我国海洋动力环境卫星应用现状及发展展望

● 文|国家卫星海洋应用中心 林明森 张有广

我国十分重视海洋动力环境卫星遥感及其监测技术的发展，已经实现了自主海洋卫星的研制、发射、在轨运行和业务应用，发挥了显著的经济和社会效益。我国自主研制的海洋二号卫星A星（HY-2A），不仅填补了我国海洋动力环境卫星遥感的空白，也是目前世界上唯一在轨运行的集主、被动微波遥感器于一身的综合型海洋动力环境卫星，具备同时获取风场、有效波高、海面高度和海面温度的能力。通过卫星获得的数据提高了我国海洋环境监测与灾害性海况预报的水平，为国民经济建设和国防建设、海洋科学研究、全球变化研究等提供了可靠的遥感数据，同时还在国际对地观测体系中发挥了重要作用，受到国内外用户的高度认可。

一、发展现状

我国第一颗海洋动力环境卫星HY-2A，于2011年8月16日发射，现仍在轨运行。该卫星集主、被动微波遥感器于一体，具有高精度测轨、定轨能力与全天候、全天时、全球探测能力。卫星主要载荷有：雷达高度计、微波散射计、扫描辐射计、校正辐射计。主要使命是监测和调查海洋环境，获得包括海面风场、浪高、海流、海面温度等多种海洋动力环境参数，直接为灾害性海况预警预报提供实测数据，为海洋防灾减灾、海洋权益维护、海洋资源开发、海洋环境保护、海洋科学研究以及国防建设等提供支撑服务[1][2]。HY-2A卫星主要技术参数见表1。

表1 HY-2A卫星主要技术参数

二、应用研究进展

我国海洋动力环境遥感是随着神舟四号（SZ-4）飞船多模态微波遥感器的上天才逐步开展起来，但研究工作大多集中在对国外已有算法模型的引进和模仿上，缺乏自主创新。直到2011年8月，我国拥有了自主研制的海洋动力环境卫星之后，海洋动力环境卫星遥感才随之得到了快速发展，在算法模型的研制和应用方面均取得了大量创新性的成果。

在有效波高的反演算法研究方面，基于二阶理论回波模型，导出了带有偏度系数的二阶理论回波模型。引入了奇异值分解滤波，并根据最大似然估计算法反演参数的不同得到多种重跟踪方案，经比较分析发现四参数模型最适合HY-2A卫星雷达高度计波形反演，有效波高反演精度达到0.31m[3]。

在海面风场反演算法方面，利用多解反演算法和二维变分模糊解去除方法对HY-2A卫星散射计级数据进行处理，结果表明风速与风向精度均有较大提高。同时，风向模糊解去除能力明显提高，尤其是对台风条件下的风场反演结果，风向反演精度有明显改善。王磊等利用神经网络方法建立了基于后向散射系数σ°与有效波高的双参数风速反演模型，并探讨利用AGC来代替σ°对风速反演的可行性进行研究[4]。

在海面温度反演算法研究方面，王振占等人利用辐射传射方程模拟，建立了海面温度、海面风速、大气水汽含量等海洋环境参数的反演算法。此外，孙广轮等人归纳了多元线性回归算法和非线性迭代算法两种主要的算法类型，并对反演海温的影响因素做了分析。这些研究工作有利于海洋动力环境卫星海面温度观测精度的进一步提高[5]。

三、典型海洋应用

1.台风监测

海洋卫星上搭载的微波散射计能够获取全球海面风场，进而可监测台风移动路径，并识别台风中心。利用微波散射计进行台风中心提取时，主要有两个方法：第一，通过区域风场的风速进行提取。针对有眼台风，通过观察风场风速的分布，寻找高风速区域中的极小值，可以快速、有效并且高精度地获取台风中心。第二，通过区域风场风向进行提取。由于台风天气有明显的气旋式涡旋结构，风向通常旋涡式指向台风中心，通过寻找旋涡指向中心，也能够确定台风中心。但是值得注意的是，由于台风区域通常伴随着较强的降雨，对海面后向散射产生较强影响，有时通过风速与风向确定的台风中心位置可能不重合。

HY-2A卫星主载荷之一的微波散射计能够进行台风和风暴潮的监测，2012-2017年间顺利完成了全部台风的监测任务。在每次台风的生命周期中，至少对其完成一次观测，为业务和科研提供了准确的数据源。图1为HY-2A卫星微波散射计对“苏力”台风的监测实例。“苏力”台风2013年7月13日登陆台湾北部，以后逐渐趋向浙闽沿海，登陆时中心附近最大风力12级（33 m/s）,为当年登陆我国的最强台风。HY-2A卫星微波散射计有效完成了对“苏力”台风整个过程的监测，卫星观测的海面风场清晰反映了台风位置和强度信息。

