海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座與應用

文｜賈永君 劉建強 林明森 張有廣 蔣興偉

1.國家衛(wèi)星海洋應用中心

2.自然資源部空間海洋遙感與應用重點實驗室

一、前言

海洋約占地球表面積的71%，不僅是船舶航行的通道，也是人類生存和發(fā)展所需物資的主要源泉之一。海洋不僅可以向人類提供水產(chǎn)品，還有豐富的礦產(chǎn)資源可以開發(fā)，海上石油和天然氣是人類可使用的重要能量來源。直接利用的海洋能，比如潮汐能、波浪能、溫差能，是標準的綠色能源。為了全人類的福祉，全力開發(fā)和保護海洋是擺在人類面前的迫切任務。

海洋在本質上起著像大氣那樣重要的作用，即使人類對于海洋變化及其引發(fā)的作用可能既沒有充分地覺察到，也沒有很好地理解它。改造、利用和保護海洋的首要前提是了解海洋，理解的前提是要全面掌握大量高精確的觀測資料。

認識和了解海洋大概可分四個層次：第一是海岸帶，第二是近海，第三是周邊海域，第四是全球大洋，當然也可以從時間尺度上劃分層次。在衛(wèi)星遙感技術之前人類了解和認識海洋的主要手段是現(xiàn)場測量、船舶測量等，然后基于這些觀測總結認識海洋，但局限于前兩個層次，并且認識的不完全準確。海洋動力環(huán)境要素獲取的主要手段有四類：觀測（立體監(jiān)測與現(xiàn)場觀測）、數(shù)值預報、物理模擬和理論研究。觀測是第一位也是最重要的，但是觀測受到時間和空間分辨率的限制，也受到海況條件的限制，實際在海上的實測資料是非常稀疏的。海洋遙感可以獲得時空較連續(xù)的資料。

海洋是一個多運動形態(tài)的復雜耦合系統(tǒng)，時空尺度變化大，從毫米尺度的毛細重力波到上萬千米的海洋環(huán)流都時時刻刻存在，時間尺度從秒級到上百年，并且這些運動形態(tài)不是獨立存在的，它們之間相互作用，相互影響。

人類已經(jīng)認識到太陽輻射的不均勻產(chǎn)生了風，風吹拂海面產(chǎn)生海浪和風海流；降雨影響海水的鹽度，云和輻射會影響海水的溫度，溫度和鹽度共同作用產(chǎn)生了密度流，風海流和密度流構成了海洋環(huán)流。但是如何快速、準確、高精度獲取海水溫度、鹽度、密度、波浪、海流（含潮流）和水位等海洋減災防災、國家安全以及公眾需求的海洋動力環(huán)境要素非常關鍵。

同時，在海洋資源開發(fā)、全球性環(huán)境變化監(jiān)測、海洋權益的維護及沿海地區(qū)的綜合開發(fā)和管理等方面，都需要有一種新的海洋觀測技術替代或補充傳統(tǒng)的常規(guī)海洋調查方法，而海洋遙感所具有的大范圍實時同步、全天時、全天候多波段成像技術優(yōu)勢可以快速地探測海洋表面各物理參量的時空變化規(guī)律。

紅外或可見光遙感由于會受到氣象條件和觀測原理的限制，對海洋動力環(huán)境的探測能力有非常大的局限，而微波遙感是非常有效的手段，目前我國已經(jīng)建成了載荷為微波波段的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座。

海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座，通俗地講，就是通過三星組網(wǎng)，由單顆獨立衛(wèi)星變?yōu)榭上嗷リP聯(lián)配合的星座。

二、海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座性能

2021年5月19日，海洋二號D（HY-2D）衛(wèi)星成功發(fā)射，HY-2D衛(wèi)星是我國第四顆海洋動力環(huán)境系列衛(wèi)星，與已在軌運行的HY-2B衛(wèi)星和HY-2C衛(wèi)星“三星組網(wǎng)”，共同構建成我國首個海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座（圖1），實現(xiàn)對全球海面高度、有效波高、海面風場、海面溫度的全天時、全天候、高精度觀測，有效服務我國海洋防災減災與自然資源調查監(jiān)管。

圖1 海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座三星組網(wǎng)示意圖

為了提高海洋觀測效率，我國的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座包括至少3顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，通常是1顆極軌（太陽同步軌道）衛(wèi)星和2顆傾斜軌道（非太陽同步軌道）衛(wèi)星組成。2019年10月25日發(fā)射的HY-2B衛(wèi)星是一顆極軌海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，其上搭載了雷達高度計、微波輻射計、微波散射計和校正輻射計等載荷，可以實現(xiàn)海面高度、有效波高、海表溫度、海面風場等海洋動力環(huán)境信息的同時、快速獲取。2020年9月21日發(fā)射的HY-2C和2021年5月19日發(fā)射的HY-2D是兩顆傾斜軌道衛(wèi)星，HY-2C和HY-2D上除了微波輻射計外，搭載的載荷和HY-2B完全一樣（表1）。

