我國海洋衛(wèi)星發(fā)展與應用

●　文 |國家衛(wèi)星海洋應用中心　　蔣興偉　林明森　鄒亞榮

我國海洋衛(wèi)星發(fā)展與應用

●文 |國家衛(wèi)星海洋應用中心蔣興偉林明森鄒亞榮

海洋是全球生命支持系統(tǒng)的重要組成部分，海洋覆蓋了地球總面積的71%，是一個維持全球氣候與生態(tài)平衡的動力系統(tǒng)。當今世界，以高新技術為基礎的海洋戰(zhàn)略性新興產業(yè)成為全球科技創(chuàng)新和社會經濟發(fā)展的戰(zhàn)略重點。海洋開發(fā)進入了立體開發(fā)階段，在深入開發(fā)利用傳統(tǒng)海洋資源的同時，不斷向深遠海探索開發(fā)新的資源和能源，大力拓展海洋經濟發(fā)展空間。

海洋科技不斷向大科學、高技術體系的方向發(fā)展；海洋觀測進入了立體觀測時代，并向實時化、系統(tǒng)化、信息化、數字化方向發(fā)展，海洋科技轉化為現實生產力的速度加快，與此同時，我國高度重視海洋的開發(fā)與保護，發(fā)展海洋事業(yè)已成為國家發(fā)展戰(zhàn)略。以提高自主創(chuàng)新能力為核心，加強海洋基礎性、前瞻性、關鍵性技術研發(fā)，著重提升海洋探測及研究應用能力和海洋資源開發(fā)利用能力，大力推進科技興海，依靠科技創(chuàng)新驅動海洋經濟發(fā)展。

一、海洋系列衛(wèi)星

海洋衛(wèi)星具有全天時、全天候、同步、快速、高頻次、長期連續(xù)觀測等優(yōu)勢，是認識、研究、開發(fā)、利用、管理海洋的重要技術支撐和保障服務手段，也是中國空間基礎設施和海洋立體監(jiān)測體系的重要組成部分。

發(fā)展和利用海洋衛(wèi)星，可以經濟、方便地對大面積海域實現實時、同步、連續(xù)的監(jiān)測，提高海洋環(huán)境與災害的監(jiān)測、預報和預警能力。因此，針對海洋系列衛(wèi)星的研制工作，《國家“十二五”海洋科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》明確指出，推進以海洋水色水溫、海洋動力環(huán)境和海洋監(jiān)視監(jiān)測等3個系列衛(wèi)星為主的我國自主海洋衛(wèi)星與衛(wèi)星海洋應用體系建設。發(fā)展定量化遙感技術、多源衛(wèi)星遙感資料的融合技術、海洋衛(wèi)星資料分發(fā)技術、遙感業(yè)務化應用技術和新遙感器應用技術。

我國第一顆海洋衛(wèi)星海洋一號A星（HY-1A）發(fā)射于2002年5月15日，這是我國自主研制和發(fā)射的第一顆用于探測海洋水色水溫的試驗型業(yè)務衛(wèi)星。它的設計壽命為兩年，實際運行685天。星上搭載了兩臺遙感器，一臺是10波段的水色掃描儀，另一臺是4波段的CCD海岸帶成像儀。HY-1A衛(wèi)星的主要任務是探測海洋水色環(huán)境要素（包括葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、可溶性有機物）、水溫、污染物以及淺海水深和水下地形。

海洋一號B星（HY-1B）于2007年4月11日發(fā)射，是HY-1A衛(wèi)星的接替星，設計壽命為3年，截至目前，仍在軌運行穩(wěn)定。HY-1B衛(wèi)星是在HY-1A衛(wèi)星基礎上研制的，其觀測能力和探測精度均有進一步提高。HY-1B衛(wèi)星已獲取全球各類水色圖像數據17000余軌，并對我國近海300萬平方千米管轄海域的水色環(huán)境進行實時監(jiān)測。另外，HY-1B衛(wèi)星還能夠通過回放境外數據，對世界各大洋和南北極區(qū)域水色環(huán)境的變化進行持續(xù)監(jiān)測。

