我國海洋衛星發展與應用

●　文 |國家衛星海洋應用中心　　蔣興偉　林明森　鄒亞榮

我國海洋衛星發展與應用

●文 |國家衛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平衡的動力系統。當今世界，以高新技術為基礎的海洋戰略性新興產業成為全球科技創新和社會經濟發展的戰略重點。海洋開發進入了立體開發階段，在深入開發利用傳統海洋資源的同時，不斷向深遠海探索開發新的資源和能源，大力拓展海洋經濟發展空間。

海洋科技不斷向大科學、高技術體系的方向發展；海洋觀測進入了立體觀測時代，并向實時化、系統化、信息化、數字化方向發展，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與保護，發展海洋事業已成為國家發展戰略。以提高自主創新能力為核心，加強海洋基礎性、前瞻性、關鍵性技術研發，著重提升海洋探測及研究應用能力和海洋資源開發利用能力，大力推進科技興海，依靠科技創新驅動海洋經濟發展。

一、海洋系列衛星

海洋衛星具有全天時、全天候、同步、快速、高頻次、長期連續觀測等優勢，是認識、研究、開發、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測體系的重要組成部分。

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

我國第一顆海洋衛星海洋一號A星（HY-1A）發射于2002年5月15日，這是我國自主研制和發射的第一顆用于探測海洋水色水溫的試驗型業務衛星。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衛星的主要任務是探測海洋水色環境要素（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日發射，是HY-1A衛星的接替星，設計壽命為3年，截至目前，仍在軌運行穩定。HY-1B衛星是在HY-1A衛星基礎上研制的，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境進行實時監測。另外，HY-1B衛星還能夠通過回放境外數據，對世界各大洋和南北極區域水色環境的變化進行持續監測。

海洋二號A星（HY-2A）是我國自行研制的第一顆海洋動力環境衛星，于2011年8月16日發射。HY-2A衛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。通過地面應用系統的處理可以獲取海面風場、浪場、高度場、海洋重力場、大洋環流和海表溫度等海洋參數，對于提高海洋環境數值預報、海洋災害的實況監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星數據的應用潛力，提升自主海洋衛星數據的應用廣度、深度，能夠有效提高我國海洋環境災害預警預報能力和全球氣候變化監測水平，為災害性海洋環境的預警預報、國民經濟建設和國防建設提供公益性服務。

二、我國海洋衛星應用

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

1.HY-1A/B衛星應用

HY-1A衛星在軌運行期間，以及HY-1B衛星在軌運行的8年來，海洋衛星地面應用系統一直保持著業務化穩定運行，HY-1A衛星與HY-1B衛星的數據在海洋災害監測、海洋環境預報與監測、海洋資源開發與利用、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衛星共實施了17000余軌衛星境內外探測。2顆海洋水色衛星獲得了我國渤海、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。國家衛星海洋應用中心利用HY-1A與HY-1B衛星數據制作了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服務，在以下諸多方面發揮了重要作用。

（1）海洋水色環境監測

海洋水色環境是海洋環境的基礎信息之一，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境的業務化監測，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環境現狀和海洋生物資源的開發與保護起到了指導作用。

（2）海表溫度監測

海表溫度是重要的海洋動力環境參數，利用HY-1A/B衛星配備的兩個紅外通道，以及HY-2A衛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務化監測，海洋預報和漁業部門利用這些海溫產品開展相應的海溫預報和海洋漁業環境產品研制，服務于社會公眾和相關海洋產業部門，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衛星融合的平均海面溫度監測圖。

圖1　 海表溫度監測圖

（3）海冰災害監測

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。國家衛星海洋應用中心綜合利用多顆光學和其他衛星影像資料，對渤海及黃海北部的海冰冰情進行監測，基于海冰參數提取算法和地理信息系統平臺，提取海冰參數并及時、準確、有效地為相關部門提供衛星遙感海冰監測產品，如圖2、圖3所示。

圖2　衛星遙感監測海冰覆蓋范圍專題圖（2014-02-11） 　

圖3　衛星遙感監測海冰冰情圖（2014-02-14）

（4）赤潮災害監測

2014年，在我國近海區域，通過衛星監測到多起赤潮災害的發生。國家衛星海洋應用中心利用自主研發的赤潮衛星監測業務化系統，制作和發布了多期赤潮衛星遙感監測報告。相關赤潮遙感監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）綠潮災害監測

