杜 巖 董曉龍 蔣興偉 張玉紅 朱 迪 王閔楊 吳 煒 王祥鵬 趙章喆 徐星歐 唐世林 經(jīng)志友 李毅能 陳 琨 陳 雯

1(中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所 熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510301)

2(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心 微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

3(國(guó)家海洋衛(wèi)星應(yīng)用中心 北京 100081)

4(中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院 上海 201304)

5(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

0 引言

海流是直接描述海洋運(yùn)動(dòng)的核心物理量。在多尺度耦合動(dòng)力學(xué)中，海流對(duì)全球海洋的動(dòng)量和能量交換起到重要作用[1,2]。全球海表流場(chǎng)引起的熱鹽輸運(yùn)在海氣耦合中至關(guān)重要，影響著極端天氣與氣候事件的形成，例如赤道的水平熱輸送是ENSO 形成演化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3—5]。海流參與生物地球化學(xué)循環(huán)[6,7]，并主導(dǎo)熱量與營(yíng)養(yǎng)鹽的垂向輸運(yùn)[8]。精確的海流觀測(cè)是研究海洋動(dòng)力學(xué)、海洋多尺度過程相互作用和海氣相互作用的核心，在海洋生態(tài)動(dòng)力、生物地球化學(xué)和地球系統(tǒng)模擬等相關(guān)研究中起到重要的支撐作用。

海洋是一門基于觀測(cè)的學(xué)科，海洋科學(xué)的研究進(jìn)展往往依賴于觀測(cè)手段的重大突破。2010 年Freeman 等[9]提出，海流衛(wèi)星觀測(cè)是2025 年前海洋科學(xué)需要重點(diǎn)突破的方向。針對(duì)全球海表流場(chǎng)觀測(cè)，中國(guó)、美國(guó)及歐洲等相關(guān)科學(xué)家都開展了相關(guān)前沿研究，明確提出衛(wèi)星多普勒海洋學(xué)是海洋觀測(cè)新的突破方向，并相繼提出了衛(wèi)星多普勒流場(chǎng)探測(cè)任務(wù)概念。全球海表流場(chǎng)多尺度結(jié)構(gòu)觀測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃（Ocean Surface Current multiscale Observation Mission, OSCOM）是由中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心聯(lián)合多家單位提出的對(duì)全球海表流場(chǎng)進(jìn)行高分辨率、高精度觀測(cè)的衛(wèi)星計(jì)劃，得到空間科學(xué)戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)（二期）背景型號(hào)研究項(xiàng)目支持。本文將對(duì)OSCOM 的任務(wù)概念、科學(xué)目標(biāo)和有效載荷配置方案等進(jìn)行分析。

1 海表流場(chǎng)觀測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)

海洋的近表面流場(chǎng)跨越多個(gè)時(shí)空尺度，從時(shí)間尺度為秒至小時(shí)、空間尺度為厘米至百米量級(jí)的海洋湍流、混合和波動(dòng)，到時(shí)間尺度為小時(shí)至天、空間尺度為公里至十公里量級(jí)的亞中尺度過程，時(shí)間尺度為月、空間尺度為數(shù)十至百公里量級(jí)的中尺度過程，直至?xí)r間尺度為年至百年、空間尺度為千公里及以上的大洋環(huán)流（見圖1[10]），這些不同時(shí)空尺度的運(yùn)動(dòng)存在復(fù)雜的動(dòng)量和能量轉(zhuǎn)化，并影響海氣之間的交換和耦合，以及區(qū)域和全球的氣候變化[2,11—13]。海洋多尺度運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)和模擬是預(yù)估地球系統(tǒng)變化的關(guān)鍵一環(huán)，也是地球系統(tǒng)科學(xué)和全球變化研究的重大前沿科學(xué)問題。

圖1 海洋多尺度動(dòng)力過程示意（改自文獻(xiàn)[13]）。氣候變化為海平面變化趨勢(shì)，大尺度環(huán)流和中尺度渦中的填色為大洋環(huán)流模式數(shù)據(jù)的海表流速，箭頭為海表流場(chǎng)，亞中尺度數(shù)據(jù)來自高分六號(hào)衛(wèi)星Fig. 1 Schematic diagram of multiscale ocean dynamics (updated from Ref. [13]). Climate change is the sea level trend. Large-scale circulation and mesoscale eddy filled with surface current speed from model reanalysis data.Arrows are the currents, and the sub-mesoscale data are from the GF-6 satellite

早期全球海洋環(huán)流的研究基本針對(duì)千公里以上的大尺度環(huán)流場(chǎng)。20 世紀(jì)以來，發(fā)展了風(fēng)生環(huán)流理論，主要包括?？寺碚摚?905）、斯韋爾德魯普平衡理論（1947）、西向強(qiáng)化理論等[14,15]。根據(jù)上述理論推導(dǎo)出的海表流場(chǎng)刻畫了千公里尺度上大部分的實(shí)際海流，表征了平衡態(tài)意義下各海盆的主要流系[16], 已被世界大洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)（World Ocean Circulation Experiment，WOCE）等現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)證實(shí)[17]。

海洋流場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)十分有限且分布高度不均。傳統(tǒng)的船舶觀測(cè)雖然具有良好的時(shí)空分辨率，但僅局限在有限的區(qū)域和時(shí)間內(nèi)。目前，有兩種方法能提供全球海表流場(chǎng)的觀測(cè)。一是通過漂流浮標(biāo)的軌跡反演15 m 以上的近表層流速[18—20]。目前，全球約1500 個(gè)漂流浮標(biāo)處于運(yùn)行觀測(cè)狀態(tài)，漂流浮標(biāo)觀測(cè)的平均有效分辨率約為400～500 km。二是根據(jù)海洋觀測(cè)浮標(biāo)（Argo）獲取的溫鹽剖面數(shù)據(jù)計(jì)算上層2000 m 的地轉(zhuǎn)流速[21,22]。目前，全球共部署了約4000 個(gè)Argo 浮標(biāo)，有效分辨率為200～300 km。以上兩種方法均不能滿足中小尺度海洋動(dòng)力學(xué)的研究。

