我國(guó)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀與思考

文質(zhì)彬, 吳園濤, 李琛, 殷建平

1. 中國(guó)科學(xué)院重大科技任務(wù)局, 北京 100864;

2. 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所, 廣東 廣州 510301

為服務(wù)海洋經(jīng)濟(jì)與海洋科技的發(fā)展, 國(guó)內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)發(fā)射的海洋衛(wèi)星不斷增加, 衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源不斷豐富, 數(shù)據(jù)精度及應(yīng)用的深度和廣度也日臻完善。利用海洋衛(wèi)星可開展海洋水色、海洋動(dòng)力、海冰、臺(tái)風(fēng)、海洋漁業(yè)等業(yè)務(wù)化應(yīng)用, 在海洋環(huán)境保護(hù)、海洋預(yù)報(bào)(劉娜 等, 2018)、海洋監(jiān)測(cè)與減災(zāi)防災(zāi)(蔣興偉 等, 2019; 林明森 等, 2018)、海洋資源開發(fā)(官文江 等, 2017)、海上公共安全與重大工程建設(shè)、海洋科學(xué)研究和區(qū)域海洋應(yīng)用等方面都發(fā)揮了重要作用。伴隨大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨, 海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用前景廣闊。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外海洋衛(wèi)星的基本情況和我國(guó)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展的現(xiàn)狀, 在此基礎(chǔ)上提出我國(guó)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展中存在的主要問(wèn)題, 以及未來(lái)的發(fā)展策略。

1 國(guó)內(nèi)外海洋衛(wèi)星資源基本情況

全球航天大國(guó)均具有較為完備的海洋空間觀測(cè)系統(tǒng)。作為目前世界航天的最強(qiáng)國(guó), 美國(guó)從20 世紀(jì)70 年代就發(fā)射了專門的海洋衛(wèi)星, 首顆專門用于海洋觀測(cè)的衛(wèi)星SEASAT 于1978 年成功發(fā)射, 40 年來(lái)發(fā)展了海洋環(huán)境、海洋水色、海洋動(dòng)力等不同類型的專用海洋衛(wèi)星, 實(shí)現(xiàn)了從空間快速獲取海洋信息的強(qiáng)大能力, 并形成了多種業(yè)務(wù)應(yīng)用。我國(guó)海洋衛(wèi)星發(fā)展起步較晚, 21 世紀(jì)初才發(fā)射第一顆海洋衛(wèi)星HY-1A(蔣興偉 等, 2008)。我國(guó)海洋衛(wèi)星發(fā)展迅速,已經(jīng)逐步構(gòu)建起我國(guó)自主海洋衛(wèi)星的全球觀測(cè)網(wǎng)。目前海洋衛(wèi)星系列已經(jīng)成為我國(guó)衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的主要組成部分, 也是《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2015—2025)》中遙感衛(wèi)星的重要組成部分?！笆濉钡健笆奈濉逼陂g, 我國(guó)將要發(fā)射10 顆以上海洋系列衛(wèi)星或以海洋為主要應(yīng)用方向的衛(wèi)星; 到2025 年, 我國(guó)將建立完備的海洋衛(wèi)星體系。

1.1 海洋衛(wèi)星主要類別

國(guó)際上的海洋衛(wèi)星大體分為3 類: 海洋水色衛(wèi)星(如 SeaWiFS)、海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星(歐洲中心的Jason 系列衛(wèi)星)、海洋綜合探測(cè)衛(wèi)星(如Sentinel-3衛(wèi)星)。

