鐘劍，馬衛(wèi)民，姜，孫一妹

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431）

散射計海面風(fēng)場資料在遠(yuǎn)洋航天氣象保障中應(yīng)用方向探討

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431）

結(jié)合目前遠(yuǎn)洋航天氣象保障中關(guān)注重點及存在的弱點，創(chuàng)新嘗試引入高精度散射計海面風(fēng)場資料，探討散射計海面風(fēng)場資料在遠(yuǎn)洋航天氣象保障中應(yīng)用的可行方向，主要包括應(yīng)用于診斷海面風(fēng)場氣候統(tǒng)計特征、應(yīng)用于診斷熱帶氣旋生成預(yù)報預(yù)警、應(yīng)用于診斷熱帶氣旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征、結(jié)合數(shù)學(xué)非線性時間序列預(yù)報方法應(yīng)用于站點海面風(fēng)和海面風(fēng)場預(yù)報，總結(jié)相關(guān)方向關(guān)鍵技術(shù)的國內(nèi)外研究進(jìn)展，為下一步散射計海面風(fēng)場資料在遠(yuǎn)洋航天氣象保障中的深入應(yīng)用及國內(nèi)海洋二號衛(wèi)星散射計資料的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和方向支撐。

海面風(fēng)場；散射計資料；遠(yuǎn)洋航天氣象保障

1 引言

隨著我國對海洋資源和海洋權(quán)益的日益關(guān)注和重視，我國遠(yuǎn)洋活動不斷增加，尤其是隨著我國進(jìn)入航天發(fā)射的高峰階段，遠(yuǎn)洋航天活動越來越頻繁[1]。遠(yuǎn)洋航天活動一個重要關(guān)注點在于確保船舶航行安全的氣象保障。遠(yuǎn)洋航天氣象保障主要關(guān)注密切影響船舶安全和任務(wù)實施的氣象要素和天氣系統(tǒng)，其中，氣象要素主要包括海面風(fēng)場和海浪，天氣系統(tǒng)主要包括熱帶氣旋、冷空氣、溫帶氣旋和熱帶云團(tuán)強對流等。

目前，我國在遠(yuǎn)洋航天氣象保障主要依賴于數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品及衛(wèi)星云圖產(chǎn)品[2]。衛(wèi)星云圖僅僅能提供當(dāng)前大氣狀況的云圖特征，并不能提供天氣要素具體預(yù)報數(shù)值。數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品雖然能提供包括海面風(fēng)場、海浪等天氣要素的預(yù)報場，但目前遠(yuǎn)洋航天氣象保障中并未開發(fā)自主的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，而可用的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品仍然存在以下問題：一是依賴于國內(nèi)外各大數(shù)值預(yù)報中心發(fā)布，在某些情況下，并不能準(zhǔn)確按時接收各種數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，影響氣象保障的效率和準(zhǔn)確性；二是國外產(chǎn)品缺點在于分辨率相對較粗，而國內(nèi)產(chǎn)品雖然分辨率相對較高，但預(yù)報精度相比國外產(chǎn)品仍然存在一定差距。同時，對于遠(yuǎn)洋航天氣象保障重點關(guān)注的熱帶氣旋天氣系統(tǒng)生成預(yù)報預(yù)警、熱帶氣旋結(jié)構(gòu)診斷等，其保障產(chǎn)品仍然有待進(jìn)一步豐富。尋找更多的高精度海面要素和熱帶氣旋預(yù)報產(chǎn)品是遠(yuǎn)洋航天氣象保障的一個重要研究發(fā)展方向。

