船載氣象衛星接收系統在極地航海保障中的應用

劉玉新，崔曉健

（1.國家海洋技術中心 天津市 300112； 2.國家海洋信息中心 天津市 300171）

船載氣象衛星接收系統在極地航海保障中的應用

劉玉新1，崔曉健2

（1.國家海洋技術中心 天津市 300112； 2.國家海洋信息中心 天津市 300171）

回顧我國極地船載氣象衛星接收系統的發展歷史，從躲避氣旋和災害性天氣、冰區導航、指導大洋作業 3 個方面舉例說明了高分辨衛星接收系統在極地航海氣象保障中所起的重要作用，對我國極地船載氣象衛星接收系統的發展前景進行了討論分析。

船載氣象衛星極地航海

自1960年4月1日美國發射第一顆氣象衛星以來，氣象衛星遙感事業得到了突飛猛進的發展[1]。氣象衛星可在地球上空對各種天氣系統（如熱帶風暴、氣旋等）的氣象要素進行連續不間斷的觀測，由極軌衛星和靜止衛星組成的地球大氣監測系統獲得全球各地的觀測資料。極區常規氣象觀測資料的極端匱乏是制約極地航海氣象保障業務的重要難題，而氣象衛星云圖資料恰能填補這一缺陷，其資料實時性強，覆蓋范圍廣，可監測很大范圍內天氣系統的發生、發展和變化，是極地考察航線氣象保障的主要資料來源之一。

自1984年首次南極科學考察以來，我國先后開展了 25 次南極科學考察和 3 次北極科學考察。20 多年來，我國航海氣象保障能力已從中緯度海域顯著擴展到極地高緯 80°海域，同時創造了我國24年極地航海零傷亡的記錄。如此的海洋氣象保障效果，在世界航海史上也是絕無僅有的。船載氣象衛星接收系統在其中起到了重要作用。

1 我國極地船載氣象衛星接收系統的歷史和現狀

最早的極地科學考察船衛星接收設備比較落后，使用的是可見光和紅外黑白衛星云圖接收系統，該系統工作程序復雜，分辨率低，且需要人工沖洗接收的云圖照片，很不方便。圖 1 是一張沖洗的可見光云圖照片，這種低分辨衛星云圖云系與極冰均呈白色，很難區分云和冰的分布情況，因此無法準確辨別極區冰情。這給極區氣象和海冰預報帶來了很大困難，只能利用人員瞭望和直升機偵察的方式進行小范圍海冰監測。但由于極區浮冰變化無常，小范圍的海冰監測不能從根本上消除浮冰和冰山對考察船構成的威脅[2]。

圖1 早期接收的黑白衛星云圖照片

20世紀90年代初，我國的極地考察船安裝了美國“奧而登”衛星接收系統，該系統自動化程度較高，使用熱敏紙自動打印圖片，減少了氣象人員的工作量，增加了接收衛星云圖的次數，基本解決了衛星氣象資料不足的問題。但因為接收的是低分辨黑白云圖，無法對極地浮冰、冰山的分布和運動進行有效的監測（圖 2 ）。

圖2 使用熱敏紙自動打印的衛星云圖照片

1997年，國家海洋環境預報中心、北京川頁電氣公司，航天工業總公司二院聯合研制了適用于我國極地科學考察的船載高分辨衛星接收系統。該系統能在高溫、高濕和低溫的天氣環境下正常工作，能適應 12 級以上大風，以及船舶在大風浪中的劇烈搖擺及破冰造成的強震動等惡劣工作環境。這系統具有接收極軌高分辨衛星云圖和靜止低分辨衛星云圖的雙套接收和圖象處理系統。在中低緯度地區用靜止衛星云圖觀測大范圍天氣情況，能及時發現熱帶風暴等災害天氣系統。在極區靜止衛星云圖失真的情況下，接收極軌衛星云圖，從而能夠為船舶航行安全提供更多更新的氣象資料。國家海洋環境預報中心為該系統開發的配套軟件，使操作人員能夠在云圖上顯示任意點的經緯度，標出任意目標物，解決了在海洋中航行找不到目標物的困惑[3，4]，特別是它所提供的大范圍極區高分辨率( 1 km)彩色衛星云（圖 3 ），可以清晰地分辨海冰和云的分布及運動情況[5]。

