新一代海洋科學(xué)衛(wèi)星的思考與展望*

陳 戈， 楊 杰， 張本濤， 馬純永1，

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院海洋技術(shù)系，山東 青島 266100； 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室/“觀瀾號(hào)”海洋科學(xué)衛(wèi)星工程部， 山東 青島 266237)

海洋科學(xué)是一門(mén)基于觀測(cè)的數(shù)據(jù)密集型學(xué)科。海洋衛(wèi)星遙感以其大面積、準(zhǔn)實(shí)時(shí)、連續(xù)觀測(cè)的綜合優(yōu)勢(shì)，是20世紀(jì)后期海洋科學(xué)取得重大進(jìn)展的最主要技術(shù)手段。據(jù)作者統(tǒng)計(jì)，近20年來(lái)在Science、Nature期刊發(fā)表的涉海文章中近一半都與衛(wèi)星遙感相關(guān)。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著海洋科學(xué)在衛(wèi)星計(jì)劃中的主導(dǎo)地位不斷增強(qiáng)，研制專(zhuān)門(mén)的海洋科學(xué)衛(wèi)星正日益成為各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的方向。

海洋科學(xué)衛(wèi)星一般以重大科學(xué)任務(wù)和科學(xué)目標(biāo)為牽引，以探索科學(xué)前沿和追求科學(xué)發(fā)現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)，由海洋科學(xué)家和科學(xué)組織發(fā)起推動(dòng)，具有開(kāi)創(chuàng)性、引領(lǐng)性和突破性作用，對(duì)海洋科技原始創(chuàng)新能力和科技水平的提升具有不可替代的作用，是新科學(xué)、新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)得以涌現(xiàn)和發(fā)展的源頭之一，是海洋科技領(lǐng)先的集中體現(xiàn)和重要標(biāo)志。

1 海洋科學(xué)衛(wèi)星發(fā)展

1.1 海洋遙感——海洋科學(xué)大發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)手段

縱觀海洋遙感發(fā)展歷程，海洋技術(shù)的新突破和海洋科學(xué)的大發(fā)展往往通過(guò)科學(xué)任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的衛(wèi)星計(jì)劃實(shí)現(xiàn)的。在世界洋流(WOCE)計(jì)劃的推動(dòng)下，1992年美國(guó)發(fā)射了由美、法最新研制的TOPEX/Poseidon(簡(jiǎn)稱(chēng)“T/P”)測(cè)高衛(wèi)星，被稱(chēng)之為測(cè)高技術(shù)上的一次飛躍[1]。T/P衛(wèi)星以前所未有的海平面測(cè)高精度(～2 cm)對(duì)全球海洋進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)13年的高效觀測(cè)，使人類(lèi)認(rèn)識(shí)到大洋環(huán)流的清晰面貌、確認(rèn)海平面上升的客觀事實(shí)(基于T/P衛(wèi)星數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)全球平均海平面以(2.8±0.4) mm/年速度上升[2])、建立高精度海洋潮汐和大地水準(zhǔn)面模型、發(fā)現(xiàn)海洋中廣泛存在的中尺度渦現(xiàn)象等[3-6]，為海洋學(xué)和大地測(cè)量學(xué)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。在海洋水色衛(wèi)星發(fā)展方面，1978年美國(guó)發(fā)射的Nimbus-7[7]試驗(yàn)衛(wèi)星搭載了世界上第一代海洋水色遙感器——海岸帶水色掃描儀CZCS，但受制于分辨率、信噪比、波段數(shù)量等能力限制，尚無(wú)法深入開(kāi)展全球水色遙感的定量化研究。進(jìn)入1990年代，為配合全球海洋通量聯(lián)合研究(JGOFS)計(jì)劃和全球海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究(GLOBEC)計(jì)劃，1997年美國(guó)又發(fā)射了世界上第一顆專(zhuān)用海洋水色衛(wèi)星Seastar，搭載了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的第二代寬視場(chǎng)海洋觀測(cè)傳感器SeaWiFS，連續(xù)積累了十幾年的全球海洋高質(zhì)量水色數(shù)據(jù)，對(duì)全球海洋初級(jí)生產(chǎn)力估算、海洋生態(tài)系統(tǒng)與上層海洋過(guò)程、海洋碳通量與全球變暖等前沿領(lǐng)域研究發(fā)揮了重要作用[8]。21世紀(jì)以來(lái)，以科學(xué)應(yīng)用為主導(dǎo)的衛(wèi)星計(jì)劃更是有增無(wú)減。例如，為觀測(cè)大氣與海洋、陸地之間的全球水汽循環(huán)，開(kāi)展全球氣候變化研究，歐空局于2009年發(fā)射了世界上唯一能夠同時(shí)觀測(cè)海水鹽度和土壤濕度變化的SMOS衛(wèi)星[9]；此外，為研究全球氣候變暖影響，2010年歐空局又專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)并發(fā)射了世界上第一個(gè)用于極地冰層、海洋浮冰及沿岸帶海平面高度精確監(jiān)測(cè)的Cryosat-2衛(wèi)星[10]等。系列科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃的實(shí)施，不僅推動(dòng)了海洋科學(xué)的跨越發(fā)展，而且?guī)?dòng)了海洋衛(wèi)星遙感技術(shù)的突破，加速了海洋衛(wèi)星遙感的業(yè)務(wù)化應(yīng)用。