表1 海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座組成及其主要信息

通過HY-2A這顆試驗業(yè)務衛(wèi)星的積累，HY-2B、HY-2C和HY-2D的數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度得到大幅度的提高，產(chǎn)品精度見表2，并且海洋動力環(huán)境要素產(chǎn)品形成了體系化。同時相海表溫度、有效波高、海面風場、海面高度等信息不僅可以加深人類對海氣相互作用的認識，還可以為全球氣候變化、海洋未知信息的提取提供強有力的支持和幫助。

表2 HY-2B/C/D海洋動力環(huán)境主要要素產(chǎn)品精度

三星組網(wǎng)后的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座的觀測效率得到了顯著提升。即使只有HY-2B衛(wèi)星的微波輻射計能觀測，全球海表面95%的地方每天也都有溫度觀測，這主要是因為微波輻射計1700km的觀測刈幅決定的。

由于HY-2B以及HY-2C/D微波散射的觀測刈幅平均超過了1750km，三星組網(wǎng)后，海面風場的觀測效率得到了極大的提高，圖2給出了三星組網(wǎng)后的觀測效率。

從圖2可以看出，三星組網(wǎng)后6小時全球超過85%海域有海面風場觀測數(shù)據(jù)，12小時有95%的海域被海洋二號系列衛(wèi)星散射計觀測，結合中法海洋衛(wèi)星（CFOSAT）微波散射計和歐洲的氣象業(yè)務（MetOp）系列衛(wèi)星，觀測效率會更高。

圖2 三星組網(wǎng)后衛(wèi)星散射計全球海域海面風場觀測效率

目前，我國的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座搭載的雷達高度計都是星下點觀測，觀測足印約2km，每秒提供一個觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品。整體而言星下點雷達高度計觀測效率非常低，目前有兩種應對方案，一種是發(fā)展寬刈幅雷達高度計，另一種是建立多星組網(wǎng)運行。

為了更詳細地說明三星組網(wǎng)后的觀測效率提升，本文分析了在全球海域內的所有點，以該點為中心畫同心圓，尋找圓內至少有一個觀測點的最小半徑。圖3給出了從1天到10天觀測周期內該半徑的變化情況。

圖3 組網(wǎng)動力衛(wèi)星雷達高度計全球海域觀測效率

三、 海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座應用

1．多源數(shù)據(jù)融合

（1） 海表溫度融合

我國的HY-2B衛(wèi)星搭載微波輻射計和HY-C、HY-1D海洋水色衛(wèi)星搭載的具有紅外波段的海洋水色水溫掃描儀得到的海表面溫度精度均達到了國際先進水平。HY-2B微波輻射計不受云雨等氣象現(xiàn)象的影響，可以全天時全天候觀測，但是分辨率較低，為50km；HY-1C和HY-1D衛(wèi)星上具有紅外波段的海洋水色水溫掃描儀雖然受氣象條件影響較大，但是分辨率高，為1km。二者的融合不僅不會降低觀測精度還能提高分辨率。圖4給出了HY-2B衛(wèi)星搭載的微波輻射計和HY-1C、HY-1D具有紅外波段的海洋水色水溫掃描儀得到的海表溫度融合產(chǎn)品，產(chǎn)品的空間分辨率為5km，精度優(yōu)于0.5℃。

圖4 海表溫度融合產(chǎn)品

（2） 海面高度異常融合

衛(wèi)星雷達高度計的采樣特點在一定程度上限制了海洋動力學問題的研究，為了更好地將衛(wèi)星雷達測高數(shù)據(jù)應用于海洋動力學研究和海洋同化預報中，數(shù)據(jù)融合是不得不開展的工作。通過數(shù)據(jù)融合可以得到全球或局部海域的海面高度異常網(wǎng)格化產(chǎn)品，并在此基礎上得到平均動力高度和地轉流等產(chǎn)品。

圖5給出了2021年3月2日—2021年3月12日HY-2B、HY-2C、Jason-3的海面高度異常融合產(chǎn)品。經(jīng)與aviso融合產(chǎn)品比較，利用上述三顆自主研發(fā)的多任務融合海面高度異常產(chǎn)品精度約為4cm，可以滿足三維溫鹽同化數(shù)值預報和海洋動力學的研究使用。