利用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取海表流場(chǎng)是一種更有效的方法[23—26]。利用衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)測(cè)量的海面高度數(shù)據(jù)，基于地轉(zhuǎn)平衡理論可以反演海表地轉(zhuǎn)流場(chǎng)。1992 年，美國(guó)國(guó)家航天局 （NASA）和法國(guó)國(guó)家空間研究中心 （CNES）聯(lián)合發(fā)射的TOPEX/POSEIDON 開啟了利用衛(wèi)星測(cè)高反演地轉(zhuǎn)流速的進(jìn)程[27]。TOPEX/POSEIDON 及 其 后 續(xù) 的Jason-1/2/3 和Sentinal-3/6 系列衛(wèi)星，以及中國(guó)海洋二號(hào)系列衛(wèi)星 （HY-2A/B/C/D）已為全球海流研究提供研究和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)支持。此外，順軌干涉SAR（InSAR）和多時(shí)相圖像也都可以用來追蹤海表運(yùn)動(dòng)特征。

迄今為止，全球最先進(jìn)、使用最廣泛的實(shí)時(shí)海表流場(chǎng)數(shù)據(jù)是由NASA 地球與空間研究中心（ESR）支持開發(fā)的海洋表面流實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)集（OSCAR[28]）。OSCAR 結(jié)合了幾乎所有可用的觀測(cè)資料，包括從衛(wèi)星海表面高度獲取的地轉(zhuǎn)流、由海面風(fēng)場(chǎng)和海表漂流浮標(biāo)反演得到的風(fēng)驅(qū)動(dòng)力分量以及由溫度和鹽度反演的熱成風(fēng)調(diào)整分量[28]。OSCAR 的有效空間分辨率約為110 km，時(shí)間分辨率約為1 周[29,30]。

受觀測(cè)能力的限制，目前的觀測(cè)方法還無法實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的海表流場(chǎng)觀測(cè)，對(duì)海流的研究還存在諸多挑戰(zhàn)。首先，衛(wèi)星測(cè)高獲得的海表面高度只能通過地轉(zhuǎn)平衡理論反演獲得地轉(zhuǎn)流分量[31]，對(duì)不滿足地轉(zhuǎn)平衡的海洋運(yùn)動(dòng)（例如海洋內(nèi)波）缺乏刻畫能力。其次，雖然目前的高分辨率衛(wèi)星圖像或海洋水色示蹤劑（例如葉綠素濃度）已經(jīng)顯示出伴隨著中尺度過程快速變化的亞中尺度結(jié)構(gòu)，但是目前的衛(wèi)星觀測(cè)無法從動(dòng)力上刻畫這些非平衡態(tài)的海水運(yùn)動(dòng)，而海洋非平衡態(tài)過程主導(dǎo)著上層海洋中50%以上的熱通量變化[32]和20%～50%的初級(jí)生產(chǎn)力變化[33]。再次，赤道地區(qū)缺乏有效的觀測(cè)。由于赤道區(qū)域不滿足地轉(zhuǎn)近似條件，通過海表面高度反演得到的地轉(zhuǎn)流無法準(zhǔn)確描述赤道區(qū)域的海水流動(dòng)[34,35]。利用表面漂流浮標(biāo)可以修正赤道區(qū)域的觀測(cè)結(jié)果，然而由于赤道區(qū)域海洋表層的動(dòng)力輻散作用，浮標(biāo)數(shù)量較少不足以有效填補(bǔ)赤道觀測(cè)的空缺[36]。最后，近海區(qū)域的海洋動(dòng)力過程非常復(fù)雜，而且通常不滿足地轉(zhuǎn)平衡[37]，現(xiàn)有觀測(cè)手段無法觀測(cè)近海海流。

研究表明，基于海表運(yùn)動(dòng)多普勒測(cè)量的海表全流場(chǎng)直接衛(wèi)星觀測(cè)，即多普勒衛(wèi)星海洋學(xué)研究是21 世紀(jì)初海洋觀測(cè)中亟待突破的方向，目前已成為國(guó)際海洋遙感觀測(cè)技術(shù)研究發(fā)展的熱點(diǎn)和前沿[38—43]。據(jù)樂觀估計(jì)，海表全流場(chǎng)有望在2025 年左右實(shí)現(xiàn)全球衛(wèi)星觀測(cè)[9]。繼海面溫度、海面高度、海面鹽度、海浪譜、海面風(fēng)場(chǎng)之后，海表流場(chǎng)這一海洋核心要素也將實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的直接觀測(cè)。

針對(duì)全球海表衛(wèi)星觀測(cè)，特別是基于多普勒測(cè)量的全流場(chǎng)衛(wèi)星遙感觀測(cè)，國(guó)際上提出了多個(gè)衛(wèi)星計(jì)劃：2018 年，法國(guó)國(guó)家空間研究中心提出的海表運(yùn)動(dòng)多尺度監(jiān)測(cè)衛(wèi)星任務(wù) （SKIM）[44]參加了歐空局Earth Explorer 9 任務(wù)遴選競(jìng)爭(zhēng)（未能入選）；2022 年，歐洲航天局已將海表流場(chǎng)Harmony 衛(wèi)星計(jì)劃[45]作為Earth Explorer 10 唯一候選衛(wèi)星進(jìn)行審查，如果通過，將于2028 年發(fā)射。此外，SEASTAR 任務(wù)[37]是歐空局Earth Explorer 11 任務(wù)的4 個(gè)候選任務(wù)之一。2019 年，美國(guó)航空航天局（NASA）將風(fēng)和流觀測(cè)計(jì)劃（WaCM ）[42,46]作為探索者號(hào)在未來10 年的首要任務(wù)，并在2022 年3 月決定與法國(guó)SKIM 團(tuán)隊(duì)聯(lián)合推進(jìn)該任務(wù)。2018 年，中國(guó)科學(xué)院提出了全球海表流場(chǎng)多尺度結(jié)構(gòu)觀測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃 （OSCOM），并得到空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)（二期）的支持，目前是進(jìn)入未來空間科學(xué)任務(wù)遴選的候選項(xiàng)目之一。

