衛星遙感海面高度數據在漁場分析中的應用綜述

宋婷婷，樊偉，伍玉梅

（1.上海海洋大學，上海 201306；2.中國水產科學研究院東海水產研究所中國水產科學研究院漁業資源遙感信息技術重點開放實驗室，上海 200090）

20 世紀70年代初，衛星遙感海表溫度SST（Sea Surface Temperature） 和葉綠素信息在漁業資源分析和漁場預報中得到初步應用，此后隨著海洋遙感和計算機技術的進一步發展，海表溫度與葉綠素信息的漁場分析應用逐步進入到業務化應用階段，目前衛星遙感SST 反演精度已達0.5 ℃～0.8 ℃，而葉綠素的精度大約為35%～40%，已完全滿足漁業生產需求和科研應用，海表溫度、葉綠素濃度已成為國內外學者判斷漁場變動和預報中心漁場位置的重要環境因子（Druon，2010；Reiss，2008；楊勝龍等，2011；朱國平，2007；樊偉等，2008）。1992年，英法聯合發射TOPEX/POSEIDON 衛星高度計，使得海表面高度數據第一次可以精確測量，從而為衛星高度計在漁場分析中的應用提供了可靠的數據來源。由于海面高度數據能夠反映海洋鋒面、水團等中尺度海洋動力特征，因此，自20 世紀90年代中期開始，遙感海面高度數據也逐步應用到漁場分析研究中。我國于2011年發射了首顆海洋環境動力衛星“海洋二號”，星上裝載雷達高度計的測高精度達到4 cm，將使我國未來在漁場分析應用中能實時獲取精確的海面高度數據。為此，本文根據收集到的國內外相關文獻，對海面高度數據在漁場分析中的應用進行了綜述。

1 衛星高度計測高理論及其數據特點分析

1.1 衛星高度計測高理論基礎

衛星高度計是以海面為遙測靶，通過分析回波信號特征來獲取海洋信息的一種主動傳感器。相對于傳統測量方式它具有明顯的優勢，能夠在全球范圍內全天候、多次重復準確地提供海洋表面高程變化的測量值。因此在中尺度海洋環流和典型洋流（如黑潮） 的變化特征、海面動力起伏、海洋潮汐的測量、海面地形反演等研究中，或是在厄爾尼諾現象監測及漁場分析中，衛星高度計都起到了舉足輕重的作用（劉付前等，2009）。

衛星高度計測得的海面高度SSH （Sea Surface Height） 是相對于參考橢球而言的，它可分為海洋動力高度（Dynamic Height） 和大地水準面高度（Geoid Height）。海洋動力高度包括動力地形信息（Dynamic Topography），不同于傳統的海洋學數據計算或數值模擬結果，它是相對于平均海平面來計算海平面異常的（Lebedev et al，2007），含有海洋動力現象的有關信息，如海浪、海流、潮汐等，且動力地形的高梯度區域產生在氣旋和反氣旋沿海環流的邊緣地帶，容易形成鋒面和海流；大地水準面為平均海面相對于參考橢球面的高度，它是地球重力場的等勢面。此外，使用高度計還可以測量有效波高、海表面風等動力參數。

1.2 高度計數據的特點

衛星測高具有很多優點，如：高度計在工作時基本不受天氣狀況影響，可以全天候的工作，保證了資料的連續性和穩定性；且使用衛星高度計獲取數據資料價格相對低廉，易于獲取。由于測高數據是深度平均的結果，是海水溫度、鹽度等多種水文環境因子綜合作用的結果，因而包含的信息量大。目前可應用的衛星高度計資料主要來自：GEOSAT衛星、TOPEX/Poseidon 衛星、ERS 衛星、Jason 和Envisat 衛星；美國于1975年發射第一顆載有雷達高度計的GEOS-3 衛星；隨后歐空局在發射的ERS-1 測高計上改進了跟蹤器算法，增加了測量海冰的工作方式，其精度達到6～10 cm；1992年，英法聯合發射了第一個可以精確測量海面高度的T/P 衛星高度計，其總體準確度達到4.1 cm，軌道高度為1 336 km，軌道傾角為66 b，從而保證了全球海洋的90%可以得到覆蓋。發射T/P 的主要目的是為了從空間監測全球海面高度，以使科學家們可以通過衛星高度計計算表層環流以及地轉流的季節性變化（邱云等，2005），進而可以研究出由海面高度異常數據引起的海洋現象對海洋漁場變化造成的影響。作為T/P 的后繼衛星Jason-1 和Jason-2持續保持小于3cm 的海面測高準確度，提供了長時間序列的全球海平面數據，極大地促進了海洋學、海洋漁場的預報精度。值得指出的是，2002年3月，歐洲空間局發射的Envisat 衛星載有RA-2 雷達高度計，Envisat 衛星運行在太陽同步軌道上，因此所觀測的海面高度數據不可避免地包含了太陽潮混頻信息、日變化引起的電離層變化和大氣潮變化的混頻信息。這些混頻信息影響了Envisat數據用于研究海平面隨氣候的變化。