圖3 首次北極科學考察接收的高分辨衛星云圖照片

2003年，從中國第二次北極科學考察開始引進了美國Seaspace公司高分辨氣象衛星遙感接收系統，用于氣象衛星遙感數據接收[6]。該系統包括 3 部分，衛星實時接收處理及后加工處理系統Terascan、氣象決策支持系統WDS—Ⅱ、原始數據實時備份海量數據存儲系統。接收天線安裝于頂甲板中心，接收及處理部分裝置于室內，跟蹤部分采用船舶 GPS 接入信號確定航向，進而確定跟蹤精度，氣象決策系統采用船載海事衛星 e—mail 系統獲取涌浪預報。在航速一定的情況下，接收系統可以根據制作的衛星時刻表自動連續接收衛星信號，但在停船作業等 GPS 無法正確獲取船首向的情況下，可采用手動跟蹤，接收衛星氣象云圖。

衛星遙感數據接收后進行實時處理并根據需要做相應的后處理，主要根據對天氣系統跟蹤或浮冰區導航及作業浮冰追蹤的不同需求，以不同的數據通道進行遙感圖像的分析，滿足航行氣象保證、冰區導航、后期研究的不同需要。輸出衛星云圖圖像主要由可見光及紅外通道合成得到。圖4 為中國第二次北極科學考察所收取的一次北極強氣旋衛星云圖，氣旋云系結構非常清晰。

圖4 2003年9月9日北極地區強氣旋系統衛星云圖

2 高分辨衛星云圖的實際應用

早期船載系統所接收的低分辨衛星云圖，很難對極區的浮冰、冰山變化情況進行有效監測，這無疑降低了考察船在極區航行中抵御風險的能力。高分辨衛星接收系統，先是1997年安裝的國內自主研制的船載衛星接收系統，再是2003年開始服役的Seaspace衛星接收系統，從根本上解決了上述問題，具有非常重要的實際應用價值。

2.1 躲避氣旋及災害性天氣

衛星云圖對監測氣旋等災害性天氣系統，確保考察船的航行安全起著重要的作用。1997年12月10日，雪龍船由新西蘭的Christchuech港起航進入西風帶，遭遇強氣旋。由于風大浪高，雪龍船搖擺到 38°，船上的衛通 C 站、M 站及氣象傳真機均失靈，收不到任何氣象預報及圖表。恰恰船載衛星接收系統在關鍵時刻接收到了清晰的衛星云圖，云圖顯示航線前方的 3 個強氣旋擋住了雪龍船的去路（圖 5 ）。據此，船長果斷調整航向，由原來的東南向改為西南向航行，24 h 后成功避開了氣旋的影響，順利通過了西風帶。

圖5 1997年12月10日雪龍船接收的衛星云圖

再以中國第二十次南極科學考察為例。2005年3月9日，雪龍船準備從澳大利亞的弗里曼特爾港起航回國。衛星云圖顯示，有一個熱帶風暴位于航線北部，逐漸加強并緩慢向西移動（圖 6 ）。雪龍船能否按時起航是氣象預報的關鍵。綜合依據當時各方面的氣象資料分析，認為該熱帶風暴前期緩慢向西移動加強，中期是一個轉向移動的過程（由向西移動逐漸轉為向東南方向移動），這期間需 3 至 4 天的時間。但按照計劃，雪龍船必須在3月9日傍晚之前起航。為確保船舶的航行安全，預報員經過仔細分析，認為雪龍船可以沿澳大利亞近岸北行，然后利用熱帶風暴轉向的“時間窗口”，迅速通過熱帶風暴影響區域。為預防熱帶風暴發生突變，選擇澳大利亞北部的沙克灣作為緊急情況下的避風灣。

圖6 2005年3月9日7:25分（UTC）NOAA-16衛星云圖

9日下午，雪龍船按時從弗里曼特爾港起航北行。同時，從衛星云圖來看，熱帶風暴明顯加強，云系個體明顯增大，云系結構更加密實。3月11日熱帶風暴的外圍云系已經影響到沙克灣，此時雪龍船也航行到了沙克灣口附近，熱帶風暴中心恰好位于雪龍船正前方（圖 7 ）。雪龍船于是停在沙克灣避風。隨著熱帶風暴的西移，雪龍船果斷起航北行，海上最大風速僅有 17.1 m/ s，岸邊涌浪僅高 2 ～ 3 m，12 h 后順利擺脫了熱帶風暴的影響，駛入了安全海域[2]。

