發(fā)展海洋鹽度衛(wèi)星 完善我國海洋動力衛(wèi)星觀測體系

張慶君 殷小軍 蔣昱

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

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發(fā)展海洋鹽度衛(wèi)星 完善我國海洋動力衛(wèi)星觀測體系

張慶君 殷小軍 蔣昱

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

海洋鹽度是海洋動力中最基本的要素之一，發(fā)展鹽度觀測衛(wèi)星是獲取海洋動力環(huán)境數(shù)據(jù)的重要手段，在海洋觀測和數(shù)據(jù)預(yù)報中發(fā)揮著巨大的作用。文章分析了海洋鹽度衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了海洋鹽度衛(wèi)星在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用，論述了我國海洋動力環(huán)境衛(wèi)星體系的成就和不足，結(jié)合我國的發(fā)展需求，提出了發(fā)展海洋鹽度衛(wèi)星完善我國海洋動力環(huán)境觀測體系的發(fā)展目標。通過探測海洋鹽度要素，實現(xiàn)海洋動力環(huán)境全要素的綜合探測，可為海洋環(huán)境信息預(yù)報和提取等應(yīng)用提供不可或缺的數(shù)據(jù)源。

海洋動力環(huán)境要素；鹽度衛(wèi)星；環(huán)境探測；海洋應(yīng)用

1 引言

海洋是生命的搖籃，是資源的寶庫，是全球氣候的重要調(diào)節(jié)器，是經(jīng)濟利益的來源和世界貿(mào)易的大通道，也是國防安全的重要組成部分。開發(fā)利用海洋是解決當(dāng)今全球資源短缺、人口膨脹、環(huán)境惡化的重要出路之一。人類社會的可持續(xù)發(fā)展必然越來越多地依賴海洋，海洋將為人類社會的繁榮和發(fā)展作出越來越大的貢獻[1]。按照聯(lián)合國海洋法公約和我國的主張，我國管轄的海域約300萬平方千米。有效維護國家的海洋權(quán)益、合理開發(fā)利用海洋資源、切實保護海洋生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)海洋資源與環(huán)境的可持續(xù)利用，是時代賦予我們的歷史使命[2]。我國在國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃中明確提出，海洋動力環(huán)境要素在海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋權(quán)益維護、海洋環(huán)境保護、海域使用管理、海上執(zhí)法監(jiān)察、海洋災(zāi)害與突發(fā)事件應(yīng)急觀測、新型海洋要素觀測方面均有迫切需求，需要對海洋動力環(huán)境要素實現(xiàn)多尺度、多要素、大面積、實時和動態(tài)的立體式監(jiān)測，兼顧全球熱點海域觀測的同時側(cè)重我國領(lǐng)海監(jiān)測 。因此，大力發(fā)展海洋立體監(jiān)測體系是我國從海洋大國轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｑ髲妵闹匾侄巍?/p>

海洋鹽度與海洋溫度和海洋流場是海洋動力學(xué)中最基本的三個要素。海洋鹽度在觀測中尺度海洋現(xiàn)象、海洋的溫鹽環(huán)流、海氣相互作用和海洋淡水收支平衡等中起著重要的作用，是認識和揭示海洋現(xiàn)象最基本的參量，也是研究全球氣候變化及天氣預(yù)報模式的重要依據(jù)。采用海洋浮標、船基等傳統(tǒng)的手段進行了幾十年的觀測，全球依然有25%的海面從來沒有過鹽度觀測數(shù)據(jù)，不能有效滿足工程建設(shè)和業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。通過天基遙感對海洋鹽度觀測是唯一可行的大范圍、連續(xù)觀測海洋鹽度的方法。利用遙感衛(wèi)星獲取的海洋鹽度信息，可完善對海洋動力環(huán)境信息的獲取能力，適應(yīng)海洋環(huán)境與海洋生態(tài)的觀測和預(yù)報需求，同時為氣候預(yù)測模式提供精確的背景場和再分析產(chǎn)品，提高氣候預(yù)測的能力。