衛星測高的缺點是，周期太長，如TOPEX 衛星，其全球覆蓋周期為10 天，且對于近海岸帶50 km 海面高度的數據仍無法使用衛星高度計精確測量，極大限制了高度計數據在海洋漁業中的廣泛應用。目前，衛星高度計只能推算衛星星下點的海面高度，造成高度計在空間和時間采樣率的不足，在解釋尺度較小的物理海洋現象時可能因空間采樣間距偏大而造成空間混淆（蔣興偉 等，2010；鮑李峰等，2005）。

2 衛星測高數據在漁場分析中的應用探索

2.1 海洋環境條件和SSH 之間的關系

海洋魚類的生活習性與生活環境是一個統一的整體，海洋環境狀態參數的變化對其魚群的大小和分布狀況、棲息層次、中心漁場的位置等都有明顯的影響（林敏基，1991）。影響魚類行為的非生物環境要素一般有：海水溫度、鹽度、溶解氣體、水系和海流、潮汐和潮流、氣象因素以及水深、海底狀況等。而海面高度與SST 和鹽度SSS （Sea Surface Salinity） 關系密切，根據EOS80 國際海水狀態方程，海水的密度由溫度和鹽度直接確定，當混合層水團深度和溫度發生變化時可以導致水團密度的變化，進而引起可以海平面高度異常，在較大尺度范圍上的海面高度變化可以使用衛星高度計資料觀測（Polito et al，2000）。

海面高度資料在漁場分析中的應用目前主要通過獲取海面動力高度信息和地轉流的計算（樊偉等，2005）。海面動力高度信息包含有海流、潮汐、水團、中尺度渦等海洋動力信息，它們在漁情分析中起到特殊作用。如海洋環流可以影響海洋物種的產卵、幼魚漂移、成魚遷移以及形成餌料比較集中的區域（陳灌賢，1991），像在暖流、氣旋環流附近沙丁魚、竹莢魚等漁業資源比較豐富；利用海面高度資料還可以監測黑潮的流動變化，反映黑潮的彎曲等現象（仉天宇等，2001），而黑潮延伸區的中尺度渦比較集中，海平面變化劇烈，這塊區域的海平面異常具有顯著的特征，它既受到全球變暖的影響，又與厄爾尼諾-南方濤動有關（ENSO） （劉玉光，2009），1997年的厄爾尼諾現象，就是利用海表溫度和衛星測高數據同時進行監測的，此外，漁場的位置與黑潮鋒的位置密切相關，經過多年的研究和觀測，衛星測高數據已經成為研究厄爾尼諾現象的重要指標之一。

基于衛星高度計的研究表明，南極繞極流區、灣流和黑潮等西邊界強流的相關區域等均為中尺度渦活動顯著的區域（張文霞等，2011），如日本學者Morimoto 等（2000） 采用TOPEX/POSEIDON 和ERS-2 衛星融合數據并采用最優插值法來處理每月海面高度數據，進而識別日本對馬島的冷暖渦，而鋒區中尺度渦、大洋中尺度渦結構特征具有比較強的水團特征，這種結構通常是漁場形成的基本條件之一；另外表層水團的匯合和輻散導致海表面產生高度正負距平值（Zagaglia et al，2004），然后表層暖水流積累產生下降流，底層水產生上升流來補充表層水流，引起溫躍層的偏移，使底層海域豐富的營養鹽不斷向上補充，在表層呈現出低溫、高營養鹽、高葉綠素濃度特征而增加海洋表層的初級生產力，最終在海面高度場形成斑狀塊的海面高度極值區。而海面高度的異常變化與溫度場冷暖水團的配置關系密切（圖1），如在北半球海面高度的正距平區域對應順時針方向的暖中心，海面高度的負距平海域對應逆時針方向的冷渦，南半球則剛好相反。一般來講，冷暖中心邊緣的過渡區域通常形成鋒面，海流流速較大，某些魚類集群易形成漁場。此外，海洋鋒面附近常表現出較為復雜的海洋動力特征，如海流流速較大，水團配置比較復雜等。因此，結合這些海洋特征，從海面高度異常的空間配置和海流流速流向的分布可以推知海洋鋒面。

