文|黃耀輝 趙曉磊 閻誠 宋紫溪
航天東方紅衛(wèi)星有限公司
中法海洋衛(wèi)星(CFOSAT)是我國第一個(gè)與世界先進(jìn)宇航機(jī)構(gòu)在系統(tǒng)層面合作的衛(wèi)星項(xiàng)目,由法方提供波譜儀(SWIM),中方提供衛(wèi)星平臺(tái)和散射計(jì)(SCAT)并負(fù)責(zé)衛(wèi)星發(fā)射與測控,探測數(shù)據(jù)由中法雙方共同開發(fā)利用,以獲取海面風(fēng)場、海浪等海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)。該衛(wèi)星于2009年批復(fù)立項(xiàng),由航天東方紅衛(wèi)星有限公司抓總,經(jīng)過中法聯(lián)合團(tuán)隊(duì)近10年的深入而廣泛的合作,衛(wèi)星于2018年10月成功發(fā)射,2019年9月完成了衛(wèi)星在軌測試評(píng)審,衛(wèi)星和載荷在軌工作穩(wěn)定,數(shù)據(jù)產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求,2020年2月衛(wèi)星完成在軌交付,正式轉(zhuǎn)入業(yè)務(wù)應(yīng)用。
中法海洋衛(wèi)星采用成熟的CAST2000小衛(wèi)星平臺(tái),設(shè)計(jì)壽命3年,運(yùn)行于軌道高度521km、降交點(diǎn)地方時(shí)07:00AM的太陽同步軌道,探測數(shù)據(jù)分別傳輸至中法兩國地面站,由兩國地面應(yīng)用系統(tǒng)接收并進(jìn)行處理。該衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)了海浪譜和海面風(fēng)場同時(shí)探測,在海洋動(dòng)力環(huán)境業(yè)務(wù)監(jiān)測、海洋災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)報(bào)預(yù)警、海洋科學(xué)研究中發(fā)揮重要作用。
2020年2月,中法雙方達(dá)成一致,同意開放共享中法海洋衛(wèi)星的在軌數(shù)據(jù),已有來自法國、中國、美國、俄羅斯等40多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)使用了中法海洋衛(wèi)星的數(shù)據(jù)服務(wù)開展科學(xué)研究和海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)優(yōu)化。
中法海洋衛(wèi)星在軌工作以來,每天24小時(shí)不間斷工作,每天繞極地飛行14軌,下行數(shù)據(jù)由雙方地面站實(shí)時(shí)接收,國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心和法國空間研究中心/法國海洋研究院均可生產(chǎn)1~4級(jí)海面風(fēng)場和海浪譜產(chǎn)品。中法海洋衛(wèi)星業(yè)務(wù)產(chǎn)品體系如表1所示。
表1 中法海洋衛(wèi)星業(yè)務(wù)產(chǎn)品體系
截止衛(wèi)星在軌交付,中方已存檔數(shù)據(jù)超過20TB,分發(fā)數(shù)據(jù)2.5TB,已在國內(nèi)40多個(gè)用戶單位使用;法方已通過處理及分發(fā)提供給法國以及歐洲等多個(gè)國家的用戶使用。經(jīng)地面應(yīng)用系統(tǒng)輸出的全球海面風(fēng)場、海浪譜產(chǎn)品已經(jīng)在臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)災(zāi)害監(jiān)測、南北極海冰監(jiān)測、海洋數(shù)值預(yù)報(bào)、短期海洋預(yù)報(bào)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用驗(yàn)證并得到廣泛應(yīng)用。
中法海洋衛(wèi)星搭載的波譜儀在國際上首次采用六波束真實(shí)孔徑雷達(dá)方式連續(xù)測量全球海面海浪譜,掃描幅寬180km。波譜儀可業(yè)務(wù)化獲取全球海浪譜數(shù)據(jù),為海浪同化研究提供全球尺度的海浪譜信息。這些數(shù)據(jù)一方面可以用于改進(jìn)并驗(yàn)證大氣-海浪邊界耦合模型的物理性質(zhì),另一方面可以通過同化技術(shù)來約束模型,克服對(duì)海洋波浪場模型假設(shè)的依賴性。圖1為基于2019年9月4日波譜儀數(shù)據(jù)得到的海浪譜產(chǎn)品:中心位置21.3° (N)、128.4° (E)在 70 km×90 km 范圍內(nèi)的海浪方向譜,有效波高3.9m,主波波長145m,主波波向75°。
圖1 海浪譜產(chǎn)品示例
衛(wèi)星搭載的散射計(jì)是國際上首次采用扇形波束掃描方式測量海洋風(fēng)場的微波散射計(jì),刈幅大于1000km,提高海面風(fēng)速和風(fēng)向的反演精度,更加精準(zhǔn)地觀測海面風(fēng)場。散射計(jì)可以與波譜儀實(shí)現(xiàn)觀測角的互補(bǔ),對(duì)研究海洋動(dòng)力環(huán)境作用過程和表面散射特性具有重要意義。圖2是基于2019年10月9-11日散射計(jì)數(shù)據(jù)獲取的全球海面風(fēng)場產(chǎn)品,覆蓋率達(dá)95%以上。
圖2 海面風(fēng)場全球分布圖
