文摘

Oceansat-2卫星于2009年9月23日由印度空间研究组织(ISRO)。在这项研究中,历史存档OSCAT风矢量与全球泊浮标风观测,包括美国国家数据浮标中心(NDBC),热带海洋大气(道),试点研究停泊数组在热带大西洋(PIRATA),研究停泊数组African-Asian-Australian季风分析和预测(罗摩),和先进的散射仪(ASCAT)风OSCAT同期数据通过计算统计参数,即均方根误差(RMSE)偏见(平均残差),和相关系数(R)之间的配置数据。与全球停泊浮标表明OSCAT风矢量符合浮标的风速测量。的平均错误OSCAT风向量是1.20 m / s, 17.7°。OSCAT风矢量的分析错误在不同的垃圾箱的浮标风速1 m / s表明OSCAT风速的准确性先增加然后随风速增加而减小。OSCAT风向量和ASCAT风向量的比较表明,平均均方根的差异是1.27 m / s, 20.17°。一般来说,风OSCAT向量的精度满足一般散射仪的任务要求和符合ASCAT风数据。OSCAT风矢量的可用于全球变化研究结合其他散射仪数据。

1。介绍

海面风力驱动海水运动是一个重要的气象因素。海面风影响几乎所有的海洋动态过程从海面微尺度波到海洋环流。所以,海面风是至关重要的对于海洋的研究过程和改善海洋数据同化和天气预报的业务预测模型(1]。海面风地球物理变量来精确测量是很重要的。传统的风速仪风速空间和时间域差。卫星散射仪是一种广泛使用的技术测量全球海洋表面的风从空间同步。Seasat-A卫星散射仪(SASS)作为第一个卫星散射仪于1978年推出;从那时起,许多太空散射仪相继出现,如ERS-1/2 AMI, ADEOS-1 NSCAT, QuikScat Seawinds, ADEOS-2 Seawinds, Metop-A / B ASCAT, Oceansat-2散射仪(OSCAT) HY-2A走开,ISS-RapidSCAT等等。散射仪测量海洋表面的雷达截面,和数值反演地球物理模型的函数产生散射仪测量。因为散射仪不直接测量海面风和准确的观察海面风对全球海洋需要广泛的气象和海洋研究和全球气候变化研究中,验证所需的散射仪风矢量散射仪风数据的应用程序(2,3]。对现有的散射仪,等验证工作进行了NSCAT [4],AMI [5],QuikSCAT [6],ASCAT [7],HY-2A走开(8,9)通过比较散射仪风与原位测量浮标和船只。

Oceansat-2卫星于2009年9月23日由印度空间研究组织(ISRO)和ku波段铅笔光束散射仪(OSCAT)到极地附近的太阳同步轨道上的海拔720公里,当地时间98.25°倾角和下行穿越赤道的节点在中午12点±10分钟。OSCAT经历了不可恢复的故障和2014年2月20日停止工作。OSCAT全球风矢量数据的解析是50公里,25公里(2013年7月以来),12.5公里。OSCAT任务的目标是提供风力数据4 - 24 m / s, 2米/秒的精度和20°。几个验证OSCAT风的研究数据是由使用原位浮标数据和其他数据。OSCAT风矢量从2009年11月到2010年12月与罗摩和特里同浮标数据在印度洋和太平洋,结果显示风速在使命的精度要求,但风方向错误是高于任务要求(10]。OSCAT表面风2011年季风期(6)在阿拉伯海与两个泊浮标相比,结果表明,风速和风向的错误是小于2.5 m / s和20°,分别为(11]。对比表面风矢量形式OSCAT和全球停泊期间浮标从11月1日,2009年到2010年7月31日,表明RMSE约1.5米/秒的风速和风向的大约20°4-24 m / s的速度范围(12]。OSCAT风验证使用原位观测浮标和短期模型预估2011年季风,结果显示OSCAT风是在任务目标(13]。OSCAT海面风在印度洋在2011年根据罗摩浮标风进行验证,结果表明,风速和方向来自OSCAT同意罗摩浮标(风14]。海洋表面的风OSCAT验证了等效中性风从87年全球观测浮标和大风从ECMWF数值天气预报(NWP)模型使用三重搭配从2009年11月1日到2010年7月31日(15]。OSCAT风2010年数据与风速估计从杰森高度计16]。吴和陈17)验证OSCAT风力数据从2012年1月至2013年8月。所有现有的验证研究的部分OSCAT风数据周期不超过2年。