圖1 海面高度異常及與水團配置關系

2.2 海面高度與漁場關系的分析

衛星高度計在漁場分析中的應用主要通過獲取海面高度的距平值來分析海面高度異常變化、與溫度場冷暖水團的配置關系、海洋流場的變化及與鋒面的關系等（樊偉，2006）。目前漁場分析中主要應用的是來自TOPEX/POSEIDON 和ERS-1/2 系列衛星的測高數據。具有不同溫度和鹽度的海水、不同的流系和水團以及上升流等在海面高度遙感圖上呈現不同的高度異常信息（于杰等，2007）。且海面高度異常SSHA（Sea Surface Height Anomaly） 可以影響著某些魚群分布，因而被當作尋找漁場的一個重要的指標（Zhang et al，2001），它通常反映海面動力環境的變化，而海洋動力結構特征常常是維持經濟型遠洋物種中心漁場的關鍵考慮元素，如Laurs 等（1984） 指出中心漁場一般分布在較高、較低或邊界區域，因而在預測金槍魚漁場分布時一般使用海面高度梯度即絕對海表面高度或海表面高度異常數據。由于海面高度與水團、水系、海流、潮流等因素的關系密切，只要認為這幾個要素與漁場有重大關系，就可以相應地考慮海面高度。這種影響的尺度范圍只要大于目前衛星測高的分辨率（包括傳感器觀測的分辨率、時間和空間分辨率），就可以進行這種分析。

使用海面高度數據應用于漁場分析和預報除了使用SSHA 數據，還可以利用衛星高度計獲取的海面動力高度計算獲取地轉流和渦動能EKE（eddy kinetic energy） 信息。由于地轉流能準確地指出產生海洋高生產力的最強鋒面區，并確定上升流和鋒面區域的位置（Fu et al，2001） ，而渦動能高值區一般是中尺度渦活動比較頻繁的區域，因而在漁場預報中他們的作用也是不可忽視的。

除了赤道海區附近，在幾天以上時間尺度和幾十公里以上空間尺度范圍內，當不考慮海面風和海水湍流摩擦力的作用，海水水平壓強梯度力與水平地轉偏向力平衡時，可以產生水平定向橫速流動的地轉流，而地轉流信息主要通過海面地形來獲取，如使用SSHA 數據（ζ） 計算海表面地轉流東西方向和南北方向斜率梯度，最后代入這些斜率計算地轉流的水平速度分量υ 和ω 和渦動能：

其中g 為重力加速度，f=2 Ωsin β 稱為科氏參數，Ω 為地球自轉角速度，β 為緯度。

隨著衛星精確定軌技術、大氣折射校正技術、消除海洋潮和大氣潮混頻技術的提高，衛星測高分辨率越來越高，且其能夠同時提供觀測點的風速和海浪參數，以日本、美國、法國為代表的世界漁業大國已經開始著手這方面的工作，并且取得了一些先期成果。有研究表明，從魚類行為學的角度研究海面高度對魚類影響的有關工作也在逐漸展開。

2.3 國內外海面高度數據在漁場分析方面的研究進展

2.3.1 國外海面高度數據在漁場分析中的應用

20 世紀70年代國外就開始利用遙感技術進行漁場漁情的分析應用，而自20 世紀90年代中期第一顆可以精確測量海面高度數據的T/P 衛星高度計的發射，使用海面高度因子研究漁場環境變化的學者就越來越多。并相應取得了一些成果，如國外學者Polovina 等（1999） 處理了1993-1998年 的TOPEX/Poseidon 衛星的海面測高數據，發現亞熱帶海洋鋒面的強度與夏威夷海域箭魚（Xiphias gladius） 延繩釣漁場關系密切，箭魚漁場與海面高度成反比關系；日本漁業情報服務中心（JAFIC）利用船測及衛星測高數據繪制了東海及西北太平洋海域的海面高度圖，發現了東黃海鮐魚漁場位置變化與海面高度異常形成對應關系，并且得出長江口外渦旋區（即海面高度特殊區） 易形成漁場的結論。

