引言

ASCAT散射计是一种垂直极化的C波段实测孔径雷达。ASCAT-A散射计搭载于欧洲航天局发射的Metop-A卫星，于2006年10月启用，ASCAT-B散射计搭载于Metop-B卫星，于2012年9月启用。目前ASCAT-A和ASCAT-B都已稳定运行, 两者风场质量都很接近，对于同一块区域来说，ASCAT-B的产品扫描时间大约比ASCAT-A晚将近1 h^[1]。ASCAT反演风场产品主要有分辨率25 km和12.5 km的海洋风场及12.5 km的近岸风场3种。由于海上观测资料较少，ASCAT风场产品成为重要的观测资料。

ASCAT风场资料在国外应用较早，国内近几年也有一些研究^[2-11]。张增海等^[6]对2010—2012年ASCAT与中国近海的18个浮标站风场进行对比，发现ASCAT风场产品有良好的可用性，但风速和风向都有一定的偏差。谢小萍等^[7]利用美国西海岸近岸浮标2012年全年和中国近岸8个浮标2012年1—6月的观测数据，检验发现：ASCAT近岸风向受离岸距离、风速和风向等因素的影响。姚日升等^[8]基于2010—2014年华东沿海浮标站和浙江沿海自动气象站资料，对华东沿海ASCAT反演风速进行检验和订正，研究表明：站点与ASCAT风速误差不仅与离岸距离相关，而且与站点周围地形有关。沈春等^[9]利用NCEP风场产品和dropsonde探测资料，对中国近海ASCAT风速反演精度进行验证分析发现：ASCAT风场与NCEP风场风速反演精度较一致，风向误差相对偏大。杨晓君等^[10]采用北方海域6个海洋观测站风资料对2009年3月—2013年6月ASCAT卫星反演洋面风资料进行了检验, 发现ASCAT反演洋面风与测站风向、风速偏差均较小，ASCAT洋面风资料在北方海域具有可信性，但当风力达到8级以上时ASCAT的可信度较低。总体来说，目前对于ASCAT风场的检验还相对初步，尤其是针对黄渤海的研究较少。本文利用山东的浮标站、海岛站和沿海自动站等实时观测资料对ASCAT风场适用性进行检验，为黄渤海海上大风的预报提供参考。

1 资料和方法

ASCAT风场产品中，近岸风场分辨率较高，与实况观测站距离较近，选取近岸风检验有利于增加样本的个数和提高可信度。文中对2013年1月1日—2014年12月31日期间ASCAT-A和ASCAT-B的12.5 km近岸风产品进行检验。

山东沿海观测资料比较丰富，除了浮标站还有海岛站和沿海自动站等观测资料。选取山东预报业务中应用较好的8个浮标站、海岛站和沿海自动站作为代表站(图 1，表 1)，其中，渤海、渤海海峡、黄海北部和黄海中部4个预报海区中各2个，利用小时最大风速和风向与ASCAT近岸风对应时次资料进行对比检验，来进一步研究ASCAT风场在山东海区的适用性。实况资料2013—2014年有部分日期缺失。

由于观测实况为站点数据，ASCAT风场为格点数据，根据最小距离法选取距离代表站最近格点的反演风与实况风对比，具体规则是选取与观测站点经度和纬度相差都在0.15°范围内并且距离最近的一个格点。ASCAT风场和实况的对比检验主要对平均偏差、平均绝对偏差和均方根误差^{[6, 12-13]}3个量进行。具体公式如下：

$ 平均偏差:\bar b = \sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{{C_i}}}{n}} $

(1)

$ 平均绝对偏差:\left| {\bar b} \right| = \sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{\left| {{C_i}} \right|}}{n}} $

(2)

$ 均方根误差:\sigma = \sqrt {\frac{{{{\left( {{C_i}} \right)}^2}}}{{n - 1}}} $

(3)

对于风速, C_i=A_i-B_i；对于风向，当A_i-B_i>180°, 则C_i=A_i-B_i-360°，当A_i-B_i < -180°, 则C_i=A_i-B_i+360°, 当-180°≤A_i-B_i≤180°, 则C_i=A_i-B_i。A为ASCAT近岸风的风速或风向值，B为观测站点的风速或风向值，i为第i个样本，n为样本量。

