中法海洋衛(wèi)星及其典型應用

文 | 劉建強 蔣興偉 郎姝燕 Danièle HAUSER 孫從容 徐瑩 董曉龍 王麗麗 林文明 王久珂劉金普 馬小峰

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

3.法國國家科學研究中心（CNRS）

4.中國科學院國家空間科學中心

5.航天東方紅衛(wèi)星有限公司

6.南京信息工程大學

7.國家海洋環(huán)境預報中心

一、前言

中法海洋衛(wèi)星（CFOSAT）是我國航天領域第一次與先進宇航國家開展系統(tǒng)性、全流程合作的項目，也是中法兩國在航天工程領域、海洋科學領域高水平合作的重要成果。2018年10月29日CFOSAT在我國甘肅酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，2020年2月正式交付使用。

CFOSAT搭載了兩個全新體制的載荷，分別是中國科學院國家空間科學中心研制的扇形波束圓錐掃描微波散射計（CSCAT）和法國國家空間研究中心（CNES）研制的海浪波譜儀（SWIM）。其科學目標是通過對全球海面風場和海浪譜進行同步監(jiān)測，開展海洋、大氣相關的科學試驗和科學應用的研究，提高人們對海洋動力環(huán)境變化規(guī)律的認識，進而改善對巨浪、海洋熱帶風暴、風暴潮等災害性海況預報的精度與時效。國家衛(wèi)星海洋應用中心和CNES負責CFOSAT衛(wèi)星數據的地面接收、處理、存檔與分發(fā)任務。

在軌運行2年多來，CFOSAT在距地520km的軌道上24小時不間斷工作，每天繞極地飛行15軌，下行數據由雙方地面接收站實時接收，中法雙方各自處理制作1～4級產品。經地面處理中心輸出的全球海面風場、海浪譜產品在臺風颶風災害監(jiān)測、南北極海冰監(jiān)測、海洋數值預報、短期海洋預報中得到應用驗證。雙方科學家經過對數據質量的評估認為，產品技術指標滿足設計要求、部分產品優(yōu)于設計要求，CFOSAT可完成在全球尺度上對海洋表面風浪的同步觀測，能夠改善海洋氣象和極端海況下的風浪預報結果，提升海洋動力模型和預報系統(tǒng)技術水平，幫助科研人員了解海面風浪過程的基本機理和全球氣候變化研究。

CFOSAT自發(fā)射以來運行穩(wěn)定，國家衛(wèi)星海洋應用中心與中國西安衛(wèi)星測控中心（CLTC）每3個月對衛(wèi)星軌道進行一次軌道維持，因此軌道高度始終可滿足載荷需求。

二、中法海洋衛(wèi)星主要載荷

1. 微波散射計

CSCAT/CFOSAT工 作在Ku（13.256 GHz）微波頻率，是國際上首次采用扇形波束旋轉掃描體制的衛(wèi)星散射計。它綜合了傳統(tǒng)固定扇形波束散射計和筆形波束圓錐掃描散射計的特點，通過扇形波束圓錐掃描實現對地面目標的多入射角和多方位角觀測。散射計刈幅內，每個風矢量單元分別垂直極化（VV）和水平極化（HH）波束以28°—51°的入射角觀測2—8次，其中刈幅遠端（距星下點＞400km）和星下點附近（星下點附近100km以內）的區(qū)域觀測次數較少，刈幅中間區(qū)域的觀測次數較多。因此，與固定扇形波束散射計相比，CSCAT/CFOSAT可改善衛(wèi)星散射計空間覆蓋范圍，星下點區(qū)域無觀測間隙；與筆形波束散射計相比（最多4次觀測），CSCAT/CFOSAT可獲取更加豐富的觀測幾何信息以及更多的觀測樣本數，為改進海面風場、海冰、土壤濕度等地球物理參數的反演方法、提高反演精度提供了新的機遇。

