● 文|國家衛(wèi)星海洋應用中心 林明森 張有廣

我國十分重視海洋動力環(huán)境衛(wèi)星遙感及其監(jiān)測技術的發(fā)展，已經實現了自主海洋衛(wèi)星的研制、發(fā)射、在軌運行和業(yè)務應用，發(fā)揮了顯著的經濟和社會效益。我國自主研制的海洋二號衛(wèi)星A星（HY-2A），不僅填補了我國海洋動力環(huán)境衛(wèi)星遙感的空白，也是目前世界上唯一在軌運行的集主、被動微波遙感器于一身的綜合型海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，具備同時獲取風場、有效波高、海面高度和海面溫度的能力。通過衛(wèi)星獲得的數據提高了我國海洋環(huán)境監(jiān)測與災害性海況預報的水平，為國民經濟建設和國防建設、海洋科學研究、全球變化研究等提供了可靠的遙感數據，同時還在國際對地觀測體系中發(fā)揮了重要作用，受到國內外用戶的高度認可。

一、發(fā)展現狀

我國第一顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星HY-2A，于2011年8月16日發(fā)射，現仍在軌運行。該衛(wèi)星集主、被動微波遙感器于一體，具有高精度測軌、定軌能力與全天候、全天時、全球探測能力。衛(wèi)星主要載荷有：雷達高度計、微波散射計、掃描輻射計、校正輻射計。主要使命是監(jiān)測和調查海洋環(huán)境，獲得包括海面風場、浪高、海流、海面溫度等多種海洋動力環(huán)境參數，直接為災害性海況預警預報提供實測數據，為海洋防災減災、海洋權益維護、海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境保護、海洋科學研究以及國防建設等提供支撐服務[1][2]。HY-2A衛(wèi)星主要技術參數見表1。

表1 HY-2A衛(wèi)星主要技術參數

二、應用研究進展

我國海洋動力環(huán)境遙感是隨著神舟四號（SZ-4）飛船多模態(tài)微波遙感器的上天才逐步開展起來，但研究工作大多集中在對國外已有算法模型的引進和模仿上，缺乏自主創(chuàng)新。直到2011年8月，我國擁有了自主研制的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星之后，海洋動力環(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，導出了帶有偏度系數的二階理論回波模型。引入了奇異值分解濾波，并根據最大似然估計算法反演參數的不同得到多種重跟蹤方案，經比較分析發(fā)現四參數模型最適合HY-2A衛(wèi)星雷達高度計波形反演，有效波高反演精度達到0.31m[3]。

在海面風場反演算法方面，利用多解反演算法和二維變分模糊解去除方法對HY-2A衛(wèi)星散射計級數據進行處理，結果表明風速與風向精度均有較大提高。同時，風向模糊解去除能力明顯提高，尤其是對臺風條件下的風場反演結果，風向反演精度有明顯改善。王磊等利用神經網絡方法建立了基于后向散射系數σ°與有效波高的雙參數風速反演模型，并探討利用AGC來代替σ°對風速反演的可行性進行研究[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、海面風速、大氣水汽含量等海洋環(huán)境參數的反演算法。此外，孫廣輪等人歸納了多元線性回歸算法和非線性迭代算法兩種主要的算法類型，并對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力環(huán)境衛(wèi)星海面溫度觀測精度的進一步提高[5]。

三、典型海洋應用

1.臺風監(jiān)測

海洋衛(wèi)星上搭載的微波散射計能夠獲取全球海面風場，進而可監(jiān)測臺風移動路徑，并識別臺風中心。利用微波散射計進行臺風中心提取時，主要有兩個方法：第一，通過區(qū)域風場的風速進行提取。針對有眼臺風，通過觀察風場風速的分布，尋找高風速區(qū)域中的極小值，可以快速、有效并且高精度地獲取臺風中心。第二，通過區(qū)域風場風向進行提取。由于臺風天氣有明顯的氣旋式渦旋結構，風向通常旋渦式指向臺風中心，通過尋找旋渦指向中心，也能夠確定臺風中心。但是值得注意的是，由于臺風區(qū)域通常伴隨著較強的降雨，對海面后向散射產生較強影響，有時通過風速與風向確定的臺風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能夠進行臺風和風暴潮的監(jiān)測，2012-2017年間順利完成了全部臺風的監(jiān)測任務。在每次臺風的生命周期中，至少對其完成一次觀測，為業(yè)務和科研提供了準確的數據源。圖1為HY-2A衛(wèi)星微波散射計對“蘇力”臺風的監(jiān)測實例?！疤K力”臺風2013年7月13日登陸臺灣北部，以后逐漸趨向浙閩沿海，登陸時中心附近最大風力12級（33 m/s）,為當年登陸我國的最強臺風。HY-2A衛(wèi)星微波散射計有效完成了對“蘇力”臺風整個過程的監(jiān)測，衛(wèi)星觀測的海面風場清晰反映了臺風位置和強度信息。

