船載氣象衛(wèi)星接收系統(tǒng)在極地航海保障中的應(yīng)用

劉玉新，崔曉健

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心 天津市 300112； 2.國(guó)家海洋信息中心 天津市 300171）

船載氣象衛(wèi)星接收系統(tǒng)在極地航海保障中的應(yīng)用

劉玉新1，崔曉健2

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心 天津市 300112； 2.國(guó)家海洋信息中心 天津市 300171）

回顧我國(guó)極地船載氣象衛(wèi)星接收系統(tǒng)的發(fā)展歷史，從躲避氣旋和災(zāi)害性天氣、冰區(qū)導(dǎo)航、指導(dǎo)大洋作業(yè) 3 個(gè)方面舉例說(shuō)明了高分辨衛(wèi)星接收系統(tǒng)在極地航海氣象保障中所起的重要作用，對(duì)我國(guó)極地船載氣象衛(wèi)星接收系統(tǒng)的發(fā)展前景進(jìn)行了討論分析。

船載氣象衛(wèi)星極地航海

自1960年4月1日美國(guó)發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星以來(lái)，氣象衛(wèi)星遙感事業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]。氣象衛(wèi)星可在地球上空對(duì)各種天氣系統(tǒng)（如熱帶風(fēng)暴、氣旋等）的氣象要素進(jìn)行連續(xù)不間斷的觀測(cè)，由極軌衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星組成的地球大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得全球各地的觀測(cè)資料。極區(qū)常規(guī)氣象觀測(cè)資料的極端匱乏是制約極地航海氣象保障業(yè)務(wù)的重要難題，而氣象衛(wèi)星云圖資料恰能填補(bǔ)這一缺陷，其資料實(shí)時(shí)性強(qiáng)，覆蓋范圍廣，可監(jiān)測(cè)很大范圍內(nèi)天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和變化，是極地考察航線(xiàn)氣象保障的主要資料來(lái)源之一。

自1984年首次南極科學(xué)考察以來(lái)，我國(guó)先后開(kāi)展了 25 次南極科學(xué)考察和 3 次北極科學(xué)考察。20 多年來(lái)，我國(guó)航海氣象保障能力已從中緯度海域顯著擴(kuò)展到極地高緯 80°海域，同時(shí)創(chuàng)造了我國(guó)24年極地航海零傷亡的記錄。如此的海洋氣象保障效果，在世界航海史上也是絕無(wú)僅有的。船載氣象衛(wèi)星接收系統(tǒng)在其中起到了重要作用。

1 我國(guó)極地船載氣象衛(wèi)星接收系統(tǒng)的歷史和現(xiàn)狀

最早的極地科學(xué)考察船衛(wèi)星接收設(shè)備比較落后，使用的是可見(jiàn)光和紅外黑白衛(wèi)星云圖接收系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作程序復(fù)雜，分辨率低，且需要人工沖洗接收的云圖照片，很不方便。圖 1 是一張沖洗的可見(jiàn)光云圖照片，這種低分辨衛(wèi)星云圖云系與極冰均呈白色，很難區(qū)分云和冰的分布情況，因此無(wú)法準(zhǔn)確辨別極區(qū)冰情。這給極區(qū)氣象和海冰預(yù)報(bào)帶來(lái)了很大困難，只能利用人員瞭望和直升機(jī)偵察的方式進(jìn)行小范圍海冰監(jiān)測(cè)。但由于極區(qū)浮冰變化無(wú)常，小范圍的海冰監(jiān)測(cè)不能從根本上消除浮冰和冰山對(duì)考察船構(gòu)成的威脅[2]。

圖1 早期接收的黑白衛(wèi)星云圖照片

20世紀(jì)90年代初，我國(guó)的極地考察船安裝了美國(guó)“奧而登”衛(wèi)星接收系統(tǒng)，該系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，使用熱敏紙自動(dòng)打印圖片，減少了氣象人員的工作量，增加了接收衛(wèi)星云圖的次數(shù)，基本解決了衛(wèi)星氣象資料不足的問(wèn)題。但因?yàn)榻邮盏氖堑头直婧诎自茍D，無(wú)法對(duì)極地浮冰、冰山的分布和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)（圖 2 ）。