海洋二號A星（HY-2A）是我國自行研制的第一顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，于2011年8月16日發(fā)射。HY-2A衛(wèi)星搭載的有效載荷包括：雷達高度計、微波散射計、掃描微波輻射計、校正微波輻射計。通過地面應用系統(tǒng)的處理可以獲取海面風場、浪場、高度場、海洋重力場、大洋環(huán)流和海表溫度等海洋參數，對于提高海洋環(huán)境數值預報、海洋災害的實況監(jiān)視以及全球氣候變化研究都有重要的應用。

通過不斷拓展我國自主海洋衛(wèi)星數據的應用潛力，提升自主海洋衛(wèi)星數據的應用廣度、深度，能夠有效提高我國海洋環(huán)境災害預警預報能力和全球氣候變化監(jiān)測水平，為災害性海洋環(huán)境的預警預報、國民經濟建設和國防建設提供公益性服務。

二、我國海洋衛(wèi)星應用

圍繞HY-1A/B衛(wèi)星和HY-2A衛(wèi)星數據，我國在風暴潮、海冰、海溫、水色、綠潮、赤潮、溢油、海洋漁業(yè)等方面均開展了業(yè)務化應用，海洋衛(wèi)星數據的應用得到了不斷推廣，在我國海洋防災減災、海洋環(huán)境保護和海洋資源開發(fā)等領域中發(fā)揮了重要作用。

1.HY-1A/B衛(wèi)星應用

HY-1A衛(wèi)星在軌運行期間，以及HY-1B衛(wèi)星在軌運行的8年來，海洋衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)一直保持著業(yè)務化穩(wěn)定運行，HY-1A衛(wèi)星與HY-1B衛(wèi)星的數據在海洋災害監(jiān)測、海洋環(huán)境預報與監(jiān)測、海洋資源開發(fā)與利用、海洋科學研究以及國際合作等多個領域取得了良好的成果。

HY-1A衛(wèi)星共獲取全球各類水色圖像數據1830軌；截至2014年年底，HY-1B衛(wèi)星共實施了17000余軌衛(wèi)星境內外探測。2顆海洋水色衛(wèi)星獲得了我國渤海、黃海、東海、南海及境外太平洋、大西洋、印度洋、北冰洋、南北兩極的大量水色遙感圖像，獲得了大量葉綠素濃度、懸浮泥沙、黃色物質、海面溫度等海洋要素數據，探測獲取到赤潮、綠潮、海冰、油膜等海洋災害現象及島礁、淺灘、海岸植被等地物特征。國家衛(wèi)星海洋應用中心利用HY-1A與HY-1B衛(wèi)星數據制作了42種遙感產品，向國內海洋管理與生產部門、科研院所、大專院校、國防等應用單位提供分發(fā)服務，在以下諸多方面發(fā)揮了重要作用。

（1）海洋水色環(huán)境監(jiān)測

海洋水色環(huán)境是海洋環(huán)境的基礎信息之一，也是海洋生產和海洋科學等海洋活動的重要參考指標，利用HY-1A/B衛(wèi)星能夠實現對我國管轄海域海洋水色的大尺度、定期提取，實現了對我國近海海洋水色環(huán)境的業(yè)務化監(jiān)測，并制作了旬、月、季平均的葉綠素濃度分布等海洋水色信息，為了解我國海域生態(tài)環(huán)境現狀和海洋生物資源的開發(fā)與保護起到了指導作用。

（2）海表溫度監(jiān)測

海表溫度是重要的海洋動力環(huán)境參數，利用HY-1A/B衛(wèi)星配備的兩個紅外通道，以及HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計可獲取境內外的海溫遙感數據，實現了對西北太平洋海表溫度要素業(yè)務化監(jiān)測，海洋預報和漁業(yè)部門利用這些海溫產品開展相應的海溫預報和海洋漁業(yè)環(huán)境產品研制，服務于社會公眾和相關海洋產業(yè)部門，獲得良好的效果。圖1顯示了2013年2月、5月、8月、11月中國近海及鄰近海域HY-1B和HY-2A衛(wèi)星融合的平均海面溫度監(jiān)測圖。