超过4年OSCAT风数据得到在整个的一生OSCAT从2009年9月23日到2014年2月20日。这些数据是很有用的对全球海洋表面风的研究。长期系列多源海洋表面散射仪风也在全球变化研究中所需的数据和气候数据记录(CDR)要求精度的一致性。所以,进行数据的准确性是非常重要的评估OSCAT海洋表面与原位测量风的风力数据在全球变化研究中的应用。摘要印花布存档OSCAT 2 b级海洋风矢量在12.5公里片复合材料从2010年1月16日到2014年2月20日与全球停泊浮标和ASCAT风数据,和OSCAT风数据的精度评估在不同的海洋和在不同的风速范围。

2。数据和方法

2.1。数据

2.1.1。OSCAT风数据

存档OSCAT版本2级2 b海洋风矢量在16 2010年1月至2014年2月20日在本研究中使用。这个级别2 b数据集产生的喷气推进实验室(JPL) QuikSCAT项目合作与印度空间研究组织(ISRO)。提供的海洋风矢量的非均匀网格片像素的分辨率为12.5公里。这项决议是通过一片复合技术,高分辨率切片测量从L1B数据合成为12.5公里的风矢量单元。OSCAT是ku波段(13.515 GHz)铅笔和两个不同的偏振光束扫描波束散射仪海洋表面以循环的方式在入射角度为48.9°(HH-polarization)和57.6°(VV-polarization)。这对应于重叠HH VV大片1400公里和1840公里宽,分别为(18]。OSCAT重复循环2天。任务的设计精度OSCAT风力观察2米/秒的风速和风向的20°4-24米/秒的风速范围。

2.1.2。浮标风数据

风观测数据获得同期OSCAT风能数据到96年从NDBC泊浮标,66泊浮标道/特里同,从PIRATA 18泊浮标,26日停泊浮标从罗摩被用于这项研究。这些浮标的位置如图1。浮标测量风的10分钟平均风速和风向的不同高度的海面。所以,浮标风被转换为10米中性风使用LKB模型(19)与OSCAT使浮标数据具有可比性。

2.1.3。ASCAT风数据

先进的散射仪(ASCAT) 25公里2级海面风的产品在同一时期OSCAT数据被用于这项研究。MetOp-A ASCAT装备和MetOp-B卫星于2006年10月19日和2012年9月17日由欧洲气象卫星开发组织(组织),分别。MetOp卫星在圆形轨道上有一段大约101分钟,98.59°的倾向,轨道高度800公里。ASCAT有两大片550公里宽,位于两侧的卫星轨道,相隔700公里。ASCAT风数据是由荷兰皇家气象学院(其中)海洋和海冰卫星应用设施欧洲气象卫星组织剥削(OSI-SAF EUMETSAT)项目。ASCAT风数据的验证表明,风速偏差之间−0.3∼0.3 m / s在不同的时间,和平均标准偏差的纬向和经向风速组件ASCAT风数据浮标风是小于1.6米/秒(20.]。

2.2。方法

OSCAT风数据的对比与全球停泊浮标和ASCAT观测主要是基于数据在时间和空间上的搭配。首先,OSCAT风数据集中的停泊浮标和ASCAT风数据获取quasisynchronous配置数据。OSCAT之间的搭配和系留浮标数据,OSCAT风矢量测量的空间平均是12.5公里×12.5公里的细胞,和浮标测量10分钟平均风速数据浮标的位置。这两个测量空间或时间同步。OSCAT风矢量细胞接近浮标的位置在空间(12.5公里)内的浮标数据最接近OSCAT观测时间(30分钟内)选择。OSCAT和ASCAT数据之间的搭配,空间上接近风细胞,观察10分钟内是并列的。OSCAT和ASCAT风矢量之间的最大距离细胞空间网格大小的一半,即。,6.25公里。其次,根据配置数据,统计参数与均方根误差(RMSE)偏见(平均残差),和相关系数(R)[2,3)——进行了计算,并提出了评价的准确性OSCAT风数据通过与停泊浮标OSCAT数据的比较和ASCAT风力数据直接。

