文｜賈永君 劉建強(qiáng) 林明森 張有廣 蔣興偉

1.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心

2.自然資源部空間海洋遙感與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

一、前言

海洋約占地球表面積的71%，不僅是船舶航行的通道，也是人類生存和發(fā)展所需物資的主要源泉之一。海洋不僅可以向人類提供水產(chǎn)品，還有豐富的礦產(chǎn)資源可以開發(fā)，海上石油和天然氣是人類可使用的重要能量來源。直接利用的海洋能，比如潮汐能、波浪能、溫差能，是標(biāo)準(zhǔn)的綠色能源。為了全人類的福祉，全力開發(fā)和保護(hù)海洋是擺在人類面前的迫切任務(wù)。

海洋在本質(zhì)上起著像大氣那樣重要的作用，即使人類對于海洋變化及其引發(fā)的作用可能既沒有充分地覺察到，也沒有很好地理解它。改造、利用和保護(hù)海洋的首要前提是了解海洋，理解的前提是要全面掌握大量高精確的觀測資料。

認(rèn)識和了解海洋大概可分四個層次：第一是海岸帶，第二是近海，第三是周邊海域，第四是全球大洋，當(dāng)然也可以從時(shí)間尺度上劃分層次。在衛(wèi)星遙感技術(shù)之前人類了解和認(rèn)識海洋的主要手段是現(xiàn)場測量、船舶測量等，然后基于這些觀測總結(jié)認(rèn)識海洋，但局限于前兩個層次，并且認(rèn)識的不完全準(zhǔn)確。海洋動力環(huán)境要素獲取的主要手段有四類：觀測（立體監(jiān)測與現(xiàn)場觀測）、數(shù)值預(yù)報(bào)、物理模擬和理論研究。觀測是第一位也是最重要的，但是觀測受到時(shí)間和空間分辨率的限制，也受到海況條件的限制，實(shí)際在海上的實(shí)測資料是非常稀疏的。海洋遙感可以獲得時(shí)空較連續(xù)的資料。

海洋是一個多運(yùn)動形態(tài)的復(fù)雜耦合系統(tǒng)，時(shí)空尺度變化大，從毫米尺度的毛細(xì)重力波到上萬千米的海洋環(huán)流都時(shí)時(shí)刻刻存在，時(shí)間尺度從秒級到上百年，并且這些運(yùn)動形態(tài)不是獨(dú)立存在的，它們之間相互作用，相互影響。

人類已經(jīng)認(rèn)識到太陽輻射的不均勻產(chǎn)生了風(fēng)，風(fēng)吹拂海面產(chǎn)生海浪和風(fēng)海流；降雨影響海水的鹽度，云和輻射會影響海水的溫度，溫度和鹽度共同作用產(chǎn)生了密度流，風(fēng)海流和密度流構(gòu)成了海洋環(huán)流。但是如何快速、準(zhǔn)確、高精度獲取海水溫度、鹽度、密度、波浪、海流（含潮流）和水位等海洋減災(zāi)防災(zāi)、國家安全以及公眾需求的海洋動力環(huán)境要素非常關(guān)鍵。

同時(shí)，在海洋資源開發(fā)、全球性環(huán)境變化監(jiān)測、海洋權(quán)益的維護(hù)及沿海地區(qū)的綜合開發(fā)和管理等方面，都需要有一種新的海洋觀測技術(shù)替代或補(bǔ)充傳統(tǒng)的常規(guī)海洋調(diào)查方法，而海洋遙感所具有的大范圍實(shí)時(shí)同步、全天時(shí)、全天候多波段成像技術(shù)優(yōu)勢可以快速地探測海洋表面各物理參量的時(shí)空變化規(guī)律。

紅外或可見光遙感由于會受到氣象條件和觀測原理的限制，對海洋動力環(huán)境的探測能力有非常大的局限，而微波遙感是非常有效的手段，目前我國已經(jīng)建成了載荷為微波波段的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座。

海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座，通俗地講，就是通過三星組網(wǎng)，由單顆獨(dú)立衛(wèi)星變?yōu)榭上嗷リP(guān)聯(lián)配合的星座。

