基于GMI辐射计资料分析南海风速分布特征

林冲 冯经汉 韩静

（1.海南省气象科学研究所 海南省海口市 570203 2.海口市气象局 海南省海口市 570203）

（3.海南省南海气象防灾减灾重点实验室 海南省海口市 570203）

1 引言

海面风场是海洋动力学的基本参数，是海洋和大气动量交换、热量交换的重要承载体，直接影响大洋表层物理量的变化。传统海洋风场主要是靠台站、浮标、船舶等传统方式进行常规观测，由于观测频次和探测范围无法实现对广阔海域的大范围、连续观测，因而利用这些传统观测资料绘画模拟整个海面的风场具有一定的难度[1-4]。

近年来，空间遥感技术的发展，使得高时空分辨率、覆盖全球、连续观测的卫星遥感资料的应用成为可能，而这些遥感资料的大量应用，有利于推动海洋气象事业的发展。卫星遥感监测方法的逐步成熟，为海面风的监测和研究提供了新的资料来源。目前可以观测海面风的传感器有微波散射计、微波高度计和微波辐射计[5-7]。在这些传感器中微波散射计可以测风速、风向，高度计和辐射计可以测风速要素，但在南海研究海风现状中前两者研究较多，在微波辐射计这块研究较少，正因为如此本文将利用辐射计资料研究，弥补南海多种资料分析海面风的缺失。

目前，国内外主要进行了散射计反演风场资料与浮标和船舶观测资料、岛屿站资料、海洋站资料等的检验。研究结果表明散射计矢量风风速在南海区域具有可信性。刘春霞[8]等主要分析了QuikSCAT 散射计矢量风资料的统计特征，得出QuikSCAT 矢量风在南海具有可信性，且南海主要盛行两种风，即冬季东北风和夏季西南风，东北风最大中心在巴士海峡、台湾海峡。

利用GMI 辐射计资料和最新的观测数据定量分析误差，而这些误差特征也是GMI 风场数据同化、融合所必须的。本文重点分析了GMI 辐射计风资料在南海海域的可信性和统计特征，并在此基础上利用辐射计月平均风场资料分析南海月平均风场特征。

综上所述，学者针对南海近海面风场做了较为系统的研究。但以往的研究时间跨度较短，数据资料空间分辨率较低，且仅风速标量值为统计对象，对于风场经纬向分量长期趋势研究相对较少。同时GMI 卫星遥感辐射计覆盖具有一定的局限性。因此，基于GMI辐射计资料分析南海月平均风速分布特征，详细对比GMI 辐射计资料与西沙永兴岛和珊瑚岛站实测数据的差异，并探讨了相关性拟合关系。

2 资料说明

2.1 辐射计资料

采用EARTH MICROWAVE DATA CENTER( http://www.remss.com/) 中GMI辐射计资料，该辐射计搭载全球降水测量（GPM）卫星，该资料自2014年3月开始投入使用，因此为考虑时间序列的分析性，取南海区域2015-2019 近五年的数据资料分析。

图1：南海地形图

图2：2015-2019年GMI 与永兴岛月平均风速分布

图3：2015-2019年GMI 与 珊 瑚岛月平均风速分布

图4：GMI 与永兴、珊瑚岛实测平均风速线性关系

GMI 是双极化，多通道，锥形扫描，无缘微波辐射计，具有频繁的重访时间。GMI 仪器的设计具有严格的校准精度要求，其精度要高于任何以前的微波卫星传感器，从而使该仪器可以用作微波辐射标准。其遥感数据为1440 列和720 行地图的第一个单元格的中心位于经度0.125 E 和纬度-89.875。第二个像元的中心是0.375 E经度，-89.875 纬度。数据值介于0 到255 之间。