圖1　 海表溫度監(jiān)測圖

（3）海冰災害監(jiān)測

我國渤海每年冬季都有3個月左右的結冰期，冰情狀況對海上交通和海上生產活動能夠造成較大影響。國家衛(wèi)星海洋應用中心綜合利用多顆光學和其他衛(wèi)星影像資料，對渤海及黃海北部的海冰冰情進行監(jiān)測，基于海冰參數提取算法和地理信息系統(tǒng)平臺，提取海冰參數并及時、準確、有效地為相關部門提供衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測產品，如圖2、圖3所示。

圖2　衛(wèi)星遙感監(jiān)測海冰覆蓋范圍專題圖（2014-02-11） 　

圖3　衛(wèi)星遙感監(jiān)測海冰冰情圖（2014-02-14）

（4）赤潮災害監(jiān)測

2014年，在我國近海區(qū)域，通過衛(wèi)星監(jiān)測到多起赤潮災害的發(fā)生。國家衛(wèi)星海洋應用中心利用自主研發(fā)的赤潮衛(wèi)星監(jiān)測業(yè)務化系統(tǒng)，制作和發(fā)布了多期赤潮衛(wèi)星遙感監(jiān)測報告。相關赤潮遙感監(jiān)測結果以月報的形式報送國家相關部門，應用于國務院辦公室遙感信息服務工作。

（5）綠潮災害監(jiān)測

2008年6月至9月，青島近岸海域發(fā)生大面積滸苔自然災害（綠潮），嚴重威脅到青島奧運會帆船比賽的順利進行。國家衛(wèi)星海洋應用中心利用HY-1B衛(wèi)星的大范圍、實時性等特點，開展了應對黃海綠潮災害的應急工作，為應急工作提供了大量衛(wèi)星遙感資料，提高了清理綠潮的工作效率，保障了奧帆賽的順利進行。在此之后，綠潮衛(wèi)星監(jiān)測達到了業(yè)務化應用水平，每年夏季對黃東海的綠潮實行動態(tài)監(jiān)測，為當地的海上交通、養(yǎng)殖等部門提供數據服務。

2.HY-2A衛(wèi)星應用環(huán)境預報、海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境業(yè)務化監(jiān)測、海洋軍事保障、極地航線保障等多個領域發(fā)揮了重要作用。

此外，HY-2A衛(wèi)星的數據產品還受到多個國家和國際組織的廣泛關注，目前已與法國空間科學中心、澳大利亞氣象局、歐洲氣象衛(wèi)星應用組織展開了合作。其中，雷達高度計的產品已應用于法國空間署的業(yè)務高度計多任務系統(tǒng)（AVISO）中；微波散射計的產品已被歐洲氣象衛(wèi)星應用組織應用于中期數值同化預報業(yè)務中，在全球對地觀測體系中產生了重要影響。經過4年多的應用與驗證，HY-2A衛(wèi)星的數據已被公認為可用于海洋環(huán)境監(jiān)測預報業(yè)務化應用服務。

（1）海上風暴監(jiān)測

HY-2A衛(wèi)星微波散射計具有全球海面風場的觀測能力，一天內可覆蓋全球90%以上的海域，并能捕捉到全球大部分的氣旋，可為海洋防災減災、海洋航行環(huán)境保障和海洋科學研究等提供海面風場觀測資料（見圖4）。

HY-2A衛(wèi)星于2011年8月16日成功發(fā)射，衛(wèi)星首次裝載了主動微波遙感器（包括雷達高度計、微波散射計），被動微波遙感器（包括微波掃描輻射計、校正微波輻射計），以及精密測定軌系統(tǒng)。微波遙感器所探測到的信號經海洋衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)的校正、定標、處理與反演，生成了海面高度、有效波高、海面風場、海面溫度等多種數據產品，并向國內外多個領域的用戶分發(fā)服務。經驗證，HY-2A衛(wèi)星的數據產品精度已達到國際領先水平，并已成功應用于海洋業(yè)務、管理與生產部門，以及高校和科研院所，并與國家海洋環(huán)境預報中心、福建省海洋預報臺、海軍水文氣象中心等專業(yè)用戶建立了數據傳輸專線，實時傳送業(yè)務數據，在海洋防災減災、海洋