2 ASCAT风速和风向的对比分析

经过对8个代表站逐小时实况风场和ASCAT近岸风场进行样本挑选、计算及处理，得到2013年1月—2014年12月期间8个代表站样本分布(图 2)，总样本个数为5 590, 其中长岛最多，为1 339个，纪姆岛次之，为939个，日照浮标样本数最少，为210个，62.5%的站点样本数超过700。4个预报海区中渤海海峡样本数最多，黄海北部和渤海次之，黄海中部样本数最少。

2.1 风速对比

计算ASCAT近岸风速与8个代表站所有样本风速的相关系数^[14-15](表 2)，可以看出两者之间呈正相关。其中相关系数最大的是威海浮标，为0.6，成山头的相关系数也大于0.5，该2站观测风速与ASCAT近岸风有较好的相关性；其余6站的相关系数都在0.5以下，说明该6站与ASCAT近岸风对同一天气系统的响应速度不同。4个预报海区中，黄海北部的风速相关性最好，相关系数均超过了0.5，渤海、渤海海峡和黄海中部相关系数均低于0.5。

从代表站风速检验结果(图 3a)来看，对于平均偏差，威海浮标约为-0.4 m·s^-1, 其余7站全为正值，日照浮标平均偏差最大约为4.8 m·s^-1，其他6站平均偏差在0.2~2.7 m·s^-1范围内，说明ASCAT风速在山东大部分海区大于实况。对于平均绝对偏差和均方根误差，两者在代表站的分布特征基本一致，日照浮标的平均绝对偏差和均方根误差最大分别约为5 m·s^-1和5.7 m·s^-1，其余7站的平均绝对偏差和均方根误差在2.3~3.7 m·s^-1的范围内，均优于ASCAT风速与近海浮标观测风速的平均偏差4.9 m·s^-1[6]。综合来看，ASCAT风速在山东沿海是基本可信的。4个预报海区中，黄海中部风速偏差大于渤海、渤海海峡和黄海北部，说明ASCAT风速在渤海、渤海海峡和黄海北部适用性优于黄海中部。

2.2 风向对比

从代表站风向检验结果(图 3b)来看，潍坊港和凤城风向的平均偏差为正值，在4°~14°范围内；其余6站的风向平均偏差为负值，在-13°~-3°范围内。这说明ASCAT风向在山东海区偏差并不固定，有的区域较实况偏左，有的偏右。对于风向平均绝对偏差和均方根误差来说，日照浮标偏差最大，分别约为75°和90°，其余7站的风向平均绝对偏差基本分布在48°~67°范围内，均方根误差分布约在65°~85°范围内。总体来说，ASCAT风向在山东沿海平均偏差较小，但平均绝对偏差和均方根误差较大，说明ASCAT风向与实况风向有一定程度的偏离，需要订正后使用。4个预报海区中，黄海中部风向偏离程度大于渤海、渤海海峡和黄海北部, 说明ASCAT风向在渤海、渤海海峡和黄海北部适用性也优于黄海中部。

3 6级及以上大风和6级以下风速和风向特征分析

在日常海上风预报业务中，6级风是区分海上大风的标准，因此预报员比较注重对6级及以上大风和6级以下风的区分。本文将全部代表站所有样本根据实况风速区分为两类：6级及以上大风和6级以下风，分别与ASCAT风进行对比检验，以分析ASCAT风对不同强度风的表现能力。

3.1 6级及以上大风风速和风向特征分析

统计得到6级及以上大风的样本数分布结果：6级及以上大风样本数为397个，大约占总样本数的7.1%，其中威海浮标最多，为141个，成山头和纪姆岛次之，为86个，长岛、潍坊港、大汶流和日照浮标分别为43个、23个、14个和4个，凤城最少，为0个。因此对6级及以上大风的偏差检验主要针对样本数大于0的7个站点。4个预报海区中，黄海北部样本数最多，渤海海峡和渤海次之，黄海中部样本数最少。

从6级及以上大风风速检验结果(图 4a)来看，除日照浮标的平均偏差约为2.6 m·s^-1，其余6站平均偏差均为负值，在-4.1~-1.2 m·s^-1的范围内，7个站风速的平均绝对偏差和均方根误差在2.5~4.9 m·s^-1的范围内，当实况出现6级及以上大风时，ASCAT风速在山东沿海也基本可信。当实况出现6级及以上的风，4个预报海区中，黄海中部的风速偏差小于渤海、渤海海峡和黄海北部。同时，黄海中部ASCAT风速大于实况，渤海、渤海海峡和黄海北部ASCAT风速小于实况。