圖5 HY-2B、HY-2C、Jason-3的全球海面高度異常融合結果

多星組網(wǎng)后，我國完全可以利用自主衛(wèi)星實現(xiàn)多任務融合，實現(xiàn)該類產(chǎn)品的自主化。隨著海洋動力衛(wèi)星組網(wǎng)的建成，衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)將呈幾何式增長，同時衛(wèi)星也變得更加穩(wěn)定可靠，為世界海洋信息庫更新提供持續(xù)不斷的服務，為人類更好地開發(fā)、利用、保護、管控海洋提供行之有效的“中國力量”。

（3） 海面風場融合

風場不僅是海氣相互作用重要的紐帶，也是海洋動力環(huán)境預報、海上生產(chǎn)生活必須關注的海洋要素。沿軌的海面風場雖然刈幅超過1750km，但是還不足以滿足應用需求，所以非常有必要進行數(shù)據(jù)融合。

圖6是利用HY-2B、HY-2C衛(wèi)星研制的多源衛(wèi)星2021年7月23日海面風場融合產(chǎn)品，融合后形成標準的網(wǎng)格化產(chǎn)品，空間分辨率為25km×25km，精度優(yōu)于1.5m/s，并且實現(xiàn)了6小時一次的融合效率。

圖6 多源衛(wèi)星海面風場融合

2.其他應用

我 國 現(xiàn) 在 有HY-2B、HY-2C、HY-2D和CFOSAT四顆衛(wèi)星搭載有微波散射計。即使HY-2D還在在軌測試階段的時候，風場的觀測能力也和HY-2B、HY-2C幾乎一樣。

據(jù)統(tǒng)計，按照HY-2衛(wèi)星微波散射計的刈副進行觀測，全年的臺風均可全部捕捉到，這已經(jīng)成為防災減災和應急會商必備的遙感數(shù)據(jù)源?！盁熁ā庇?021年7月18日2時被中央氣象臺升格為熱帶風暴，7月21日11時被中央氣象臺升格為強臺風，7月25日12時30分前后在浙江省舟山普陀沿海登陸，登陸時中心附近最大風力13級（38 m/s）。7月25日正值天文大潮期，臺風“煙花”登陸前后浙、滬、蘇及沿海出現(xiàn)風、雨、潮三碰頭，疊加影響大。7月26日9時50分前后在浙江省嘉興平湖沿海再次登陸。

利用HY-2B、HY-2C、HY-2D微波散射計對臺風“煙花”的連續(xù)觀測（圖7），可以近實時定位臺風的位置、強弱等，并根據(jù)不同時刻臺風的位置勾勒出臺風的移動路徑，這對于海洋防災減災是非常重要的參考。

圖7 HY-2B、HY-2C、HY-2D微波散射計對臺風“煙花”連續(xù)觀測

四、結束語

海洋動力環(huán)境要素觀測不僅對了解和認識海洋有非常重要的幫助，同時相的海洋動力環(huán)境要素觀測還對海氣相互作用研究、全球氣候變化研究具有非常重要的作用。

中國建成的第一個海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座集主、被動微波遙感器于一體，具有高精度定軌與全天候、全天時、全球海洋高效探測能力，可同步獲取海面風場、有效波高、海面高度、海面溫度等多種高時效海洋動力環(huán)境參數(shù)信息，與國外單顆衛(wèi)星相比，海面風場數(shù)據(jù)獲取時效由單星的24小時提高到6小時，覆蓋全球85%以上的海域。

同時海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座兼顧了大洋和極地觀測。作為全球首個專用于海洋動力環(huán)境信息獲取的星座，既聚焦大洋觀測，又兼顧極地觀測。采用太陽同步軌道具備極區(qū)海洋環(huán)境觀測能力，采用非太陽同步軌道可有效分離各潮汐分量，解決潮汐混頻問題。采用順行加逆行軌道，有利于在軌交叉定標和真實性檢驗，擺脫長期依賴外星定標和檢驗的局面，成為完全自主可控的衛(wèi)星星座。

通過衛(wèi)星組網(wǎng)獲取的高時空分辨率信息，使區(qū)域高分辨率海洋動力環(huán)境融合產(chǎn)品的制作具備條件，可增加更高空間分辨率和時效性的專題信息產(chǎn)品，使衛(wèi)星數(shù)據(jù)在我國近海的應用效能得到更大發(fā)揮。

星座建成后不僅對臺風路徑、強度等有準實時觀測，還可以對臺風可能引發(fā)的災害進行預判，并對災害應急等部門提出合理化建議。

第二個海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座已進入論證階段，將重點加強星地一體化的設計，繼續(xù)提升衛(wèi)星觀測的時空分辨率，持續(xù)為我國海洋防災減災、預警預報提供高頻次實測數(shù)據(jù)，為海洋資源開發(fā)、海洋科研等提供更加有力的數(shù)據(jù)支撐服務。