圖4　HY-2A衛(wèi)星微波散射計全球海面風場（2013-07-09）

HY-2A衛(wèi)星微波散射計觀測的海面風場能夠確定海上風暴的強度、位置、方向和結構，可為風暴潮、海浪災害預報提供現場觀測數據（見圖5、圖6）。

圖5　HY-2A衛(wèi)星觀測到的蘇力臺風（2013-07-09）

圖6　HY-2A衛(wèi)星觀測到的海燕臺風（2013-11-06）

利用HY-2A衛(wèi)星數據近實時監(jiān)測全球特別是西北太平洋的海洋動力環(huán)境狀況，每天獲取氣旋和臺風分布范圍、臺風位置和風場信息，分析臺風的運動軌跡和臺風強度，主動及時地分發(fā)給預報部門，為海洋氣象預報、防災減災提供有效信息。圖7顯示了2014年9月27日HY-2A衛(wèi)星觀測到第17號臺風“北冕”。圖7中上圖為7時臺風狀態(tài)，下圖為20時臺風狀態(tài)。

圖7　HY-2A衛(wèi)星觀測到得臺風“北冕”

（2）海平面變化監(jiān)測

2014年，國家衛(wèi)星海洋應用中心利用HY-2A衛(wèi)星高度計的融合遙感數據，制作了年度中國近海及鄰近海域月平均、年平均以及較上一年度變化的海平面數據產品。海洋預報和防災減災部門利用這些海平面變化產品，能夠有效開展相應的海平面變化預測以及開發(fā)海洋環(huán)境產品的研制，向社會公眾和相關海洋管理與生產部門提供信息服務。

（3）海浪預報

應用HY-2A衛(wèi)星高度計的有效波高資料，結合海上浮標和船舶報告等海浪觀測資料，利用國際上先進的第三代海浪預報模式，能夠獲得全球范圍內（78°S～78°N，0°～360°）48小時和120小時的海浪同化預報產品（見圖8），直接提高了海浪預報的精度。

圖8　全球海浪48小時同化預報

（4）漁場漁情信息服務

以HY-2A衛(wèi)星和HY-1B衛(wèi)星遙感資料為主，結合“海洋遙感信息實時自動采集系統(tǒng)”所獲取的國外海洋衛(wèi)星資料，對太平洋金槍魚、北太平洋柔魚、東南太平洋莖柔魚、西南大西洋魷魚、中大西洋金槍魚等三種捕撈對象和七大海域開展每周一次的漁場環(huán)境分析、漁情分析與預報，并通過北斗衛(wèi)星、廣播衛(wèi)星等手段向海洋漁業(yè)生產企業(yè)提供漁情預報、海況分析等服務和現場作業(yè)數據的準實時回傳，極大地提升了我國大洋漁場衛(wèi)星遙感應用的總體技術水平。圖9顯示了2014年11月1日西北太平洋滑柔魚作業(yè)漁場海表溫度以及漁情預報結果。圖10顯示了2014年8月23日東南太平洋智利竹筴魚作業(yè)漁場海表溫度以及漁情預報結果。

圖9　西北太平洋滑柔魚漁情預報

圖10　東南太平洋智利竹筴魚漁情預報

（5）海峽號海上航行保障

海峽號航行于福建省平潭綜合實驗區(qū)和臺灣省臺中市，航線較長，橫跨臺灣海峽北口，與臺灣海峽南北主航道垂直。臺灣海峽冬春季盛行東北風，在海峽“狹管效應”作用下，風浪大于其他海域，夏秋季節(jié)時常有臺風影響，嚴重威脅海峽號海上航行安全。為此，福建省海洋預報臺應用HY-2A衛(wèi)星產品，結合浮標實時觀測資料，開發(fā)了HY-2A衛(wèi)星數據綜合分析系統(tǒng)，系統(tǒng)可自動編制并自動發(fā)送海峽號、“省防指”等特定用戶使用衛(wèi)星遙感產品簡報，及時發(fā)布臺灣海峽及其周邊海域的風、浪、海溫實況信息，有力提升用戶獲取大面積海況的能力，為海峽號航行提供安全和為防災減災提供保障。