1.2 海洋遙感的科學(xué)衛(wèi)星時(shí)代

正是由于科學(xué)衛(wèi)星在海洋科技發(fā)展中的重大推動(dòng)作用，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)任務(wù)為目標(biāo)導(dǎo)向的科學(xué)衛(wèi)星越來(lái)越被重視，海洋遙感也逐漸由試驗(yàn)衛(wèi)星、業(yè)務(wù)衛(wèi)星階段邁向科學(xué)衛(wèi)星階段。

1.2.1 試驗(yàn)衛(wèi)星階段——拉開(kāi)倚天觀海的序幕 1970年代，美國(guó)先后發(fā)射了Seasat-A、Nimbus-7、TIROS-N等系列試驗(yàn)衛(wèi)星[7,11]，開(kāi)啟了現(xiàn)代空間對(duì)海觀測(cè)的新歷程。1978年，美國(guó)發(fā)射了世界上第一顆海洋衛(wèi)星Seasat-A，該衛(wèi)星搭載了當(dāng)時(shí)技術(shù)條件下能夠研制出來(lái)的所有海洋遙感器，如微波輻射計(jì)SMMR 、微波高度計(jì)RA 、微波散射計(jì)SASS 、合成孔徑雷達(dá)SAR 、可見(jiàn)光紅外輻射計(jì)VIRR 等多種傳感器。盡管在軌壽命只有短短的3個(gè)月，但其觀測(cè)效率之高，遠(yuǎn)超當(dāng)時(shí)人們的想象。更為重要的是，它首次驗(yàn)證了利用遙感手段從太空探測(cè)海洋的可行性、高效性和巨大潛力，為人類(lèi)進(jìn)入海洋立體觀測(cè)的業(yè)務(wù)化時(shí)代邁出了關(guān)鍵一步。

1.2.2 業(yè)務(wù)衛(wèi)星階段——開(kāi)啟巡天探海的直播 1980年代以來(lái)，在經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)衛(wèi)星技術(shù)驗(yàn)證，以及后續(xù)實(shí)施的系列科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃推動(dòng)下，遙感器技術(shù)趨于穩(wěn)定，壽命可長(zhǎng)達(dá)十年之久，海洋遙感開(kāi)始進(jìn)入以業(yè)務(wù)化應(yīng)用為主的發(fā)展階段，形成了以水色傳感器、微波輻射計(jì)、微波散射計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)和合成孔徑雷達(dá)為代表的有效載荷，發(fā)展了海洋水色、海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星系列，建立了成熟的衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)和應(yīng)用體系，并成功應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋資源開(kāi)發(fā)、海洋權(quán)益維護(hù)、防災(zāi)減災(zāi)等諸多領(lǐng)域，成為推動(dòng)世界海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋事業(yè)進(jìn)步、海洋強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的重要驅(qū)動(dòng)力量[12]。