2 國外海洋鹽度衛(wèi)星的現(xiàn)狀

2.1 海洋鹽度的觀測精度需求

依據(jù)國際上海洋鹽度應(yīng)用需求研究，不同類型的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ｑ篼}度產(chǎn)品精度、空間分辨率和時間分辨率的需求差異較大,如表1所示。例如海岸過程對鹽度產(chǎn)品精度要求較低，對時間分辨率和空間分辨率要求高。海洋鹽度異常對預(yù)報厄爾尼諾現(xiàn)象等應(yīng)用對鹽度產(chǎn)品的指標要求高，而對時間分辨率和空間分辨率的指標要求不高。

表1 全球鹽度遙感的應(yīng)用需求指標Table 1 Application demande of global remote sensing salinity

注：psu表示每千克水中溴化物、碘化物和氯化物的含量，單位是g。

2.2 海洋鹽度的觀測手段和進展

為了解決海洋鹽度數(shù)據(jù)匱乏的問題，ESA和NASA分別發(fā)射了“土壤濕度和海洋鹽度”(SMOS)衛(wèi)星和“寶瓶座”(Aquarius)衛(wèi)星用于海洋鹽度測量，衛(wèi)星參數(shù)如表2所示[3-4]。

表2 國外海洋鹽度衛(wèi)星參數(shù)表Table 2 Parameter of sea surface salinity satellite abroad

SMOS衛(wèi)星裝載了L頻段二維綜合孔徑微波輻射計(圖1)，采用Y型二維稀疏天線陣，由3個支臂組成，單臂的長度約為4.5 m，整個系統(tǒng)含69個接收單元及約5000個數(shù)字相關(guān)單元，是目前復(fù)雜程度最高的綜合孔徑輻射計系統(tǒng)。Aquarius衛(wèi)星采用L頻段主被動結(jié)合的工作體制(圖2)，散射計和輻射計共用3個饋源的推掃式偏置拋物面天線交替觀測同一海面區(qū)域。

SMOS衛(wèi)星和Aquarius衛(wèi)星采用2種不同的觀測體制，在技術(shù)上都取得了巨大進步。SMOS衛(wèi)星的成就包括：首次在軌驗證了綜合孔徑技術(shù)在海洋鹽度測量中的應(yīng)用能力；采用二維綜合孔徑探測體制，對目標進行多入射角探測，顯著地提高了鹽度測量精度和射頻干擾的檢測能力。Aquarius衛(wèi)星的成就包括：實現(xiàn)了高穩(wěn)定度、高靈敏度的輻射計測量技術(shù)；增加散射計測量海面粗糙度，明顯提高了鹽度測量精度。綜合衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況，SMOS衛(wèi)星和Aquarius衛(wèi)星存在的問題可歸納為：① 兩顆衛(wèi)星都未采用校正L頻段亮度溫度的同步測量手段；② 2顆衛(wèi)星都未能解決L頻段射頻干擾問題，導(dǎo)致部分測量數(shù)據(jù)精度受到影響；③ SMOS衛(wèi)星的有效載荷接收機穩(wěn)定度不高，且沒有對天線采用溫控技術(shù)，導(dǎo)致觀測的亮溫誤差較大；④ Aquarius衛(wèi)星采用實孔徑體制，其空間分辨率低，觀測幅寬小。

ESA針對SMOS衛(wèi)星在軌出現(xiàn)的問題，在后續(xù)發(fā)展規(guī)劃中提出全新的六邊形陣列形式的綜合孔徑微波輻射計，可提升L頻段綜合孔徑微波輻射計的地面分辨率、測量靈敏度及射頻干擾抑制能力，同時增加海面粗糙度的測量手段，可提高SMOS后續(xù)衛(wèi)星的觀測能力。