衛(wèi)星散射計，能夠高精度提供海面風(fēng)場信息，為更好開展遠(yuǎn)洋航天氣象保障提供了一種可能。星載散射計為一種主動式微波遙感器，其通過測量海表后向散射回波信號強度可間接反演得到海面風(fēng)場信息。由于其具備全天候、大面積、近實時觀測的特點，衛(wèi)星散射計被認(rèn)為是目前獲取海面風(fēng)場的最理想遙感器[3]。同時，衛(wèi)星散射計特有的全天候觀測能力和受云雨影響較小的特性，使得其在極端天氣如熱帶氣旋和大風(fēng)浪情況下的應(yīng)用有著其它傳感器不可比擬的優(yōu)越性。隨著散射計資料海面風(fēng)場反演方法的改進(jìn)，其在無雨條件下的海面風(fēng)場反演風(fēng)速誤差達(dá)到0～2 m/s或風(fēng)速的10%，風(fēng)向誤差達(dá)到0°～20°。同時，通過合理構(gòu)建降雨對微波信號的影響，降雨條件下的海面風(fēng)場反演精度也不斷提高[3]。

雖然衛(wèi)星散射計目前主要用于反演海面風(fēng)場要素，但是遠(yuǎn)洋航天氣象保障中關(guān)注的眾多天氣系統(tǒng)和氣象要素等均與海面風(fēng)場的變化息息相關(guān)。如，災(zāi)害性天氣系統(tǒng)熱帶氣旋一個重要特征就在于海面風(fēng)場的變化，海浪的變化也主要受海面風(fēng)場的影響等[4]。散射計提供的海面風(fēng)場要素，不但能夠為氣象預(yù)報保障提供近實時海面風(fēng)場參考，同時，還可用以診斷其他一些遠(yuǎn)洋航天氣象保障中關(guān)注的要素和產(chǎn)品。目前，遠(yuǎn)洋航天氣象保障中尚缺少散射計海面風(fēng)場產(chǎn)品及其拓展應(yīng)用產(chǎn)品。

本文結(jié)合遠(yuǎn)洋航天氣象保障中存在的弱點，嘗試將散射計海面風(fēng)場資料引入到遠(yuǎn)洋航天氣象保障中，探討其在遠(yuǎn)洋航天氣象保障中應(yīng)用的可行方向，總結(jié)相關(guān)研究方向的目前國內(nèi)外研究進(jìn)展，以便為下一步散射計海面風(fēng)場資料在遠(yuǎn)洋航天氣象保障中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和方向支撐。

2 散射計海面風(fēng)場資料在遠(yuǎn)洋航天氣象保障中應(yīng)用可行方向

遠(yuǎn)洋航天氣象保障中重點關(guān)注氣象要素為海面風(fēng)場和海浪，天氣系統(tǒng)為熱帶氣旋、冷空氣、溫帶氣旋和熱帶云團(tuán)等；同時，目前遠(yuǎn)洋航天氣象保障中缺乏自主的數(shù)值天氣預(yù)報產(chǎn)品，在短時間內(nèi)也無法實現(xiàn)自主的數(shù)值天氣預(yù)報，并且包括熱帶氣旋生成和結(jié)構(gòu)診斷等相關(guān)保障產(chǎn)品仍有待進(jìn)一步豐富。

針對目前遠(yuǎn)洋航天氣象保障現(xiàn)狀，散射計海面風(fēng)場資料除了可以用于近實時分析包括臺風(fēng)、副高等在內(nèi)的天氣系統(tǒng)外[5]，在遠(yuǎn)洋航天氣象保障中應(yīng)用可行方向總結(jié)主要可包括：應(yīng)用于診斷海面風(fēng)場氣候統(tǒng)計特征、應(yīng)用于診斷熱帶氣旋生成預(yù)報預(yù)警、應(yīng)用于診斷熱帶氣旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征、結(jié)合數(shù)學(xué)非線性時間序列預(yù)報方法應(yīng)用于站點海面風(fēng)和海面風(fēng)場預(yù)報。下面將結(jié)合遠(yuǎn)洋航天氣象保障的關(guān)注重點和弱點對各個可行方向進(jìn)行闡述和探討。

