSS风产品评估结果。利用NDBC、PIRATA、RAMA和TAO浮标数据定性检验的结果如图3所示。总体上，JPL和RSS风矢量与浮标数据一致性较好，但存在浮标风速较低而散射计风速明显偏大的现象，其中一个原因是部分匹配数据靠近海岸导致ASCAT散射计NRCS受到了污染。当浮标风速＞15 m/s时， RSS风速还存在略微过估的趋势； 风向方面则存在部分近 180°偏差的数据，由散射计风场反演时出现的180°风向模糊所导致。

风速/风向残差的直方分布均近似正态分布，分别拟合风速/风向残差的正态分布均值μ和标准差σ，并将残差绝对值大于2σ 的数据作为异常值，得到原始数据集（未做处理的匹配数据集）和有效数据集（剔除异常值后的匹配数据集）。分别对JPL和RSS风产品的两个数据集进行风速分段统计，得到表2和表3所示结果。

风速结果显示，低风速（0～5 m/s）时两者风速均高估，剔除异常值后RMS由相对较大的2.22 m/s下降为1.24 m/s，表明部分异常值严重影响了风速精度；中等风速 （5～15 m/s）时，两者风速偏差和RMS基本相同且较小，剔除异常值后RMS减小量值很小，表明该风速条件下 JPL和 RSS风速具有较高的精度；高风速条件（＞15 m/s）下出现了JPL风速低估，RSS风速高估的不同变化趋势，RMS则相差不大。但图3显示的风速主要集中于15～20 m/s风速范围（约占＞15 m/s风速范围匹配数据的 91.7%），对于更高的风速数据还需进一步检验。

图3 JPL和RSS风产品数据与浮标风数据的比较Fig. 3 Comparison between JPL and RSS wind products data and buoy wind data

风向结果显示两者风向总体上均没有明显的偏差，但部分异常值导致精度偏低，剔除异常值后风向RMS明显减小。不同风速区的统计结果显示了风向精度随风速增大而提高并趋于稳定的变化趋势。

其中，风速＜5 m/s时，原始数据集中风向RMS均大于47°，剔除异常值后仍都接近 30°； 当风速为 5～15 m/s时，两者风向 RMS明显减小，随着风速增加，风向精度进一步提高并趋于稳定。

注： 部分浮标存在风速有效而风向无效的数据，因此JPL风产品风速与风向的匹配点数量不一致，表3同； 另外，JPL和RSS风产品的风速和风向有效数据集根据各自原始数据集分别统计得到，因此匹配点数量也不一致。

表3 RSS风产品数据与浮标风数据的比较统计结果Tab. 3 Comparison between RSS wind and buoy wind measurements

2.3 SFMR数据对JPL和RSS高风速精度的评估

本研究利用2010年飓风季SFMR数据进一步评估飓风条件下 JPL和 RSS高风速的精度，得到图 4所示的风速散点比较结果。图中显示当风速＞15 m/s时，JPL风速即出现低估的趋势，而RSS风速低估趋势出现在约35 m/s。其中，图中椭圆标示的3个数据点的风速偏差异常偏大，可能是由飓风特殊的风场结构以及较长观测时间差导致。

ASCAT关于SFMR的风速残差随两者绝对观测时差的变化分布情况（图5）显示异常数据的绝对观测时差约为0.5 h或1 h。图4a和4b中3个相应的风速明显异常的匹配数据分别对应于图 5a和 5b中椭圆标示的数据。进一步研究发现，异常数据点均位于ASCAT观测风场的飓风风墙位置。考虑一般飓风眼20～30 km/h的移动速度、飓风的风场结构特征以及散射计数据12.5 km的网格分辨率，会出现散射计观测飓风最大风速区而SFMR观测风眼区的特殊情况，从而出现了上述异常数据。

以5 m/s和15 m/s风速为界分别对绝对观测时差小于1 h和0.5 h的匹配数据（剔除上述3个异常数据）进行统计分析，得到表4和表5所示结果。结果显示风速＜15 m/s时，JPL和RSS风速精度基本相同，与浮标检验结果趋势一致但精度偏低（0～5 m/s时匹配数据较少，不予讨论）； 风速＞15 m/s时SFMR检验结果与浮标检验结果存在明显的差异，JPL风速明显低估，且精度较低，而 RSS风速的精度虽然同样低于浮标检验结果，但其与 SFMR风速具有较好的一致性。需要注意的是，匹配数据中包含了较多风速＞20 m/s的数据（绝对时差＜1 h时占＞15 m/s风速范围匹配数据的80%，绝对时差＜0.5 h时占70%），而浮标统计时以15～20 m/s风速为主，因此SFMR和浮标检验结果的比较在本研究中只作为参考。