CSCAT/CFOSAT可實現目前國際上最高分辨率的全球海面后向散射和海面風場測量，連續(xù)觀測刈幅上原始分辨率可達10.5km。

眾所周知，星載CSCAT是目前獲取全球海面風場最主要的傳感器。美國、歐洲、印度和中國先后發(fā)射了多個業(yè)務化運行的CSCAT，這些散射計的風場數據在海洋氣象災害監(jiān)測、數值天氣預報模式以及海氣相互作用科學研究中得到廣泛且深入的應用。然而，過去和當前所有衛(wèi)星散射計業(yè)務化海面風場的典型分辨率是25—50km，無法滿足近海岸區(qū)域、中小尺度海面動力過程等一些較高分辨率應用的需求。CSCAT/CFOSAT雷達分辨單元的大小約為10 km×12.5 km，是目前原始空間分辨率最高的在軌運行的微波散射計。2020年7月，國家衛(wèi)星海洋應用中心正式發(fā)布了CSCAT/CFOSAT全球近海岸風場產品，空間分辨率為12.5km×12.5km，是目前全球空間分辨率與精度最高的近海岸風場產品。2021年6月，CSCAT/CFOSAT再次推出了國際領先的新型高空間分辨率（6.25km×6.25km）風場產品，經驗證，其精度也滿足要求，即將作為科學試驗產品對全球發(fā)布。

2．海浪波譜儀

SWIM/CFOSAT是一種能夠在全球范圍對海面波浪譜進行高精度探測的主動式新型海洋遙感載荷，基于小入射角下準鏡面散射機理，通過探測海面后向散射系數，進而反演波浪譜、波長、波向、有效波高等波浪參數。以往能夠獲取波浪譜信息的遙感載荷主要是合成孔徑雷達（SAR）、光學遙感等方式，海浪波譜儀是基于小入射角的鏡面反射，探測機理更為直接。

SWIM/CFOSAT有6個波束對海面進行同時探測，入射角分別為0°、2°、4°、6°、8°、10°。產品體系可分為兩部分，分別是星下點0°入射角獲取的有效波高產品與其余入射角共同探測反演的波浪譜產品。星下點沿軌數據反演的有效波高產品精度優(yōu)于0.5m。波浪譜產品的性能指標包括：可探測海浪波長范圍為70—500m，空間分辨率為70km×90km，主波波長精度10%，波向精度為15°。

三、中法海洋衛(wèi)星典型應用

1．散射計數據應用

CSCAT/CFOSAT提供的高分辨率、高精度海面風場產品在海洋防災減災、海洋環(huán)境預報、海洋工程保障等方面發(fā)揮了重要的信息支持作用。尤其在臺風監(jiān)測中，這種新型體制的散射計充分發(fā)揮了多入射角、多樣本數的觀測優(yōu)勢，對臺風結構的描繪較普通散射計更為細致，可以提供更加全面詳盡的位置強度信息。

各國科學家在標準海面風場產品的基礎上，制作了0.25°×0.25°的3級網格產品，并進行了驗證。

另外，中法兩國科學家還利用CSCAT/CFOSAT多入射角的觀測特征制作了南北極的海冰監(jiān)測產品，產品可提供冰水劃分、海冰分類、海冰移動軌跡預測、海冰覆蓋等信息。

在多載荷聯(lián)合反演方面，利用CSCAT與SWIM同平臺監(jiān)測的優(yōu)勢，針對臺風監(jiān)測，對風、浪、流、溫度等要素間的相關性進行了分析，對高海況等惡劣條件下如何提升風矢量反演精度進行了研究。此外，利用CSCAT、SAR與高度計對土壤濕度進行了觀測，多方位發(fā)掘了CSCAT的數據應用潛力。

（1）風場產品

CSCAT/CFOSAT單軌觀測數據時長約為97min，刈幅為1050km，目前可提供6.25km科學試驗產品、12.5km近海岸全球海面風場產品與25km全球海面標準產品。海洋衛(wèi)星地面接收站一天可接收約15軌數據，全球覆蓋率近80%。三天全球海面風場可獲取42軌數據，全球覆蓋率近96%。