2.1 海面風(fēng)場氣候特征統(tǒng)計

遠(yuǎn)洋航天氣象保障中，在每次遠(yuǎn)洋航行執(zhí)行任務(wù)前，對于特定時間段特定任務(wù)海域均要進(jìn)行氣象要素氣候特征統(tǒng)計，以便為更好開展氣象保障提供氣候特征參考和指導(dǎo)。目前，遠(yuǎn)洋航天氣象保障中進(jìn)行氣象要素氣候統(tǒng)計，主要依賴于歷史的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品資料。由于散射計海面風(fēng)場資料具有高精度的特性，將其應(yīng)用于診斷海面風(fēng)場氣候統(tǒng)計特征具有明顯的優(yōu)越性，也是散射計海面風(fēng)場資料服務(wù)于氣象保障的一個重要應(yīng)用方面。

國外方面，F(xiàn)ang等[6]針對中國南海區(qū)域，利用1°×1°的散射計海面風(fēng)場格點資料，開展了海面風(fēng)場線性趨勢特征研究和基于經(jīng)驗正交函數(shù)分解（EOF）分解的風(fēng)場年代際變化特征研究。He[7]利用3a的QuikSCAT散射計海面風(fēng)場資料，研究了西南太平洋區(qū)域的風(fēng)速概率分布特征。Chronis等[8]利用2000—2008年的12.5 km分辨率QuikSCAT散射計海面風(fēng)場資料，開展地中海和黑海海域的風(fēng)場季節(jié)平均統(tǒng)計特征研究和大風(fēng)極端事件統(tǒng)計特征研究，并分析兩者之間的聯(lián)系。Sathiyamoorthy等[9]利用印度的OSCAT散射計海面風(fēng)場資料，研究了2010年夏季季風(fēng)期間的季風(fēng)季節(jié)變率和主要模態(tài)特征。Collins等[10]利用QuikSCAT散射計資料診斷了西印度洋海域海面風(fēng)場局地尺度空間特征和年代際變化特征。

國內(nèi)方面，郭小鋼等[11]利用ERS衛(wèi)星散射計風(fēng)場資料，插值到1°×1°網(wǎng)格格點，研究了包括東北季風(fēng)和西南季風(fēng)隨緯度變化及風(fēng)應(yīng)力特征在內(nèi)的南沙群島海域的風(fēng)場特征。劉春霞等[12]利用QuikSCAT散射計資料，研究了南海的大風(fēng)頻數(shù)特征和海面風(fēng)場空間統(tǒng)計特征。楊亮[13]利用衛(wèi)星遙感散射計海面風(fēng)場資料，對西北太平洋海面風(fēng)場時空特征進(jìn)行了相關(guān)分析。沈春等[14]利用QuikSCAT散射計資料進(jìn)行經(jīng)驗正交函數(shù)分析和隨機動態(tài)分析，研究了中國南海海面風(fēng)場的變化特征。馬艷輝[15]利用QuikSCAT和ASCAT網(wǎng)格化時間序列數(shù)據(jù)，對南極周邊海域的海面風(fēng)場基本統(tǒng)計特征和經(jīng)驗正交函數(shù)分解統(tǒng)計特征進(jìn)行了分析。

以上分析顯示，散射計海面風(fēng)場資料已經(jīng)被廣大氣象學(xué)者應(yīng)用于開展海面風(fēng)場的基本統(tǒng)計特征和其它統(tǒng)計特征研究，但不同海域海面風(fēng)場統(tǒng)計特征并不相同，針對遠(yuǎn)洋航天氣象保障重點關(guān)注海域，開展基于散射計海面風(fēng)場資料的海面風(fēng)場氣候統(tǒng)計特征研究，其可為遠(yuǎn)洋航天氣象保障提供一種新的海面風(fēng)場氣候統(tǒng)計特征產(chǎn)品。