海洋水色衛(wèi)星是對(duì)海洋水色要素(如葉綠素、懸浮沙和可溶性的有色有機(jī)物質(zhì)等)和水溫及其動(dòng)態(tài)變化的探測(cè)(Hooker et al, 1993; Gregg et al, 1998)。有效載荷通常選用靈敏度高、信噪比高、光譜分辨率高、波段多、帶寬窄的海洋水色掃描儀(張可立 等,2018)。通常空間分辨率在300-1000 米, 地面覆蓋周期2-3 天。發(fā)展海洋水色衛(wèi)星的目的在于掌握海洋初級(jí)生產(chǎn)力分布、海洋漁業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)資源狀況和環(huán)境質(zhì)量, 了解河口港灣的懸浮泥沙分布規(guī)律, 監(jiān)測(cè)近海溢油(孫樂(lè)成 等, 2019)、赤潮富營(yíng)養(yǎng)化、循環(huán)水排海熱污染、海冰冰情(張樹德 等, 2019)、淺海地形等。

海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星是對(duì)海洋風(fēng)場(chǎng)、海面高度、浪場(chǎng)、流場(chǎng)以及溫度場(chǎng)等動(dòng)力環(huán)境要素探測(cè)的衛(wèi)星(林明森 等, 2018), 有效載荷通常是微波散射計(jì)、微波輻射計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)等, 并具有多種模式和多種分辨率。發(fā)展海洋動(dòng)力環(huán)境系列衛(wèi)星的主要目的在于利用微波散射計(jì)監(jiān)控全球海洋表面風(fēng)場(chǎng), 得到全球海洋上的風(fēng)矢量場(chǎng)和表面風(fēng)應(yīng)力數(shù)據(jù), 利用雷達(dá)高度計(jì)提供全球海洋地形數(shù)據(jù), 得到全球高分辨率的大洋環(huán)流、海洋大地水準(zhǔn)面、重力場(chǎng)和極地冰蓋的變異等(Chelton et al, 1985)。海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星獲取的實(shí)時(shí)高精度海面動(dòng)力和海底拓?fù)滟Y料, 具有重要的戰(zhàn)略價(jià)值。

海洋綜合探測(cè)衛(wèi)星是對(duì)全球與近海(包括海岸帶)海洋動(dòng)力環(huán)境和生態(tài)環(huán)境各種信息的綜合遙感監(jiān)測(cè), 同時(shí)具備多種載荷。有效載荷包括可見光、紅外, 主動(dòng)、被動(dòng)遙感器, 如多光譜成像儀、合成孔徑雷達(dá)、微波散射計(jì)、輻射計(jì)、高度計(jì)等(Donlon et al, 2012)。發(fā)展海洋環(huán)境綜合衛(wèi)星的主要目的在于提供全天時(shí)、全天候海況實(shí)時(shí)資料, 用于改進(jìn)海況數(shù)值預(yù)報(bào)模式, 提高中長(zhǎng)期海況預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。同時(shí)提供海上目標(biāo)、海岸帶調(diào)查、海洋污染的實(shí)時(shí)同步海洋要素, 為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋權(quán)益維護(hù)和海岸帶資源調(diào)查、綜合利用與管理服務(wù)。

1.2 國(guó)外海洋衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)外主要海洋衛(wèi)星包括美國(guó)的SeaWiFS、MODIS 和VIIRS; 歐洲空間局的MERIS(陳雙 等,2014)和Sentinel-3 衛(wèi)星, 以及韓國(guó)的靜止軌道衛(wèi)星GOCI(李冠男 等, 2014)等, 用于海洋水色的測(cè)量。此外, 還有用于測(cè)量全球海表溫度的AVHRR 系列衛(wèi)星; 用于構(gòu)建海面高度數(shù)據(jù)的TOPEX/POSEIDON(陳雙 等, 2014), Jason-1/2/3 和ERS/Envisat 等多顆高度計(jì)衛(wèi)星; 用于提取海面高度的 GRACE 和CHAMP 重力衛(wèi)星; 用于海面風(fēng)速測(cè)量的快速散射計(jì)QUICKSCAT 衛(wèi)星; 用于海面風(fēng)速、降雨和海溫反演的衛(wèi)星AMSR-E、AMSR-2、WindSat、TRMM 等; 用于海面鹽度(電導(dǎo)率)反演的美國(guó)Aquarius 衛(wèi)星和歐空局 SMOS 衛(wèi)星; 用于海冰參數(shù)測(cè)量的 ICESat,CryoSat-2, SSM/I、SSMIS 等(蔣興偉 等, 2018)。

