從太空看海洋

李尉尉 梁捷 魏連雪

地球表面的71% 被海洋覆蓋著，海洋蘊藏著豐富的資源，是地球生命的搖籃，是人類賴以生存、發(fā)展的寶庫。如此富饒、遼闊、與人息息相關(guān)的海洋，我們對它卻知之甚少。但海洋遙感衛(wèi)星的出現(xiàn)仿佛為人類安上了千里眼，讓我們可以從遙遠的太空以寬廣的視角長時間地俯瞰神秘的海洋，探究它的奧秘。

海洋遙感衛(wèi)星怎么工作？

為什么海洋遙感衛(wèi)星能幫助我們探究海洋的奧秘呢？科學家發(fā)現(xiàn)，地球上所有的物體都能夠輻射電磁波，而不同的物體具有不同的輻射特征?？茖W家還發(fā)現(xiàn)，電磁波與不同的物質(zhì)相互作用時表現(xiàn)出的特征也是不同的。電磁波可以傳播得很遠很遠，甚至可以傳播到太空中，而且傳播速度也是目前人類已知最快的。于是，科學家和工程師們就利用紅外光、可見光、微波等不同頻段的電磁波的反射、散射、輻射原理，研制出各種各樣的傳感器，并將它們搭載在衛(wèi)星上，就形成了海洋遙感衛(wèi)星。

中國海洋衛(wèi)星家族的發(fā)展歷程

20多年來，我國海洋衛(wèi)星實現(xiàn)了“從無到有”“從少到多”“從單一到組網(wǎng)”的跨越。截至2022年，我國已經(jīng)成功發(fā)射了11顆海洋衛(wèi)星。

2002年5月15日是我國實現(xiàn)海洋衛(wèi)星“零”突破的日子，在這一天，我國成功發(fā)射了第一顆海洋衛(wèi)星——海洋一號A衛(wèi)星，自此我國進入了海洋衛(wèi)星觀測時代。隨后，我國陸續(xù)發(fā)射了海洋一號B、C、D衛(wèi)星，大大提高了對海洋水色、海岸帶資源與生態(tài)環(huán)境的有效觀測能力。

2011年8月16日，我國發(fā)射了首顆海洋動力環(huán)境探測衛(wèi)星——海洋二號A衛(wèi)星。此后，我國又陸續(xù)發(fā)射了海洋二號B、C、D衛(wèi)星，組成了首個海洋動力環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)，大幅提升了海洋觀測的范圍、效率和精度。除海洋一號、海洋二號系列衛(wèi)星外，我國還發(fā)射了高分三號系列衛(wèi)星，使得海洋衛(wèi)星進入組網(wǎng)觀測時代，形成對全球海域連續(xù)高頻次觀測覆蓋能力。

海洋遙感衛(wèi)星的看家本領(lǐng)

本領(lǐng)一：海洋遙感衛(wèi)星能夠測量海洋表面的溫度。

海洋遙感衛(wèi)星上的紅外傳感器通過接收海面熱紅外輻射來測量海表面的溫度，這是衛(wèi)星遙感中最成熟而且應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。

科學家通過對海洋遙感衛(wèi)星獲得的海洋表面溫度數(shù)據(jù)圖像分析，發(fā)現(xiàn)了西太平洋暖池的位置以及與厄爾尼諾現(xiàn)象的聯(lián)系，這就使我們能夠更準確地預(yù)報厄爾尼諾現(xiàn)象。不僅如此，在海洋與大氣熱交換研究、全球氣候變化研究、海洋污染監(jiān)測等方面，海洋遙感衛(wèi)星測量海表溫度都發(fā)揮了非常重要的作用。