2.2 熱帶氣旋生成預(yù)報預(yù)警

由于遠(yuǎn)洋航天任務(wù)實施海域和時間可變性較小的特殊性，熱帶氣旋生成預(yù)報預(yù)警對遠(yuǎn)洋航天氣象保障顯得更加尤為重要，也一直是關(guān)注重點和氣象保障難點。在以往任務(wù)中，就曾多次遭遇熱帶氣旋生成可能影響任務(wù)實施和船舶安全航行的情形。尤其是對于在熱帶輻合帶或者西南季風(fēng)帶等熱帶云團(tuán)活躍條件下的情形，此時，由于熱帶云團(tuán)發(fā)展和消亡不確定性較大，數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品對熱帶云團(tuán)是否會發(fā)展生成熱帶氣旋有時會存在很大誤差，某些情況下對于熱帶氣旋生成診斷的時間有時很短，此時，如果熱帶氣旋生成位置和時間在任務(wù)實施海域和時間附近，為了更有利于領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行指揮決策，希望能盡早給出熱帶氣旋生成的預(yù)報信息。目前，航天遠(yuǎn)洋氣象保障中關(guān)于熱帶氣旋生成預(yù)報預(yù)警的產(chǎn)品有待進(jìn)一步豐富。

由于熱帶氣旋生成一個重要方面表現(xiàn)在海面風(fēng)場變化上，散射計海面風(fēng)場逐漸應(yīng)用于診斷熱帶氣旋生成預(yù)報預(yù)警。目前利用散射計海面風(fēng)場資料診斷熱帶氣旋生成主要包括兩種思想，分別為基于相對渦度思想和基于大尺度矢量場匹配思想。

Liu[16]和Katsaros等[17]最早通過分析QuikSCAT散射計海面風(fēng)場數(shù)據(jù)指出，在熱帶擾動被美國國家臺風(fēng)中心（National Hurricane Center，NHC）判定為熱帶氣旋前24 h，散射計海面風(fēng)場資料具備明顯的環(huán)流特征。Sharp等[18]首次提出利用散射計海面風(fēng)場數(shù)據(jù)計算相對渦度，用于診斷熱帶氣旋生成。利用1999年和2000年多個臺風(fēng)個例進(jìn)行了初步診斷數(shù)值試驗，表明基于相對渦度思想診斷熱帶氣旋生成預(yù)報預(yù)警的可行性?；贙atsaros等思想，Hite等[19]和Gierach等[20]利用衛(wèi)星散射計海面風(fēng)場資料和靜止氣象環(huán)境衛(wèi)星資料，結(jié)合低層相對渦度和風(fēng)速診斷熱帶氣旋的生成。針對利用散射計資料計算相對渦度診斷熱帶氣旋生成，F(xiàn)ord[21]和Bourassa等[22]提出一種改進(jìn)的相對渦度計算方法，同時分析了相對渦度計算的主要誤差源。

同時，Jaiswal等[23]基于大尺度海面風(fēng)矢量場的匹配思想，提出一種可以克服基于相對渦度思想局限性的熱帶氣旋生成預(yù)報預(yù)警方法。其基本思想是，利用發(fā)展熱帶氣旋的海面風(fēng)矢量場具有相似特征，利用矢量塊匹配算法，匹配海面風(fēng)場與歷史數(shù)據(jù)庫中發(fā)展的熱帶擾動海面風(fēng)場信息，進(jìn)而診斷熱帶擾動是否發(fā)展成為熱帶氣旋。利用2007—2009年臺風(fēng)季的連續(xù)海面風(fēng)場資料開展試驗，結(jié)果表明，所有發(fā)展成為熱帶風(fēng)暴的14個熱帶擾動均被該方法有效診斷出來，同時，也存在兩個錯誤診斷個例，熱帶氣旋生成診斷時間基本在25～114 h之間。之后，Jaiswal等[24]利用該方法，基于印度海洋二號OSCAT散射計海面風(fēng)場資料，診斷了北印度洋海域的熱帶氣旋生成，2009年的11個熱帶氣旋數(shù)值試驗結(jié)果表明，其對應(yīng)的熱帶擾動全部被診斷出來，提前診斷出來的時間也基本在24～144 h之間（見圖1），平均為63 h，但也存在2%的錯誤診斷率[24]。