3 海洋鹽度在海洋環(huán)境預(yù)報中的應(yīng)用

3.1 海洋環(huán)境預(yù)報

海洋鹽度是影響海洋動力環(huán)境和海氣相互作用驅(qū)動全球三維海洋環(huán)流模式的一個關(guān)鍵因子。鹽度對海洋中的熱力、動力過程的影響非常顯著，是大洋熱鹽環(huán)流的驅(qū)動因素之一。鹽度變化決定海洋密度或浮力，控制海洋底層水的生成，影響熱鹽環(huán)流。海洋鹽度衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)不僅能為海洋環(huán)境數(shù)據(jù)同化提供可靠的鹽度觀測數(shù)據(jù)，還能豐富近海海洋環(huán)境預(yù)報產(chǎn)品種類，為近海海洋養(yǎng)殖、海洋資源開發(fā)利用等提供保障產(chǎn)品。海洋鹽度觀測數(shù)據(jù)能明顯提高海洋環(huán)境預(yù)報能力和準確率，為近海海洋活動提供準確海洋環(huán)境預(yù)報。

3.2 海洋生態(tài)預(yù)報

海洋生態(tài)系統(tǒng)變化的隨機性是由外在環(huán)境隨機性(天氣過程及氣候變化、大氣及陸源物質(zhì)輸運、流場改變等)及內(nèi)在隨機性(生態(tài)動力學(xué)的隨機性)共同作用決定的，需要輸入大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。海洋鹽度衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)輸入到生態(tài)模型中,可明顯提高模擬的精度和預(yù)報的準確性,為近海海域生態(tài)環(huán)境保護、資源利用及監(jiān)測評估等提供決策依據(jù)。

3.3 短期氣候預(yù)報

海洋鹽度是影響障礙層、深層水團、溫鹽環(huán)流等海洋物理過程的重要因素，海洋鹽度在空間上的分布是模擬海洋垂直剖面結(jié)構(gòu)、海洋熱貯存的重要數(shù)據(jù)源。海洋鹽度的季節(jié)和年際變化還與厄爾尼諾等海氣相互作用現(xiàn)象息息相關(guān)，是認識和預(yù)測短期氣候變化的主要數(shù)據(jù)來源。

3.4 水資源監(jiān)測與預(yù)報

海洋蒸發(fā)與降水對海洋鹽度的影響最顯著。全球86%的蒸發(fā)來自海洋，78%的降水最終匯集到海洋，蒸發(fā)或降水導(dǎo)致海洋鹽度的上升或下降。海洋表面鹽度的空間分布與海表蒸發(fā)-降水差的空間分布一致，因此，海洋鹽度是全球降水量、洪澇和干旱現(xiàn)象的重要指示器。

3.5 極地海冰監(jiān)測

海冰對海上運輸和海洋資源開發(fā)的影響極其重要，海冰的總面積和厚度是非常重要的參數(shù)，影響海洋-大氣的相互作用，反映了極地冰蓋冰架和臨海海域的動態(tài)變化，是研究海洋和大氣相互耦合關(guān)系中的重點因素。海洋鹽度觀測獲取海冰厚度、面積、空間分布及冰齡等數(shù)據(jù),為極地氣候預(yù)報和臨海區(qū)域氣象預(yù)報提供不可或缺的數(shù)據(jù)源。

3.6 極端天氣預(yù)報

近年來全球氣候變化的加劇對天氣預(yù)報的準確性提出了更高的要求。海洋鹽度的變化直接影響海洋等溫層間的混合及熱量傳輸，且對提高長期氣候預(yù)報精度和模式優(yōu)化至關(guān)重要，因此準確、全面、連續(xù)的全球海洋鹽度觀測數(shù)據(jù)正是氣候預(yù)報準確性的重要保證。利用海洋鹽度衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行四維同化，可以監(jiān)測大尺度海洋鹽度現(xiàn)象，特別是追蹤交匯海域的海洋鹽度的年際變化對極端條件下天氣預(yù)報意義重大。