圖1和圖2分別展示了CSCAT/CFOSAT全球海面風場單日與三日的覆蓋圖。

圖1 CSCAT/CFOSAT單日全球海面風場覆蓋圖（2019年8月8日）

圖2 CSCAT/CFOSAT三天之內的海面風場覆蓋圖（2019年8月8—10日）

（2）臺風監(jiān)測

2019年，國家衛(wèi)星海洋應用中心在汛期衛(wèi)星遙感監(jiān)測服務體系將CSCAT風場數據納入。CSCAT/CFOSAT具有高精度、高空間分辨率的觀測優(yōu)勢，可以提供更細致的近海岸臺風信息。業(yè)務化運行后，大大提高了我國近海岸海洋災害的監(jiān)測預警能力，為海洋防災減災和海洋經濟建設提供了強有力的信息服務。

CSCAT/CFOSAT對2019年第19號超強臺風“海貝斯”和2021年第6號強臺風“煙花”整個過程的監(jiān)測表明，衛(wèi)星觀測海面風場直觀形象地反映了臺風的位置和強度。在衛(wèi)星獲取到散射計的實時監(jiān)測數據后，地面系統(tǒng)迅速對數據進行接收和處理，并在第一時間制作了臺風遙感監(jiān)測專題圖。專題圖不僅給出了臺風所處的具體位置，還可提供臺風的最大風速、七級風半徑、十級風半徑等定量信息。專題圖可直接發(fā)送給臺風監(jiān)測和海洋環(huán)境預報部門，為沿海預報部門的防災減災工作提供了決策依據與信息參考。如圖3所示，CSCAT可捕捉到臺風“煙花”的整體結構，臺風中心位置也清晰可見，最大風速達31.8 m/s。

圖3 CSCAT/CFOSAT臺風“煙花”遙感監(jiān)測專題圖（2021年7月24日）

圖4展示了CSCAT/CFOSAT 12.5km和25km產品在臺風監(jiān)測中的對比?？擅黠@看出，12.5 km空間分辨率的風場產品能夠描述更多的風場細節(jié)，特別是12.5km產品更加靠近海陸邊界線。

圖4 CSCAT/CFOSAT 12.5 km與25 km不同空間分辨率臺風遙感監(jiān)測產品比對

（3）鋒面監(jiān)測

圖5展示了CSCAT/CFOSAT 12.5km和25km產品在鋒面監(jiān)測中的對比。由圖中可明顯看出，12.5 km空間分辨率的風場產品能夠描述更多的風場細節(jié)。

圖5 CSCAT/CFOSAT 12.5 km與25 km不同空間分辨率鋒面遙感監(jiān)測產品比對

（4）極地海冰監(jiān)測

極地海冰實時監(jiān)測產品是CSCAT的4級應用產品。該產品是以散射計L2級產品作為輸入，經時空匹配與海冰檢測，可生成日、旬、月的南北極地區(qū)海冰監(jiān)測產品，產品信息包括：海冰分類與海冰面積統(tǒng)計。

圖6分別為北極地區(qū)與南極地區(qū)在2019年1月與6月的月平均海冰分布專題圖。由圖中可明顯看出，南北極地區(qū)海冰面積隨著季節(jié)的變化此消彼長。在北極海冰快速消融的時候，南極海冰面積在急劇增長。

圖6 CSCAT/CFOSAT極地海冰月平均產品

圖7是由法國科學家提供的CSCAT/CFOSAT與ASCAT/MetOp散射計對于極地海冰監(jiān)測產品的對比，由圖中可明顯看出，CSCAT具有覆蓋好，一致性高的觀測優(yōu)勢。

圖7 CSCAT/CFOSAT與ASCAT/MetOp極地海冰監(jiān)測產品對比

2．波譜儀數據應用

高空間分辨率的SWIM/CFOSAT數據在2021年2月2日正式進入法國氣象局波浪同化系統(tǒng)，同化結果表明有效波高可以得到顯著提升。法國海洋研究所還開發(fā)了多種波譜儀離線產品，包括：1Hz長時間氣候產品，5Hz近海岸星下點產品。

目前，各國業(yè)務機構與科研院所對SWIM的數據應用進行了多角度挖掘，已表明其可應用在內陸水體的波浪觀測；SWIM與SAR聯(lián)合在海洋盆地尺度進行海況模式的捕捉；利用風、浪同步觀測數據首次實現對全球海面波應力的精確計算，進而實現風應力反演；利用風、浪同步觀測數據對臺風進行定位定強；利用風、浪同步觀測數據對海流進行反演；以及利用多特征與多入射角的觀測特征對極地海冰進行監(jiān)測。