圖1 北印度洋2009—2011年歷史數(shù)據(jù)庫樣本熱帶氣旋個例的跟蹤時間（該時間為熱帶低壓系統(tǒng)被JTWC確定為熱帶風(fēng)暴時間與被算法診斷可發(fā)展成為熱帶風(fēng)暴時間之差，摘自參考文獻(xiàn)[24]）

以上分析顯示，散射計海面風(fēng)場資料應(yīng)用于診斷遠(yuǎn)洋海域熱帶氣旋生成預(yù)報預(yù)警具有一定的優(yōu)越性，但是針對不同海域，需要構(gòu)建相應(yīng)的熱帶氣旋生成預(yù)報預(yù)警模型，優(yōu)化診斷模型中若干關(guān)鍵參數(shù)。針對遠(yuǎn)洋航天氣象保障重點關(guān)注海域特點，開發(fā)基于散射計海面風(fēng)場資料的熱帶氣旋生成預(yù)報預(yù)警產(chǎn)品，并應(yīng)用于遠(yuǎn)洋航天氣象保障中，在提供一種新的預(yù)報保障產(chǎn)品的同時為更好開展熱帶氣旋生成預(yù)報預(yù)警保障提供一種可能。

同時，對于散射計海面風(fēng)場資料診斷熱帶氣旋生成，目前算法中仍然存在一定的錯誤診斷率，且對于某些熱帶氣旋個例，其預(yù)報預(yù)警時效仍然相對較短（見圖1），而對于這些個例，往往是遠(yuǎn)洋航天氣象保障中氣象保障的難點。

2.3 熱帶氣旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征診斷

熱帶氣旋特定風(fēng)速半徑、臺風(fēng)中心位置在某些特殊情況下也是遠(yuǎn)洋航天氣象保障的重點。如，2016年遭遇的一次在發(fā)展的熱帶氣旋附近實施任務(wù)的情形，在這種情況下，目前主要通過密切關(guān)注衛(wèi)星云圖的變化、雷達(dá)觀測資料及常規(guī)觀測資料的變化來診斷熱帶氣旋的發(fā)展變化，在定量確定熱帶氣旋某一風(fēng)速影響范圍等方面仍然存在欠缺，不利于更好準(zhǔn)確判斷熱帶氣旋對船舶的影響程度。隨著散射計增強高分辨資料的出現(xiàn)以及反演海面風(fēng)場精度的不斷提高，散射計海面風(fēng)場資料逐漸應(yīng)用于診斷熱帶氣旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。

國外方面，Magnan[25]利用NSCAT 25 km分辨率散射計海面風(fēng)場資料，針對西北太平洋9個熱帶氣旋個例，開展計算熱帶氣旋關(guān)鍵風(fēng)半徑和熱帶氣旋尺度大小研究，表明散射計資料可用以估計熱帶氣旋中心，且估計的關(guān)鍵風(fēng)半徑與美國聯(lián)合預(yù)報預(yù)警中心（Joint Typhoon Warning Center，JTWC）產(chǎn)品具有很好的一致性。之后，QuikSCAT增強2.5 km分辨率資料出現(xiàn)，能夠呈現(xiàn)出更加細(xì)致的熱帶氣旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息（見圖2）。Halterman等[26-27]利用該高分辨率海面風(fēng)場資料，通過與25 km分辨率資料對比分析表明，2.5 km分辨率資料能夠有效監(jiān)測熱帶氣旋的內(nèi)核大小和結(jié)構(gòu)以及是否存在中心眼墻等特征，而這些在25 km分辨率資料中往往無法體現(xiàn)。同時，2.5 km分辨率資料在熱帶氣旋環(huán)流中心定位方面比25 km分辨率資料精度也更高。Said等[28]利用QuikSCAT 2.5 km高分辨率散射計海面風(fēng)場產(chǎn)品，開展估計熱帶氣旋中心和風(fēng)半徑的研究。結(jié)果表明，與熱帶氣旋最佳路徑相比，估計的熱帶氣旋中心平均誤差只有19 km，標(biāo)準(zhǔn)偏差為10 km。同時，文中提出了一種利用散射計海面風(fēng)場資料自動估計風(fēng)速半徑的方法。