二、海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座性能

2021年5月19日，海洋二號D（HY-2D）衛(wèi)星成功發(fā)射，HY-2D衛(wèi)星是我國第四顆海洋動力環(huán)境系列衛(wèi)星，與已在軌運(yùn)行的HY-2B衛(wèi)星和HY-2C衛(wèi)星“三星組網(wǎng)”，共同構(gòu)建成我國首個海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座（圖1），實(shí)現(xiàn)對全球海面高度、有效波高、海面風(fēng)場、海面溫度的全天時(shí)、全天候、高精度觀測，有效服務(wù)我國海洋防災(zāi)減災(zāi)與自然資源調(diào)查監(jiān)管。

圖1 海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座三星組網(wǎng)示意圖

為了提高海洋觀測效率，我國的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座包括至少3顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，通常是1顆極軌（太陽同步軌道）衛(wèi)星和2顆傾斜軌道（非太陽同步軌道）衛(wèi)星組成。2019年10月25日發(fā)射的HY-2B衛(wèi)星是一顆極軌海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，其上搭載了雷達(dá)高度計(jì)、微波輻射計(jì)、微波散射計(jì)和校正輻射計(jì)等載荷，可以實(shí)現(xiàn)海面高度、有效波高、海表溫度、海面風(fēng)場等海洋動力環(huán)境信息的同時(shí)、快速獲取。2020年9月21日發(fā)射的HY-2C和2021年5月19日發(fā)射的HY-2D是兩顆傾斜軌道衛(wèi)星，HY-2C和HY-2D上除了微波輻射計(jì)外，搭載的載荷和HY-2B完全一樣（表1）。

表1 海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座組成及其主要信息

通過HY-2A這顆試驗(yàn)業(yè)務(wù)衛(wèi)星的積累，HY-2B、HY-2C和HY-2D的數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度得到大幅度的提高，產(chǎn)品精度見表2，并且海洋動力環(huán)境要素產(chǎn)品形成了體系化。同時(shí)相海表溫度、有效波高、海面風(fēng)場、海面高度等信息不僅可以加深人類對海氣相互作用的認(rèn)識，還可以為全球氣候變化、海洋未知信息的提取提供強(qiáng)有力的支持和幫助。

表2 HY-2B/C/D海洋動力環(huán)境主要要素產(chǎn)品精度

三星組網(wǎng)后的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座的觀測效率得到了顯著提升。即使只有HY-2B衛(wèi)星的微波輻射計(jì)能觀測，全球海表面95%的地方每天也都有溫度觀測，這主要是因?yàn)槲⒉ㄝ椛溆?jì)1700km的觀測刈幅決定的。

由于HY-2B以及HY-2C/D微波散射的觀測刈幅平均超過了1750km，三星組網(wǎng)后，海面風(fēng)場的觀測效率得到了極大的提高，圖2給出了三星組網(wǎng)后的觀測效率。

從圖2可以看出，三星組網(wǎng)后6小時(shí)全球超過85%海域有海面風(fēng)場觀測數(shù)據(jù)，12小時(shí)有95%的海域被海洋二號系列衛(wèi)星散射計(jì)觀測，結(jié)合中法海洋衛(wèi)星（CFOSAT）微波散射計(jì)和歐洲的氣象業(yè)務(wù)（MetOp）系列衛(wèi)星，觀測效率會更高。

圖2 三星組網(wǎng)后衛(wèi)星散射計(jì)全球海域海面風(fēng)場觀測效率

目前，我國的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座搭載的雷達(dá)高度計(jì)都是星下點(diǎn)觀測，觀測足印約2km，每秒提供一個觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品。整體而言星下點(diǎn)雷達(dá)高度計(jì)觀測效率非常低，目前有兩種應(yīng)對方案，一種是發(fā)展寬刈幅雷達(dá)高度計(jì)，另一種是建立多星組網(wǎng)運(yùn)行。