对于6级及以上大风风向(图 4b)，纪姆岛风向平均偏差约为-23°，大汶流、潍坊港和威海浮标的风向平均偏差也为负值，在-19°~-1°的范围内，其余3站均为正值，在0°~15°之间。分析平均绝对偏差和均方根误差，纪姆岛最大，分别约为47°和63°，成山头和日照浮标的平均绝对偏差和均方根误差均在17°和21°以内，其余4站两种偏差在24°~53°之间。可以看出，当实况出现6级及以上大风时，ASCAT风向与实况平均偏差也较小，并且平均绝对偏差和均方根误差比所有样本的小，说明当风速较大时，ASCAT风向与实况风向的偏离变小，可用性有所增强。4个预报海区中，黄海北部和中部的风向偏差小于渤海、渤海海峡，说明当风速较大时，ASCAT风向在黄海北部和中部适用性优于渤海和渤海海峡。

3.2 6级以下风速和风向特征分析

统计得到所有代表站6级以下风的样本数分布结果：6级以下风的样本数为5 193个，大约占总样本数的92.9%，长岛最多，为1 296个，纪姆岛次之，为853个，潍坊港、威海浮标、成山头、大汶流和凤城分别为810个、771个、669个、353个和235个，日照浮标最少为206个。4个预报海区中，渤海海峡样本数最多，黄海北部和渤海次之，黄海中部样本数最少。

从6级以下的风速检验结果(图 5a)来看，8个站的平均偏差均为正值，其中日照浮标最大，约为4.9 m·s^-1，其余7站的平均偏差在0.2~2.7 m·s^-1的范围内，说明当实况出现6级以下的风时，ASCAT风速在山东海区普遍大于实况。对平均绝对偏差和均方根误差来说，日照浮标偏差始终最大，分别约为5 m·s^-1和5.7 m·s^-1，其余7站分布在2.1~3.7 m·s^-1的范围内。相比于6级及以上的风，6级以下的风与ASCAT风速更为接近，说明ASCAT风速在实况出现6级以下的风的适用性优于6级及以上的风。4个预报海区中，黄海北部风速偏差小于渤海、渤海海峡和黄海中部。

从6级以下风的风向检验结果(图 5b)来看，潍坊港和凤城的平均偏差为正值，在4°~15°以内，其余6站的平均偏差在-14°~-3°的范围内。对于风向的平均绝对偏差和均方根误差来说，日照浮标偏差最大，分别约为77°和91°，其余7站偏差在51°~87°的范围内。可以看出，对于实况出现6级以下的风，ASCAT风向与实况平均偏差依然较小，平均绝对偏差和均方根误差依然较大且比所有样本和6级及以上风的都大，说明当风速较小时，ASCAT风向与实况风向的偏离变大，可用性有所减弱。4个预报海区中，黄海中部风向偏差仍然大于渤海、渤海海峡和黄海北部，说明当风速较小时，ASCAT风向在渤海、渤海海峡和黄海北部适用性优于黄海中部。

4 结论与讨论

利用2013年1月—2014年12月ASCAT近岸风与山东沿海8个代表站的实况风速风向进行对比，并进一步按照风力分两类进行了对比检验，得到如下结论：

1) ASCAT近岸风速与代表站实况风速正相关，风速平均偏差、平均绝对偏差和风速均方根误差范围都在可接受范围内，ASCAT近岸风速在山东沿海误差较小，有较好的适用性。

2) 对于风向来说，所有代表站的平均偏差较小，但平均绝对偏差和均方根误差较大，ASCAT近岸风向与实况有一定程度的偏离，需订正后使用。

3) 4个预报海区中，ASCAT近岸风在渤海、渤海海峡和黄海北部的适用性优于黄海中部。

4) 当实况出现6级及以上的大风，ASCAT近岸风速在山东大多数海区小于实况。风速平均绝对偏差和均方根误差的范围较为集中，ASCAT近岸风速仍然基本可信。对于6级及以上的大风风向来说，ASCAT风向与实况平均偏差也较小，并且平均绝对偏差和均方根误差比所有样本的小，说明当风速较大时，ASCAT风向与实况风向的偏离变小，可用性有所增强。

5) 当实况出现6级以下的风，ASCAT近岸风速在山东沿海大于实况。从风速平均绝对偏差和均方根误差来看，相比于6级及以上的风，实况出现6级以下的风时与ASCAT风速更为接近。对于6级以下的风向来说，ASCAT风向与实况平均偏差依然较小，平均绝对偏差和均方根误差依然较大且比所有样本和6级及以上风的都大，说明当风速较小时，ASCAT风向与实况风向的偏离变大，可用性有所减弱。