同時，國內(nèi)方面，還局限于利用粗分辨率的散射計資料估計熱帶氣旋中心的研究。Zou等[29]研究了采用搜索QuikSCAT反演風(fēng)向的渦旋中心，風(fēng)速或后向散射系數(shù)的臺風(fēng)中心區(qū)域在局部最小值點的方法定位獲得臺風(fēng)中心位置信息。Zhong等[3]利用QuikSCAT散射計海面風(fēng)場資料，構(gòu)建了自動搜索確定臺風(fēng)中心的相關(guān)流程，并利用一次熱帶氣旋多個觀測時次散射計資料進(jìn)行了數(shù)值試驗，驗證了該方法的有效性。

圖2 25 km分辨率和2.5 km增強分辨率下2007年8月臺風(fēng)“Dean”的風(fēng)速和風(fēng)向圖（摘自參考文獻(xiàn)[29]）

以上分析顯示，散射計海面風(fēng)場資料可用于診斷熱帶氣旋路徑信息，同時，高分辨率的散射計海面風(fēng)場還可用于診斷熱帶氣旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，在獲取高精度散射計海面風(fēng)場資料后，將其應(yīng)用于診斷航天遠(yuǎn)洋海域熱帶氣旋結(jié)構(gòu)特征，可更加客觀準(zhǔn)確評估熱帶氣旋的影響范圍和影響大小，進(jìn)而更好服務(wù)于航天遠(yuǎn)洋氣象保障。

增強2.5 km高分辨率的散射計資料是通過一定的算法對正常25 km分辨率觀測資料提高分辨率生成[28]，因此，其不可避免存在一定程度的誤差，而這些誤差也會在一定程度上導(dǎo)致熱帶氣旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)診斷存在誤差。同時，須注意到，受散射計衛(wèi)星觀測的影響，散射計海面風(fēng)場資料一般對于某個海域一天只有1—2次的觀測資料，時間密度仍然相對有限。

2.4 站點海面風(fēng)和海面風(fēng)場預(yù)報技術(shù)

目前，遠(yuǎn)洋航天氣象保障中仍然缺少自主的預(yù)報保障產(chǎn)品，主要依賴于國內(nèi)外發(fā)布的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品和衛(wèi)星云圖等。在以往氣象保障中，仍然存在不能按時準(zhǔn)確接收數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品影響預(yù)報保障效能的情形。發(fā)展計算量較小、精度可靠的預(yù)報保障產(chǎn)品是遠(yuǎn)洋航天氣象保障的一個重要研究方向。同時，當(dāng)氣象保障人員關(guān)注站點或者日平均海面風(fēng)場預(yù)報時，此時，數(shù)值天氣預(yù)報計算量太大，利用高精度站點或日平均海面風(fēng)場資料時間序列，結(jié)合數(shù)學(xué)非線性時間序列預(yù)報方法開展海面風(fēng)場預(yù)報研究具有重要的研究價值，也是目前發(fā)展起來的散射計海面風(fēng)場資料的一個重要應(yīng)用方向。