OSCOM 首次提出了基于多普勒散射計(jì)（Doppler Scatterometer, DOPS）的海表流場(chǎng)、海面風(fēng)場(chǎng)和海浪譜（簡(jiǎn)稱“流—風(fēng)—浪”）一體化探測(cè)的測(cè)量原理和系統(tǒng)體制。OSCOM 采用Ka-Ku 雙頻多波束圓錐掃描體制的真實(shí)孔徑雷達(dá)，將實(shí)現(xiàn)超過1000 km 觀測(cè)刈幅、公里級(jí)分辨率的“流—風(fēng)—浪”一體化衛(wèi)星直接觀測(cè)（見圖2）。OSCOM 能夠1 天覆蓋全球海洋大部分區(qū)域，3 天覆蓋全球。與同類國(guó)際計(jì)劃相比，OSCOM 的創(chuàng)新設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面：① Ka+Ku 雙頻DOPS，充分利用不同頻段對(duì)流和風(fēng)的觀測(cè)能力的優(yōu)勢(shì)；②“流—風(fēng)—浪”一體化觀測(cè)體制，通過聯(lián)合動(dòng)力要素觀測(cè)控制并減少海流觀測(cè)誤差，使海表流速的觀測(cè)精度達(dá)到0.1 m·s—1，遠(yuǎn)優(yōu)于目前美國(guó)WaCM 計(jì)劃0.25 m·s—1和歐洲Harmony 計(jì)劃0.15 m·s—1的指標(biāo)水平；③采用多波束圓錐掃描體制實(shí)現(xiàn)寬刈幅，OSCOM 可以達(dá)到1000 km 以上刈幅，與歐洲SEASTAR 和SKIM 任務(wù)概念320 km 的觀測(cè)刈幅相比，具有顯著優(yōu)勢(shì)（見表1）。

圖2 OSCOM 示意。海洋大尺度和中尺度填色為大洋環(huán)流模式數(shù)據(jù)的海表流速，大尺度中的箭頭為海面風(fēng)場(chǎng)，中尺度中的箭頭為海表流場(chǎng)，亞中尺度數(shù)據(jù)來自高分六號(hào)衛(wèi)星Fig. 2 Schematic diagram of OSCOM, large-scale and mesoscale oceanographic data are filled with surface current speed from model reanalysis data, arrows in large scale are surface winds and arrows in mesoscale are surface currents, sub-mesoscale data are from the GF-6 satellite

2 OSCOM 的科學(xué)目標(biāo)

OSCOM 實(shí)現(xiàn)全球“流—風(fēng)—浪”的直接觀測(cè)，結(jié)合其他高分辨率衛(wèi)星觀測(cè)（例如海面溫度和海洋水色等）重構(gòu)獲得精細(xì)的海表流場(chǎng)，將進(jìn)一步促進(jìn)海洋亞中尺度動(dòng)力學(xué)、多尺度相互作用以及中小尺度海氣相互作用等前沿核心科學(xué)問題的深入研究，并支撐海洋生物地球化學(xué)循環(huán)與碳收支的科學(xué)前沿，以及海洋數(shù)值模式的發(fā)展和完善。

2.1 海洋亞中尺度動(dòng)力學(xué)

研究表明，中尺度渦動(dòng)能占海洋環(huán)流總動(dòng)能的90%以上[2]。中尺度渦通過平均流的不穩(wěn)定從大尺度環(huán)流中獲得能量，而中尺度渦動(dòng)能最終將被各種小尺度不穩(wěn)定以及與地形或內(nèi)波的相互作用所耗散。中尺度渦在海洋能量串級(jí)中發(fā)揮重要作用[11,47,48]。由于缺乏全球高分辨率海流觀測(cè)，海洋中小尺度過程之間的相互作用是目前研究中的難點(diǎn)，而且經(jīng)典地轉(zhuǎn)理論無法完全解釋海洋中的正向能量串級(jí)和動(dòng)能耗散[2]。研究表明，依據(jù)傳統(tǒng)海洋動(dòng)力學(xué)理論估計(jì)的垂向物質(zhì)能量輸運(yùn)比現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)值低一個(gè)數(shù)量級(jí)[49,50]。大中尺度的傳統(tǒng)理論也無法定量解釋上層海洋和大氣邊界層之間的質(zhì)量和能量平衡[32]。最近，基于模式和少量觀測(cè)數(shù)據(jù)的研究結(jié)果表明，海洋亞中尺度過程普遍發(fā)生在全球海洋中，其在中小尺度相互作用方面發(fā)揮著重要的“橋梁”作用[2,12,51]。亞中尺度過程及其引發(fā)的次級(jí)環(huán)流是地轉(zhuǎn)能量和有效位能串級(jí)與耗散的直接途徑[11,12,52]。但在以往的觀測(cè)和理論研究中，這些亞中尺度過程在很大程度上被忽略。

OSCOM 全球高分辨率（5～10 km）和高精度（0.1 m·s—1）的海表流速測(cè)量將極大地促進(jìn)非平衡海洋運(yùn)動(dòng)的研究。深入了解亞中尺度過程將有助于探索海洋能量從中尺度到小尺度過程的串級(jí)，估算全球海洋熱量垂向再分配及其對(duì)氣候變化的影響。