4 我國海洋動力環(huán)境衛(wèi)星觀測體系進展

4.1 我國海洋動力環(huán)境衛(wèi)星的現(xiàn)狀與成就

根據(jù)我國面向海洋強國戰(zhàn)略在海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境保護、海域使用管理、極地大洋管理和海洋權(quán)益維護等方面的重大需求，國家海洋局經(jīng)過科學(xué)論證，建議形成海洋水色、海洋動力和海洋監(jiān)視監(jiān)測3個衛(wèi)星系列[5]。20世紀末，我國國防科工局支持了發(fā)展我國海洋動力環(huán)境衛(wèi)星的設(shè)想，并在此后由中國航天科技集團公司于2011年完成了我國首顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星的研制發(fā)射，實時獲得全球海洋表面風(fēng)場，得到全球海洋上的風(fēng)矢量場和表面風(fēng)應(yīng)力數(shù)據(jù)，為海洋環(huán)境預(yù)報提供準確的初場和表面驅(qū)動力；獲取全球海洋地形數(shù)據(jù)，提供海面動力拓撲基本環(huán)境參量；掌握全球海面溫度場和極地冰蓋的變異，提高我國對全球變化預(yù)測和長期氣候預(yù)報的準確性。海洋動力環(huán)境衛(wèi)星的發(fā)射，提升了我國海洋動力衛(wèi)星的載荷研究和數(shù)據(jù)應(yīng)用水平，也為我國海洋動力環(huán)境監(jiān)測提供了堅實的理論基礎(chǔ)和扎實的工程經(jīng)驗[6]。裝載C頻段SAR載荷的高分三號衛(wèi)星于2016年8月成功發(fā)射，可以用于海洋動力環(huán)境的測量。如表3所示，除探測海洋鹽度外我國海洋動力環(huán)境衛(wèi)星具備了觀測所有動力環(huán)境要素的能力，并已經(jīng)與中國海監(jiān)飛機、船舶、浮標和岸站一起，構(gòu)成對我國海域的立體監(jiān)測體系并投入業(yè)務(wù)運行，正在實施著對我國管轄海域的有效監(jiān)測，必將對綜合管理國家海域、保護海洋環(huán)境、維護國家海洋權(quán)益、發(fā)展海洋經(jīng)濟、增強國家海防實力發(fā)揮重要作用，并取得巨大效益[1,7]。

4.2 我國海洋動力環(huán)境衛(wèi)星的差距與不足

我國海洋動力環(huán)境衛(wèi)星縮短了與國外近30年的差距，目前我國規(guī)劃了業(yè)務(wù)星和科研星，具備形成穩(wěn)定運行的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，可以基本滿足各行各業(yè)對海洋的應(yīng)用需求[8]，但與國際同類衛(wèi)星的發(fā)展相比還存在較大差距，主要表現(xiàn)在性能指標尚有差距、觀測手段還需完善和天地一體化應(yīng)用發(fā)展緩慢。

表3 海洋衛(wèi)星觀測要素與滿足度分析Table 3 Oceanic elements of satellite observation and satisfaction

由于缺少實時的鹽度觀測數(shù)據(jù)使我國在海洋環(huán)境預(yù)報、海洋生態(tài)預(yù)報、短期氣候預(yù)報、全球水循環(huán)和極端天氣預(yù)報等領(lǐng)域的精度不高[9]，對此各行各業(yè)已經(jīng)迫切提出了鹽度數(shù)據(jù)精度的指標需求，如表4所示。為了適應(yīng)海洋大國的發(fā)展戰(zhàn)略，適應(yīng)空間信息建設(shè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展需求，我國海洋動力觀測衛(wèi)星系列的發(fā)展目標需要包含能夠高精度觀測海洋鹽度的衛(wèi)星，作為海洋二號系列衛(wèi)星的組成，填補海洋動力環(huán)境參數(shù)獲取能力的空缺，完善觀測要素，提高測量精度，實現(xiàn)海洋動力環(huán)境全要素的綜合探測，更好地為海洋環(huán)境預(yù)報、中尺度海洋環(huán)境信息的提取等應(yīng)用服務(wù)[10]。