表1：GMI 辐射与永兴岛实测月平均风速（m/s）统计值

表2：GMI 辐射与珊瑚岛实测月平均风速（m/s）统计值

图5：2015-2019年南海季节平均风速分布特征

（注：本文所提及南海是指经纬度为110-123°E ，0-25°N 区域）

2.2 台站观测数据

利用永兴岛和珊瑚岛台站2015年1月1日-2019年12月31日风速观测数据作为真实值，对GMP 搭载的辐射计资料进行辐射计风场产品进行检验和分析。

3 处理方法

MATLAB 编程处理GMP 卫星辐射计资料，取2015年1月1日-2019年12月31日遥感数据，由于遥感卫星资料的分辨率限制，有必要进行插值处理，并且进行误差分析：

最邻近插值邻插值即指在待插值经纬度处的风速插入映射到的与其最接近的经纬度的风速值。

为了定量的分析GMI 辐射计资料的真实性，对台站观测数据和海岛数据与GMI 辐射计观测数据进行样本统计，定义xi为GMI观测值，yi为台站数据，N 为样本总数，则

4 数据验证

由于台站数据一个月内内记录了多少个风速值，故需要对每一个月内的时间与GMI 辐射计时间进行匹配，得到最接近辐射计的台站数据。在空间上，取与台站数据相同经纬的GMI 辐射计网格点进行比对，由于卫星遥感为网格点数据需要数值算法上进行插值处理。

4.1 风速对比分析

根据统计分析结果（表1、图2）显示，GMI 定点插值数据与永兴岛实测的月份平均风速数据对比可知，GMI 辐射计月平均风速为5.7m/s，永兴岛实测月平均风速为3.4m/s，总体卫星数据比岛站月平均风速偏大2.3m/s。相关系数除了3月份0.1 为弱相关外，1月份0.4 和10月份0.4 为中等强度相关，其他月份均大于0.7，相关性极好。

根据统计分析结果（表2、图3）显示，GMI 定点插值数据与珊瑚岛实测的月份平均风速数据对比可知，GMI 辐射计月平均风速为6.0m/s，珊瑚岛实测月平均风速为3.7m/s，总体卫星数据比岛站月平均风速偏大2.2m/s。相关系数除了1月份0.6、6月份0.6 和9月份0.4，为中等程度相关外，其他月份均大于0.8，为强相关。

综上所诉，总体上GMI 辐射计平均风速比岛屿站平均风速偏大，平均高于岛屿站2m/s 左右，且全年逐月平均风速相关系数来看较大程度相关。其偏大的原因可能跟岛屿站地形、城镇化影响因素有关，另外GMI 资料的反演算法与实测风速机制的影响因子等，有待进一步的深入研究其影响原理。

4.2 相关性分析

根据图4 结果显示，GMI 辐射计风与永兴岛和珊瑚岛分别成y1=0.288x+1.7657 和y2=0.4696x+0.9475 关 系，其 中 永 兴 岛R2为0.283 相关程度较差，珊瑚岛R2为0.7933 相关程度较好。

永兴岛较差，可能跟近年来城镇化影响风速，以及岛屿站同海面风速存在一定差异有关，而珊瑚岛相比而言城镇化影响较小，总体而言其相关性可反映出GMI 辐射计风速数据得到了好的拟合。

5 平均风场分析

南海虽然地处热带，但仍受季风的影响，因此海面风速的变化会表现出一定的季变化特征，故在此就风速的季平均分布和变化特征进行分析讨论，以翼得出其分布和变化特征。

南海地处热带地区，热带海洋性季风非常明显，由于GMI 辐射计资料只能提供风速资料，因此本文利用GMI 辐射计月平均资料分析南海海面风场的月平均特征。如图5 所示。

春季（3-5月）风速场分布复杂，经向和纬向梯度均较大，在东北部有一风速最大值区，其趋势自东北向西南减弱，且由北往南风速逐渐减小，约在15°N 线以北较大，在海南岛西南部即东方市西边海域附近、台湾海峡和巴士海峡存在较高风速区，最大风速为7.6m/s，而东部和南部近岸有几处风速极小值，除此中部区域风速较小，但分布比较均匀。风速出现这一分布应与亚洲大陆的冷高压（东北季风）和副热带高压（包括南海高压）等多种尺度的天气过程有关。