1.2.3 科學(xué)衛(wèi)星階段——揭開(kāi)大數(shù)據(jù)海洋學(xué)的新篇章 進(jìn)入21世紀(jì)，由于海洋科學(xué)衛(wèi)星在科技發(fā)展中的地位愈加凸顯，世界各國(guó)紛紛制定更多專(zhuān)門(mén)的海洋科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃，海洋遙感已邁入科學(xué)牽引的科學(xué)衛(wèi)星時(shí)代。當(dāng)前，海洋衛(wèi)星的發(fā)展也逐步由追求載荷指標(biāo)的先進(jìn)性轉(zhuǎn)向?yàn)榻鉀Q科學(xué)問(wèn)題的有效性，衛(wèi)星載荷研制開(kāi)始瞄準(zhǔn)具體科學(xué)任務(wù)而量身打造。可以說(shuō)，誰(shuí)搶先提出海洋科學(xué)的前沿問(wèn)題并針對(duì)性地研制和發(fā)射新型海洋遙感器，誰(shuí)就能在該領(lǐng)域的衛(wèi)星遙感技術(shù)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用及大科學(xué)研究方面占據(jù)主動(dòng)。未來(lái)10年，隨著面向全海域、全天時(shí)、全天候、高時(shí)空分辨率“四維遙感(時(shí)空維度)”觀測(cè)的新一代海洋科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃的成功實(shí)施，海洋遙感將全面進(jìn)入科學(xué)牽引、技術(shù)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)主導(dǎo)的新時(shí)代(見(jiàn)表1)。

1.3 新一代海洋科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃

海洋動(dòng)力過(guò)程(包括微小尺度、中尺度和大尺度運(yùn)動(dòng))是海洋物質(zhì)輸運(yùn)和能量傳遞的基本形式，是海洋學(xué)研究的基礎(chǔ)。從水平尺度看，已對(duì)空間尺度較大的海洋環(huán)流及中尺度的海平面變化都有了比較清晰的認(rèn)識(shí)[13]，但對(duì)于小尺度和中尺度間的裂縫，即亞中尺度(10～100 km)海洋動(dòng)力過(guò)程仍知之甚少，而這恰恰是海洋能量級(jí)聯(lián)和物質(zhì)轉(zhuǎn)移最關(guān)鍵的部分[14]，也是研究大洋環(huán)流、能量耗散和氣候變化的基礎(chǔ)。從垂直尺度看，當(dāng)前的衛(wèi)星遙感僅能進(jìn)行“海洋表層”觀測(cè)，而實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋上混合層乃至躍層分層結(jié)構(gòu)的剖面遙感觀測(cè)，將對(duì)海洋生態(tài)學(xué)、海洋動(dòng)力學(xué)、海洋軍事學(xué)研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[15]。因此，實(shí)現(xiàn)海洋亞中尺度和近溫躍層的遙感觀測(cè)，是當(dāng)前海洋遙感面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。