表4 我國對鹽度數(shù)據(jù)的指標需求Table 4 Demanding salinity precision of our country

5 我國海洋鹽度衛(wèi)星發(fā)展建議

1)建立自主的海洋鹽度觀測體系

海洋觀測需要長期、動態(tài)、連續(xù)、實時和大面積定量監(jiān)測，獨立自主地發(fā)展我國自己的海洋鹽度衛(wèi)星對于海洋監(jiān)測與調(diào)查的現(xiàn)代化、國民經(jīng)濟、國防建設(shè)，都具有十分重要的意義。特別對于我國作為管轄約300萬平方千米海域面積的海洋大國，擁有自己的海洋鹽度衛(wèi)星顯得尤為重要，可以避免受制于人，以滿足平戰(zhàn)結(jié)合、寓軍于民的需求。

2)充分利用國內(nèi)外的人才資源

我國作為航天大國必須擁有一批掌握海洋鹽度衛(wèi)星研制和應(yīng)用的技術(shù)隊伍，帶動空間技術(shù)和基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展；與此同時，海洋鹽度衛(wèi)星的研制和應(yīng)用存在許多與國外合作的途徑，可以縮短研制周期、提高衛(wèi)星技術(shù)和應(yīng)用水平。

3)綜合開發(fā)利用國外已有的觀測數(shù)據(jù)

在我國尚未形成以本國鹽度衛(wèi)星系列為應(yīng)用主體之前，充分利用國外同類型衛(wèi)星數(shù)據(jù)，促進我國衛(wèi)星海洋應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。一方面，為國家和地方海洋部門提供海洋環(huán)境與資源遙感信息，為海洋環(huán)境預(yù)報、海洋和海岸帶管理、開發(fā)利用的決策服務(wù)；另一方面，為我國今后發(fā)射高性能鹽度衛(wèi)星奠定應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

我國海洋二號衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行已超過5年，高分三號衛(wèi)星也于2016年8月順利入軌，初步形成了對全球海域內(nèi)海洋動力業(yè)務(wù)化運行能力。根據(jù)我國實際需求和技術(shù)基礎(chǔ)，迫切需要在“十三五”期間研制完成一顆具備業(yè)務(wù)化運行能力的海洋鹽度衛(wèi)星，實現(xiàn)對海洋長期、穩(wěn)定的海洋鹽度觀測，與海洋二號系列、高分三號系列衛(wèi)星一起，構(gòu)建我國完整而又具特色的全球海洋觀測體系。同時升級現(xiàn)有在軌載荷觀測能力，研制新型遙感載荷，加強天地一體化研究，提升遙感定量化應(yīng)用能力，完善海洋要素觀測手段，提升海洋動力環(huán)境衛(wèi)星觀測能力。

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(編輯：張小琳)

Developing Sea Surface Salinity Satellite to Promote Ocean Dynamical Environments Observation

ZHANG Qingjun YIN Xiaojun JIANG Yu

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

Sea surface salinity is one of the most important factor in dynamical environment and ocean dynamical environment based on satellite is crucial to the ocean observation and is playing more and more important role to the forecast and observation. This paper analyse the development and the application status of sea surface salinity satellite, then we discuss strongpoint and deficiency in the dynamical development of our satellite. We combine the demand of China and put forward the developing object of our country. Consummating observation element and realizing the comprehensive detecting could serve to ocean application including forecast and date mining.

ocean dynamical environment； salinity satellite; detecting environment；ocean application

2016-05-17；

2017-02-03

張慶君，男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，衛(wèi)星總設(shè)計師兼總指揮，航天遙感領(lǐng)域總師，入選“新世紀百千萬人才工程”和國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。先后獲國家科技進步特等獎、國家發(fā)明一等獎、國防科技進步一等獎等多項獎勵。研究方向為航天器系統(tǒng)與總體技術(shù)、航天遙感應(yīng)用。Email：zhangqj@tom.com。

V19

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.001