2012年，形成于大西洋洋面上的一级飓风“桑迪” ，因其侵袭美国东部造成严重灾害而受到关注。“桑迪”飓风10月28-30日横扫美国东部海岸，HY-2A卫星在27日成功观测到该飓风及其移动方向，这为有效防范飓风在28日的登陆提供了预警时间。图2为飓风期间风场和波高的变化。由图2可以看出，HY-2A卫星观测的台风有规则的台风眼，而“桑迪”飓风则没有规则的飓风眼，但“桑迪”飓风期间具有明显超过6m以上的波高，因此，“桑迪”飓风造成的损失不容忽视。

2.灾害性海浪监测

灾害性海浪是波高大于等于4m的海浪。我国近海每年灾害性海浪都会造成大量的经济损失和人员伤亡。2017年，我国沿海共发生34次灾害性海浪，造成11人死亡，直接经济损失0.27亿元[6]。卫星雷达高度计是能够提供全球海洋有效波高信息的主要载荷，可为灾害性海浪的预警预报提供可靠的观测数据。图3为HY-2A卫星高度计获取的全球灾害性海浪的分布。

3.风暴潮监测

海洋卫星上搭载的微波散射计在热带气旋的观测中具有明显的优势，能够观测热带气旋的风速和风向，对涡旋特征进行识别和定位，并能够实时监测热带气旋移动路径。图4为利用HY-2A卫星微波散射计观测到的台风“灿鸿”的中心位置和中心风速。

利用微波散射计提供的风场和气旋位置等信息，根据最小二乘原理，用模型风场拟合卫星风场数据，得到一个最大风速半径R，然后利用风暴潮模式进行计算，可得到沿岸风暴潮增水值。

4.全球海平面变化监测

随着人类活动对海洋、大气系统影响的迅速扩大，全球变暖、海平面上升已经成为全球性重大环境问题。海平面上升给人类生存环境造成巨大的威胁，已经引起全世界科学家和各国政府的高度关注。卫星雷达高度计在全球海平面变化监测中具有独特的优势，获取的海面高度数据已经成为全球平均海平面上升研究中的重要数据源。

利用HY-2A等卫星雷达高度计的融合数据，也能够实现中国近海海平面变化的监测。图5显示了2014年2月、5月、8月和11月中国及邻近海域海平面的变化[7]。

5.大洋渔业渔情分析预报

HY-2A卫星上的雷达高度计和扫描微波辐射计能够识别出大洋中的锋面和中尺度涡，可以用来探测大洋渔场。目前已经实现了以HY-2A和HY-1B卫星遥感资料为主，结合国外海洋卫星资料，对全球三大洋十个海域的鱼种进行每周一次的业务化渔情分析与预报（图6）。在9家渔业企业近150艘远洋渔船上安装了在线渔情系统，实现了近实时在线的海况分析和渔情预报服务，为我国远洋鱿钓渔船、金枪鱼延绳钓渔船、大型拖网渔船和金枪鱼围网渔船的科学生产提供了技术支撑，取得了显著的经济效益[8]。

四、发展展望

我国于2011年8月16日成功发射了HY-2A卫星，利用星上搭载的雷达高度计、微波散射计和微波辐射计可实现全球海面高度、海面风场、有效波高和海面温度等海洋动力环境信息的获取，进而实现了卫星数据在海洋防灾减灾、资源开发、航行保障和海洋科研等方面的应用。但是，随着加快海洋强国战略的实施，海洋各项业务对卫星观测数据的精度和时空分辨率提出了更高的要求。由于空间分辨率和地面覆盖宽度是一对矛盾，单一卫星无法满足应用对高时空分辨率的需求。对低地球轨道来说，采用多颗卫星组成的监测网将是解决时间和空间分辨率矛盾的有效方法，可大大提高海洋灾害预警预报的精度和时效性。为此，需要加快建设多星组网的卫星观测体系，提高多要素、高精度、全覆盖的综合观测能力，丰富海洋卫星产品体系，提高数据定量化水平。

[1]国家卫星海洋应用中心. HY-2A卫星在轨测试总结报告[R].2012.

[2]林明森，张有广，袁欣哲.海洋遥感卫星发展历程与趋势展望[J].海洋学报，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. 基于雷达高度计增益自动控制数据的风速反演算法研究[J]. 海洋学报，2012，34(3)：55-60.

[5]王振占，鲍靖华, 李芸，等. 海洋二号卫星扫描辐射计海洋参数反演算法研究[J].中国工程科学，2014，16(6)：70-82.

[6] 国家海洋局. 2017年中国海洋灾害公报[R]. 2017.

[7] 国家海洋局. 2013年中国海洋卫星应用报告[R]. 2013.

[8] 国家海洋局. 2015年中国海洋卫星应用报告[R]. 2015.