● 文|國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心 林明森 張有廣

我國(guó)十分重視海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星遙感及其監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自主海洋衛(wèi)星的研制、發(fā)射、在軌運(yùn)行和業(yè)務(wù)應(yīng)用，發(fā)揮了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。我國(guó)自主研制的海洋二號(hào)衛(wèi)星A星（HY-2A），不僅填補(bǔ)了我國(guó)海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星遙感的空白，也是目前世界上唯一在軌運(yùn)行的集主、被動(dòng)微波遙感器于一身的綜合型海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星，具備同時(shí)獲取風(fēng)場(chǎng)、有效波高、海面高度和海面溫度的能力。通過(guò)衛(wèi)星獲得的數(shù)據(jù)提高了我國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)與災(zāi)害性海況預(yù)報(bào)的水平，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)、海洋科學(xué)研究、全球變化研究等提供了可靠的遙感數(shù)據(jù)，同時(shí)還在國(guó)際對(duì)地觀測(cè)體系中發(fā)揮了重要作用，受到國(guó)內(nèi)外用戶的高度認(rèn)可。

一、發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)第一顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星HY-2A，于2011年8月16日發(fā)射，現(xiàn)仍在軌運(yùn)行。該衛(wèi)星集主、被動(dòng)微波遙感器于一體，具有高精度測(cè)軌、定軌能力與全天候、全天時(shí)、全球探測(cè)能力。衛(wèi)星主要載荷有：雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)、掃描輻射計(jì)、校正輻射計(jì)。主要使命是監(jiān)測(cè)和調(diào)查海洋環(huán)境，獲得包括海面風(fēng)場(chǎng)、浪高、海流、海面溫度等多種海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)，直接為災(zāi)害性海況預(yù)警預(yù)報(bào)提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋權(quán)益維護(hù)、海洋資源開(kāi)發(fā)、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋科學(xué)研究以及國(guó)防建設(shè)等提供支撐服務(wù)[1][2]。HY-2A衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 HY-2A衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)

二、應(yīng)用研究進(jìn)展

我國(guó)海洋動(dòng)力環(huán)境遙感是隨著神舟四號(hào)（SZ-4）飛船多模態(tài)微波遙感器的上天才逐步開(kāi)展起來(lái)，但研究工作大多集中在對(duì)國(guó)外已有算法模型的引進(jìn)和模仿上，缺乏自主創(chuàng)新。直到2011年8月，我國(guó)擁有了自主研制的海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星之后，海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星遙感才隨之得到了快速發(fā)展，在算法模型的研制和應(yīng)用方面均取得了大量創(chuàng)新性的成果。

在有效波高的反演算法研究方面，基于二階理論回波模型，導(dǎo)出了帶有偏度系數(shù)的二階理論回波模型。引入了奇異值分解濾波，并根據(jù)最大似然估計(jì)算法反演參數(shù)的不同得到多種重跟蹤方案，經(jīng)比較分析發(fā)現(xiàn)四參數(shù)模型最適合HY-2A衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)波形反演，有效波高反演精度達(dá)到0.31m[3]。

在海面風(fēng)場(chǎng)反演算法方面，利用多解反演算法和二維變分模糊解去除方法對(duì)HY-2A衛(wèi)星散射計(jì)級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果表明風(fēng)速與風(fēng)向精度均有較大提高。同時(shí)，風(fēng)向模糊解去除能力明顯提高，尤其是對(duì)臺(tái)風(fēng)條件下的風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果，風(fēng)向反演精度有明顯改善。王磊等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立了基于后向散射系數(shù)σ°與有效波高的雙參數(shù)風(fēng)速反演模型，并探討利用AGC來(lái)代替σ°對(duì)風(fēng)速反演的可行性進(jìn)行研究[4]。

在海面溫度反演算法研究方面，王振占等人利用輻射傳射方程模擬，建立了海面溫度、海面風(fēng)速、大氣水汽含量等海洋環(huán)境參數(shù)的反演算法。此外，孫廣輪等人歸納了多元線性回歸算法和非線性迭代算法兩種主要的算法類(lèi)型，并對(duì)反演海溫的影響因素做了分析。這些研究工作有利于海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星海面溫度觀測(cè)精度的進(jìn)一步提高[5]。

三、典型海洋應(yīng)用

1.臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)