圖2 使用熱敏紙自動(dòng)打印的衛(wèi)星云圖照片

1997年，國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心、北京川頁(yè)電氣公司，航天工業(yè)總公司二院聯(lián)合研制了適用于我國(guó)極地科學(xué)考察的船載高分辨衛(wèi)星接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在高溫、高濕和低溫的天氣環(huán)境下正常工作，能適應(yīng) 12 級(jí)以上大風(fēng)，以及船舶在大風(fēng)浪中的劇烈搖擺及破冰造成的強(qiáng)震動(dòng)等惡劣工作環(huán)境。這系統(tǒng)具有接收極軌高分辨衛(wèi)星云圖和靜止低分辨衛(wèi)星云圖的雙套接收和圖象處理系統(tǒng)。在中低緯度地區(qū)用靜止衛(wèi)星云圖觀測(cè)大范圍天氣情況，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)熱帶風(fēng)暴等災(zāi)害天氣系統(tǒng)。在極區(qū)靜止衛(wèi)星云圖失真的情況下，接收極軌衛(wèi)星云圖，從而能夠?yàn)榇昂叫邪踩峁└喔碌臍庀筚Y料。國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心為該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的配套軟件，使操作人員能夠在云圖上顯示任意點(diǎn)的經(jīng)緯度，標(biāo)出任意目標(biāo)物，解決了在海洋中航行找不到目標(biāo)物的困惑[3，4]，特別是它所提供的大范圍極區(qū)高分辨率( 1 km)彩色衛(wèi)星云（圖 3 ），可以清晰地分辨海冰和云的分布及運(yùn)動(dòng)情況[5]。

圖3 首次北極科學(xué)考察接收的高分辨衛(wèi)星云圖照片

2003年，從中國(guó)第二次北極科學(xué)考察開(kāi)始引進(jìn)了美國(guó)Seaspace公司高分辨氣象衛(wèi)星遙感接收系統(tǒng)，用于氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接收[6]。該系統(tǒng)包括 3 部分，衛(wèi)星實(shí)時(shí)接收處理及后加工處理系統(tǒng)Terascan、氣象決策支持系統(tǒng)WDS—Ⅱ、原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)備份海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。接收天線(xiàn)安裝于頂甲板中心，接收及處理部分裝置于室內(nèi)，跟蹤部分采用船舶 GPS 接入信號(hào)確定航向，進(jìn)而確定跟蹤精度，氣象決策系統(tǒng)采用船載海事衛(wèi)星 e—mail 系統(tǒng)獲取涌浪預(yù)報(bào)。在航速一定的情況下，接收系統(tǒng)可以根據(jù)制作的衛(wèi)星時(shí)刻表自動(dòng)連續(xù)接收衛(wèi)星信號(hào)，但在停船作業(yè)等 GPS 無(wú)法正確獲取船首向的情況下，可采用手動(dòng)跟蹤，接收衛(wèi)星氣象云圖。

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接收后進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并根據(jù)需要做相應(yīng)的后處理，主要根據(jù)對(duì)天氣系統(tǒng)跟蹤或浮冰區(qū)導(dǎo)航及作業(yè)浮冰追蹤的不同需求，以不同的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行遙感圖像的分析，滿(mǎn)足航行氣象保證、冰區(qū)導(dǎo)航、后期研究的不同需要。輸出衛(wèi)星云圖圖像主要由可見(jiàn)光及紅外通道合成得到。圖4 為中國(guó)第二次北極科學(xué)考察所收取的一次北極強(qiáng)氣旋衛(wèi)星云圖，氣旋云系結(jié)構(gòu)非常清晰。

圖4 2003年9月9日北極地區(qū)強(qiáng)氣旋系統(tǒng)衛(wèi)星云圖

2 高分辨衛(wèi)星云圖的實(shí)際應(yīng)用

早期船載系統(tǒng)所接收的低分辨衛(wèi)星云圖，很難對(duì)極區(qū)的浮冰、冰山變化情況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，這無(wú)疑降低了考察船在極區(qū)航行中抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力。高分辨衛(wèi)星接收系統(tǒng)，先是1997年安裝的國(guó)內(nèi)自主研制的船載衛(wèi)星接收系統(tǒng)，再是2003年開(kāi)始服役的Seaspace衛(wèi)星接收系統(tǒng)，從根本上解決了上述問(wèn)題，具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.1 躲避氣旋及災(zāi)害性天氣