2.2 海洋多尺度動(dòng)力過程演化與變率

海洋中多尺度運(yùn)動(dòng)過程的相互作用促進(jìn)了跨尺度質(zhì)量/熱量交換和能量串級(jí)，顯著影響了海面溫度、鹽度、海氣通量、熱含量，以及上層海洋浮游植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)鹽分布。然而，現(xiàn)有的衛(wèi)星觀測(cè)只能直接測(cè)量海面高程，并基于地轉(zhuǎn)近似間接推導(dǎo)出地轉(zhuǎn)流。雖然這些觀測(cè)可以監(jiān)測(cè)大尺度和中尺度海洋動(dòng)力變化，但無法測(cè)量百公里以內(nèi)的非地轉(zhuǎn)、非平衡態(tài)海流以及赤道區(qū)域的海流。全球海表流速的多尺度變化研究需要高分辨率的直接海流觀測(cè)。高分辨率海流衛(wèi)星技術(shù)和DOPS 能夠準(zhǔn)確觀測(cè)10～100 km 水平尺度上的海表全流場(chǎng)[17,53,54]。

在真實(shí)海洋中，全球主要流系，如西邊界流（包括黑潮和灣流等）、赤道流和南極繞極流的最大流速范圍為0.7～2.0 m·s—1[10]。中尺度渦也能達(dá)到相似的強(qiáng)度[29]。海洋潮流的最大流速甚至更強(qiáng)，在特定的沿海地區(qū)可達(dá)到每秒幾米[55]。為了捕捉從沿海到深遠(yuǎn)海的多尺度海洋動(dòng)力學(xué)過程，DOPS 在空間的速度觀測(cè)精度需要達(dá)到0.1 m·s—1。OSCOM 旨在滿足海表流速觀測(cè)的高精度要求（見表1）。海表流場(chǎng)直接觀測(cè)將為研究海洋中的平衡和非平衡運(yùn)動(dòng)以及海洋環(huán)流的分布、變化和多尺度相互作用提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

表1 多普勒海洋學(xué)衛(wèi)星任務(wù)計(jì)劃對(duì)比Table 1 Comparison of Doppler oceanography satellite mission plan

2.3 海氣交換及其氣候效應(yīng)

大尺度環(huán)流（＞1000 km）和中尺度過程（約100 km）主要受地球自轉(zhuǎn)和海洋分層的約束，表現(xiàn)出典型的準(zhǔn)二維、準(zhǔn)平衡運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)不能完全解釋大氣和海洋內(nèi)部之間的質(zhì)量和能量跨圈層交換。在高分辨率大洋環(huán)流模式（1/48°和1/24°）中，從風(fēng)傳遞到海洋的表面動(dòng)能估算比同一模式低分辨率（1/6°和1/10°）結(jié)果高約25%～85%，其中的大部分能量由高頻風(fēng)強(qiáng)迫的近慣性頻率動(dòng)力過程產(chǎn)生[56]。此外，海洋亞中尺度過程在海氣垂直交換以及全球海洋水循環(huán)、熱量和能量收支中發(fā)揮關(guān)鍵作用，并顯著影響氣候系統(tǒng)[57—59]。

因此，需要新的高分辨率觀測(cè)來理解海氣相互作用，并改進(jìn)耦合氣候模式，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)長(zhǎng)期的海洋和氣候變化[32,47]。通過將OSCOM 海表流場(chǎng)與來自其他衛(wèi)星的更高分辨率海面溫度和葉綠素濃度數(shù)據(jù)以及溫鹽剖面反演的海洋內(nèi)部流場(chǎng)相結(jié)合，將有助于深入研究海洋和大氣之間的物質(zhì)和能量交換，最終將通過構(gòu)建基于物理過程的參數(shù)化方案提高耦合氣候模式的預(yù)測(cè)能力。

2.4 碳收支與生物地球化學(xué)循環(huán)

海洋碳收支和生物地球化學(xué)循環(huán)影響了大氣CO2濃度的變化，并與海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和全球變化密切相關(guān)[60,61]。雖然人類產(chǎn)生的二氧化碳排放量在過去一個(gè)世紀(jì)一直在增加，但海洋通過物理和生物耦合過程吸收和儲(chǔ)存了大量二氧化碳，從而成為最大的二氧化碳“蓄水池”。這些過程在很大程度上調(diào)節(jié)了大氣中的二氧化碳濃度，緩解了全球變暖[62,63]。以前的研究發(fā)現(xiàn)，中尺度渦只能解釋20%～30%的營(yíng)養(yǎng)鹽垂直輸送[64—66]。而亞中尺度過程，例如海洋鋒和渦絲，才是上層海洋營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)的主要驅(qū)動(dòng)力[67—72]。OSCOM 觀測(cè)的高分辨率、高精度“流—風(fēng)—浪”數(shù)據(jù)，有助于準(zhǔn)確估計(jì)海氣通量，并促進(jìn)對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力、營(yíng)養(yǎng)鹽收支平衡物理機(jī)制的深入研究。結(jié)合物理—生態(tài)耦合模式，可以研究相關(guān)垂直交換如何影響全球生物地球化學(xué)循環(huán)和營(yíng)養(yǎng)鹽收支。

2.5 海洋數(shù)值模式的發(fā)展與完善

大氣動(dòng)能輸入是海洋的主要驅(qū)動(dòng)力。然而即使與最新的海洋數(shù)值模式仍無法準(zhǔn)確估計(jì)從大氣風(fēng)場(chǎng)傳輸?shù)胶Ｑ蟮哪芰?。風(fēng)應(yīng)力阻力系數(shù)與海表流速之間的關(guān)系尚不清楚，這已成為改善上層海洋動(dòng)力學(xué)與海氣相互作用模擬和預(yù)測(cè)的瓶頸[73—75]。“流—風(fēng)—浪”的同時(shí)觀測(cè)可以提供海氣通量的定量估計(jì)，并優(yōu)化模式中的相關(guān)參數(shù)化方案，提高海洋模擬和預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度和精確度。

