我國(guó)海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展展望

● 文|國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心 林明森 張有廣

我國(guó)十分重視海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星遙感及其監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自主海洋衛(wèi)星的研制、發(fā)射、在軌運(yùn)行和業(yè)務(wù)應(yīng)用，發(fā)揮了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。我國(guó)自主研制的海洋二號(hào)衛(wèi)星A星（HY-2A），不僅填補(bǔ)了我國(guó)海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星遙感的空白，也是目前世界上唯一在軌運(yùn)行的集主、被動(dòng)微波遙感器于一身的綜合型海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星，具備同時(shí)獲取風(fēng)場(chǎng)、有效波高、海面高度和海面溫度的能力。通過(guò)衛(wèi)星獲得的數(shù)據(jù)提高了我國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)與災(zāi)害性海況預(yù)報(bào)的水平，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)、海洋科學(xué)研究、全球變化研究等提供了可靠的遙感數(shù)據(jù)，同時(shí)還在國(guó)際對(duì)地觀測(cè)體系中發(fā)揮了重要作用，受到國(guó)內(nèi)外用戶(hù)的高度認(rèn)可。

一、發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)第一顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星HY-2A，于2011年8月16日發(fā)射，現(xiàn)仍在軌運(yùn)行。該衛(wèi)星集主、被動(dòng)微波遙感器于一體，具有高精度測(cè)軌、定軌能力與全天候、全天時(shí)、全球探測(cè)能力。衛(wèi)星主要載荷有：雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)、掃描輻射計(jì)、校正輻射計(jì)。主要使命是監(jiān)測(cè)和調(diào)查海洋環(huán)境，獲得包括海面風(fēng)場(chǎng)、浪高、海流、海面溫度等多種海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)，直接為災(zāi)害性海況預(yù)警預(yù)報(bào)提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋權(quán)益維護(hù)、海洋資源開(kāi)發(fā)、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋科學(xué)研究以及國(guó)防建設(shè)等提供支撐服務(wù)[1][2]。HY-2A衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 HY-2A衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)

二、應(yīng)用研究進(jìn)展

我國(guó)海洋動(dòng)力環(huán)境遙感是隨著神舟四號(hào)（SZ-4）飛船多模態(tài)微波遙感器的上天才逐步開(kāi)展起來(lái)，但研究工作大多集中在對(duì)國(guó)外已有算法模型的引進(jìn)和模仿上，缺乏自主創(chuàng)新。直到2011年8月，我國(guó)擁有了自主研制的海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星之后，海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星遙感才隨之得到了快速發(fā)展，在算法模型的研制和應(yīng)用方面均取得了大量創(chuàng)新性的成果。

在有效波高的反演算法研究方面，基于二階理論回波模型，導(dǎo)出了帶有偏度系數(shù)的二階理論回波模型。引入了奇異值分解濾波，并根據(jù)最大似然估計(jì)算法反演參數(shù)的不同得到多種重跟蹤方案，經(jīng)比較分析發(fā)現(xiàn)四參數(shù)模型最適合HY-2A衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)波形反演，有效波高反演精度達(dá)到0.31m[3]。

在海面風(fēng)場(chǎng)反演算法方面，利用多解反演算法和二維變分模糊解去除方法對(duì)HY-2A衛(wèi)星散射計(jì)級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果表明風(fēng)速與風(fēng)向精度均有較大提高。同時(shí)，風(fēng)向模糊解去除能力明顯提高，尤其是對(duì)臺(tái)風(fēng)條件下的風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果，風(fēng)向反演精度有明顯改善。王磊等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立了基于后向散射系數(shù)σ°與有效波高的雙參數(shù)風(fēng)速反演模型，并探討利用AGC來(lái)代替σ°對(duì)風(fēng)速反演的可行性進(jìn)行研究[4]。

在海面溫度反演算法研究方面，王振占等人利用輻射傳射方程模擬，建立了海面溫度、海面風(fēng)速、大氣水汽含量等海洋環(huán)境參數(shù)的反演算法。此外，孫廣輪等人歸納了多元線(xiàn)性回歸算法和非線(xiàn)性迭代算法兩種主要的算法類(lèi)型，并對(duì)反演海溫的影響因素做了分析。這些研究工作有利于海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星海面溫度觀測(cè)精度的進(jìn)一步提高[5]。

三、典型海洋應(yīng)用

1.臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)