三、展望

根據《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》、《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的總體要求，《國家民用空間基礎設施中長期發(fā)展規(guī)劃》明確了2025年前的建設目標與發(fā)展路線。針對海洋衛(wèi)星的發(fā)展，規(guī)劃中提出，面向我國海洋強國戰(zhàn)略在海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境保護、海洋防災減災、海洋權益維護、海域使用管理、海島海岸帶調查和極地大洋考察等方面的重大需求，海洋衛(wèi)星的發(fā)展要兼顧氣象、農業(yè)、環(huán)保、減災、測繪、交通、水利、統(tǒng)計等行業(yè)應用需求，繼承海洋一號、海洋二號等衛(wèi)星的技術基礎，發(fā)展多種光學和微波觀測手段，建設海洋水色、海洋動力星星座，發(fā)展海洋監(jiān)視監(jiān)測衛(wèi)星，不斷提高海洋觀測衛(wèi)星定量化綜合觀測能力。

1）海洋水色衛(wèi)星星座。圍繞海洋資源開發(fā)、生態(tài)監(jiān)測、污染控制以及大尺度變化監(jiān)測等應用對海水葉綠素、懸浮泥沙、可溶性有機物以及赤潮綠潮等海洋水色環(huán)境要素的大幅寬、全球快速覆蓋觀測需求，發(fā)展高信噪比的可見光、紅外多光譜和高光譜等觀測手段，建設上、下午星組網的海洋水色衛(wèi)星星座，提高觀測時效性，形成全球海洋水色環(huán)境要素1天2次觀測能力。“十三五”期間實現海洋水色觀測能力升級換代。并保持上、下午星組網運行和業(yè)務穩(wěn)定發(fā)展。

2）海洋動力衛(wèi)星星座。圍繞海洋防災減災、資源開發(fā)、環(huán)境保護、海洋漁業(yè)、海上交通運輸等應用對海面高度、海面風場、海浪、海溫、海水鹽度等海洋動力環(huán)境要素的高精度獲取需求，發(fā)展微波輻射計、散射計、高度計等觀測手段，建設海洋動力衛(wèi)星星座。初步形成極軌、傾斜軌道互相配合的星座，實現海洋動力環(huán)境要素1天2次觀測。“十三五”期間，進一步豐富海洋環(huán)境要素觀測手段，形成海洋動力環(huán)境要素1天4次觀測能力。

3）海洋監(jiān)視監(jiān)測衛(wèi)星。圍繞海域環(huán)境監(jiān)測、海洋目標監(jiān)視、海域使用管理和海洋權益維護等應用對全天時、全天候、近實時監(jiān)視觀測需求，發(fā)展高軌凝視光學和高軌SAR手段，并結合低軌SAR衛(wèi)星星座能力，實現高、低軌光學和SAR聯合觀測。“十三五”期間新增SAR衛(wèi)星組網運行，具備1m分辨率、1天重訪觀測能力。

隨著以自主海洋衛(wèi)星為主導的海洋立體觀測系統(tǒng)的逐步建立，海洋衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)也需隨之不斷完善。我國海洋衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)未來將以天地協(xié)調、布局合理、功能完善、產品豐富、信息共享、服務高效為目標，覆蓋我國近海、兼顧全球，海洋衛(wèi)星探測手段不斷提升，積極拓展并改進，逐步實現產品多樣化、數據標準化、應用定量化、運行業(yè)務化的高標準，滿足海洋監(jiān)視監(jiān)測現代化、科學化、信息化、全球化的新要求，為實施海洋開發(fā)戰(zhàn)略與發(fā)展海洋產業(yè)提供強有力的技術支撐。通過積極推進海洋衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)的發(fā)展，能夠顯著提高海洋環(huán)境預報和海洋災害預警的準確性和時效性，有效實施海洋環(huán)境與資源監(jiān)測，為維護海洋權益、防災減災、國民經濟建設和國防建設提供服務。