此外，海洋數(shù)值模式無法準(zhǔn)確模擬海洋中尺度渦、亞中尺度過程和近岸動(dòng)力過程[76]。目前，最有效的方法是使用高分辨率海洋模式同化多種海洋觀測(cè)，生成描述真實(shí)海洋過程的再分析數(shù)據(jù)。未來，基于“流—風(fēng)—浪”同步觀測(cè)，應(yīng)用選尺度數(shù)據(jù)同化技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法[77]，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)非平衡狀態(tài)下的海表流速。

針對(duì)以上前沿科學(xué)問題，OSCOM 擬實(shí)現(xiàn)的科學(xué)目標(biāo)如下。

（1）開展海洋亞中尺度非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)、海洋多尺度相互作用、海氣耦合的研究，支撐實(shí)現(xiàn)海洋系統(tǒng)科學(xué)、氣候變化等理論研究的重大突破。

（2）奠定海洋非平衡態(tài)過程數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)海洋和海氣耦合模式的重大改進(jìn)，為海洋生物地球化學(xué)循環(huán)、碳收支研究和國(guó)家重大任務(wù)提供支撐。

（3）實(shí)現(xiàn)全球公里級(jí)海表流場(chǎng)的星載直接觀測(cè)，填補(bǔ)國(guó)際上對(duì)海洋矢量要素一體化觀測(cè)能力的空白。

3 科學(xué)需求

OSCOM 的核心任務(wù)是實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度海表流場(chǎng)的直接觀測(cè)。由于“流—風(fēng)—浪”三要素相互耦合，海面風(fēng)場(chǎng)、海浪譜與海表流場(chǎng)的同步觀測(cè)對(duì)高精度海表流場(chǎng)的反演至關(guān)重要，也是實(shí)現(xiàn)OSCOM 衛(wèi)星科學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵。

3.1 海表流場(chǎng)

OSCOM 旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)全球海表全流場(chǎng)直接觀測(cè)，這樣有利于觀測(cè)非地轉(zhuǎn)流。非地轉(zhuǎn)流包括Ekman流、慣性流、潮流、Stokes 漂流以及海面風(fēng)場(chǎng)或者海洋內(nèi)部不穩(wěn)定導(dǎo)致的不穩(wěn)定流/波，其水平尺度為1～1000 km，時(shí)間尺度從數(shù)小時(shí)到數(shù)月。對(duì)6 h 間隔的全球漂流數(shù)據(jù)的分析表明，非地轉(zhuǎn)流占全球全流速的43%。目前海表流場(chǎng)主要通過地轉(zhuǎn)平衡理論從衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)反演，獲得赤道外開闊大洋的大中尺度（＞100 km）地轉(zhuǎn)流[78]。中高緯度的地轉(zhuǎn)流空間尺度為20～100 km，熱帶海洋中的非地轉(zhuǎn)、非平衡過程空間尺度可達(dá)到10～100 km[79]。因此，海表流場(chǎng)觀測(cè)的水平分辨率應(yīng)小于10 km，才能滿足海洋中尺度和亞中尺度動(dòng)力學(xué)過程的科學(xué)需求。亞中尺度和中尺度動(dòng)力過程時(shí)間尺度通常為天到月的量級(jí)。根據(jù)海洋動(dòng)力學(xué)的時(shí)空相干性，寬刈幅（≥1000 km）的觀測(cè)對(duì)于解決觀測(cè)時(shí)間分辨率不足的問題是非常必要的。

海表流場(chǎng)的高精度觀測(cè)對(duì)于刻畫亞中尺度過程非常重要。在全球海洋中，6 h 漂流浮標(biāo)觀測(cè)到的平均海流速度大于0.1 m·s—1的樣本約占總樣本的82%。這一數(shù)值在南?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中能上升到約95%。速度大于0.1 m·s—1的海流動(dòng)能占總動(dòng)能的99%以上。0.1 m·s—1的速度精度能滿足刻畫亞中尺度過程和研究全球海洋多尺度動(dòng)力過程相互作用的科學(xué)需求。

3.2 海面風(fēng)場(chǎng)

海面風(fēng)場(chǎng)直接影響著海氣之間的動(dòng)量、熱量和水氣通量，是海洋—大氣耦合系統(tǒng)的關(guān)鍵變量。在風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，粗糙海面布拉格散射的多普勒頻率是準(zhǔn)確反演高精度海表流場(chǎng)的關(guān)鍵。海表流場(chǎng)也會(huì)通過應(yīng)力影響海面風(fēng)場(chǎng)，二者需要同步觀測(cè)。在亞中尺度至中尺度，海表流場(chǎng)的梯度與海面風(fēng)場(chǎng)異常高度相關(guān)[57—59]。海面風(fēng)場(chǎng)的空間分辨率小于10 km 才能滿足高精度海表流場(chǎng)的反演需求，并且提升對(duì)海氣動(dòng)量、熱量和二氧化碳通量的估算能力。海面風(fēng)場(chǎng)在亞中尺度和中尺度海氣耦合系統(tǒng)中強(qiáng)度較強(qiáng)而且變化較快。在初步的仿真模擬實(shí)驗(yàn)中，為實(shí)現(xiàn)海表流場(chǎng)反演精度優(yōu)于0.1 m·s—1，風(fēng)速和風(fēng)向的反演精度需優(yōu)于2 m·s—1和20°[41]。