衛(wèi)星云圖對(duì)監(jiān)測(cè)氣旋等災(zāi)害性天氣系統(tǒng)，確保考察船的航行安全起著重要的作用。1997年12月10日，雪龍船由新西蘭的Christchuech港起航進(jìn)入西風(fēng)帶，遭遇強(qiáng)氣旋。由于風(fēng)大浪高，雪龍船搖擺到 38°，船上的衛(wèi)通 C 站、M 站及氣象傳真機(jī)均失靈，收不到任何氣象預(yù)報(bào)及圖表。恰恰船載衛(wèi)星接收系統(tǒng)在關(guān)鍵時(shí)刻接收到了清晰的衛(wèi)星云圖，云圖顯示航線(xiàn)前方的 3 個(gè)強(qiáng)氣旋擋住了雪龍船的去路（圖 5 ）。據(jù)此，船長(zhǎng)果斷調(diào)整航向，由原來(lái)的東南向改為西南向航行，24 h 后成功避開(kāi)了氣旋的影響，順利通過(guò)了西風(fēng)帶。

圖5 1997年12月10日雪龍船接收的衛(wèi)星云圖

再以中國(guó)第二十次南極科學(xué)考察為例。2005年3月9日，雪龍船準(zhǔn)備從澳大利亞的弗里曼特爾港起航回國(guó)。衛(wèi)星云圖顯示，有一個(gè)熱帶風(fēng)暴位于航線(xiàn)北部，逐漸加強(qiáng)并緩慢向西移動(dòng)（圖 6 ）。雪龍船能否按時(shí)起航是氣象預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。綜合依據(jù)當(dāng)時(shí)各方面的氣象資料分析，認(rèn)為該熱帶風(fēng)暴前期緩慢向西移動(dòng)加強(qiáng)，中期是一個(gè)轉(zhuǎn)向移動(dòng)的過(guò)程（由向西移動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)為向東南方向移動(dòng)），這期間需 3 至 4 天的時(shí)間。但按照計(jì)劃，雪龍船必須在3月9日傍晚之前起航。為確保船舶的航行安全，預(yù)報(bào)員經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，認(rèn)為雪龍船可以沿澳大利亞近岸北行，然后利用熱帶風(fēng)暴轉(zhuǎn)向的“時(shí)間窗口”，迅速通過(guò)熱帶風(fēng)暴影響區(qū)域。為預(yù)防熱帶風(fēng)暴發(fā)生突變，選擇澳大利亞北部的沙克灣作為緊急情況下的避風(fēng)灣。

圖6 2005年3月9日7:25分（UTC）NOAA-16衛(wèi)星云圖

9日下午，雪龍船按時(shí)從弗里曼特爾港起航北行。同時(shí)，從衛(wèi)星云圖來(lái)看，熱帶風(fēng)暴明顯加強(qiáng)，云系個(gè)體明顯增大，云系結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。3月11日熱帶風(fēng)暴的外圍云系已經(jīng)影響到沙克灣，此時(shí)雪龍船也航行到了沙克灣口附近，熱帶風(fēng)暴中心恰好位于雪龍船正前方（圖 7 ）。雪龍船于是停在沙克灣避風(fēng)。隨著熱帶風(fēng)暴的西移，雪龍船果斷起航北行，海上最大風(fēng)速僅有 17.1 m/ s，岸邊涌浪僅高 2 ～ 3 m，12 h 后順利擺脫了熱帶風(fēng)暴的影響，駛?cè)肓税踩Ｓ騕2]。

圖7 2005年3月11日7:04分（UTC）NOAA - 16 衛(wèi)星云圖

2.2 冰區(qū)導(dǎo)航

南極大陸周邊海域浮冰和冰山對(duì)船只正常航行有嚴(yán)重的威脅，在茫茫的南極冰海中航行，隨時(shí)會(huì)遇到意想不到的危險(xiǎn)和困難。根據(jù)接收的高分辨衛(wèi)星云圖，可為船舶尋找較為開(kāi)闊的水域，使船舶安全通過(guò)浮冰區(qū)，既節(jié)省航行時(shí)間，又能保證船只的安全航行。