同時(shí), 很多陸地衛(wèi)星也用于海洋的研究中, 包括傳統(tǒng)的陸地衛(wèi)星Landsat 系列(段廣拓 等, 2018)、高分辨率光學(xué)衛(wèi)星SPOT、Quickbird、Pleiades 以及Worldview 系列衛(wèi)星, 用于海面目標(biāo)、近海岸帶生態(tài)系統(tǒng)、海島以及海岸線變遷研究; 一些高分辨率雷達(dá)衛(wèi)星, 如加拿大的 Radarsat 系列衛(wèi)星、德國(guó)的TerraSAR-X / TanDEM-X 衛(wèi)星, 以及 ENVISATASAR、Sentinel-1 等衛(wèi)星, 可用于海面粗糙度、海浪譜估算等的海洋動(dòng)力過(guò)程研究。表1 展示了世界主要海洋遙感衛(wèi)星的信息。

表1 世界主要海洋遙感衛(wèi)星信息Tab. 1 Information of major ocean remote sensing satellites in the world

國(guó)外海洋衛(wèi)星發(fā)展形成了多種海洋業(yè)務(wù)化的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品, 包括以海面風(fēng)場(chǎng)、海浪、海表層流、海面溫度、水汽含量等為代表的海洋動(dòng)力環(huán)境及多源遙感融合數(shù)據(jù)產(chǎn)品; 以葉綠素、有色溶解有機(jī)質(zhì)、懸浮物、初級(jí)生產(chǎn)力、光合有效輻射等為代表的海洋光學(xué)參數(shù)、海洋生態(tài)環(huán)境參數(shù)及其衍生的(如海洋漁業(yè)等)遙感產(chǎn)品; 以海底地形、重力場(chǎng)等為代表的海洋地球物理產(chǎn)品。

1.3 我國(guó)海洋衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)海洋衛(wèi)星包括海洋水色衛(wèi)星星座、海洋動(dòng)力衛(wèi)星星座和海洋監(jiān)視監(jiān)測(cè)衛(wèi)星等3 個(gè)系列。

1) 海洋水色衛(wèi)星。這是以可見光和紅外成像觀測(cè)為手段的海洋遙感衛(wèi)星。我國(guó)海洋水色衛(wèi)星星座的發(fā)展包括3 個(gè)階段。第一階段為海洋1A 和海洋1B 衛(wèi)星。其中, 海洋1A 衛(wèi)星作為試驗(yàn)型業(yè)務(wù)衛(wèi)星,有效載荷包括 1 臺(tái)十譜段海洋水色水溫掃描儀(Chinese Ocean Color and Temperature Scanner,COCTS)和1 臺(tái)四譜段海岸帶成像儀(Coastal Zone Imager, CZI), 對(duì)中國(guó)鄰近海域的重訪周期為3 天。海洋1A 衛(wèi)星在軌運(yùn)行685 天, 成像約1900 軌, 在海洋環(huán)境保護(hù)和海洋科學(xué)研究等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。海洋1B 衛(wèi)星是海洋水色系列衛(wèi)星的第二顆實(shí)驗(yàn)星, 同樣裝載了1 臺(tái)COCTS 和1 臺(tái)CZI, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)鄰近海域的每天重復(fù)觀測(cè)。海洋1B 衛(wèi)星在軌運(yùn)行8 年10 個(gè)月, 共成像19233 軌, 獲得原始數(shù)據(jù)8.84TB。

第二階段為海洋1C 和海洋1D 衛(wèi)星。其中, 海洋1C 衛(wèi)星于2018 年9 月成功發(fā)射, 是中國(guó)海洋系列衛(wèi)星的首顆業(yè)務(wù)衛(wèi)星。海洋1C 衛(wèi)星上的COCOTS信噪比大幅提升, 可以分辨出更加細(xì)微的水色變化;CZI 的空間分辨率提高到50m, 衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平, 能夠提供每天全球海洋空間全覆蓋海洋水色衛(wèi)星資料; 海洋1D 衛(wèi)星于2020 年6 月成功發(fā)射, 將與海洋1C 衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行, 開展大幅度、高精度、高時(shí)效觀測(cè), 具備全球1 天2 次的水色水溫探測(cè)覆蓋能力, 使海洋觀測(cè)更加全天候。