中法海洋衛(wèi)星可獲取全球海浪譜、有效波高、海面風(fēng)場等海洋基本參數(shù),從而更好地了解、認(rèn)識(shí)海表面波的動(dòng)力過程與變化過程,有助于完善我國海洋立體監(jiān)測手段,彌補(bǔ)海洋一號(hào)、海洋二號(hào)等衛(wèi)星在探測手段、時(shí)間、空間上的不足。
中法海洋衛(wèi)星獲取的實(shí)時(shí)海況信息可以用于海洋災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警,減少災(zāi)害損失。該衛(wèi)星可為海洋預(yù)報(bào)提供海浪譜、海面風(fēng)場等多參量的初始場信息,改進(jìn)海況預(yù)報(bào)及同化模型,提高對(duì)巨浪、海洋熱帶風(fēng)暴、風(fēng)暴潮等災(zāi)害性海況預(yù)報(bào)的精度與時(shí)效。風(fēng)浪聯(lián)合探測獲取的全球海況信息,有利于改進(jìn)中、長期氣候預(yù)報(bào)模式,提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性,從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國海洋產(chǎn)值的增加,海洋災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失也隨之增加,海洋災(zāi)害的直接經(jīng)濟(jì)損失約占海洋總產(chǎn)值的10%。如果海洋環(huán)境預(yù)報(bào)時(shí)效提前一天,可減少約6%的經(jīng)濟(jì)損失。衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為三年,按我國“十二五”海洋總產(chǎn)值估算,可減少760億元的經(jīng)濟(jì)損失。
2019年9月4日,中法海洋衛(wèi)星對(duì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“玲玲”的海面風(fēng)場和海浪場進(jìn)行了觀測,如圖3所示。臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)風(fēng)速超過14m/s大風(fēng)區(qū)的有效波高超過5m,觀測主波波長為150~180m,風(fēng)場為西南向,海浪向東傳播。風(fēng)向和浪向的偏移隨臺(tái)風(fēng)中心距離增大,接近理論預(yù)測。
圖3 中法海洋衛(wèi)星對(duì)臺(tái)風(fēng)“玲玲”進(jìn)行風(fēng)浪同步觀測
波譜儀海浪波陡產(chǎn)品可用于描述波浪的陡峭程度(圖4)。危險(xiǎn)海況指數(shù)產(chǎn)品使用0~20來描述海況等級(jí),有效波高、波陡和涌浪成分越大,海況越惡劣(圖5)。
圖4 波譜儀海浪波陡產(chǎn)品
圖5 波譜儀危險(xiǎn)海況指數(shù)產(chǎn)品
中法海洋衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)全球尺度的風(fēng)浪聯(lián)合觀測,有助于為海洋科學(xué)研究、全球氣候變化提供實(shí)測數(shù)據(jù)和積累長時(shí)間系列歷史數(shù)據(jù)。圖6為2019年1月衛(wèi)星散射計(jì)監(jiān)測到的南極海冰分布及面積。
圖6 衛(wèi)星散射計(jì)監(jiān)測的南極海冰分布及面積
“無風(fēng)不起浪”,海表面的波浪和大氣之間存在復(fù)雜的邊界耦合過程,因此海浪和海面風(fēng)場的各自特性以及兩者相互作用的關(guān)系,一直受到科學(xué)家的廣泛關(guān)注。風(fēng)浪聯(lián)合觀測有助于揭示長涌浪與風(fēng)浪的相互作用、與交界海面的關(guān)系,以及與危險(xiǎn)海況相關(guān)的能量聚合的物理過程。此外,由于風(fēng)浪聯(lián)合觀測多入射角的設(shè)計(jì),衛(wèi)星可提供從小波(幾厘米)、中波(十幾厘米到幾米)到長波(幾十到上百米)的多尺度海面風(fēng)場及波浪信息,對(duì)于研究不同尺度波浪的時(shí)空變化及傳播過程有巨大幫助,有利于揭示占據(jù)約全球70%面積的海洋表面水氣交互作用的科學(xué)機(jī)理,在海洋科學(xué)研究、海洋技術(shù)應(yīng)用和工程研究等方面有重大效益。
中法海洋衛(wèi)星已成功發(fā)射并在軌穩(wěn)定工作超過一年,其在軌表現(xiàn)優(yōu)異,遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量處于世界領(lǐng)先水平,衛(wèi)星獲取的全球海面風(fēng)場、海浪譜產(chǎn)品在臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)災(zāi)害監(jiān)測、南北極海冰監(jiān)測、海洋數(shù)值預(yù)報(bào)、短期海洋預(yù)報(bào)中得到應(yīng)用驗(yàn)證,效果良好。目前,該衛(wèi)星已正式投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。同時(shí),中法海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)已由中、法等多國科學(xué)家共同使用,開展更深、更廣的科學(xué)研究與應(yīng)用。隨著中法海洋衛(wèi)星應(yīng)用數(shù)據(jù)開放共享不斷深入,衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大,將進(jìn)一步服務(wù)于海洋預(yù)報(bào)和海洋研究,為海洋防災(zāi)減災(zāi)和全球氣候變化等研究提供支撐。