本領(lǐng)二：海洋遙感衛(wèi)星能夠觀察海洋表面的顏色，即水色。

海洋遙感衛(wèi)星上的水色掃描儀可以通過吸收海洋表面反射的太陽光和海水后向散射的可見光，輻射得到海洋表面的顏色。

水色與海水水質(zhì)密切相關(guān)，根據(jù)生物光學特性觀測水色，可以獲得海水中的葉綠素濃度、懸浮物含量、可溶性有機物濃度等海洋環(huán)境要素。水色遙感是可穿透海水一定深度的衛(wèi)星海洋遙感技術(shù)，它在評價沿岸及海洋生態(tài)環(huán)境，監(jiān)測赤潮、綠潮、海冰等海洋災(zāi)害，預(yù)報漁情，研究全球氣候變化和全球生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用。

本領(lǐng)三：海洋遙感衛(wèi)星可以探測海洋的運動。

海洋遙感衛(wèi)星通過微波傳感器探測海洋動力參數(shù)，從而描述海洋的運動。其中，高度計是最為成熟的。高度計應(yīng)用雷達測距原理，采用微波和波形檢測方法獲取衛(wèi)星到海面的高精度的瞬時距離。高度計曾作為核心設(shè)備被用于全球大洋環(huán)流實驗，幫助人們得到了全球大洋環(huán)流分布圖。

超級鏈接

風場是描述海洋環(huán)境變化的另一個重要參數(shù)。風場數(shù)據(jù)對海洋氣象預(yù)報、海洋災(zāi)害監(jiān)測、全球氣候研究等具有重要作用。

微波傳感器能夠全天候、全天時工作，并且具有時效性高、覆蓋面廣的特點，能夠有效地彌補常規(guī)海洋觀測資料的不足，是海洋表面風場探測的主要手段之一。

微波散射器是一種主動式微波傳感器，它向海面發(fā)射微波，再接收通過粗糙海面反射的回波數(shù)據(jù)，從而測算出風場的數(shù)據(jù)。

微波輻射器是一種被動式微波傳感器，它被動接收來自粗糙海面的微波輻射，從而測算出風場的數(shù)據(jù)。

有了這些微波傳感器，科學家就可以準確地獲取全球大洋的海面風場，甚至可以做出海洋災(zāi)害性天氣預(yù)警，例如監(jiān)測臺風移動路徑，識別臺風中心、測算臺風登陸時間等。

本領(lǐng)四：海洋遙感衛(wèi)星可以探測海上目標。

當探測一個目標的時候，我們經(jīng)常使用的就是雷達。但海洋遙感衛(wèi)星上搭載的可不是普通的雷達，而是合成孔徑雷達。

合成孔徑雷達是一種主動式微波成像雷達，與一般雷達最大的不同，就是它利用衛(wèi)星的運動增大了雷達天線的孔徑，從而獲得更高分辨率的雷達圖像。

在合成孔徑雷達的幫助下，科學家可以探測和監(jiān)視海上的船只、海岸、港口、機場等目標。

合成孔徑雷達通過微波與海面微尺度結(jié)構(gòu)相互作用，形成海面后向散射能量系數(shù)圖像。比如觀測內(nèi)波，盡管內(nèi)波發(fā)生在海面以下，但它可以引起海水表面粗糙度增加或降低，這在合成孔徑雷達圖像上表現(xiàn)為有規(guī)律的或亮或暗的區(qū)域。

而當海面上覆蓋一層油膜時，海面會變得更為平滑，使海面后向散射降低，圖像變暗，從而實現(xiàn)合成孔徑雷達對溢油的監(jiān)測。

合成孔徑雷達還能夠觀測海浪方向譜、海面風場、海流、海冰、淺海地形等。它被認為是最有效、最有潛力的衛(wèi)星傳感器。

現(xiàn)在大家已經(jīng)了解了海洋遙感衛(wèi)星的四大本領(lǐng)?？墒悄銈冇袥]有想過，它們的本領(lǐng)會隨著時間而退步嗎？想要解決這個問題就需要進行一項重要的工作——海洋遙感衛(wèi)星輻射校正和真實性檢驗。國家海洋技術(shù)中心為此進行了我國海洋系列衛(wèi)星的在軌測試，海上現(xiàn)場同步觀測試驗，并承建了我國首個海洋定標檢驗場，為海洋衛(wèi)星進行定標檢驗，讓它們更好地工作