目前國外利用海面高度數據應用于漁場主要采用兩種方法：一種是直接應用方法；直接應用是對于海面高度數據與漁業資源產量相關性較好的區域，將海面高度作為漁場的重要因子來使用，并結合溫度、葉綠素Chl-a（Sea Surface Chlorophyll）、鹽度等因素通過地理信息系統GIS（geographic information system） 或統計分析模型來進行漁情預報和分析。直接應用目前還受到一定限制，但由于海面高度是對水團或海流、水溫或鹽度、上升流或其他因子的綜合作用，其直接應用既可以保證必要的精度，又可以得出對魚類行為的綜合影響，在不能把握漁場條件的情況下，仍然是一個很好的應用統計量。如國外學者Hardman-Mountford 等（2003）通過神經網絡模式識別方法來研究SSH 對本格拉沙丁魚漁業資源的季節和年際變化的影響，發現由海面高度異常引起的沿岸上升流和海流的入侵均會影響沙丁魚的補充量。而Mugo 等（2010） 使用SSHA 并結合SST、SSC、EKE 等通過GIS 和GAM（generalized additive model） 模型分析西北太平洋鰹魚漁獲量與海面高度等的關系，得出鰹魚一般生活在SSHA≥0 的區域；通常情況下，金槍魚在海表面高度異常區種群比較豐富，受季風影響下，在西北季風季節金槍魚產量與海面高度的正距平區域呈正相關，而在西南季風影響下，其產量與海面高度負距平區域相關（Satibi et al，2008）。

衛星高度數據在漁場分析方面的另一應用為間接應用。由于SSH 異常和SSH 極值區域通常伴隨著相關的海洋環境變化，因而從SSH 量值可以分析其他海洋因子如渦、鋒面、地轉流信息，然后根據這些線索運用分析預報模型進行漁場尋找和預報。像鰹魚在從亞熱帶向北遷移到溫帶水域時受鋒面、暖流、和渦的影響（Tameishi et al，1989），而渦旋區常位于氣旋和反氣旋環流交界處，并靠近冷氣旋海流附近（Kumari et al，2005），具有冷暖水鋒面、深度適合和海水混合強烈等特點，為漁場形成提供了良好的外部環境條件，另外，金槍魚和中尺度結構也有很緊密的關系，而通過海平面高度異常負值區可以識別冷渦，上升流渦（冷渦） 的形成導致金槍魚主要食物之一的磷蝦產量增加；而金槍魚在中尺度結構中，由于其復雜的物理機制導致生產力較高，因而增加了金槍魚覓食的概率（Liu et al，2003）。此外，對于親潮冷流和黑潮暖潮匯合的西北太平洋也是國內外學者研究較多的渦旋區，由于其匯合的邊界處包含渦彎曲、鋒面等海洋動力特征，成為許多重要經濟魚類的索餌場（Maul et al，1984），如長鰭金槍魚的資源豐富程度和物理海洋結構動力特征如黑潮、親潮、鋒面、渦流有關。

通過SSHA 計算得出的地轉流和渦動能也是目前研究漁場資源環境變量的主要環境參數之一，如國外已有部分學者通過衛星高度計獲取地轉流數據來研究螯蝦的補充量及其動態分布變化（Rudorff et al，2009；Polovina et al，1997）。此外還可以通過制作每月的高分辨率SSHA 圖來識別渦流特征和估算海流方向和大小，如Zainuddin 等（2008） 通過計算地轉流和EKE 得出長鰭金槍魚一般分布在SSHA 為13 cm 附近和EKE 較高的地方；與此同時，利用海面高度場資料還可以尋找準穩定SSH區，準穩定的SSH 區域通常代表了穩定的水團和上升流，實驗得出SSH 和冷水團存在很強的相關性，而冷水團對魚群的活動具有明顯的抑制作用，魚群在洄游前進時被冷水團阻擋，滯留在冷水團的周圍，而冷水區的SSH 是一個極值（高值） 區域，由于冷水的密度比較大，在冷水團的位置出現相同的SSH 極值區是非常自然的事。

另外，利用衛星遙感SST、葉綠素、地轉流還可以進行動物如魚類的跟蹤，獲取魚類資源的分布情況（Chassot et al，2011）。通過建立棲息地模型來判斷漁場資源變動也是目前海面高度數據間接應用于漁場的方法之一，如Steven 等（2007） 通過建立棲息地模型來判斷墨西哥灣藍鰭金槍魚生活環境，采用的環境因子有深度、SST、葉綠素、渦動能、海流速度、SSHA 等。