3.3 海浪譜觀測(cè)需求

海表波浪，尤其是重力波的相速度，能夠影響海表多普勒頻率譜；海浪譜是實(shí)現(xiàn)高精度海表流場(chǎng)反演的重要變量。海浪譜的空間分辨率小于10 km 才能滿足高精度海表流場(chǎng)的反演需求。海浪譜在50～500 m 的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，所有方向的波長(zhǎng)和波向的精度為10%和15°。全球海浪譜觀測(cè)將有助于開展以下研究：①提高海表面粗糙度的估計(jì)，獲取高精度海表流場(chǎng)；②估算Stokes 漂流和風(fēng)輸入浪的能量；③優(yōu)化海洋大氣界面動(dòng)量和熱量通量的參數(shù)化方案。

“流—風(fēng)—浪”是海洋動(dòng)力環(huán)境的三個(gè)基礎(chǔ)變量，彼此之間相互耦合。DOPS 將采用Ka 和Ku 兩個(gè)頻率的波段進(jìn)行觀測(cè)。Ka 波段直接測(cè)量不同入射方位角下后向散射信號(hào)回波脈沖的多普勒頻率頻移[41]，Ku 波段以步進(jìn)差頻干涉模式運(yùn)行。海面風(fēng)場(chǎng)通過測(cè)量后向散射系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)交叉剖面）得到[41,54]，海浪譜可以基于雙尺度模型，通過差頻干涉測(cè)量進(jìn)行估算[80]。最后，海表流場(chǎng)由多普勒頻移和海面風(fēng)場(chǎng)與海浪譜耦合模型獲得。結(jié)合海面風(fēng)場(chǎng)和海浪譜的測(cè)量與反演，獲得高精度的海表全流場(chǎng)，將為海洋動(dòng)力學(xué)和海氣動(dòng)量交換等科學(xué)問題的突破提供至關(guān)重要的依據(jù)（見圖3）。

圖3 有效載荷與數(shù)據(jù)及其對(duì)科學(xué)目標(biāo)的貢獻(xiàn)Fig. 3 Payloads, data products, and their contribution to scientific objectives

3.4 與其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)的聯(lián)合應(yīng)用

3.4.1 海洋–大氣交換

最近的研究表明，中尺度、亞中尺度海氣相互作用主導(dǎo)跨圈層物質(zhì)和能量交換，在海氣相互作用，尤其是動(dòng)量和熱量通量研究中起著重要作用[58,59,64,80]。OSCOM 可以獲得“流—風(fēng)—浪”的觀測(cè)與反演，但尚缺少高分辨率海面溫度觀測(cè)[81]。高分辨率的海面溫度數(shù)據(jù)可以由海洋一號(hào)系列衛(wèi)星（HY-1 C/D，分辨率1.1 km）、風(fēng)云三號(hào)系列衛(wèi)星（FY-3 C，分辨率1.1 km；FY-3 D/E，分辨率250 m）提供。而且HY-2B/C/D/E 衛(wèi)星觀測(cè)的10～25 km 分辨率海洋動(dòng)力數(shù)據(jù)有助于研究多尺度海洋大氣的相互作用。

3.4.2 海表精細(xì)化流場(chǎng)重構(gòu)

最新研究成果表明，海面溫度梯度和海表葉綠素分布與中尺度—亞中尺度海表動(dòng)力過程在空間上高相關(guān)。因此，高分辨率海面溫度和葉綠素?cái)?shù)據(jù)可用于反演重構(gòu)海表流場(chǎng)結(jié)構(gòu)[82]?；趧?dòng)力—熱力反演模型和其他衛(wèi)星（例如HY-1 C/D 和FY-3 C/D/E）獲取的高分辨率海面溫度和海表葉綠素?cái)?shù)據(jù)，OSCOM 的海表流場(chǎng)觀測(cè)分辨率（5 km）可以提高到更高精度（約1 km）。

4 探測(cè)原理與有效載荷配置

海面回波多普勒頻移反映散射目標(biāo)的雷達(dá)視向速度。由于海面自身構(gòu)成及海面電磁散射的復(fù)雜性，海面回波多普勒質(zhì)心不僅與海流有關(guān)，還與重力波或海浪的軌道速度有關(guān)；二者均與海面風(fēng)場(chǎng)密切相關(guān)。此外，海面風(fēng)場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致海面幾何形態(tài)的變化，導(dǎo)致雷達(dá)散射回波的幅度和相位發(fā)生變化。

OSCOM 雙頻DOPS 結(jié)合差頻干涉技術(shù)，通過對(duì)海面粗糙度譜、斜率譜和多普勒譜的同步探測(cè)，可聯(lián)合反演“流—風(fēng)—浪”三個(gè)要素[39,40,82]。其中，海面風(fēng)場(chǎng)與多普勒雷達(dá)觀測(cè)幅度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系與發(fā)展成熟的微波散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)反演模型一致，通過觀測(cè)能直接獲取海面風(fēng)場(chǎng)[54]。雖然流與浪均能導(dǎo)致多普勒測(cè)量頻率的變化，但是在特定風(fēng)速條件下，借助差頻干涉技術(shù)和海面對(duì)雙頻脈沖響應(yīng)的差異，能將流和浪的不同運(yùn)動(dòng)特性投射到不同的觀測(cè)回波多普勒頻移分量[80]。然后在特定風(fēng)場(chǎng)下，利用海浪對(duì)差頻觀測(cè)的不同響應(yīng)區(qū)分各分量，實(shí)現(xiàn)“流—風(fēng)—浪”的參數(shù)反演。

4.1 海面多普勒速度

海表流場(chǎng)的探測(cè)通過回波脈沖干涉實(shí)現(xiàn)多普勒頻移的測(cè)量，獲取海面運(yùn)動(dòng)速度。然后通過多方位角觀測(cè)實(shí)現(xiàn)速度方向的測(cè)量。