图4 JPL和RSS风速数据与SFMR风速数据的比较Fig. 4 Comparison between JPL and RSS wind speed data and SFMR wind speed data

图5 ASCAT关于SFMR的风速残差随两者绝对时间差的分布Fig. 5 Distribution of wind speed residuals with respect to time difference between ASCAT and SFMR

表4 JPL风速与SFMR风速的比较统计结果Tab. 4 Comparison between JPL wind speed and SFMR wind speed

表5 RSS风速与SFMR风速的比较统计结果Tab. 5 Comparison between RSS wind speed and SFMR wind speed

3 结论与讨论

本研究对JPL和RSS分别发布的两个ASCAT散射计风产品2010年的12.5 km网格分辨率沿轨数据进行了系统比较，并利用NDBC、PIRATA、RAMA 和TAO浮标数据以及SFMR数据对两个风产品进行了检验，得到以下结论。

1） 风速＜15 m/s时两者风速基本一致； 风速＞15 m/s时，RSS风速整体高于JPL风速。通过浮标数据对比，两者风速精度在风速＜15 m/s时几乎相同； 当风速＞15 m/s时，两者风速RMS相当，但JPL和RSS风速分别低估和高估。利用SFMR数据检验表明RSS风速与SFMR风速一致性更好。

2） JPL和RSS风向整体偏差不大，低风速（＜5 m/s）时风向精度低。随着风速增加，风向精度提高并趋于稳定。

3） SFMR数据检验ASCAT高风速时，考虑到飓风眼的移动以及特殊的飓风风场结构，时空窗口不宜过大。

关于高风速尤其是＞20 m/s风速的检验，本研究只使用了2010年的数据，数据量相对不够充分，后续将使用更多的飓风数据检验两个风产品的高风速精度。

致谢： 感谢NASA JPL PO.DAAC和RSS提供ASCAT散射计L2级风产品数据； 感谢NOAA提供NDBC、PIRATA、RAMA以及TAO浮标数据； 感谢NOAA HRD提供SFMR数据。

参考文献：

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（本文编辑： 刘珊珊）

中图分类号：P732.1

文献标识码：A

文章编号：1000-3096（2016）04-0108-08

doi：10.11759/hykx20150508002

收稿日期：2015-05-08； 修回日期： 2015-06-29

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）（SS2013AA091206，SQ2011GX06D05972）； 民用航天技术预先研究项目（2014090-090）

作者简介：汪栋（1988-），男，浙江绍兴人，博士研究生，主要从事海洋遥感应用研究，电话： 18765959154，E-mail： wangdong88_12@163.comQuikSCAT散射计、AMSE2/AMSRE辐射计、SSMI/ SSMIS辐射计等遥感数据，且得到了广泛的应用。RSS基于欧洲气象卫星应用组织（EUMETSAT） L1B σ0产品以及SSM/I和SSMIS风速研发了C-2013 GMF［8］，并用于生产 ASCAT风产品，一定程度上改进了ASCAT高风速反演精度。本研究基于浮标和SFMR （Stepped-Frequency Microwave Radiometer）数据对JPL和 RSS发布的两个风产品进行了比较分析，以评估两个风产品的精度。

Comparison and evaluation between two versions of ASCAT scatterometer wind products

WANG Dong1，2，ZHANG Jie2，FAN Chen-qing2，MENG Jun-min2
（1. School of Electronics and Information Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150006，China；2. First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China）

Received： May 8，2015

Key words：Advanced SCATterometer （ASCAT）； buoy； Stepped-Frequency Microwave Radiometer （SFMR）； evaluation

Abstract：Advanced SCATterometer （ASCAT） wind product data has been widely used in the observation of global sea surface wind fields. In this study，two ASCAT wind products one released by the NASA Jet Propulsion Laboratory （JPL） and the other by Remote Sensing Systems （RSS） company are compared and analyzed on the basis of buoy data and Stepped-Frequency Microwave Radiometer （SFMR） data. A comparison between these two products shows good agreement at low to moderate wind speeds； however，there is an increase in the wind speed of RSS at speeds of higher than 15 m/s with increasing wind speeds，compared to the performance of JPL. A comparison of buoy data shows an almost identical accuracy for the two wind speed products when the wind speed is lower than 15 m/s. In addition，their RMS is consistent at higher wind speeds （＞15 m/s），although JPL and RSS wind speeds are underestimated and overestimated，respectively. A comparison using SFMR data shows a better agreement for wind speed with RSS than JPL. The accuracy of the two wind direction products is low at wind speeds under 5 m/s；however，it improves and tends to be stable with increasing wind speed. These results provide important guidance for the selection of suitable ASCAT scatterometer wind products in associated research.