第三階段為實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)水色衛(wèi)星技術(shù)性能和應(yīng)用能力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的新一代水色衛(wèi)星, 包括正在規(guī)劃的靜止軌道衛(wèi)星, 以及預(yù)計(jì)于2022 年發(fā)射的新一代HY1E 衛(wèi)星, 后者將實(shí)現(xiàn)全球海洋水色的高空間分辨率和高光譜分辨率觀測(cè), 相應(yīng)載荷已經(jīng)在“天宮二號(hào)”進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)(林明森 等, 2019)。

2) 海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星。包括海洋2 號(hào)系列衛(wèi)星、中法海洋衛(wèi)星與海風(fēng)海浪衛(wèi)星和海洋鹽度衛(wèi)星。海洋2 號(hào)系列衛(wèi)星以海面風(fēng)場(chǎng)、高度、溫度等動(dòng)力環(huán)境要素為探測(cè)對(duì)象。2025 年前的發(fā)展包括3 個(gè)階段:第一階段為海洋2A 衛(wèi)星; 第二階段為海洋2B/C/D衛(wèi)星; 第三階段為新一代海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星。

中法海洋衛(wèi)星(China-France Oceanographic Satellite, CFOSAT)于2009 年立項(xiàng), 2018 年10 月29日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射(王麗麗 等,2018)。航天科技集團(tuán)東方紅衛(wèi)星有限公司負(fù)責(zé)衛(wèi)星平臺(tái)研制, 有效載荷包括法國(guó)CNES 研制的海洋波譜儀(Surface Waves Investigation and Monitoring,SWIM)和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研制的微波散射計(jì)(SCAT), 較HY-2B/C/D 星具有更高的空間分辨率和風(fēng)向精度(Lin et al, 2011, 2019; Xu et al, 2019;Liu et al, 2020)。

海風(fēng)海浪衛(wèi)星是中法海洋衛(wèi)星的后續(xù)星。國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心于2017 年底啟動(dòng)了該星立項(xiàng)論證工作。海洋鹽度衛(wèi)星列入國(guó)家空間基礎(chǔ)設(shè)施“十二五”科研星計(jì)劃, 于2015 年開展先期攻關(guān), 目前已經(jīng)批準(zhǔn)立項(xiàng)。該星載荷包括二維綜合孔徑海洋鹽度計(jì)和多頻主被動(dòng)微波成像儀, 分別由航天科技集團(tuán)西安分院和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心牽頭論證。

3) 海洋監(jiān)視監(jiān)測(cè)衛(wèi)星。將包括低軌SAR 衛(wèi)星、高軌SAR 衛(wèi)星和高軌海洋衛(wèi)星, 通過(guò)高分辨率成像觀測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋的綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)視。低軌SAR 衛(wèi)星(高分3 號(hào)衛(wèi)星)于2016 年(楊勁松 等, 2017)發(fā)射。高軌SAR 衛(wèi)星列入國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施“十二五”科研星計(jì)劃, 于2015 年啟動(dòng)先期攻關(guān)。高軌海洋衛(wèi)星列入國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施“十四五”科研星計(jì)劃, 是國(guó)內(nèi)首次在靜止軌道上開展海洋水色觀測(cè), 并以紫外成像為手段開展溢油觀測(cè), 可以得到高時(shí)間分辨率的海洋環(huán)境光學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù), 對(duì)海洋、環(huán)境等學(xué)科和應(yīng)用有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)發(fā)射的光學(xué)衛(wèi)星, 如高分(程益鋒 等,2018)系列衛(wèi)星(GF-1、GF-2、GF-4)、資源系列衛(wèi)星(ZY-3)、環(huán)境系列衛(wèi)星(HJ-1A/B)也用于海岸帶海島的研究中。