圍繞海洋科學(xué)前沿，聚焦新載荷、新機(jī)理、新技術(shù)研發(fā)，世界主要海洋強(qiáng)國(guó)正在布局新一代海洋科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃，以掌握未來(lái)海洋科技的主動(dòng)權(quán)。面向海洋亞中尺度遙感觀測(cè)，2007年美法聯(lián)合提出了“地表水與海洋地形”(Surface Water and Ocean Topography，SWOT)衛(wèi)星計(jì)劃[16](見(jiàn)圖1)，設(shè)計(jì)搭載了新型Ka波段干涉成像高度計(jì)，在與傳統(tǒng)高度計(jì)厘米級(jí)測(cè)高精度相當(dāng)?shù)臈l件下，可將空間分辨率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)(從100～150 km提高到10～20 km)，目前處于實(shí)施階段，預(yù)期2021年發(fā)射；2018年歐空局提出了SKIM衛(wèi)星計(jì)劃[17]，設(shè)計(jì)搭載新型多波束多普勒掃描式雷達(dá)高度計(jì)，用于全球海洋表層矢量流場(chǎng)和波浪的遙感觀測(cè)，空間分辨率與SWOT相當(dāng)，目前處于全面論證階段；面向海洋剖面“三維遙感”觀測(cè)需求，國(guó)際上雖尚未提出專(zhuān)門(mén)的海洋衛(wèi)星計(jì)劃，但海洋激光雷達(dá)被認(rèn)為是未來(lái)最有望實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)手段。聚焦國(guó)內(nèi)，2016年中國(guó)青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出了“觀瀾號(hào)”海洋科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃[18](見(jiàn)圖2)，設(shè)計(jì)同步搭載干涉成像高度計(jì)和海洋激光雷達(dá)的雙載荷體制，將實(shí)現(xiàn)海洋水平動(dòng)力過(guò)程高精高分(2 cm@3 km×3 km)和海洋剖面激光雷達(dá)垂直穿透(150～300 m)的一體化遙感觀測(cè)能力，同步解決上述海洋亞中尺度和近溫躍層遙感觀測(cè)的科學(xué)需求，目前處于預(yù)研階段。

圖1 “地表水與海洋地形”計(jì)劃(NASA官網(wǎng))

圖2 “觀瀾號(hào)”計(jì)劃

2 新一代海洋科學(xué)衛(wèi)星代表性載荷

如前所述，針對(duì)海洋亞中尺度遙感觀測(cè)，具有寬刈幅、高分辨率、高精度的新型干涉成像高度計(jì)載荷是目前被較多采用的一種解決方案；針對(duì)海洋剖面分層遙感觀測(cè)，作為一種主動(dòng)光學(xué)遙感的激光雷達(dá)，已經(jīng)通過(guò)機(jī)載試驗(yàn)及大氣/冰蓋星載激光雷達(dá)在軌驗(yàn)證，被證明是未來(lái)實(shí)現(xiàn)“三維遙感”的載荷技術(shù)。因此，本文重點(diǎn)選擇干涉成像高度計(jì)和海洋激光雷達(dá)作為新一代海洋科學(xué)衛(wèi)星的代表性載荷，分別予以介紹。

2.1 干涉成像高度計(jì)——衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)的新突破

海洋雷達(dá)高度計(jì)是迄今唯一能以厘米級(jí)精度測(cè)量平均海平面高度的微波遙感器,在海洋地形觀測(cè)中占據(jù)著重要地位?；诶走_(dá)高度計(jì)的海洋衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)發(fā)展大致分為三個(gè)階段，具體如表2所示。

第一階段：中尺度“菱形”階段(1970年代—1980年代)。在該階段，傳統(tǒng)高度計(jì)每3/17天沿相交軌道重復(fù)測(cè)量海平面高度，而軌道之間從未采樣的空白區(qū)域(約1.5°，沿赤道)形成一個(gè)“菱形”圖案，空間分辨率～100 km。通過(guò)該階段衛(wèi)星計(jì)劃的實(shí)施，獲取了許多半定量結(jié)果,如海盆尺度環(huán)流特征、南極環(huán)流特征及中尺度海洋變化等[19]。

第二階段：半尺度“網(wǎng)格”階段(1980年代—2010年代)。多源高度計(jì)數(shù)據(jù)融合測(cè)高技術(shù)的應(yīng)用大大提高了采樣精度，可以每天構(gòu)建一個(gè)“網(wǎng)格”式(一般為0.25°×0.25°)SSH產(chǎn)品[20-21]。該階段的空間分辨率提升至～50 km，并由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋環(huán)流、羅斯貝波和中尺度渦旋的系統(tǒng)觀測(cè)和深入理解，對(duì)海洋科學(xué)的發(fā)展做出了許多定量化、基礎(chǔ)性的貢獻(xiàn)。如，通過(guò)測(cè)高獲取海表地形的技術(shù)手段第一次為大尺度全球海洋模式研究提供了天然試驗(yàn)平臺(tái)；SSH的高程測(cè)量揭示了海洋中一種類(lèi)似于羅斯貝波特征的持久性的西向傳播運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象[22]，后又被證實(shí)為“全球海洋中幾乎無(wú)處不在的非線性渦旋”[6]。