為了更詳細(xì)地說明三星組網(wǎng)后的觀測效率提升，本文分析了在全球海域內(nèi)的所有點(diǎn)，以該點(diǎn)為中心畫同心圓，尋找圓內(nèi)至少有一個觀測點(diǎn)的最小半徑。圖3給出了從1天到10天觀測周期內(nèi)該半徑的變化情況。

圖3 組網(wǎng)動力衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)全球海域觀測效率

三、 海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座應(yīng)用

1．多源數(shù)據(jù)融合

（1） 海表溫度融合

我國的HY-2B衛(wèi)星搭載微波輻射計(jì)和HY-C、HY-1D海洋水色衛(wèi)星搭載的具有紅外波段的海洋水色水溫掃描儀得到的海表面溫度精度均達(dá)到了國際先進(jìn)水平。HY-2B微波輻射計(jì)不受云雨等氣象現(xiàn)象的影響，可以全天時(shí)全天候觀測，但是分辨率較低，為50km；HY-1C和HY-1D衛(wèi)星上具有紅外波段的海洋水色水溫掃描儀雖然受氣象條件影響較大，但是分辨率高，為1km。二者的融合不僅不會降低觀測精度還能提高分辨率。圖4給出了HY-2B衛(wèi)星搭載的微波輻射計(jì)和HY-1C、HY-1D具有紅外波段的海洋水色水溫掃描儀得到的海表溫度融合產(chǎn)品，產(chǎn)品的空間分辨率為5km，精度優(yōu)于0.5℃。

圖4 海表溫度融合產(chǎn)品

（2） 海面高度異常融合

衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)的采樣特點(diǎn)在一定程度上限制了海洋動力學(xué)問題的研究，為了更好地將衛(wèi)星雷達(dá)測高數(shù)據(jù)應(yīng)用于海洋動力學(xué)研究和海洋同化預(yù)報(bào)中，數(shù)據(jù)融合是不得不開展的工作。通過數(shù)據(jù)融合可以得到全球或局部海域的海面高度異常網(wǎng)格化產(chǎn)品，并在此基礎(chǔ)上得到平均動力高度和地轉(zhuǎn)流等產(chǎn)品。

圖5給出了2021年3月2日—2021年3月12日HY-2B、HY-2C、Jason-3的海面高度異常融合產(chǎn)品。經(jīng)與aviso融合產(chǎn)品比較，利用上述三顆自主研發(fā)的多任務(wù)融合海面高度異常產(chǎn)品精度約為4cm，可以滿足三維溫鹽同化數(shù)值預(yù)報(bào)和海洋動力學(xué)的研究使用。

圖5 HY-2B、HY-2C、Jason-3的全球海面高度異常融合結(jié)果

多星組網(wǎng)后，我國完全可以利用自主衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)多任務(wù)融合，實(shí)現(xiàn)該類產(chǎn)品的自主化。隨著海洋動力衛(wèi)星組網(wǎng)的建成，衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)將呈幾何式增長，同時(shí)衛(wèi)星也變得更加穩(wěn)定可靠，為世界海洋信息庫更新提供持續(xù)不斷的服務(wù)，為人類更好地開發(fā)、利用、保護(hù)、管控海洋提供行之有效的“中國力量”。

（3） 海面風(fēng)場融合

風(fēng)場不僅是海氣相互作用重要的紐帶，也是海洋動力環(huán)境預(yù)報(bào)、海上生產(chǎn)生活必須關(guān)注的海洋要素。沿軌的海面風(fēng)場雖然刈幅超過1750km，但是還不足以滿足應(yīng)用需求，所以非常有必要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

圖6是利用HY-2B、HY-2C衛(wèi)星研制的多源衛(wèi)星2021年7月23日海面風(fēng)場融合產(chǎn)品，融合后形成標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格化產(chǎn)品，空間分辨率為25km×25km，精度優(yōu)于1.5m/s，并且實(shí)現(xiàn)了6小時(shí)一次的融合效率。