2 我國(guó)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、處理與管理

我國(guó)海洋水色、海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)由國(guó)家衛(wèi)星海洋中心負(fù)責(zé)接收和處理; 海洋監(jiān)視監(jiān)測(cè)SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)由中國(guó)資源衛(wèi)星中心、中科院相關(guān)研究所負(fù)責(zé)。海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理主要由國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心負(fù)責(zé), 中科院主要作為有效載荷研制負(fù)責(zé)單位,參與部分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)品處理算法研究和軟件研制工作。海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的開發(fā)也由國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心負(fù)責(zé), 并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分發(fā)。目前國(guó)內(nèi)海洋衛(wèi)星已經(jīng)初步形成了多樣的海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品, 并由國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心統(tǒng)一分發(fā)(https://osdds.nsoas.org.cn/)。初步形成了穩(wěn)定、可靠的海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)體系, 但海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)分發(fā)能力尚需改進(jìn)和提高。

2.2 海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用

通過(guò)對(duì)近年來(lái)報(bào)告的分析, 我國(guó)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用與海洋衛(wèi)星的能力相比有很大的提升空間。國(guó)外對(duì)于我國(guó)海洋衛(wèi)星給予很大關(guān)注, 特別是HY-2A/2B 衛(wèi)星。法國(guó)、歐洲氣象衛(wèi)星組織(European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites, EUMETSAT) 都通過(guò)雙邊合作獲得HY-2A/2B(雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì))數(shù)據(jù), 并開展了應(yīng)用試驗(yàn), 取得了較好的效果, 也驗(yàn)證了衛(wèi)星載荷的性能(張有廣 等, 2018)。但這些應(yīng)用主要是獲取部分低級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 生成高級(jí)試驗(yàn)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)。例如對(duì)海洋1C 的CZI 載荷在渾濁二類水體和清潔水體的不同帶外響應(yīng)(out-of-band response)特性進(jìn)行評(píng)估(Cui et al, 2018); 利用海洋光學(xué)浮標(biāo)(marine optical buoy, MOBY)和MODIS/Terra 觀測(cè)的氣溶膠信息對(duì)海洋1C 的COCTS 載荷進(jìn)行輻射定標(biāo)(Song et al, 2019); 對(duì)于利用海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展的科學(xué)研究, 對(duì)數(shù)據(jù)的要求更強(qiáng)調(diào)定量化、易獲取和質(zhì)量保證, 并具有一定時(shí)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)積累, 我國(guó)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)在這幾個(gè)方面相對(duì)國(guó)外數(shù)據(jù)還有一定的差距, 因此在科學(xué)研究方面, 國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用存在一定限制。

國(guó)產(chǎn)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)整體應(yīng)用不多, 主要原因在于以下幾個(gè)方面。

1) 國(guó)產(chǎn)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)間較短。國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星起步較晚, 早前衛(wèi)星數(shù)據(jù)的精度不夠, 很難形成業(yè)務(wù)化應(yīng)用產(chǎn)品, 近年來(lái)衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯提高, 但時(shí)間長(zhǎng)度不夠, 對(duì)于需要較長(zhǎng)時(shí)間序列分析的研究和應(yīng)用, 國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度不夠。

2) 國(guó)產(chǎn)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品需要進(jìn)一步豐富。目前共享的國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品最高級(jí)別為2 級(jí)產(chǎn)品,并沒(méi)有可以直接用于業(yè)務(wù)化分析的3 級(jí)和4 級(jí)產(chǎn)品,這使沒(méi)有任何衛(wèi)星遙感知識(shí)的科研工作者在進(jìn)行業(yè)務(wù)化應(yīng)用時(shí)存在一定的困難。

3) 國(guó)產(chǎn)海洋衛(wèi)星的推廣不夠。目前國(guó)產(chǎn)海洋衛(wèi)星的分發(fā)機(jī)構(gòu)較少, 數(shù)據(jù)主要由國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心分發(fā), 尚未在國(guó)內(nèi)其他數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)中進(jìn)行共享分發(fā)。