表2 衛(wèi)星測(cè)高發(fā)展的三個(gè)階段[18]Table 2 Three phases of development for satellite altimetry[18]

第三階段：亞中尺度“像元”階段(2020年代之后)。在即將到來(lái)的“像元”階段，新一代干涉成像高度計(jì)的成功應(yīng)用將有望實(shí)現(xiàn)每1～3天對(duì)海洋地形進(jìn)行“成像”，其“像元”大小小于(10 km×10 km)[23]，空間分辨率提升至～10 km。2016年我國(guó)三維成像微波高度計(jì)隨著天宮二號(hào)飛船的成功發(fā)射，成為國(guó)際上首顆在軌運(yùn)行的寬刈幅干涉成像高度計(jì)，首次驗(yàn)證了海表面高度干涉測(cè)量和三維成像的技術(shù)可行性。而作為當(dāng)前“像元”階段的主要衛(wèi)星任務(wù)——“SWOT”及“觀瀾號(hào)”衛(wèi)星計(jì)劃，將更以前所未有的刈幅寬度(100～200 km)、高空間分辨率(～10 km)、厘米精度(～2 cm)測(cè)量海洋地形[18，24]，解決亞中尺度和幾天時(shí)間內(nèi)的海平面變化觀測(cè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋渦旋整個(gè)生命周期(尤其是在發(fā)生和消亡階段持續(xù)一兩周內(nèi)的亞中尺度狀態(tài))的跟蹤觀測(cè)。同時(shí)，它還將用于估計(jì)10～100 km尺度上發(fā)生的海洋垂向運(yùn)動(dòng)，有助于深入理解海洋環(huán)流能量平衡[25](見(jiàn)圖3)。

圖3 干涉成像高度計(jì)

事實(shí)上，基于高度計(jì)的海洋動(dòng)力學(xué)發(fā)展一直伴隨著爭(zhēng)議和爭(zhēng)論，許多問(wèn)題都是因?yàn)椴煌陚洳蓸?有時(shí)是病態(tài)的)和SSH重構(gòu)不合理引起的。新一代干涉成像高度計(jì)所帶來(lái)的測(cè)高技術(shù)上的突破(“柵格”階段跨越至“像元”階段)，將根本推動(dòng)海洋動(dòng)力學(xué)研究從中尺度向亞中尺度轉(zhuǎn)變，這對(duì)打通海洋中不同尺度能量級(jí)聯(lián)和物質(zhì)循環(huán)關(guān)鍵鏈路,進(jìn)而提升全球氣候預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的精細(xì)化水平，都具有十分重要的意義。

2.2 海洋激光雷達(dá)——三維遙感透視的新技術(shù)手段

星載激光雷達(dá)發(fā)展于20世紀(jì)。作為星載激光雷達(dá)的先驅(qū)，美國(guó)NASA于1988年啟動(dòng)了激光雷達(dá)空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)(LITE)[26]；1994年，美國(guó)在發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)上成功進(jìn)行了氣溶膠和云激光雷達(dá)的可行性試驗(yàn)；2006年，美國(guó)NASA和法國(guó)CNES聯(lián)合發(fā)射了CALIPSO衛(wèi)星(云/氣溶膠激光雷達(dá)和紅外測(cè)衛(wèi)星)[27]，至此，星載激光雷達(dá)技術(shù)終于從試驗(yàn)階段轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用階段。但截止目前，國(guó)際上仍尚未實(shí)施對(duì)海觀測(cè)的專(zhuān)用海洋激光雷達(dá)計(jì)劃。