夏季（6-8月）风速的分布与春季明显不同，风速场分布比春季均匀得多。但从总趋势看，表现为西强东弱。在110°E，10°N附近海区形成风速较大值区，最大风速为8.0m/s。而风速增大的海区正与副热带高压的夏季活动频繁区相对应，可见副热带高压的活动是影响南海夏季风速分布的主要原因。

秋季（9-11月）风速呈现出较为均匀得分布，但就整体而言，北部较大，南部较小，成东北-西南方向递减趋势。在台湾海峡和巴士海峡风速较大，最大风速为9.8m/s，在东南部和西南近岸海区也有两处风速分布较为均匀得7m/s 以上的较大面积的区域。秋季即是台风等气旋作用最强烈的时期，也是夏季风和冬季风转换的时期，因此风速的这种分布变化与多种因素有关。

冬季（12-2月）风速分布仍表现为北部大，南部小，并且大部分海区的风速值均是全年中的最大值。在东北海区风速最大，而在台湾海峡和巴士海峡风速为全年最大，且最大风速为12.5m/s，相比秋季风速分布的进一步加强，总体呈东北至西南走向，为哑铃状分布，与东南部陆岸线大致平行。冬季风速的分布主要是东北季风的强烈作用，南海高压对其也有一定的贡献。

通过上诉分析，发现在南海东北部从秋季开始平均风以东北风为主，从秋季到冬季逐渐增强，12月月平均风速达到最大并可持续到翌年3月，且一直存在东北风中心，到4月份此东北风中心消失，夏季5月份开始在越南东南部出现极大值中心在110°E，10°N 附近海区形成风速较大值区，即至直到9月份逐渐减弱，才重新开始出现东北风，11月份此处的东北风大风中心开始明显。由此看来，南海北部的大风中心主要体现了冬季风的影响，同时由于海峡的狭管效应致使巴士海峡和台湾海峡的风速值较大。亚洲高压不断减弱，副热带高压不断增强的趋势，风速也逐渐由强劲的东北风为主转变为较弱的东北信风为主，可见，南海风速的分布正是这些因素相互作用的结果。

齐义泉等利用GEOSAT 卫星高度计给出了南海四季风速分布特征，提出春季（2～4月）、秋季（8～10月）存在两个风速区即南海东北部海区自东北向西南方向逐渐减小的舌状高值区和110°E，11°N 附近的次大风速区。对照我们的各月风场的分析发现2月和10月明显具有此特征，较好印证符合了齐义泉等观点。

6 结果讨论

本文以近五年（2015-2019年）GPM 卫星携带的GMI 辐射计资料为依据，给出了南海海区风速季平均时空分布，并对比分析了GMI 辐射计风速与永兴岛、珊瑚岛月平均风速的分布特征及相关系数，初步得出以下结论：

（1）春季南海表面平均风速从南到北逐渐增加；夏季在越南沿岸部分海域仍有一个风速极大值中心，从该海域向四周逐渐减小；秋季由南北依次增加；冬季南海整片海域风速都较大，越南沿岸和我国东沙群岛海域（台湾海峡和巴士海峡）存在两个极大值中心。

（2）南海海面风速春、夏、秋季相差较小，冬季平均风速最大，比其他季节大1m/s 以上。南海北部的大风中心主要体现了冬季风的影响，同时由于海峡的狭管效应致使巴士海峡和台湾海峡的风速值较大。

（3）GMI 辐射计平均风速比岛屿站平均风速偏大，平均高于岛屿站2m/s 左右，且全年逐月平均风速相关系数来看较大程度相关。GMI 辐射风与珊瑚岛站实测风的相关性比永兴岛好，数据基本一致。

通过以上辐射计和台站资料的基础上，出现海面风和海岛台站之间风速的差异，有可能是辐射计风速对于岛屿风速的反演算法需要进一步优化改进，提高精度，同时也有可能是热力方面原因，具体机制原理有待后续的深入分析。