4) 國(guó)內(nèi)海洋衛(wèi)星全球近實(shí)時(shí)的觀測(cè)處理和數(shù)據(jù)發(fā)布(時(shí)效性)能力尚未形成, 是制約數(shù)據(jù)應(yīng)用的重要因素之一。

2.3 海洋科學(xué)研究對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的需求

經(jīng)初步調(diào)研, 我國(guó)海洋科學(xué)家使用海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)的學(xué)科領(lǐng)域主要集中在物理海洋學(xué)、海洋遙感、地球物理學(xué)、應(yīng)用海洋學(xué)、地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)等, 海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)多用于海洋數(shù)值模擬、海洋環(huán)流與渦旋、海洋內(nèi)波(孫麗娜 等, 2018)、海洋防災(zāi)減災(zāi)(賈永君 等, 2018)、氣候與環(huán)境變化(丁慶霞 等,2016)、北極海冰(馬雪沂 等, 2019)等科學(xué)研究。目前使用的衛(wèi)星資料主要以國(guó)外資料偏多。

海溫?cái)?shù)據(jù)主要來(lái)源于AVHRR、MODIS、TRMM、AMSR 等衛(wèi)星; 多用于海氣數(shù)值預(yù)報(bào)與數(shù)值同化、海洋三維溫鹽場(chǎng)實(shí)時(shí)重構(gòu)、群發(fā)性海洋災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理、黑潮入侵、海洋內(nèi)波、多尺度海氣相互作用及氣候變化、生態(tài)過(guò)程與物理過(guò)程相互作用、北極海冰等研究。數(shù)據(jù)產(chǎn)品的空間精度一般在1/12°到1/4°。風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于QuikSCAT、ASCAT; 多用于多尺度海氣相互作用及氣候變化、海洋環(huán)流與渦旋、臺(tái)風(fēng)對(duì)海洋(生態(tài))環(huán)境影響、海洋災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理等研究, 空間分辨率通常在25km 左右。海面高度數(shù)據(jù)主要來(lái)源于AVISO 高度計(jì)合成產(chǎn)品及融合資料, GRACE 和CHAMP 重力資料, 空間分辨率在1/4°左右; 多用于數(shù)值預(yù)報(bào)與資料同化、多尺度海氣相互作用與氣候變暖、海洋環(huán)流與渦旋、海洋環(huán)境場(chǎng)實(shí)時(shí)重構(gòu)、大地水準(zhǔn)面和重力異常、地球表面流體質(zhì)量多時(shí)空尺度變化及全球水質(zhì)量分布研究。海面鹽度數(shù)據(jù)主要來(lái)源于SMOS, Aquarius, 空間分辨率在1°左右。多用于數(shù)值預(yù)報(bào)與資料同化、多尺度海氣相互作用與氣候變暖、海洋環(huán)流與渦旋、海洋熱通量估算、海洋熱鹽環(huán)流等研究。葉綠素?cái)?shù)據(jù)主要來(lái)源于 MODIS、VIIRS、MERIS、SeaWiFS 及 Sentinel-3 等, 分辨率在300～1000m 之間。多用于海洋監(jiān)測(cè)與防災(zāi)減災(zāi)、海洋初級(jí)生產(chǎn)力等研究。海面降雨數(shù)據(jù)主要來(lái)源于TRMM、AMSR-E、AMSR-2 等。多用于海洋降水、海氣通量、海洋氣候等研究。