海洋衛(wèi)星上搭載的微波散射計(jì)能夠獲取全球海面風(fēng)場(chǎng)，進(jìn)而可監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑，并識(shí)別臺(tái)風(fēng)中心。利用微波散射計(jì)進(jìn)行臺(tái)風(fēng)中心提取時(shí)，主要有兩個(gè)方法：第一，通過(guò)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速進(jìn)行提取。針對(duì)有眼臺(tái)風(fēng)，通過(guò)觀察風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的分布，尋找高風(fēng)速區(qū)域中的極小值，可以快速、有效并且高精度地獲取臺(tái)風(fēng)中心。第二，通過(guò)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向進(jìn)行提取。由于臺(tái)風(fēng)天氣有明顯的氣旋式渦旋結(jié)構(gòu)，風(fēng)向通常旋渦式指向臺(tái)風(fēng)中心，通過(guò)尋找旋渦指向中心，也能夠確定臺(tái)風(fēng)中心。但是值得注意的是，由于臺(tái)風(fēng)區(qū)域通常伴隨著較強(qiáng)的降雨，對(duì)海面后向散射產(chǎn)生較強(qiáng)影響，有時(shí)通過(guò)風(fēng)速與風(fēng)向確定的臺(tái)風(fēng)中心位置可能不重合。

HY-2A衛(wèi)星主載荷之一的微波散射計(jì)能夠進(jìn)行臺(tái)風(fēng)和風(fēng)暴潮的監(jiān)測(cè)，2012-2017年間順利完成了全部臺(tái)風(fēng)的監(jiān)測(cè)任務(wù)。在每次臺(tái)風(fēng)的生命周期中，至少對(duì)其完成一次觀測(cè)，為業(yè)務(wù)和科研提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源。圖1為HY-2A衛(wèi)星微波散射計(jì)對(duì)“蘇力”臺(tái)風(fēng)的監(jiān)測(cè)實(shí)例?！疤K力”臺(tái)風(fēng)2013年7月13日登陸臺(tái)灣北部，以后逐漸趨向浙閩沿海，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力12級(jí)（33 m/s）,為當(dāng)年登陸我國(guó)的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。HY-2A衛(wèi)星微波散射計(jì)有效完成了對(duì)“蘇力”臺(tái)風(fēng)整個(gè)過(guò)程的監(jiān)測(cè)，衛(wèi)星觀測(cè)的海面風(fēng)場(chǎng)清晰反映了臺(tái)風(fēng)位置和強(qiáng)度信息。

2012年，形成于大西洋洋面上的一級(jí)颶風(fēng)“桑迪” ，因其侵襲美國(guó)東部造成嚴(yán)重災(zāi)害而受到關(guān)注。“桑迪”颶風(fēng)10月28-30日橫掃美國(guó)東部海岸，HY-2A衛(wèi)星在27日成功觀測(cè)到該颶風(fēng)及其移動(dòng)方向，這為有效防范颶風(fēng)在28日的登陸提供了預(yù)警時(shí)間。圖2為颶風(fēng)期間風(fēng)場(chǎng)和波高的變化。由圖2可以看出，HY-2A衛(wèi)星觀測(cè)的臺(tái)風(fēng)有規(guī)則的臺(tái)風(fēng)眼，而“桑迪”颶風(fēng)則沒(méi)有規(guī)則的颶風(fēng)眼，但“桑迪”颶風(fēng)期間具有明顯超過(guò)6m以上的波高，因此，“桑迪”颶風(fēng)造成的損失不容忽視。

2.災(zāi)害性海浪監(jiān)測(cè)

災(zāi)害性海浪是波高大于等于4m的海浪。我國(guó)近海每年災(zāi)害性海浪都會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。2017年，我國(guó)沿海共發(fā)生34次災(zāi)害性海浪，造成11人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失0.27億元[6]。衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)是能夠提供全球海洋有效波高信息的主要載荷，可為災(zāi)害性海浪的預(yù)警預(yù)報(bào)提供可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。圖3為HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)獲取的全球?yàn)?zāi)害性海浪的分布。

3.風(fēng)暴潮監(jiān)測(cè)

海洋衛(wèi)星上搭載的微波散射計(jì)在熱帶氣旋的觀測(cè)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠觀測(cè)熱帶氣旋的風(fēng)速和風(fēng)向，對(duì)渦旋特征進(jìn)行識(shí)別和定位，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)熱帶氣旋移動(dòng)路徑。圖4為利用HY-2A衛(wèi)星微波散射計(jì)觀測(cè)到的臺(tái)風(fēng)“燦鴻”的中心位置和中心風(fēng)速。

利用微波散射計(jì)提供的風(fēng)場(chǎng)和氣旋位置等信息，根據(jù)最小二乘原理，用模型風(fēng)場(chǎng)擬合衛(wèi)星風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，得到一個(gè)最大風(fēng)速半徑R，然后利用風(fēng)暴潮模式進(jìn)行計(jì)算，可得到沿岸風(fēng)暴潮增水值。