海洋衛(wèi)星上搭載的微波散射計(jì)能夠獲取全球海面風(fēng)場(chǎng)，進(jìn)而可監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑，并識(shí)別臺(tái)風(fēng)中心。利用微波散射計(jì)進(jìn)行臺(tái)風(fēng)中心提取時(shí)，主要有兩個(gè)方法：第一，通過(guò)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速進(jìn)行提取。針對(duì)有眼臺(tái)風(fēng)，通過(guò)觀察風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的分布，尋找高風(fēng)速區(qū)域中的極小值，可以快速、有效并且高精度地獲取臺(tái)風(fēng)中心。第二，通過(guò)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向進(jìn)行提取。由于臺(tái)風(fēng)天氣有明顯的氣旋式渦旋結(jié)構(gòu)，風(fēng)向通常旋渦式指向臺(tái)風(fēng)中心，通過(guò)尋找旋渦指向中心，也能夠確定臺(tái)風(fēng)中心。但是值得注意的是，由于臺(tái)風(fēng)區(qū)域通常伴隨著較強(qiáng)的降雨，對(duì)海面后向散射產(chǎn)生較強(qiáng)影響，有時(shí)通過(guò)風(fēng)速與風(fēng)向確定的臺(tái)風(fēng)中心位置可能不重合。

HY-2A衛(wèi)星主載荷之一的微波散射計(jì)能夠進(jìn)行臺(tái)風(fēng)和風(fēng)暴潮的監(jiān)測(cè)，2012-2017年間順利完成了全部臺(tái)風(fēng)的監(jiān)測(cè)任務(wù)。在每次臺(tái)風(fēng)的生命周期中，至少對(duì)其完成一次觀測(cè)，為業(yè)務(wù)和科研提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源。圖1為HY-2A衛(wèi)星微波散射計(jì)對(duì)“蘇力”臺(tái)風(fēng)的監(jiān)測(cè)實(shí)例?！疤K力”臺(tái)風(fēng)2013年7月13日登陸臺(tái)灣北部，以后逐漸趨向浙閩沿海，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力12級(jí)（33 m/s）,為當(dāng)年登陸我國(guó)的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。HY-2A衛(wèi)星微波散射計(jì)有效完成了對(duì)“蘇力”臺(tái)風(fēng)整個(gè)過(guò)程的監(jiān)測(cè)，衛(wèi)星觀測(cè)的海面風(fēng)場(chǎng)清晰反映了臺(tái)風(fēng)位置和強(qiáng)度信息。

2012年，形成于大西洋洋面上的一級(jí)颶風(fēng)“桑迪” ，因其侵襲美國(guó)東部造成嚴(yán)重災(zāi)害而受到關(guān)注?！吧５稀憋Z風(fēng)10月28-30日橫掃美國(guó)東部海岸，HY-2A衛(wèi)星在27日成功觀測(cè)到該颶風(fēng)及其移動(dòng)方向，這為有效防范颶風(fēng)在28日的登陸提供了預(yù)警時(shí)間。圖2為颶風(fēng)期間風(fēng)場(chǎng)和波高的變化。由圖2可以看出，HY-2A衛(wèi)星觀測(cè)的臺(tái)風(fēng)有規(guī)則的臺(tái)風(fēng)眼，而“桑迪”颶風(fēng)則沒(méi)有規(guī)則的颶風(fēng)眼，但“桑迪”颶風(fēng)期間具有明顯超過(guò)6m以上的波高，因此，“桑迪”颶風(fēng)造成的損失不容忽視。

2.災(zāi)害性海浪監(jiān)測(cè)

災(zāi)害性海浪是波高大于等于4m的海浪。我國(guó)近海每年災(zāi)害性海浪都會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。2017年，我國(guó)沿海共發(fā)生34次災(zāi)害性海浪，造成11人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失0.27億元[6]。衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)是能夠提供全球海洋有效波高信息的主要載荷，可為災(zāi)害性海浪的預(yù)警預(yù)報(bào)提供可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。圖3為HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)獲取的全球?yàn)?zāi)害性海浪的分布。

3.風(fēng)暴潮監(jiān)測(cè)

海洋衛(wèi)星上搭載的微波散射計(jì)在熱帶氣旋的觀測(cè)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠觀測(cè)熱帶氣旋的風(fēng)速和風(fēng)向，對(duì)渦旋特征進(jìn)行識(shí)別和定位，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)熱帶氣旋移動(dòng)路徑。圖4為利用HY-2A衛(wèi)星微波散射計(jì)觀測(cè)到的臺(tái)風(fēng)“燦鴻”的中心位置和中心風(fēng)速。

利用微波散射計(jì)提供的風(fēng)場(chǎng)和氣旋位置等信息，根據(jù)最小二乘原理，用模型風(fēng)場(chǎng)擬合衛(wèi)星風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，得到一個(gè)最大風(fēng)速半徑R，然后利用風(fēng)暴潮模式進(jìn)行計(jì)算，可得到沿岸風(fēng)暴潮增水值。

