HY-2A/MetOp-A/Oceansat-2 散射计风场产品的验证和对比外文翻译资料

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HY-2A/MetOp-A/Oceansat-2 散射计风场产品的验证和对比

摘要：海表面风对于科学研究具有重要意义。在最近几年里，人们为了测量海面风发射了三种散射计，包括：气象军事卫星A（MetOp-A）和MetOp-B上搭载的先进散射计(ASCAT),海洋卫星-2散射计（OSCAT）和海洋二号散射计（HY-2A SCAT）。这些散射计的验证和对比是基于浮标风数据做出来的。来自于散射计的风数据和浮标风数据只有当空间差少于0.1度并且时间差少于5分钟时才能被收集起来。在丢弃掉五倍标准偏差之外的风向数据后，ASCAT风场产品在风向和风速上都表现出了很高的精确性，各自均方根差为0.86m/s和17.97度。HY-2A SCAT差一点能达到任务需求，风速均方根差为1.23m/s，风向均方根差为22.85度。OSCAT相比其他的散射计表现得不那么好。风速的均方根差为1.54m/s，风向的均方根差为39.86度，超过了任务需求的20度。此外，风向的均方根差表现了一种在浮标风速上的高低模式。无论如何，风速在14-15m/s时被认为是不正常的，原因仍然未明。风速和风向在浮标风速和交叉轨道风矢量位置的剩余误差在整个范围内都是没有系统从属的。任何散射计都没有发现季节性的变化。

关键词：散射计，风，验证，对比

1介绍

海洋表面风场数据在海洋环境预报中有着重要的地位。海洋观测的传统方法主要依赖调查船，浮标和气象站。无论如何，当面对完整海域的时候，风场产品有着明显的缺陷，比如说缺乏时间和空间分辨率等。在在这种环境下，ERS-1卫星搭载了微波散射计和其他传感器在1991年发射。从那时起，来自于散射计的风场产品就在科研中广泛使用了。

散射计并不是直接测量海表面的风的，而是被设计成确定海表面标准化雷达交叉的部分（sigma-0）。然后，sigma-0的价值被用于计算海表面10m高度的风。

在过去的几年里发射三种散射计来提供海表面风场产品。除2011年发射的HY-2A SCAT之外，MetOp-A和MetOp-B搭载的ASCAT在2006年和2012年被欧洲航空机构发射，OSCAT在2009年被印度航空研究机构发射。

HY-2A SCAT是一个旋转笔形波束雷达在13.256GHz的Ku波段上工作。它有一个一米的双波束反射器天线。外面的波束是垂直（VV）极化，刈幅为1750km。内部的波束是水平（HH）极化，刈幅为1350km。HY-2A SCAT被用于增加散射计风测量的时间抽样。目前，HY-2A SCAT的风场产品以25km的空间分辨率传送着。更多细节，请参照国家卫星海洋应用服务网站。

ASCAT是有着三个垂直极化天线在5.255GHz传播脉冲的C波段散射计。扇束天线就卫星轨道而言定向在45度，90度，135度。有两种观测刈幅，都是500km宽左右。海流ASCAT风场产品是在全球海洋上用两种空间分辨率提供的，12.5km和25km。ASCAT上的更多信息从欧洲气象卫星机构网站上可以获得。

OSCAT是一个印度航空研究机构设计发明的敏捷的微波传感器。这个器械是一个工作在13.515GHz的Ku波段的笔形波束风散射计。传感器内部波束刈幅1400km，外部波束刈幅1840km。目标是提供覆盖全球范围的海洋和风矢量的检索，在回访时间为两天的情况下。现在，能够生产出两种类型的空间分辨率为25km和50km的风场产品。参考印度航空研究组织网站以获得更多细节。

为了帮助对比这三种器械，表格一展示了一些主要的HY-2A SCAT ASCAT和OSCAT的参数。

几个工作评价了来自散射计的风场产品的质量。一般来说，这些产品的验证是使用浮标数据，研究船和其他卫星传感器。Ebuchi等人验证了QuikSCAT风场产品并且发现他们与浮标数据十分相符。Bentamy等人凭借浮标和QuikSCAT的风矢量观测评价了ASCAT的测量。Mathew等人把OSCAT与Jason-2高度计风场产品进行对比。王等人使用原位测量的方法评价了HY-2A SCAT前六个月的风场产品。除了验证，一些工作还对比了这些散射计的表现差异。Bentamy等人将ERS-2和QuikSCAT的风互相比较，揭露了QuikSCAT风矢量估计得很好比起ERS-2的风场产品。Rani等人用浮标观测对比Oceansat-2和ASCAT的风，并且表示出ASCAT比OSCAT更精准一点。

在本文中，HY-2A SCAT，ASCAT和OSCAT风场产品的验证和相互比较是使用浮标测量的。第二节描述了数据来源和过程方法。第三节给出了验证和相互对比的结果。最后结论在第四节被给出。