海洋科學(xué)部分研究尚需要更高精度的衛(wèi)星數(shù)據(jù),包括: (1)高空間分辨率海洋水色衛(wèi)星數(shù)據(jù), 分辨率不低于30m, 波段配置信噪比等不差于SeaWiFS 數(shù)據(jù), 用于近岸河口水質(zhì)監(jiān)測(cè); (2)高分辨率海面高度數(shù)據(jù)(空間分辨率到公里級(jí)別)或海洋流場(chǎng)數(shù)據(jù), 用于研究海洋小尺度過(guò)程, 如規(guī)劃中的SWOT 衛(wèi)星數(shù)據(jù)(徐永生 等, 2017); (3)高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù),包括米級(jí)和亞米級(jí)的光學(xué)、微波衛(wèi)星數(shù)據(jù), 用于海岸帶、海島變遷等監(jiān)測(cè)研究, 如高分2 號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù);(4)高分辨率海洋鹽度衛(wèi)星數(shù)據(jù)(張慶君 等, 2017),比SMOS, Aquarius 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分辨率高, 且受干擾少; (5)覆蓋西太平洋海域(特別是130°E 以東)的實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)通信衛(wèi)星數(shù)據(jù); (6)其他如對(duì)靜止軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)的需求, 用于中國(guó)近岸水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

3 我國(guó)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展存在的主要問(wèn)題

隨著國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè), 我國(guó)正逐步建立較為完備的海洋衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)。目前海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)的下載和使用已經(jīng)沒(méi)有問(wèn)題, 但由于我國(guó)海洋衛(wèi)星發(fā)展較晚, 時(shí)間長(zhǎng)度不夠, 再加上科學(xué)研究長(zhǎng)期以來(lái)一直使用國(guó)外數(shù)據(jù), 改變這種沿用國(guó)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)的習(xí)慣還需要一定時(shí)間。換言之, 國(guó)產(chǎn)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)的推廣應(yīng)用還需要進(jìn)一步提升。

3.1 海洋衛(wèi)星發(fā)展起步較晚

我國(guó)海洋衛(wèi)星起步較晚, 早前的衛(wèi)星與有效載荷性能和國(guó)際先進(jìn)水平有一定差距。HY-1A 衛(wèi)星在軌時(shí)間短, HY-1B 衛(wèi)星有效載荷存在太陽(yáng)照射污染觀測(cè)數(shù)據(jù)存在問(wèn)題, 實(shí)際上不具備提供有效數(shù)據(jù)支持的能力。2018 年成功發(fā)射的HY-1C(林明森 等,2019)光學(xué)衛(wèi)星和2020 年發(fā)射的HY-1D 衛(wèi)星已經(jīng)達(dá)到國(guó)外同類衛(wèi)星產(chǎn)品水平, 但目前衛(wèi)星在軌工作時(shí)間只有兩年多, 數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度較短, 同時(shí)由于科研和業(yè)務(wù)工作者長(zhǎng)期使用國(guó)外數(shù)據(jù)形成一定的慣性,國(guó)產(chǎn)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)的推廣使用還需要時(shí)間。

3.2 海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)及其處理過(guò)程的開放度尚需加強(qiáng)

目前海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分發(fā)已經(jīng)有了明顯的提升,國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心已經(jīng)通過(guò)中國(guó)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)將衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面的共享(osdds.nsoas.org.cn)。但數(shù)據(jù)質(zhì)量尤其是二級(jí)以上產(chǎn)品質(zhì)量的改善需要廣大用戶的測(cè)試和反饋。數(shù)據(jù)用戶, 特別是具有研究能力的研究團(tuán)隊(duì)需要完整掌握數(shù)據(jù)處理過(guò)程, 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并提出改善數(shù)據(jù)質(zhì)量的辦法, 從而參與數(shù)據(jù)的開發(fā)和利用, 如NASA 的水色數(shù)據(jù)產(chǎn)品, 其數(shù)據(jù)參數(shù)和處理過(guò)程都集中在共享軟件SeaDAS 中, 用戶較容易掌握, 而目前海洋衛(wèi)星雖有共享相關(guān)的數(shù)據(jù)使用手冊(cè), 但在數(shù)據(jù)處理及使用說(shuō)明等方面還有待加強(qiáng)。另一方面, 部分研究領(lǐng)域缺少相關(guān)數(shù)據(jù)支持, 如在海冰研究領(lǐng)域, 國(guó)內(nèi)缺乏專門的數(shù)據(jù)或已處理并公開的相關(guān)數(shù)據(jù); SAR 衛(wèi)星數(shù)據(jù)經(jīng)常處于購(gòu)買狀態(tài), 如發(fā)生重大事故, 無(wú)法獲取第一手衛(wèi)星資料, 同時(shí)缺少遙感影像使用; 缺乏準(zhǔn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)化的多源衛(wèi)星融合產(chǎn)品。