隨著多星數據的融合以及信息技術的發展，海面高度數據的時空分辨率越來越高；而數據挖掘、模糊性及不確定性分析方法、元胞自動機模型、與人工智能等預報方法在國外也逐漸開始應用于漁場漁情分析預報領域。

2.3.2 國內海面高度數據在漁場分析中的應用

鑒于海面高度數據已成為漁場分析和預報的重要環境因子之一，我國在漁場與海面高度數據關系方面也做了一些工作，并對鳶烏賊漁場（陳新軍等，2006； 邵峰 等，2008； 田思泉 等，2006）、阿根廷滑柔魚漁場（張煒等，2008）、東海鮐魚漁場（李綱等，2009）、中西太平洋金槍魚（陳雪冬等，2006） 與海面高度數據關系方面進行了相關的報道，得出鳶烏賊高產量大都分布在海面高度距平SSHA≤0 的附近海域，鮐魚漁場與SSH 之間有很好的匹配關系，中心漁場通常位于SSH 極大值和極小值交匯的海域，并靠近極大值海域一側，即出現在冷水團和暖水團交匯區靠近暖水團一側。阿根廷滑柔魚的中心漁場主要分布在SSHA=0 附近海域；而西北太平洋柔魚（Chen et al，2010）、西南大西洋阿根廷柔魚（Chen et al，2008） 主要生活在SSHA≤0 的區域。

此外還有部分學者利用海面高度、葉綠素等建立棲息地指數（HSI） 來預報漁場，如范江濤等（2011） 利用海面高度、葉綠素等海洋數據針對南太平洋長鰭金槍魚采用非線性回歸方法，基于各環境因子建立棲息地適應性指數來進行漁情預報，Chen 等（2009） 利用遙感獲取的表溫、表溫鹽度、葉綠素、海面高度距平值對東海鮐魚采取AMM（arithmetic mean model）、GMM（geometric mean model） 等模型方法來建立棲息地指數預測漁場的棲息地以及中心漁場。目前國內使用海面高度數據應用于漁場絕大部分采用的直接應用方法，間接應用的還比較少，且相關的研究海面高度與漁場關系的統計模型還有待進一步深入。

3 結論和建議

自我國1989年開展魷釣業以來，魷釣業已發展成為我國重要的大洋漁業之一，對國民經濟發展，提供食品和豐富蛋白質來源等方面起著重要作用，海面高度儼然成為研究北太平洋巴特柔魚（Ommastrephes bartrami） 漁場分布的重要環境因子之一（徐海龍等，2012），隨著“海洋二號”環境動力衛星的發射，使用海面高度數據應用于海洋漁場環境分析方面有很大的前景，然而由于遙感數據的反演精度、獲取數據的時間周期等原因，能夠持續不斷地為捕撈生產所應用的信息還不多，很多還處于歷史數據的對比研究或試驗應用階段。且應用衛星高度計進行漁業應用的獨立性不夠強，如在進行海洋漁場環境分析和中心漁場預報時，因云覆蓋引起的衛星遙感數據缺失、衛星遙感模型反演精度不夠等原因還必須要現場采樣作補充，大多數情況下還要結合海上的觀測資料，經過數據融合或同化處理后才能實現業務化應用。另外，通過衛星高度計獲取的SSH 還受衛星徑向軌道誤差、電離層、對流層、潮汐等影響，和國外相比，目前我國在使用海面高度數據應用于漁場分析方面還相對薄弱，且只有直接應用方法，鑒于此，筆者認為，海面高度在漁場分析上的應用應注意以下幾點：

（1） 獲取海面高度數據的算法還需要不斷完善，如在潮汐改正和軌道誤差校正方面都還有值得改進的地方，不然會嚴重影響衛星高度數據的廣泛應用。

（2） 在建立海面高度數據與漁場資源量、單位捕撈努力量（CPUE） 等的統計分析模型時，可以相應地考慮模糊神經網絡、專家系統、元胞自動機、數據挖掘、范例推理等統計模型。

（3） 由SSHA 反演的地轉流、渦動能、鋒面等信息也是接下來我國需要研究的重點，和SSHA 相比，渦動能可以大范圍長時間地確定如中尺度渦、海流蜿蜒等現象，在研究過程中也很少受地理位置的影響，而上升流、海洋峰附近海域恰恰也是最有價值的潛在漁場。

（4） 針對高度計空間采樣率不足的限制，可以采用多星數據融合或研究出新一代具備寬刈幅觀測能力的衛星高度計。

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