3所示。结果与讨论

3.1。与泊浮标

历史存档OSCAT级别2 b 12.5公里海面风矢量在16 2010年1月至2014年2月20日与全球泊浮标的风力数据比较。因为OSCAT检索产生10米的等效中性风,风速记录下停泊浮标需要从观察高度转换为一个10米的高度中立等价的气氛。使用一节中提到的方法2。2、停泊的风速测量浮标在海面上方不同高度转化为等效中性风速度在10米的高度。假定风方向不会改变这种转换。数据对总计49414从96年NDBC浮标,从14569年的18 PIRATA浮标,8001年从26罗摩浮标,从66年和39495年道浮标并置的方法中引入部分2。2。最近的并置NDBC浮标从海岸约12.4公里,这是接近OSCAT风矢量的空间分辨率12.5公里。14.6%的配置NDBC浮标离岸距离小于25公里。的单独的比较集中的OSCAT这些浮标数据显示,没有土地OSCAT风数据的影响。散点图比较的风速和风向图所示2。一般来说,OSCAT风速和方向一致的停泊浮标除了有点高估OSCAT风速。

错误的统计参数OSCAT和泊浮标之间在表1。的偏见和rms OSCAT风速与不同泊浮标相比0.22∼0.34 m / s, 1.11∼1.24 m / s,和OSCAT风方向−0.61°∼0.68°和16.7°∼18.4°。总体平均偏差和rms 0.27 m / s, 1.20米/秒的风速和风向0.37°,17.7°,分别。相关系数表明,OSCAT风矢量和风泊浮标数据是一致的。OSCAT风速在太平洋(道浮标的区域)和大西洋(面积PIRATA浮标)比在沿海地区(NDBC浮标的面积)和印度洋(罗摩浮标的面积)。这种差别的一个可能的原因是,风更稳定的道和PIRATA浮标,和土地会影响风的高可变性的面积NDBC浮标由OSCAT没有感觉到。比较的风向,风的方向偏差极小为所有浮标观测相对风向2°的准确性。积极的偏见表明OSCAT-derived风向的风向观测浮标是正确的。一般来说,OSCAT风的数据有相似的精度不同的海洋。

为了分析对比OSCAT风矢量和泊浮标风在不同的风速,binwise偏差的变化,RMSE,残差(OSCAT减去浮标)垃圾箱的风速和风向浮标1米/秒的风速图所示3。广场和偏见和rms竖向线条图,分别。集中的风力数据主要分布在4∼12 m / s的速度范围。在风速的情况下比较,风速的整体偏差接近0。积极或消极偏见显示一个高估或低估OSCAT在低风速的风速(小于5 m / s)和大风速(超过13不同浮标∼19米/秒)。风速减小的rms增加风速当风速小于9米/秒,然后增加风速超过9米/秒。的准确性OSCAT风速增加然后随风速增加而减小。沿海地区的风速残差(NDBC浮标的面积)比大海更大(剩下的浮标的区域)。增加风速的风速残差减少。一般来说,OSCAT风速高于泊浮标风速。 In the case of the wind direction comparisons, the wind direction biases are very close to 0°, showing the consistency between OSCAT and buoy wind directions. The RMSE of the wind direction overall decreases with increasing wind speed. The wind direction residuals in the coastal area (area of NDBC buoys) are larger than that in the open sea (area of the remaining buoys), but it decreases with the increasing wind speed. In conclusion, the accuracy of the OSCAT wind speed generally first increases and then deceases, while the accuracy of the OSCAT wind direction generally decreases with increasing wind speed. The accuracies of the OSCAT wind data are consistent for different moored buoys. In addition, the statistical parameters of wind speed and direction residuals (OSCAT-buoy) at different times are shown in Figure4。结果表明,OSCAT风数据随时间是稳定的。

了解大量的整个可能的配置数据范围的海面风、概率分布函数(pdf)集中的数据绘制的风速和风向,如图5。pdf的分布行为OSCAT和浮标的风速和风向意味着他们的一致性,和他们有相似的特征。OSCAT风速直方图和浮标速度小于10 m / s对NDBC轻微偏移,PIRATA,罗摩浮标,表明积极的偏见OSCAT风速。OSCAT高估了浮标的风在低风速如上橡皮。