1998年1月16日雪龍船從俄羅斯青年站到中山站，考慮到南極大陸邊緣浮冰、冰山密集，計(jì)劃航線(xiàn)是避開(kāi)大陸邊緣航行。但從接收的高分辨衛(wèi)星云圖來(lái)看，南極大陸邊緣出現(xiàn)了一條開(kāi)闊的水道，而計(jì)劃航線(xiàn)大多海域被浮冰覆蓋，于是向船長(zhǎng)推薦采用了一條新航線(xiàn)（圖 8 ）[3]，雪龍船提前 4 天到達(dá)中山站，新航線(xiàn)比原計(jì)劃航線(xiàn)縮短航程 1 111.2 km ，在節(jié)省燃油的同時(shí)，為科考隊(duì)贏得了寶貴的時(shí)間，為整個(gè)科考計(jì)劃的順利完成做出了重要貢獻(xiàn)。

圖8 1998年1月16日接收的 NOAA — 16 衛(wèi)星云圖

再以第十五次南極考察為例。由于要進(jìn)行冰蓋考察，雪龍船提前進(jìn)入普里茲灣。1998年12月5日，雪龍船抵達(dá)普里茲灣附近，但在灣口處被一條約 370 km ～ 555 km 的冰壩擋住去路，要進(jìn)入灣內(nèi)非常困難。經(jīng)過(guò)對(duì)12月5、6日幾張高分辨衛(wèi)星云圖的分析，從冰壩中找到了一條約 2 km 寬的縫隙，雪龍船經(jīng)由這條冰縫隙順利進(jìn)入普里茲灣內(nèi)，順利完成了冰上卸貨，保證了冰蓋考察隊(duì)的按時(shí)出發(fā)[2]。

2.3 指導(dǎo)大洋調(diào)查作業(yè)

在南極地區(qū)進(jìn)行南大洋綜合海洋調(diào)查是比較困難的，調(diào)查期間需要有好的天氣和海況，并且作業(yè)海區(qū)不能被浮冰覆蓋。因此，需要隨時(shí)掌握局地海域的天氣和冰情變化。高分辨衛(wèi)星接收系統(tǒng)提供的清晰云圖為南大洋調(diào)查作業(yè)提供了可靠的保障。

圖9 顯示了第十四次南極考察期間南極普里茲灣大洋作業(yè)海區(qū)（圖中圓白點(diǎn)為大洋調(diào)查點(diǎn)）的冰情分布情況，可見(jiàn)在普里茲灣有一個(gè)從東北向南延伸的大冰壩，使 75°E 附近的作業(yè)點(diǎn)難以進(jìn)行調(diào)查。據(jù)此，考察船優(yōu)先調(diào)查了無(wú)浮冰的站點(diǎn)，取消了浮冰嚴(yán)重的站點(diǎn)，后期再視冰情變化進(jìn)行調(diào)整，避免了海上調(diào)查作業(yè)的盲目性[3]。

圖9 1998年2月14日11:24（UTC）NOAA 衛(wèi)星云圖

3 討論和展望

高分辨的氣象衛(wèi)星云圖接收系統(tǒng)在極地考察船上的應(yīng)用，一定程度上解決了極區(qū)氣象觀測(cè)資料匱乏的問(wèn)題，為科學(xué)考察船在極區(qū)的安全航行提供了保障的同時(shí)，也為有效利用極地短暫的夏季進(jìn)行合理的時(shí)間安排和執(zhí)行考察任務(wù)提供了重要參考。目前，具有更高分辨率的 MODIS 氣象衛(wèi)星接收系統(tǒng)即將在極地考察站安裝并投入使用，雖然受到技術(shù)的限制這種系統(tǒng)不能直接安裝在考察船上，但是通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將接受處理好的氣象衛(wèi)星云圖產(chǎn)品傳輸?shù)娇疾齑?，提供給極地考察船的航海保障人員和決策人員使用，也并不困難，這必將對(duì)極區(qū)的卸貨補(bǔ)給和科學(xué)考察工作的更安全有效開(kāi)展提供更好的保障。

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2010年11月9日