4.全球海平面變化監(jiān)測(cè)

隨著人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海洋、大氣系統(tǒng)影響的迅速擴(kuò)大，全球變暖、海平面上升已經(jīng)成為全球性重大環(huán)境問(wèn)題。海平面上升給人類(lèi)生存環(huán)境造成巨大的威脅，已經(jīng)引起全世界科學(xué)家和各國(guó)政府的高度關(guān)注。衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)在全球海平面變化監(jiān)測(cè)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，獲取的海面高度數(shù)據(jù)已經(jīng)成為全球平均海平面上升研究中的重要數(shù)據(jù)源。

利用HY-2A等衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)的融合數(shù)據(jù)，也能夠?qū)崿F(xiàn)中國(guó)近海海平面變化的監(jiān)測(cè)。圖5顯示了2014年2月、5月、8月和11月中國(guó)及鄰近海域海平面的變化[7]。

5.大洋漁業(yè)漁情分析預(yù)報(bào)

HY-2A衛(wèi)星上的雷達(dá)高度計(jì)和掃描微波輻射計(jì)能夠識(shí)別出大洋中的鋒面和中尺度渦，可以用來(lái)探測(cè)大洋漁場(chǎng)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以HY-2A和HY-1B衛(wèi)星遙感資料為主，結(jié)合國(guó)外海洋衛(wèi)星資料，對(duì)全球三大洋十個(gè)海域的魚(yú)種進(jìn)行每周一次的業(yè)務(wù)化漁情分析與預(yù)報(bào)（圖6）。在9家漁業(yè)企業(yè)近150艘遠(yuǎn)洋漁船上安裝了在線漁情系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了近實(shí)時(shí)在線的海況分析和漁情預(yù)報(bào)服務(wù)，為我國(guó)遠(yuǎn)洋魷釣漁船、金槍魚(yú)延繩釣漁船、大型拖網(wǎng)漁船和金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船的科學(xué)生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[8]。

四、發(fā)展展望

我國(guó)于2011年8月16日成功發(fā)射了HY-2A衛(wèi)星，利用星上搭載的雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)和微波輻射計(jì)可實(shí)現(xiàn)全球海面高度、海面風(fēng)場(chǎng)、有效波高和海面溫度等海洋動(dòng)力環(huán)境信息的獲取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星數(shù)據(jù)在海洋防災(zāi)減災(zāi)、資源開(kāi)發(fā)、航行保障和海洋科研等方面的應(yīng)用。但是，隨著加快海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，海洋各項(xiàng)業(yè)務(wù)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度和時(shí)空分辨率提出了更高的要求。由于空間分辨率和地面覆蓋寬度是一對(duì)矛盾，單一衛(wèi)星無(wú)法滿足應(yīng)用對(duì)高時(shí)空分辨率的需求。對(duì)低地球軌道來(lái)說(shuō)，采用多顆衛(wèi)星組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)將是解決時(shí)間和空間分辨率矛盾的有效方法，可大大提高海洋災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)的精度和時(shí)效性。為此，需要加快建設(shè)多星組網(wǎng)的衛(wèi)星觀測(cè)體系，提高多要素、高精度、全覆蓋的綜合觀測(cè)能力，豐富海洋衛(wèi)星產(chǎn)品體系，提高數(shù)據(jù)定量化水平。

[1]國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心. HY-2A衛(wèi)星在軌測(cè)試總結(jié)報(bào)告[R].2012.

[2]林明森，張有廣，袁欣哲.海洋遙感衛(wèi)星發(fā)展歷程與趨勢(shì)展望[J].海洋學(xué)報(bào)，2015. 37(1) ：1-10.

[3] Xu G J, Yang J S, Xu Y, et al. Validation and calibration of significant wave height from HY-2 satellite altimeter. Journal of Remote Sensing, 2014,18(1): 206-214.

[4]王磊，王萍，等. 基于雷達(dá)高度計(jì)增益自動(dòng)控制數(shù)據(jù)的風(fēng)速反演算法研究[J]. 海洋學(xué)報(bào)，2012，34(3)：55-60.

[5]王振占，鮑靖華, 李蕓，等. 海洋二號(hào)衛(wèi)星掃描輻射計(jì)海洋參數(shù)反演算法研究[J].中國(guó)工程科學(xué)，2014，16(6)：70-82.

[6] 國(guó)家海洋局. 2017年中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)[R]. 2017.

[7] 國(guó)家海洋局. 2013年中國(guó)海洋衛(wèi)星應(yīng)用報(bào)告[R]. 2013.

[8] 國(guó)家海洋局. 2015年中國(guó)海洋衛(wèi)星應(yīng)用報(bào)告[R]. 2015.