3.2。与ASCAT

为了分析的准确性OSCAT风矢量对全球海洋领域没有风原位观测,OSCAT风矢量与ASCAT风矢量已被证明是高度准确的期间从2010年1月16日到2014年2月20日。集中的数据对OSCAT和ASCAT风矢量的方法中引入部分2。2是140万多,他们定位在高纬度地区,如图6的散点图比较如图7。

这是显示在图7风速和风向派生的OSCAT与ASCAT是一致的。散点图的风向比较表明,有一些差异之间的180°OSCAT ASCAT风向。180°差别的原因是180°的存在歧义在一些派生的风方向散射仪。风向的180°歧义意味着风方向散射仪对检索到的真正的风向。OSCAT和ASCAT风矢量之间的差异(OSCAT减去ASCAT)在不同的个月如图8。

风速之间的偏见和rms OSCAT和ASCAT−1.23∼−0.17 m / s, 0.62∼1.71 m / s和风向−10.00°∼16.23°和17.56°∼22.94°。总体平均风速和风向的偏见和rms−0.64 m / s, 1.27 m / s, 2.87°, 20.17°,基本上满足小于2米/秒的任务规范和20°。消极的风速偏差意味着OSCAT风速小于ASCAT,是因为海洋表面温度的影响OSCAT ku波段风检索。ku波段雷达后向散射对风场是敏感,这导致较低的风速在寒冷的海域(检索21](OSCAT-ASCAT集中的数据定位在高纬度地区)。这些表明OSCAT的一致性和ASCAT风向量,和他们有相同的风向量的精度。风速和风向的偏见OSCAT和ASCAT的区别在不同月份显示有一个年度周期信号关于风的速度和方向错误,如图8。这些结果的可能原因是海洋风的年周期变化导致年度误差的变化。

4所示。结论

卫星散射测量的一个重要手段来实现quasisynchronous收购全球海洋表面的风,和长期的全球海洋表面风数据序列是全球气候变化研究的重要数据源。OSCAT可以提供全球海洋表面风矢量。验证OSCAT风数据是很重要的数据的应用程序。本研究综合评估的整体历史存档OSCAT风矢量从16 2010年1月至2014年2月20日通过比较全球泊浮标和MetOp-A / B ASCAT风数据。首先,OSCAT风力向量相比,206年全球泊浮标(18 PIRATA 96 NDBC浮标,浮标,26罗摩浮标,和66道浮标)风数据,以及超过110000年的数据对配置的空间和时间尺度内12.5公里,30分钟。结果表明,总体平均偏差和rms的风速0.27米/秒,1.20 m / s和风向是0.37°,17.7°。这表明OSCAT风向量和浮标风数据之间的一致性。OSCAT风矢量的分析不同浮标的风速中的错误显示的准确性OSCAT风速增加然后随风速增加而减小。其次,OSCAT风矢量与ASCAT风矢量的空间和时间尺度内12.5公里和10分钟。超过140万年的数据对OSCAT和ASCAT风数据配置。 The differences (OSCAT minus ASCAT) are analyzed at the different months from January 2010 to February 2014. The results show that the overall average biases and RMSEs of wind speed and direction difference are between −0.64 m/s and 1.27 m/s and 2.87° and 20.17°, respectively. This indicates the consistency of OSCAT and ASCAT wind vectors.

一般来说,比较OSCAT风矢量的停泊浮标风和ASCAT风矢量数据显示,OSCAT风向量满足一般散射仪任务要求(< 2米/秒和20°),它们与ASCAT风数据一致。因此,OSCAT风矢量可用于海洋数值预报和全球变化的研究结合其他散射仪的数据。

数据可用性

的Oceansat-2散射仪、ASCAT和浮标数据及其搭配数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究得到了国家重点研发项目的中国(2016 yfa0600102和2016 yfc1401800)。作者要感谢喷气推进实验室的物理海洋学分布式有源数据中心(PO。OSCAT DAAC) NASA的分布数据,其中ASCAT分布的数据,和NOAA太平洋海洋环境实验室(PMEL) NDBC,道,PIRATA和罗摩浮标数据。