微波雷達(dá)信號(hào)的多普勒頻移取決于雷達(dá)與海面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括雷達(dá)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)、海面風(fēng)場(chǎng)和海浪引起的運(yùn)動(dòng)（共振布拉格波的相速度和比布拉格波更長(zhǎng)的海浪的軌道運(yùn)動(dòng)），以及海表流場(chǎng)。準(zhǔn)確估計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)和波浪引起的多普勒頻移并將其去除是精確反演海表流場(chǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

DOPS 通過Ka 波段脈沖簇相干得到海面多普勒速度的高精度估計(jì)，之后通過Ku 差頻干涉信息得到海浪譜。Ka 頻段可以實(shí)現(xiàn)更窄的天線波束寬度及更高的天線增益，有利于海面多普勒頻移的估計(jì)和海表流場(chǎng)的反演。與傳統(tǒng)真實(shí)的孔徑雷達(dá)不同，DOPS 需要對(duì)回波信號(hào)的干涉相位進(jìn)行預(yù)處理和多普勒頻移估計(jì)。OSCOM 聯(lián)合Ka 與Ku 波段得到的海面風(fēng)場(chǎng)信息，通過“流—風(fēng)—浪”耦合的多普勒速度譜模型，去除海浪譜和海面風(fēng)場(chǎng)對(duì)海面多普勒速度的貢獻(xiàn)，最終得到海表流場(chǎng)矢量的估計(jì)與反演。

4.2 海面風(fēng)場(chǎng)

DOPS 對(duì)海面同一分辨單元上不同入射方位角下的后向散射系數(shù)進(jìn)行多角度測(cè)量，結(jié)合地球物理模型反演，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)[83]。建立后向散射系數(shù)對(duì)風(fēng)速和視角的依賴性的地球物理模型函數(shù)（GMF）獲得海面風(fēng)場(chǎng)。通過旋轉(zhuǎn)天線實(shí)現(xiàn)波束的圓錐掃描，可以從不同方位角獲得海面每個(gè)分辨率單元的重復(fù)觀測(cè)，并根據(jù)測(cè)量的后向散射系數(shù)獲得衛(wèi)星的前向移動(dòng)。

4.3 海浪譜

與基于準(zhǔn)鏡面散射的小入射角海浪譜觀測(cè)（例如中法海洋衛(wèi)星CFOSAT 上的雷達(dá)波譜儀[84]）相比，OSCOM 采用基于中等入射角的Δk海浪譜測(cè)量方法，可將觀測(cè)刈幅從200 km 拓展至1000 km 以上，與海表流場(chǎng)、海面風(fēng)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)寬刈幅、同程觀測(cè)。

該方法基于海面風(fēng)—浪耦合的雙尺度模型，通過發(fā)射一組差頻干涉信號(hào)，實(shí)現(xiàn)海浪譜觀測(cè)：每組差頻回波信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)海浪譜的一次測(cè)量，即對(duì)海浪譜在Δk處進(jìn)行一次采樣。發(fā)射的差頻信號(hào)經(jīng)海面散射，散射計(jì)接收機(jī)接收到兩個(gè)頻率回波后進(jìn)行復(fù)相干：利用長(zhǎng)波的周期性，采用步進(jìn)頻差的方式，干涉獲取不同波長(zhǎng)的海浪譜。

“流—風(fēng)—浪”是三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的海洋動(dòng)力學(xué)參數(shù)。星載“流—風(fēng)—浪”的測(cè)量對(duì)于載荷的觀測(cè)體制、信號(hào)模型、數(shù)據(jù)處理方法等都提出了不同要求。在中大入射角條件下，基于布拉格散射的風(fēng)場(chǎng)測(cè)量和基于海面多普勒速度估計(jì)的流場(chǎng)測(cè)量，具有小入射角觀測(cè)無法替代的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于海浪譜的觀測(cè)，小入射角條件下，基于準(zhǔn)鏡面散射的本地入射角調(diào)制關(guān)系與海面斜率呈線性關(guān)系，有利于海浪譜的反演。在中大入射角條件下，海面的布拉格散射的本地入射角調(diào)制關(guān)系與海面呈單調(diào)的非線性關(guān)系。盡管這給海浪譜反演算法的實(shí)現(xiàn)帶來了一定困難，但是基于Δk海浪譜測(cè)量原理及合成孔徑雷達(dá)海浪觀測(cè)的理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在中等入射角條件下，可以獲得與小入射角相當(dāng)?shù)暮＠俗V反演精度。因此，OSCOM 采用一套多工作模態(tài)的DOPS 實(shí)現(xiàn)對(duì)海面“流—風(fēng)—浪”的同步測(cè)量與反演，有效降低載荷系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提高載荷費(fèi)效比。

為實(shí)現(xiàn)OSCOM 的科學(xué)目標(biāo)，最關(guān)鍵的突破是實(shí)現(xiàn)海表全流場(chǎng)的寬刈幅、高分辨率觀測(cè)。利用DOPS 在多個(gè)方位角方向上觀測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)海表流場(chǎng)矢量的直接測(cè)量，并同時(shí)測(cè)量海面風(fēng)場(chǎng)[39,40,43,83]。

為了實(shí)現(xiàn)寬刈幅、高分辨、高精度的“流—風(fēng)—浪”觀測(cè)，DOPS 采用雙頻（Ka-Ku）多波束圓錐掃描體制的真實(shí)孔徑雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)在46°～49°俯仰波束范圍內(nèi)具有多個(gè)獨(dú)立的波束觀測(cè)。DOPS 的Ku 和Ka 波段分別采用不同工作模式：Ka 波段為多普勒測(cè)量模式，通過旋轉(zhuǎn)掃描提供多方位角觀測(cè)的海面后向散射系數(shù)和海面多普勒頻率；Ku 波段為調(diào)頻干涉模式，通過旋轉(zhuǎn)掃描提供多方位角觀測(cè)的海面后向散射系數(shù)和海浪譜；Ku 和Ka 波段后向散射系數(shù)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)的高精度反演；利用海面多普勒速度、海浪譜和風(fēng)場(chǎng)信息聯(lián)合反演海表流場(chǎng)。衛(wèi)星軌道采用太陽同步軌道，軌道高度650 km。DOPS 海面觀測(cè)幾何如圖4 所示。OSCOM 衛(wèi)星有效載荷的具體配置方案見表2。