2008年6月至9月，青島近岸海域發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。國家衛星海洋應用中心利用HY-1B衛星的大范圍、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，綠潮衛星監測達到了業務化應用水平，每年夏季對黃東海的綠潮實行動態監測，為當地的海上交通、養殖等部門提供數據服務。

2.HY-2A衛星應用環境預報、海洋資源開發、海洋環境業務化監測、海洋軍事保障、極地航線保障等多個領域發揮了重要作用。

此外，HY-2A衛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務高度計多任務系統（AVISO）中；微波散射計的產品已被歐洲氣象衛星應用組織應用于中期數值同化預報業務中，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衛星的數據已被公認為可用于海洋環境監測預報業務化應用服務。

（1）海上風暴監測

HY-2A衛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衛星于2011年8月16日成功發射，衛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。微波遙感器所探測到的信號經海洋衛星地面應用系統的校正、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服務。經驗證，HY-2A衛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務、管理與生產部門，以及高校和科研院所，并與國家海洋環境預報中心、福建省海洋預報臺、海軍水文氣象中心等專業用戶建立了數據傳輸專線，實時傳送業務數據，在海洋防災減災、海洋

圖4　HY-2A衛星微波散射計全球海面風場（2013-07-09）

HY-2A衛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衛星觀測到的蘇力臺風（2013-07-09）

圖6　HY-2A衛星觀測到的海燕臺風（2013-11-06）

利用HY-2A衛星數據近實時監測全球特別是西北太平洋的海洋動力環境狀況，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衛星觀測到第17號臺風“北冕”。圖7中上圖為7時臺風狀態，下圖為20時臺風狀態。

圖7　HY-2A衛星觀測到得臺風“北冕”

（2）海平面變化監測

2014年，國家衛星海洋應用中心利用HY-2A衛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海洋環境產品的研制，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衛星和HY-1B衛星遙感資料為主，結合“海洋遙感信息實時自動采集系統”所獲取的國外海洋衛星資料，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境分析、漁情分析與預報，并通過北斗衛星、廣播衛星等手段向海洋漁業生產企業提供漁情預報、海況分析等服務和現場作業數據的準實時回傳，極大地提升了我國大洋漁場衛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衛星產品，結合浮標實時觀測資料，開發了HY-2A衛星數據綜合分析系統，系統可自動編制并自動發送海峽號、“省防指”等特定用戶使用衛星遙感產品簡報，及時發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展第十三個五年規劃綱要》、《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》的總體要求，《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃》明確了2025年前的建設目標與發展路線。針對海洋衛星的發展，規劃中提出，面向我國海洋強國戰略在海洋資源開發、海洋環境保護、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，海洋衛星的發展要兼顧氣象、農業、環保、減災、測繪、交通、水利、統計等行業應用需求，繼承海洋一號、海洋二號等衛星的技術基礎，發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，發展海洋監視監測衛星，不斷提高海洋觀測衛星定量化綜合觀測能力。

1）海洋水色衛星星座。圍繞海洋資源開發、生態監測、污染控制以及大尺度變化監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境要素的大幅寬、全球快速覆蓋觀測需求，發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星星座，提高觀測時效性，形成全球海洋水色環境要素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務穩定發展。

2）海洋動力衛星星座。圍繞海洋防災減災、資源開發、環境保護、海洋漁業、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境要素的高精度獲取需求，發展微波輻射計、散射計、高度計等觀測手段，建設海洋動力衛星星座。初步形成極軌、傾斜軌道互相配合的星座，實現海洋動力環境要素1天2次觀測。“十三五”期間，進一步豐富海洋環境要素觀測手段，形成海洋動力環境要素1天4次觀測能力。

3）海洋監視監測衛星。圍繞海域環境監測、海洋目標監視、海域使用管理和海洋權益維護等應用對全天時、全天候、近實時監視觀測需求，發展高軌凝視光學和高軌SAR手段，并結合低軌SAR衛星星座能力，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。

隨著以自主海洋衛星為主導的海洋立體觀測系統的逐步建立，海洋衛星地面應用系統也需隨之不斷完善。我國海洋衛星地面應用系統未來將以天地協調、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、運行業務化的高標準，滿足海洋監視監測現代化、科學化、信息化、全球化的新要求，為實施海洋開發戰略與發展海洋產業提供強有力的技術支撐。通過積極推進海洋衛星地面應用系統的發展，能夠顯著提高海洋環境預報和海洋災害預警的準確性和時效性，有效實施海洋環境與資源監測，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。