4.全球海平面變化監(jiān)測(cè)

隨著人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海洋、大氣系統(tǒng)影響的迅速擴(kuò)大，全球變暖、海平面上升已經(jīng)成為全球性重大環(huán)境問(wèn)題。海平面上升給人類(lèi)生存環(huán)境造成巨大的威脅，已經(jīng)引起全世界科學(xué)家和各國(guó)政府的高度關(guān)注。衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)在全球海平面變化監(jiān)測(cè)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，獲取的海面高度數(shù)據(jù)已經(jīng)成為全球平均海平面上升研究中的重要數(shù)據(jù)源。

利用HY-2A等衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)的融合數(shù)據(jù)，也能夠?qū)崿F(xiàn)中國(guó)近海海平面變化的監(jiān)測(cè)。圖5顯示了2014年2月、5月、8月和11月中國(guó)及鄰近海域海平面的變化[7]。

5.大洋漁業(yè)漁情分析預(yù)報(bào)

HY-2A衛(wèi)星上的雷達(dá)高度計(jì)和掃描微波輻射計(jì)能夠識(shí)別出大洋中的鋒面和中尺度渦，可以用來(lái)探測(cè)大洋漁場(chǎng)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以HY-2A和HY-1B衛(wèi)星遙感資料為主，結(jié)合國(guó)外海洋衛(wèi)星資料，對(duì)全球三大洋十個(gè)海域的魚(yú)種進(jìn)行每周一次的業(yè)務(wù)化漁情分析與預(yù)報(bào)（圖6）。在9家漁業(yè)企業(yè)近150艘遠(yuǎn)洋漁船上安裝了在線(xiàn)漁情系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了近實(shí)時(shí)在線(xiàn)的海況分析和漁情預(yù)報(bào)服務(wù)，為我國(guó)遠(yuǎn)洋魷釣漁船、金槍魚(yú)延繩釣漁船、大型拖網(wǎng)漁船和金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船的科學(xué)生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[8]。

四、發(fā)展展望

我國(guó)于2011年8月16日成功發(fā)射了HY-2A衛(wèi)星，利用星上搭載的雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)和微波輻射計(jì)可實(shí)現(xiàn)全球海面高度、海面風(fēng)場(chǎng)、有效波高和海面溫度等海洋動(dòng)力環(huán)境信息的獲取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星數(shù)據(jù)在海洋防災(zāi)減災(zāi)、資源開(kāi)發(fā)、航行保障和海洋科研等方面的應(yīng)用。但是，隨著加快海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，海洋各項(xiàng)業(yè)務(wù)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度和時(shí)空分辨率提出了更高的要求。由于空間分辨率和地面覆蓋寬度是一對(duì)矛盾，單一衛(wèi)星無(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)用對(duì)高時(shí)空分辨率的需求。對(duì)低地球軌道來(lái)說(shuō)，采用多顆衛(wèi)星組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)將是解決時(shí)間和空間分辨率矛盾的有效方法，可大大提高海洋災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)的精度和時(shí)效性。為此，需要加快建設(shè)多星組網(wǎng)的衛(wèi)星觀測(cè)體系，提高多要素、高精度、全覆蓋的綜合觀測(cè)能力，豐富海洋衛(wèi)星產(chǎn)品體系，提高數(shù)據(jù)定量化水平。

[1]國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心. HY-2A衛(wèi)星在軌測(cè)試總結(jié)報(bào)告[R].2012.

[2]林明森，張有廣，袁欣哲.海洋遙感衛(wèi)星發(fā)展歷程與趨勢(shì)展望[J].海洋學(xué)報(bào)，2015. 37(1) ：1-10.

[3] Xu G J, Yang J S, Xu Y, et al. Validation and calibration of significant wave height from HY-2 satellite altimeter. Journal of Remote Sensing, 2014,18(1): 206-214.

[4]王磊，王萍，等. 基于雷達(dá)高度計(jì)增益自動(dòng)控制數(shù)據(jù)的風(fēng)速反演算法研究[J]. 海洋學(xué)報(bào)，2012，34(3)：55-60.

[5]王振占，鮑靖華, 李蕓，等. 海洋二號(hào)衛(wèi)星掃描輻射計(jì)海洋參數(shù)反演算法研究[J].中國(guó)工程科學(xué)，2014，16(6)：70-82.

[6] 國(guó)家海洋局. 2017年中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)[R]. 2017.

[7] 國(guó)家海洋局. 2013年中國(guó)海洋衛(wèi)星應(yīng)用報(bào)告[R]. 2013.

[8] 國(guó)家海洋局. 2015年中國(guó)海洋衛(wèi)星應(yīng)用報(bào)告[R]. 2015.