3.3 海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方面投入明顯不足

重工程實(shí)現(xiàn)、輕數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用是我國(guó)遙感衛(wèi)星規(guī)劃和實(shí)施中普遍存在的現(xiàn)象。我國(guó)海洋衛(wèi)星計(jì)劃在實(shí)施中對(duì)于數(shù)據(jù)處理、反演模型優(yōu)化、試驗(yàn)驗(yàn)證、地面和在軌標(biāo)定等工作投入明顯不足,處理技術(shù)研究組織的明顯不足, 導(dǎo)致數(shù)據(jù)定量化與穩(wěn)定性不足, 數(shù)據(jù)質(zhì)量還有待提高。相關(guān)部門目前對(duì)于數(shù)據(jù)應(yīng)用能力的提升關(guān)注不夠, 缺乏長(zhǎng)時(shí)間序列、高質(zhì)量、易于使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品, 使用頻率較低。

4 我國(guó)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展建議

海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)在海洋科學(xué)研究中具有重要的意義, 獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品是海洋科學(xué)研究對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的需求。充分利用好國(guó)際和國(guó)內(nèi)海洋衛(wèi)星資源, 將對(duì)提升我國(guó)海洋科學(xué)研究水平發(fā)揮積極的作用。對(duì)此, 本文提出以下幾點(diǎn)建議。

1) 針對(duì)不同的應(yīng)用目標(biāo), 制定海洋衛(wèi)星的長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃。進(jìn)一步加強(qiáng)我國(guó)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源的利用研究, 加強(qiáng)科學(xué)衛(wèi)星與業(yè)務(wù)衛(wèi)星方面的協(xié)調(diào)和配合機(jī)制, 加強(qiáng)海洋科學(xué)家與衛(wèi)星研制、數(shù)據(jù)應(yīng)用等領(lǐng)域研究者的交流。針對(duì)全球海洋水色的觀測(cè)、全球海面高度、中國(guó)近海海岸帶生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵海區(qū)目標(biāo)探測(cè)、海島調(diào)查等重要科學(xué)問(wèn)題, 制定我國(guó)海洋衛(wèi)星的長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃, 以獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

2) 加強(qiáng)海洋衛(wèi)星定標(biāo)和數(shù)據(jù)處理隊(duì)伍建設(shè)。海洋衛(wèi)星的數(shù)據(jù)定標(biāo)和處理是后續(xù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用的保障。加強(qiáng)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理是目前亟待解決的重要問(wèn)題。應(yīng)增加海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)的后續(xù)處理力量, 針對(duì)不同應(yīng)用的系列衛(wèi)星, 成立穩(wěn)定的海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理、分發(fā)及技術(shù)支持隊(duì)伍, 這將為海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的改進(jìn)提供支撐和保障, 也是產(chǎn)出穩(wěn)定高質(zhì)量海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

3) 建立良好的衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享機(jī)制。衛(wèi)星數(shù)據(jù)是國(guó)家的寶貴財(cái)富, 建立良好的共享機(jī)制是推廣使用國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的必要條件。除了衛(wèi)星數(shù)據(jù)本身, 還應(yīng)該將數(shù)據(jù)處理方法/算法寫入數(shù)據(jù)手冊(cè)并全面開放共享, 以便數(shù)據(jù)的推廣和深入應(yīng)用。同時(shí)建議將海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品在國(guó)家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心、國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心、國(guó)家對(duì)地觀測(cè)科學(xué)數(shù)據(jù)中心等多個(gè)科學(xué)數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行全面的推廣使用。