盡管CALIPSO衛(wèi)星以大氣觀測(cè)為主要任務(wù)，但在過(guò)去的十多年中，它仍然為海洋學(xué)研究提供了許多寶貴的副產(chǎn)品[28]：Behrenfeld等使用CALIPSO數(shù)據(jù)來(lái)量化全球海洋浮游植物生物量和總顆粒有機(jī)碳儲(chǔ)量[29]；Lu等發(fā)現(xiàn)海洋次表層總后向散射與葉綠素a濃度以及顆粒狀有機(jī)碳之間存在顯著關(guān)系，并表明CALIPSO激光雷達(dá)有望用于估算全球葉綠素a和顆粒狀有機(jī)碳濃度[30]；Behrenfeld等報(bào)告了10年不間斷的極地浮游植物生物量，發(fā)現(xiàn)極地浮游植物動(dòng)態(tài)過(guò)程被劃分為“盛衰”循環(huán)，并解釋是由于浮游生物捕食者-獵物間的食物鏈?zhǔn)Ш庠斐傻腫32]等，上述研究成果再次力證了激光雷達(dá)在海洋學(xué)研究中的重要潛在價(jià)值。

因此，星載海洋激光雷達(dá)作為一種主動(dòng)光學(xué)遙感，與傳統(tǒng)被動(dòng)光學(xué)遙感相比，至少有三方面的優(yōu)勢(shì)：(1)可有效穿透海洋混合層，通過(guò)推導(dǎo)獲取海洋次表層的分層光學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而揭示溫躍層結(jié)構(gòu)及其相關(guān)動(dòng)力學(xué)特征[31-35]；(2)通過(guò)其主動(dòng)光學(xué)遙感，可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)探測(cè)，并開(kāi)展與傳統(tǒng)被動(dòng)光學(xué)遙感相結(jié)合的主被動(dòng)融合研究；(3)實(shí)現(xiàn)水下生物群落的直接探測(cè)，同時(shí)結(jié)合真光層中各種浮游植物和浮游動(dòng)物的間接信號(hào)，可揭示海洋食物鏈和生態(tài)系統(tǒng)的初步特征和規(guī)律[36-38](見(jiàn)圖4)。

圖4 海洋激光雷達(dá)

3 新一代海洋科學(xué)衛(wèi)星的應(yīng)用展望

3.1 將帶來(lái)海洋測(cè)高和剖面光學(xué)遙感數(shù)據(jù)量的激增，推動(dòng)海洋大數(shù)據(jù)的新發(fā)展

隨著新一代海洋觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，尤其是三維高分遙感透視技術(shù)的突破，海洋科學(xué)將邁入大數(shù)據(jù)時(shí)代[39]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2019年，海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的約一半貢獻(xiàn)來(lái)自于衛(wèi)星遙感[40]，然而，目前這些遙感數(shù)據(jù)的大部分來(lái)自于可見(jiàn)光和紅外遙感器，而微波遙感數(shù)據(jù)由于低空間分辨率原因占比仍然較低。因此，具備全球海洋高時(shí)空分辨、長(zhǎng)時(shí)間序列、無(wú)縫覆蓋海平面高度測(cè)量能力的新一代寬刈幅干涉成像高度計(jì)的成功應(yīng)用，不僅解決傳統(tǒng)高度計(jì)存在的固有病態(tài)采樣問(wèn)題(沿軌密集/跨軌稀疏的不對(duì)稱(chēng))，而且其帶來(lái)的海量測(cè)高數(shù)據(jù)(每日數(shù)據(jù)激增約104倍)，必將進(jìn)一步推動(dòng)亞中尺度海洋學(xué)領(lǐng)域海洋大數(shù)據(jù)的新發(fā)展。