More等[30]和Malmberg等[31]分別利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卡爾曼濾波方法開展站點海面風(fēng)預(yù)報研究。之后，由于遺傳算法相對傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性時間序列預(yù)報算法，具有可提供顯式預(yù)報方程的優(yōu)越性，逐漸廣泛用于海面風(fēng)預(yù)報。Basu等[32]最早利用北印度洋的in situ常規(guī)觀測和衛(wèi)星散射計觀測海面風(fēng)場時間序列資料，基于遺傳算法開展單站海面風(fēng)速預(yù)報研究。結(jié)果表明：該方法相對持續(xù)模型和自回歸模型具有明顯優(yōu)越性。Zhong等[33]結(jié)合奇異譜分析濾除時間序列噪音方法，驗證了遺傳算法在中國南海站點海面風(fēng)預(yù)報中的有效性，結(jié)果顯示，3個站點對于緯向風(fēng)和徑向風(fēng)的1～4 d預(yù)報誤差分別在1.24～1.95 m/s、1.4～2.11 m/s、1.68～2.80 m/s及2.15～3.51 m/s之間，不同站點由于海面風(fēng)包含的噪音不同而可預(yù)報性和預(yù)報誤差并不相同。

通過結(jié)合經(jīng)驗正交函數(shù)分解方法，Sharma等[34-35]分別針對阿拉伯海海域和孟加拉灣海域，利用散射計海面風(fēng)場資料，將遺傳算法應(yīng)用于區(qū)域海域海面風(fēng)場預(yù)報研究。研究表明：對于5 d內(nèi)預(yù)報，其相對于持續(xù)模型具有優(yōu)越性。同時，Basu等[36]針對整個北印度洋海域（包括阿拉伯海和孟加拉灣），開展基于遺傳算法和經(jīng)驗正交函數(shù)分解的散射計海面風(fēng)場1～4 d預(yù)報研究，通過與浮標(biāo)觀測資料對比，顯示出令人振奮的結(jié)果。結(jié)果顯示，對于北印度洋大部分海域，1 d預(yù)報誤差在1.5 m/s左右，3 d預(yù)報誤差也基本維持在1.5～2.0 m/s量級，4 d預(yù)報誤差在3 m/s量級，且均在4 m/s以下（見圖3）。同時，孟加拉灣海域的預(yù)報誤差相對阿拉伯海海域要更大。需說明的是，遺傳算法開展站點海面風(fēng)和海面風(fēng)場預(yù)報，相對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性時間預(yù)報算法另一重要特征在于計算量小，且一次構(gòu)建預(yù)報模型后可長時間應(yīng)用。

以上分析顯示，將散射計海面風(fēng)場資料應(yīng)用于站點海面風(fēng)或海面風(fēng)場預(yù)報具有潛在應(yīng)用價值，但是對于不同站點或不同海域、及不同的觀測資料，所構(gòu)建的海面風(fēng)或海面風(fēng)場預(yù)報模型是不相同的。針對遠(yuǎn)洋航天氣象保障重點關(guān)注站點或海域特點，利用高精度散射計海面風(fēng)資料，構(gòu)建其相應(yīng)的站點海面風(fēng)或海面風(fēng)場預(yù)報模型，可為其遠(yuǎn)洋航天氣象保障提供一種自主開發(fā)的新的海面風(fēng)預(yù)報產(chǎn)品，在豐富海面風(fēng)預(yù)報產(chǎn)品的同時可為進(jìn)一步提高海面風(fēng)預(yù)報精度提供一種可能。

須注意到，利用散射計海面風(fēng)場資料，基于遺傳算法的站點海面風(fēng)或海面風(fēng)場預(yù)報中，海面風(fēng)場資料時間序列的噪音是影響算法有效性的一個重要因素，這也是前人研究中不同站點和不同海域的預(yù)報誤差不相同，有時差異還較大的原因。對于某些海面風(fēng)場資料時間序列噪音較大的海域，該算法的預(yù)報誤差可能會相對較大。同時，該算法對于冷空氣或者熱帶氣旋等惡劣天氣引起的海面風(fēng)突然增大的情況下的預(yù)報精度都還有待進(jìn)一步考究。