圖7 2005年3月11日7:04分（UTC）NOAA - 16 衛星云圖

2.2 冰區導航

南極大陸周邊海域浮冰和冰山對船只正常航行有嚴重的威脅，在茫茫的南極冰海中航行，隨時會遇到意想不到的危險和困難。根據接收的高分辨衛星云圖，可為船舶尋找較為開闊的水域，使船舶安全通過浮冰區，既節省航行時間，又能保證船只的安全航行。

1998年1月16日雪龍船從俄羅斯青年站到中山站，考慮到南極大陸邊緣浮冰、冰山密集，計劃航線是避開大陸邊緣航行。但從接收的高分辨衛星云圖來看，南極大陸邊緣出現了一條開闊的水道，而計劃航線大多海域被浮冰覆蓋，于是向船長推薦采用了一條新航線（圖 8 ）[3]，雪龍船提前 4 天到達中山站，新航線比原計劃航線縮短航程 1 111.2 km ，在節省燃油的同時，為科考隊贏得了寶貴的時間，為整個科考計劃的順利完成做出了重要貢獻。

圖8 1998年1月16日接收的 NOAA — 16 衛星云圖

再以第十五次南極考察為例。由于要進行冰蓋考察，雪龍船提前進入普里茲灣。1998年12月5日，雪龍船抵達普里茲灣附近，但在灣口處被一條約 370 km ～ 555 km 的冰壩擋住去路，要進入灣內非常困難。經過對12月5、6日幾張高分辨衛星云圖的分析，從冰壩中找到了一條約 2 km 寬的縫隙，雪龍船經由這條冰縫隙順利進入普里茲灣內，順利完成了冰上卸貨，保證了冰蓋考察隊的按時出發[2]。

2.3 指導大洋調查作業

在南極地區進行南大洋綜合海洋調查是比較困難的，調查期間需要有好的天氣和海況，并且作業海區不能被浮冰覆蓋。因此，需要隨時掌握局地海域的天氣和冰情變化。高分辨衛星接收系統提供的清晰云圖為南大洋調查作業提供了可靠的保障。

圖9 顯示了第十四次南極考察期間南極普里茲灣大洋作業海區（圖中圓白點為大洋調查點）的冰情分布情況，可見在普里茲灣有一個從東北向南延伸的大冰壩，使 75°E 附近的作業點難以進行調查。據此，考察船優先調查了無浮冰的站點，取消了浮冰嚴重的站點，后期再視冰情變化進行調整，避免了海上調查作業的盲目性[3]。

圖9 1998年2月14日11:24（UTC）NOAA 衛星云圖

3 討論和展望

高分辨的氣象衛星云圖接收系統在極地考察船上的應用，一定程度上解決了極區氣象觀測資料匱乏的問題，為科學考察船在極區的安全航行提供了保障的同時，也為有效利用極地短暫的夏季進行合理的時間安排和執行考察任務提供了重要參考。目前，具有更高分辨率的 MODIS 氣象衛星接收系統即將在極地考察站安裝并投入使用，雖然受到技術的限制這種系統不能直接安裝在考察船上，但是通過衛星網絡實時將接受處理好的氣象衛星云圖產品傳輸到考察船上，提供給極地考察船的航海保障人員和決策人員使用，也并不困難，這必將對極區的卸貨補給和科學考察工作的更安全有效開展提供更好的保障。

[1]陳渭民，夏浣清，陳光宇. 衛星氣象學[M].北京：氣象出版社，1989：1-9.

[2]魏文良. 中國極地考察航線海洋氣象研究[M].北京：海洋出版社，2008：46-55.

[3]解思梅，郝春江，鄒斌等.新型船載衛星接收處理系統[J]. 海洋學報，2000，22(4)：31-40.

[4]尹濤，楊清華，許淙.極地科學考察中海冰監測和預報的研究應用[J]. 海洋預報，22(5)：24-26.

[5]中國首次北極科學考察隊—中國首次北極科學考察報告[M].北京：海洋出版社，2000：100-103.

[6]張占海. 中國第二次北極科學考察報告[M].北京：海洋出版社，2004：223-229.

2010年11月9日