圖6 多源衛(wèi)星海面風(fēng)場融合

2.其他應(yīng)用

我 國 現(xiàn) 在 有HY-2B、HY-2C、HY-2D和CFOSAT四顆衛(wèi)星搭載有微波散射計(jì)。即使HY-2D還在在軌測試階段的時(shí)候，風(fēng)場的觀測能力也和HY-2B、HY-2C幾乎一樣。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，按照HY-2衛(wèi)星微波散射計(jì)的刈副進(jìn)行觀測，全年的臺風(fēng)均可全部捕捉到，這已經(jīng)成為防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)急會商必備的遙感數(shù)據(jù)源?！盁熁ā庇?021年7月18日2時(shí)被中央氣象臺升格為熱帶風(fēng)暴，7月21日11時(shí)被中央氣象臺升格為強(qiáng)臺風(fēng)，7月25日12時(shí)30分前后在浙江省舟山普陀沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力13級（38 m/s）。7月25日正值天文大潮期，臺風(fēng)“煙花”登陸前后浙、滬、蘇及沿海出現(xiàn)風(fēng)、雨、潮三碰頭，疊加影響大。7月26日9時(shí)50分前后在浙江省嘉興平湖沿海再次登陸。

利用HY-2B、HY-2C、HY-2D微波散射計(jì)對臺風(fēng)“煙花”的連續(xù)觀測（圖7），可以近實(shí)時(shí)定位臺風(fēng)的位置、強(qiáng)弱等，并根據(jù)不同時(shí)刻臺風(fēng)的位置勾勒出臺風(fēng)的移動路徑，這對于海洋防災(zāi)減災(zāi)是非常重要的參考。

圖7 HY-2B、HY-2C、HY-2D微波散射計(jì)對臺風(fēng)“煙花”連續(xù)觀測

四、結(jié)束語

海洋動力環(huán)境要素觀測不僅對了解和認(rèn)識海洋有非常重要的幫助，同時(shí)相的海洋動力環(huán)境要素觀測還對海氣相互作用研究、全球氣候變化研究具有非常重要的作用。

中國建成的第一個海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座集主、被動微波遙感器于一體，具有高精度定軌與全天候、全天時(shí)、全球海洋高效探測能力，可同步獲取海面風(fēng)場、有效波高、海面高度、海面溫度等多種高時(shí)效海洋動力環(huán)境參數(shù)信息，與國外單顆衛(wèi)星相比，海面風(fēng)場數(shù)據(jù)獲取時(shí)效由單星的24小時(shí)提高到6小時(shí)，覆蓋全球85%以上的海域。

同時(shí)海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座兼顧了大洋和極地觀測。作為全球首個專用于海洋動力環(huán)境信息獲取的星座，既聚焦大洋觀測，又兼顧極地觀測。采用太陽同步軌道具備極區(qū)海洋環(huán)境觀測能力，采用非太陽同步軌道可有效分離各潮汐分量，解決潮汐混頻問題。采用順行加逆行軌道，有利于在軌交叉定標(biāo)和真實(shí)性檢驗(yàn)，擺脫長期依賴外星定標(biāo)和檢驗(yàn)的局面，成為完全自主可控的衛(wèi)星星座。

通過衛(wèi)星組網(wǎng)獲取的高時(shí)空分辨率信息，使區(qū)域高分辨率海洋動力環(huán)境融合產(chǎn)品的制作具備條件，可增加更高空間分辨率和時(shí)效性的專題信息產(chǎn)品，使衛(wèi)星數(shù)據(jù)在我國近海的應(yīng)用效能得到更大發(fā)揮。

星座建成后不僅對臺風(fēng)路徑、強(qiáng)度等有準(zhǔn)實(shí)時(shí)觀測，還可以對臺風(fēng)可能引發(fā)的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)判，并對災(zāi)害應(yīng)急等部門提出合理化建議。

第二個海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座已進(jìn)入論證階段，將重點(diǎn)加強(qiáng)星地一體化的設(shè)計(jì)，繼續(xù)提升衛(wèi)星觀測的時(shí)空分辨率，持續(xù)為我國海洋防災(zāi)減災(zāi)、預(yù)警預(yù)報(bào)提供高頻次實(shí)測數(shù)據(jù)，為海洋資源開發(fā)、海洋科研等提供更加有力的數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。