2数据和方法

2.1来自于散射计的风数据

比对的完成需要一个长时间的时期，从2012年1月到2013年的8月。我们需要空间分辨率25km，2B级的风产品。因为缺少OSCAT 2B级25km空间分辨率的风产品，我们用了50km分辨率的产品来替代。此外，只有MetOp-A上的ASCAT风产品被使用。所有产品包括相同的风速和风向的测量。

散射计数据包括不同来源。HY-2A SCAT风产品是来自于国家卫星海洋应用服务中心。EUMETSAT 海洋和海冰应用设备通过EUMETSAT数据中心提供ASCAT风数据。印度航空研究组织再生了OSCAT的2B级风数据，包括来自于国家遥感中心。

2.2浮标数据

浮标提供了持续的一般平均10分钟一次的风向风速数据。质量控制的数据可以在国家浮标数据中心下载。所有浮标都是系泊的。他们在沿岸和离岸的水中被有效利用，从大西洋西部到夏威夷附近的太平洋，从白令海到南太平洋。我们选择了43个浮标用作研究。图像1展示了被选中的浮标的位置。浮标上的高度计的高度在水平面上5或10m，并且所有的浮标都离岸至少50m。

2.3方法

因为来自于散射计的风产品是等价中立的风矢量在海平面10m的高度，一些浮标必须要转化。风轮廓能量公式展示了某一高度风速和另一高度风速间的关系。公式表达式为 （1）

u是在高度z（m）处的风速（m/s），是参考高度上的已知风速。参数（）是一个随大气稳定性变化的经验系数。开阔水域，大约为0.11.

用到的统计学参数是偏差和均方根差。计算公式为

（2）

（3）

A代表散射计测量，B浮标测量，N是收集数量。

对于验证来说，浮标测量是作为地面真实来服务的。我们首先建立一个过滤标准来配对。来自散射计的风和浮标风数据只有当空间差异小于0.1度，时间差异小于5分钟时，才被收集起来。然后，考虑到测量过程中可能的噪声，我们练习了更远的质量控制，只有当风速和风向都是五倍标准差时才收集。

互相比对是基于验证结果的。接下来的讨论对每种散射计给出了更好的理解。

3结果和讨论

3.1浮标比对

图像2展示了来自HY-2A SCAT,ASCAT和OSCAT的风产品与NDBC浮标风数据的比对。在数据过程后，HY-2A SCAT,ASCAT和OSCAT的收集数量各自为6702，8378和3809.

通常来说，来自于散射计和浮标风速之间有着很好的一致性（图像2的左边面板）。图像中间面板展示出的风向比对并不符合要求。无论如何，在5-15m/s的范围内，结果是改善的。风速，图像2a展现出HY-2A SCAT的风产品的均方根差为1.23m/s，偏差有点没有预期效果为0.36m/s.显然，HY-2A SCAT在风速检索上有着很好的表现，因为它的准确性在HY-2A SCAT 任务目标之内。ASCAT表现得比HY-2A SCAT还要更好，风速均方根差为0.86m/s，偏差为-0.07m/s（图像2d）。OSCAT有着最大的均方根差1.54m/s和最大的偏差0.38m/s.无论如何，比起任务目标的2m/s它也满足了需求。但是，风向，只有ASCAT结果满足了期望值，ASCAT均方根差为17.97度，偏差为1.6度（图像2f）。HY-2A SCAT离任务目标仅差一点，HY-2A SCAT均方根差为22.85度。然而，OSCAT结果在风向测量上展示出了很差的表现。图像2h显示OSCAT均方根差高达39.86度，远远高于任务目标的20度。这似乎与Rani等人得出的风向在目标内的结论不一致。这个差异可能是由于不同的收集标准引起的。散射计关于模式预报大于90度方向差异的风没有考虑被收集在Rani等人的研究中。这种收集标准是少见的并且没什么道理，因为它无疑提升了OSCAT的表现。此外，Rani等人只用了三个月的数据。从统计学的角度来说，要得到一个可靠的结论这可能有点太少了对比现在。如果只用了5-15m/s浮标风速数据，这结果是改善了的。ASCAT也展示出了高准确性，均方根差11.29度。HY-2A SCAT的均方根差降低到了20.14度，几乎满足了任务需求。尽管OSCAT有着很差的表现，当与整个数据范围做对比时，他还是改善了的，均方根差从39.86度降至29.20度。

为了获得不同散射计比对的更好的理解，一些高中低风速的统计学参数被计算出来（表格2）。很清楚的，ASCAT表现最好，因为所有范围它的均方根差和偏差最小。与之相反的，HY-2A SCAT和OSCAT准确性差一点，尤其是后者。而且，所有散射计在中间范围表现更好一点，因为观测的风向和风速的均方根差和偏差几乎最小比起其他风速区间。无论如何，风向检索在低风速（5m/s以下）表现不好。