圖3 北印度洋海面風(fēng)場預(yù)報均方根誤差分布（單位：m/s，摘自參考文獻(xiàn)[37]）

3 總結(jié)和展望

本文針對散射計海面風(fēng)場資料在遠(yuǎn)洋航天氣象保障中的應(yīng)用，總結(jié)歸納了4個可行應(yīng)用方向，包括應(yīng)用于診斷海面風(fēng)場氣候統(tǒng)計特征、應(yīng)用于診斷熱帶氣旋生成預(yù)報預(yù)警、應(yīng)用于熱帶氣旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征診斷、結(jié)合數(shù)學(xué)非線性時間序列預(yù)報方法應(yīng)用于預(yù)報站點海面風(fēng)或海面風(fēng)場。對其相關(guān)可行應(yīng)用方向的國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行歸納總結(jié)，結(jié)合遠(yuǎn)洋航天氣象保障關(guān)注重難點，探討了在遠(yuǎn)洋航天氣象保障中應(yīng)用的可行性，可為下一步散射計海面風(fēng)場資料在遠(yuǎn)洋航天氣象保障中的深入應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和方向支撐。

這些方向的研究均與遠(yuǎn)洋航天氣象保障息息相關(guān)，如每次開展遠(yuǎn)洋航天氣象保障前，均需要對關(guān)注海域海面風(fēng)場等氣象要素特征進(jìn)行統(tǒng)計，以便預(yù)報員了解相關(guān)海域氣候特征，高精度海面風(fēng)場資料為氣候特征估計提供更好資料源；熱帶氣旋一直以來都是遠(yuǎn)洋航天氣象保障重點關(guān)注天氣系統(tǒng)，對熱帶氣旋生成預(yù)報預(yù)警更是目前遠(yuǎn)洋航天氣象保障中的薄弱環(huán)節(jié)，基于散射計海面風(fēng)場資料開展熱帶氣旋預(yù)報預(yù)警，可為診斷熱帶氣旋生成進(jìn)而更好開展熱帶氣旋預(yù)報保障提供一種可能；熱帶氣旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征是有效評估熱帶氣旋影響范圍和影響強度的重要方面，高精度散射計海面風(fēng)場資料可診斷熱帶氣旋結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而更好服務(wù)于航天遠(yuǎn)洋氣象保障；海面風(fēng)場一直以來都是影響遠(yuǎn)洋航天氣象保障的重要氣象要素，基于散射計海面風(fēng)場資料開展站點海面風(fēng)或海面風(fēng)場預(yù)報，可為遠(yuǎn)洋航天氣象保障提供一種新的預(yù)報產(chǎn)品。

同時，目前我國海洋二號衛(wèi)星散射計資料應(yīng)用大多還局限于應(yīng)用于數(shù)值天氣預(yù)報和海面風(fēng)場氣候統(tǒng)計，在其它方面的應(yīng)用還較少，本文中提出的4個可行應(yīng)用方向還可為海洋二號衛(wèi)星散射計資料在氣象保障中的深入應(yīng)用提供理論和方向支撐。

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Application of the wind field from scatterometer observations in ocean-going meteorology support

ZHONG Jian，MAWei-Min，JIANG Min，SUN Yi-Mei
（China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangyin 214431 China）

A new observation of wind field from scatterometer is introduced for ocean-going meteorology support to overcome the drawbacks in practice.Several research aspects are proposed,such as the diagnosing climate statistical characteristic of wind field,the tropical cyclogenesis,the inner structure of tropical cyclone,and wind point or wind field prediction with nonlinear prediction method.A detailed review on research advances of these directions is summarized.The research can provide the theoretical foundation and direction support for using the wind field from scatterometer especially for the HY-2 in oceangoing meteorology support.

wind field；scatterometer observation；oceangoing meteorology support

P732.1

A

1003-0239（2017）06-0008-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.06.002

2016-12-06；

2016-12-23。

國家自然科學(xué)青年基金（41605075）。

鐘劍（1984-），男，工程師，博士，從事海洋氣象水文要素預(yù)報和資料同化數(shù)值預(yù)報研究。E-mail：zhj_zhongjian@163.com