（1）波浪產品

利用SWIM/CFOSAT星下點和左右兩側觀測盒子的海浪參數，可以制作SWIM實測每日有效波高、主波波向、主波波長全球分布圖（圖8）。

圖8 SWIM/CFOSAT每日有效波高、主波波向、主波波長全球分布圖

（2）海浪寬刈幅有效波高產品

本產品為與散射計同刈幅的海浪有效波高場，其中彩色填色為海浪有效波高數值，刈幅中央的灰色數據點為SWIM/CFOSAT觀測點。圖9展示了將SWIM與CSCAT兩種載荷的產品融合計算得到的寬刈幅有效波高產品。該產品能夠將近星下點的海浪觀測有效拓寬，獲得與CSCAT同刈幅寬度的海浪有效波高場。

圖9 SWIM/CFOSAT寬刈幅海浪有效波高產品（2019年6月11日08:24）

（3）海浪波陡產品

海浪波陡產品用于描述波浪的陡峭程度，根據海難的統(tǒng)計研究，波陡與船只失事有著非常緊密的聯(lián)系，波陡越大，波浪越陡峭，船只更容易翻沉失事。圖10中的數據點為SWIM觀測，本產品由SWIM觀測計算得到。

圖10 SWIM/CFOSAT海浪波陡產品（2019年6月11日08:24）

（4）危險海況指數產品

危險海況指數產品是根據有效波高、波陡以及涌浪成分三種要素綜合計算而來，指數越高表示海況越惡劣（圖11）。本產品由SWIM/CFOSAT觀測數據計算得到。使用0—20來描述低海況和高海況情況，有效波高、波陡和涌浪成分越大，認為海況越惡劣，也就用更高的指數值來描述。

圖11 SWIM/CFOSAT危險海況指數產品（2019年6月11日08:24）

（5）風浪疊加產品

風浪疊加產品是將CSCAT風場產品與SWIM星下點有效波高產品進行疊加，在臺風監(jiān)測期間可以直觀地獲取風浪要素的信息（圖12）。

圖12 風浪疊加產品（2021年7月23日10:37）

（6）極地海冰監(jiān)測產品

SWIM/CFOSAT極地地區(qū)30天周期的星下點平均后向散射系數，結果與其他高度計載荷的觀測結果一致。冰厚的區(qū)域，粗糙度高，后向散射系數較低，是典型的多年冰；冰薄區(qū)域，由于鏡面效應，粗糙度低，后向散射系數高。圖13可看出冰反演的結果和歐洲中期天氣預報中心同一時段海冰覆蓋結果非常一致。

圖13 SWIM/CFOSAT 30天北極極地海冰覆蓋產品（2018年12月16日—2019年1月15日）

四、結語

CFOSAT成功發(fā)射以來，運行穩(wěn)定，載荷獲取的數據經世界各國科學家使用后表明，衛(wèi)星搭載的兩個新型體制載荷不僅儀器性能穩(wěn)定，可提供連續(xù)監(jiān)測的風浪產品，還在風浪溫流等多要素觀測、極地海冰、陸地土壤濕度等方面都具有極強的監(jiān)測能力與應用潛力。隨著CFOSAT數據的開放共享不斷深入，未來將有更多的業(yè)務機構與科研團隊使用衛(wèi)星觀測數據。

利用CFOSAT獨特的技術優(yōu)勢，能夠幫助科研人員研究臺風、海浪的生成，重建強降雨區(qū)的遙感數據，用于研究巨浪在遭遇礁石后的消亡、反射、傳播等機理。CFOSAT國際科學組成員期待，今后能夠充分挖掘兩個新體制載荷的觀測優(yōu)勢，應用超分辨等新算法不斷開發(fā)更多新型應用產品，助力建設海洋動力環(huán)境立體監(jiān)測，為全球海洋、陸地監(jiān)測提供遙感技術支持，發(fā)揮載荷反演精度高、空間分辨率高的觀測優(yōu)勢，不斷為全球氣候變化提供數據保障。