3.2均方根差分析和残差

图像3展示了与浮标相对，HY-2A SCAT,ASCAT和OSCAT的风向和风速的均方根差。因为高风速收集的数量太小了，只使用了1-20m/s风速的浮标数据。对风速来说，在对比上没有明显的缺陷。图像3c在风速检索上展示出了ASCAT良好的表现，整个范围均方根差都在参考线下。中等风，HY-2A SCAT和OSCAT没什么差异。但是，低速下HY-2A SCAT表现的就不好了，而OSCAT在高速下表现得更差。对于风向来说，ASCAT又是表现最好的。如图3d所示，除了低风速，中等和高风速的均方根差都在参考线之下。HY-2A SCAT比起ASCAT表现得稍微不那么满意，因为任务目标仅仅达到风速带的一半（图像3b）。与之相反，OSCAT在风向检索中表现最差。整个范围都没有风速带满足了需求（图像3f）。结果也表示了三个散射计风向的一种高低模式。风向的均方根差在低风速自发降低了。除了一些不正常的带，在中高速观测到的是一个全部的弱波动。有趣的是，在14-15m/s有一个常见的异常带。这个带的均方根差比起旁边的带达到了顶峰。对浮标要做更多的调查去看它是否是由很少的任意浮标引起的，但是结果证明这个推测是虚假的。同时，根据陈的研究，从波涛支配到海风支配的转变是在14.2m/s，在那个不正常的带里。无论如何，目前，没有什么可以表明在这种转变和着突然的峰值之间有什么明显的关系，原因仍然未明。

图像4展现了风速和风向的残差对浮标风速关于HY-2A SCAT,ASCAT和OSCAT的依赖。只有1-20m/s的浮标风速数据被收集了。没有常规的系统依赖无论是风速或是风向残差在整个范围的浮标风速上。HY-2A SCAT的风速残差展示在图像4a上。显然，HY-2A SCAT对低速风估计过高了。对中高速风来说，比起浮标风数据有一个较高的偏差。这是与图像2a中的回归线和表格2中的结果一致的。风向残差在图像4b中展现。我们将要讨论，HY-2A SCAT对低速风有着低准确性和高标准差。对于大于5m/s的浮标风速来说，风向残差的准确性大幅提高。ASCAT也过高的估计了低速风的风速残差，过高估计高速风（图像4c）。尽管如此，ASCAT表现得更好，表现在更小的风速偏差和标准差在几乎所有浮标风速区间内。考虑到计算结果（表格2和图像3c），我们得出结论：ASCAT测量海表面风速有着高准确性和稳定性。此外，正如图像4d所示，我们发现ASCAT在风向残差上有着令人满意的表现，除了低风速（lt;5m/s）.这个结果与表格2和图像3d一致。对于OSCAT 来说，风速被低估了为了大多数浮标风速（图像4e）。尽管在大多数的浮标风速区间偏差比HY-2A SCAT的小，还是有一个相对高的标准差。OSCAT展现了和HY-2A SCAT，ASCAT相同的特征，风向的低准确性（图像4f）。无论如何，OSCAT在每个风速区间的标准差是三种传感器中最大的。

图像5展现在风矢量的交叉轨道位置上的风速和风向残差对于HY-2A SCAT,ASCAT和OSCAT风产品的依赖。每个风矢量的收集数量小于10的被舍弃。图像5a和b展示了ASCAT 的交叉轨道位置没有系统依赖性。HY-2A SCAT和OSCAT也是一样的。无论如何，这个结果没有证实另一篇研究的结论：新波束几何学有着两个圆锥形旋转笔状波束的结果表现出QuikSCAT测风更少的准确性在最低点附近和外侧的刈幅（Stiles等人，2002；Bourassa等人，2003），因为HY-2A SCAT和OSCAT也是旋转笔形波束雷达。尽管DIRTH设备与OSCAT 一起使用来减少相关在最低点附近和外侧的刈幅巨大的不确定性，结果应该仍然在外侧的刈幅不那么准确。此外，我们的结果与那些来自HY-2A SCAT（王等人。2013）和OSCAT（Singh等人，2012；Sudha和Prasada Rao等人，2013）的验证一致。据此我们怀疑各种类型的噪声在测量和数据预处理过程中出现并且风检索的演算法应该改进。

图像6展现了HY-2A SCAT,ASCAT和OSCAT风产品风速风向的季节依赖性。季节指代的是这里到北半球。如图像6所示，任何散射计无论是风速还是风向都没有清晰的季节验证。风速除了冬天被ASCAT高估，剩下时间被低估了。HY-2A SCAT和ASCAT在夏季有一个巨大的相关的消极偏差。但是，OSCAT有一个弱波动。考虑到风向，三个散射计在每个季节都低估了风。和其它季节比较起来OSCAT在

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