此外，當(dāng)前衛(wèi)星遙感還僅僅停留在準(zhǔn)實(shí)時(shí)的二維階段，海洋剖面深度的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)近乎為零，即使垂直尺度上的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分布也隨深度銳減：即從海面的PB級(jí)減少到大洋海底的KB級(jí)。從該意義上講，由于數(shù)據(jù)量在海洋垂直維度上的嚴(yán)重不均勻分布，海洋表面雖已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，而海洋內(nèi)部仍處于小數(shù)據(jù)階段。因此，海洋激光雷達(dá)在海洋三維遙感觀測(cè)上的歷史突破，不僅使其獲取的直達(dá)近溫躍層深度的全球海洋光學(xué)剖面數(shù)據(jù)顯得極為珍貴，為海洋混合層的觀測(cè)和研究做出不可估量的貢獻(xiàn)，而且也是未來(lái)海洋內(nèi)部跨入大數(shù)據(jù)時(shí)代的重要途徑。

3.2 將建立海表動(dòng)力參數(shù)和剖面光學(xué)/生態(tài)參數(shù)的一體化遙感能力，推動(dòng)海洋跨學(xué)科深入研究

全球變化問(wèn)題已成為人類(lèi)面臨的共同挑戰(zhàn)之一，從地球系統(tǒng)整體角度出發(fā)，海洋跨學(xué)科研究將是未來(lái)海洋科學(xué)發(fā)展的主要趨勢(shì)和必然要求。在廣泛的時(shí)空尺度中，海洋物理、海洋生物以及生物地球化學(xué)參數(shù)的相互耦合是海洋系統(tǒng)的一個(gè)基本特征，如上升流、厄爾尼諾/拉尼娜、太平洋年代際振蕩等現(xiàn)象。研究表明，物理—生物—生物地球化學(xué)相互作用/協(xié)變?cè)诤Ｑ笾谐叨壬嫌兄軓?qiáng)的表現(xiàn)，其機(jī)制研究需要使用多學(xué)科方法[41-42]。中尺度渦作為廣泛存在且又典型的中尺度現(xiàn)象，是海洋科學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)。目前通過(guò)衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)融合而建立的全球范圍內(nèi)自動(dòng)識(shí)別和跟蹤單個(gè)渦流的方法，已使半尺度(～50 km)上的海洋跨學(xué)科研究取得了初步進(jìn)展。然而，中尺度渦是一個(gè)旋轉(zhuǎn)水柱，即通過(guò)所謂的埃克曼螺旋、海洋上混合層、鏡像層[43]、密躍層(溫躍層、鹽躍層)，以及流體動(dòng)力學(xué)和地球物理學(xué)的聲波導(dǎo)、生物海洋學(xué)的真光層等“載體”沿垂直深度延伸至數(shù)百米甚至千米。因此，通過(guò)新一代干涉成像高度計(jì)和海洋激光雷達(dá)的聯(lián)合觀測(cè)，建立海表動(dòng)力參數(shù)和剖面光學(xué)/生態(tài)參數(shù)的一體化遙感能力，不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)中尺度渦(甚至亞中尺度渦)表面特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維同步觀測(cè)，還將進(jìn)一步推動(dòng)海洋動(dòng)力學(xué)和海洋生態(tài)學(xué)的跨學(xué)科研究。