2012年，形成于大西洋洋面上的一級颶風“桑迪” ，因其侵襲美國東部造成嚴重災害而受到關注。“桑迪”颶風10月28-30日橫掃美國東部海岸，HY-2A衛(wèi)星在27日成功觀測到該颶風及其移動方向，這為有效防范颶風在28日的登陸提供了預警時間。圖2為颶風期間風場和波高的變化。由圖2可以看出，HY-2A衛(wèi)星觀測的臺風有規(guī)則的臺風眼，而“桑迪”颶風則沒有規(guī)則的颶風眼，但“桑迪”颶風期間具有明顯超過6m以上的波高，因此，“桑迪”颶風造成的損失不容忽視。

2.災害性海浪監(jiān)測

災害性海浪是波高大于等于4m的海浪。我國近海每年災害性海浪都會造成大量的經濟損失和人員傷亡。2017年，我國沿海共發(fā)生34次災害性海浪，造成11人死亡，直接經濟損失0.27億元[6]。衛(wèi)星雷達高度計是能夠提供全球海洋有效波高信息的主要載荷，可為災害性海浪的預警預報提供可靠的觀測數據。圖3為HY-2A衛(wèi)星高度計獲取的全球災害性海浪的分布。

3.風暴潮監(jiān)測

海洋衛(wèi)星上搭載的微波散射計在熱帶氣旋的觀測中具有明顯的優(yōu)勢，能夠觀測熱帶氣旋的風速和風向，對渦旋特征進行識別和定位，并能夠實時監(jiān)測熱帶氣旋移動路徑。圖4為利用HY-2A衛(wèi)星微波散射計觀測到的臺風“燦鴻”的中心位置和中心風速。

利用微波散射計提供的風場和氣旋位置等信息，根據最小二乘原理，用模型風場擬合衛(wèi)星風場數據，得到一個最大風速半徑R，然后利用風暴潮模式進行計算，可得到沿岸風暴潮增水值。

4.全球海平面變化監(jiān)測

隨著人類活動對海洋、大氣系統影響的迅速擴大，全球變暖、海平面上升已經成為全球性重大環(huán)境問題。海平面上升給人類生存環(huán)境造成巨大的威脅，已經引起全世界科學家和各國政府的高度關注。衛(wèi)星雷達高度計在全球海平面變化監(jiān)測中具有獨特的優(yōu)勢，獲取的海面高度數據已經成為全球平均海平面上升研究中的重要數據源。

利用HY-2A等衛(wèi)星雷達高度計的融合數據，也能夠實現中國近海海平面變化的監(jiān)測。圖5顯示了2014年2月、5月、8月和11月中國及鄰近海域海平面的變化[7]。

5.大洋漁業(yè)漁情分析預報

HY-2A衛(wèi)星上的雷達高度計和掃描微波輻射計能夠識別出大洋中的鋒面和中尺度渦，可以用來探測大洋漁場。目前已經實現了以HY-2A和HY-1B衛(wèi)星遙感資料為主，結合國外海洋衛(wèi)星資料，對全球三大洋十個海域的魚種進行每周一次的業(yè)務化漁情分析與預報（圖6）。在9家漁業(yè)企業(yè)近150艘遠洋漁船上安裝了在線漁情系統，實現了近實時在線的海況分析和漁情預報服務，為我國遠洋魷釣漁船、金槍魚延繩釣漁船、大型拖網漁船和金槍魚圍網漁船的科學生產提供了技術支撐，取得了顯著的經濟效益[8]。

四、發(fā)展展望

我國于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高度計、微波散射計和微波輻射計可實現全球海面高度、海面風場、有效波高和海面溫度等海洋動力環(huán)境信息的獲取，進而實現了衛(wèi)星數據在海洋防災減災、資源開發(fā)、航行保障和海洋科研等方面的應用。但是，隨著加快海洋強國戰(zhàn)略的實施，海洋各項業(yè)務對衛(wèi)星觀測數據的精度和時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矛盾，單一衛(wèi)星無法滿足應用對高時空分辨率的需求。對低地球軌道來說，采用多顆衛(wèi)星組成的監(jiān)測網將是解決時間和空間分辨率矛盾的有效方法，可大大提高海洋災害預警預報的精度和時效性。為此，需要加快建設多星組網的衛(wèi)星觀測體系，提高多要素、高精度、全覆蓋的綜合觀測能力，豐富海洋衛(wèi)星產品體系，提高數據定量化水平。

[1]國家衛(wèi)星海洋應用中心. HY-2A衛(wèi)星在軌測試總結報告[R].2012.

[2]林明森，張有廣，袁欣哲.海洋遙感衛(wèi)星發(fā)展歷程與趨勢展望[J].海洋學報，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. 基于雷達高度計增益自動控制數據的風速反演算法研究[J]. 海洋學報，2012，34(3)：55-60.

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

[6] 國家海洋局. 2017年中國海洋災害公報[R]. 2017.

[7] 國家海洋局. 2013年中國海洋衛(wèi)星應用報告[R]. 2013.

[8] 國家海洋局. 2015年中國海洋衛(wèi)星應用報告[R]. 2015.