表2 OSCOM 衛(wèi)星有效載荷DOPS 配置方案Table 2 DOPS configuration scheme of OSCOM satellite payload

圖4 多普勒散射計(jì)海面觀測(cè)幾何Fig. 4 Doppler scatterometer observing strategy

5 結(jié)語

海表流場(chǎng)是描述海洋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)最直接、最基礎(chǔ)的物理量。全球海表流場(chǎng)在多尺度海洋動(dòng)力學(xué)的動(dòng)量和能量耦合、海氣交換與相互作用、海洋物質(zhì)能量輸送與平衡等方面發(fā)揮著重要作用。海表流場(chǎng)還決定了海洋中的營(yíng)養(yǎng)鹽運(yùn)輸、污染物擴(kuò)散和海冰漂移。然而目前主流的衛(wèi)星測(cè)高法只能獲得海表流場(chǎng)中的地轉(zhuǎn)流分量，無法刻畫赤道區(qū)域、近岸海域復(fù)雜多變的流場(chǎng)，以及開闊大洋中非平衡態(tài)海流過程，無法獲得大多數(shù)海域的中小尺度過程。這些不足阻礙了對(duì)非平衡態(tài)海洋動(dòng)力學(xué)和中小尺度海氣相互作用的深入研究。因此，迫切需要開展全球高分辨率的海表流場(chǎng)直接觀測(cè)。由于“流—風(fēng)—浪”三要素之間的相互耦合特性，三者同時(shí)觀測(cè)是獲取高分辨率、高精度海表流場(chǎng)的關(guān)鍵。

為此，中國(guó)科學(xué)院提出了OSCOM 任務(wù)。OSCOM 將通過多普勒散射計(jì)對(duì)分辨率為 5～10 km、刈幅大于 1000 km 的海面矢量運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)直接探測(cè)，并能夠?qū)崿F(xiàn)全球“流—風(fēng)—浪”的一體化測(cè)量。利用雷達(dá)直接測(cè)量的海表流場(chǎng)（分辨率5～10 km）與來自其他衛(wèi)星的高分辨率海面溫度和水色數(shù)據(jù)（分辨率約1 km）相結(jié)合，可以進(jìn)一步構(gòu)建高分辨率海表流場(chǎng)數(shù)據(jù)（分辨率約1 km）。OSCOM 創(chuàng)新性提出了“流—風(fēng)—浪”一體化觀測(cè)與反演的技術(shù)方案。

OSCOM 將促進(jìn)海洋亞中尺度動(dòng)力學(xué)、多尺度過程相互作用、海氣物質(zhì)和能量交換與平衡、生物地球化學(xué)循環(huán)和全球氣候變化的前沿研究，并有助于改進(jìn)非平衡態(tài)過程的數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)。OSCOM 將開啟海洋亞尺度動(dòng)力學(xué)研究和地球科學(xué)跨學(xué)科前沿研究的新紀(jì)元。

自 2012 年以來，中國(guó)科學(xué)院和國(guó)家自然科學(xué)基金委先后給予多項(xiàng)資助和項(xiàng)目，支持 DOPS 概念和技術(shù)的研究和開發(fā)。2020 年，中科院“空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)（二期）”支持了全球海表流場(chǎng)多尺度結(jié)構(gòu)觀測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃（OSCOM）候選任務(wù)的背景型號(hào)研究。迄今為止，OSCOM 對(duì)科學(xué)目標(biāo)、觀測(cè)技術(shù)發(fā)展、反演模型和技術(shù)進(jìn)行了深入研究和論證。2020 年8 月，完成了航空校飛試驗(yàn)。OSCOM 衛(wèi)星概念的先進(jìn)性和可行性受到肯定。OSCOM 具備開展工程型號(hào)任務(wù)研制的研究基礎(chǔ)、技術(shù)基礎(chǔ)和保障條件。

OSCOM 的定位是科學(xué)衛(wèi)星，聚焦重大科學(xué)問題的創(chuàng)新與突破，首要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)。通過在多普勒探測(cè)原理、“流—風(fēng)—浪”一體化探測(cè)與反演技術(shù)等方面的研究，實(shí)現(xiàn)“從0 到1”的創(chuàng)新突破，為應(yīng)用衛(wèi)星的發(fā)展提供必要的準(zhǔn)備和支撐。OSCOM 若能順利進(jìn)入工程階段，有望在2025 年完成發(fā)射任務(wù)，其將成為我國(guó)首顆海洋科學(xué)衛(wèi)星，在實(shí)現(xiàn)我國(guó)海洋衛(wèi)星的發(fā)展模式從追趕、并行轉(zhuǎn)變?yōu)橐I(lǐng)發(fā)展的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

致謝 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心空間科學(xué)與深空探測(cè)規(guī)劃論證中心對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行了指導(dǎo)。陳云帆幫助繪制了衛(wèi)星概念示意圖。海表流場(chǎng)數(shù)據(jù)來自http://apdrc.soest.hawaii.edu/dods/public_ofes/OfES/。風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)來自ht tp://apdrc.soest.hawaii.edu/dods/public_data/satellite_product/QSCAT。海平面數(shù)據(jù)來自https://resources.marine.copernicus.eu/product-detail/SEALEVEL_GLO_PHY_L4_NRT_OBSERVATIONS_008_046/D ATA-ACCESS。