3.3 將搭建海洋觀測(cè)與模式“協(xié)作”的橋梁，推動(dòng)亞中尺度海洋學(xué)的新突破

觀測(cè)(現(xiàn)場(chǎng)和遙感)和模式是支撐現(xiàn)代海洋學(xué)發(fā)展的兩大強(qiáng)力工具，作為未來(lái)海洋學(xué)發(fā)展的“左膀右臂”，兩者只有協(xié)同發(fā)展，使其分辨率在時(shí)空尺度上相互匹配，才能發(fā)揮其“合力”優(yōu)勢(shì)。1980年代，隨著遙感衛(wèi)星的業(yè)務(wù)化運(yùn)行，海洋遙感(動(dòng)力)觀測(cè)能力率先達(dá)到中尺度(～100 km)水平，模式發(fā)展暫時(shí)落后；1990年代，提出的渦分辨率數(shù)值模擬概念[44]與當(dāng)時(shí)衛(wèi)星測(cè)高的中尺度分辨能力(～100 km)基本一致，迎頭趕上；21世紀(jì)之后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，區(qū)域模式動(dòng)力(地轉(zhuǎn))分辨率已躍升至亞中尺度(～10 km)水平[45]，后來(lái)居上。然而，截至目前，融合高度計(jì)數(shù)據(jù)的最佳空間分辨率仍停留在半尺度，遠(yuǎn)落后于海洋模式的分辨率。觀測(cè)和模式分辨率的長(zhǎng)期不匹配將減緩并限制海洋模式乃至海洋學(xué)的整體發(fā)展。因而，隨著新一代衛(wèi)星計(jì)劃的先后實(shí)施，其搭載的干涉成像高度計(jì)有望首次使衛(wèi)星遙感的觀測(cè)分辨率在全球尺度上達(dá)到～10 km水平，實(shí)現(xiàn)與模式分辨的“再匹配”，不僅為未來(lái)海洋模式深入研究和模式精細(xì)化預(yù)報(bào)提供第一手高分辨率觀測(cè)資料，而且二者將共同為21世紀(jì)亞中尺度海洋學(xué)的新突破提供合力支撐。

3.4 將實(shí)現(xiàn)海洋生命系統(tǒng)的直接遙感探測(cè)，揭示水下生物群落遷移的時(shí)空規(guī)律

目前，通過(guò)傳統(tǒng)主流遙感器(可見(jiàn)光、熱紅外和微波)從空間探測(cè)的海洋基本參數(shù)包括：海表溫度、海水鹽度、海面高度、風(fēng)場(chǎng)、水色和海冰等[51]。就海洋水色和海洋生態(tài)系統(tǒng)而言，持續(xù)的云層覆蓋、夜間和極地區(qū)域的極夜現(xiàn)象嚴(yán)重制約了傳統(tǒng)被動(dòng)光學(xué)衛(wèi)星的水色參數(shù)測(cè)量，甚至每年大片地區(qū)(如極地)連續(xù)好幾個(gè)月都無(wú)法觀測(cè)。而基于新一代海洋激光雷達(dá)主動(dòng)遙感技術(shù)不僅可獲取包括極地區(qū)域在內(nèi)的全球海洋次表層剖面分層的光學(xué)特性，而且將有望實(shí)現(xiàn)海洋次表層以上海洋生命系統(tǒng)的直接遙感探測(cè)。因而，在未來(lái)十年，隨著海洋激光雷達(dá)衛(wèi)星的成功發(fā)射，將很快進(jìn)入從太空探測(cè)生命信號(hào)的時(shí)代，海洋生命系統(tǒng)遙感能力將從目前積分初級(jí)生產(chǎn)力的物理探測(cè)階段邁向分層生物群落的生命探測(cè)階段，這在海洋衛(wèi)星遙感的發(fā)展中將具有里程碑意義。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著海洋科學(xué)衛(wèi)星在科學(xué)前沿探索、核心技術(shù)突破、新興產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)等方面的作用日益凸顯，發(fā)展專(zhuān)門(mén)的海洋科學(xué)衛(wèi)星正在成為世界各國(guó)共識(shí)。當(dāng)前，圍繞海洋亞中尺度和近溫躍層遙感觀測(cè)需求，國(guó)際上正在積極布局實(shí)施以干涉成像高度計(jì)和海洋激光雷達(dá)為新型載荷的新一代海洋科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃，一旦實(shí)現(xiàn)突破，將對(duì)未來(lái)亞中尺度海洋學(xué)、海洋躍層動(dòng)力學(xué)以及大數(shù)據(jù)海洋學(xué)發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，這對(duì)我國(guó)把握當(dāng)前海洋科技有望實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)跨越的難得機(jī)遇、加快推進(jìn)實(shí)施我國(guó)的海洋科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃，具有十分重要的借鑒和啟示意義。

致謝：感謝唐軍武研究員和趙朝方教授的有益討論和建設(shè)性意見(jiàn)。