新一代海洋科學衛星的思考與展望*

陳 戈， 楊 杰， 張本濤， 馬純永1，

(1. 中國海洋大學信息科學與工程學院海洋技術系，山東 青島 266100； 2. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室，區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室/“觀瀾號”海洋科學衛星工程部， 山東 青島 266237)

海洋科學是一門基于觀測的數據密集型學科。海洋衛星遙感以其大面積、準實時、連續觀測的綜合優勢，是20世紀后期海洋科學取得重大進展的最主要技術手段。據作者統計，近20年來在Science、Nature期刊發表的涉海文章中近一半都與衛星遙感相關。進入21世紀，隨著海洋科學在衛星計劃中的主導地位不斷增強，研制專門的海洋科學衛星正日益成為各國重點發展的方向。

海洋科學衛星一般以重大科學任務和科學目標為牽引，以探索科學前沿和追求科學發現為驅動，由海洋科學家和科學組織發起推動，具有開創性、引領性和突破性作用，對海洋科技原始創新能力和科技水平的提升具有不可替代的作用，是新科學、新技術、新產業得以涌現和發展的源頭之一，是海洋科技領先的集中體現和重要標志。

1 海洋科學衛星發展

1.1 海洋遙感——海洋科學大發展的關鍵技術手段

縱觀海洋遙感發展歷程，海洋技術的新突破和海洋科學的大發展往往通過科學任務驅動下的衛星計劃實現的。在世界洋流(WOCE)計劃的推動下，1992年美國發射了由美、法最新研制的TOPEX/Poseidon(簡稱“T/P”)測高衛星，被稱之為測高技術上的一次飛躍[1]。T/P衛星以前所未有的海平面測高精度(～2 cm)對全球海洋進行了長達13年的高效觀測，使人類認識到大洋環流的清晰面貌、確認海平面上升的客觀事實(基于T/P衛星數據，發現全球平均海平面以(2.8±0.4) mm/年速度上升[2])、建立高精度海洋潮汐和大地水準面模型、發現海洋中廣泛存在的中尺度渦現象等[3-6]，為海洋學和大地測量學的發展做出了重大貢獻。在海洋水色衛星發展方面，1978年美國發射的Nimbus-7[7]試驗衛星搭載了世界上第一代海洋水色遙感器——海岸帶水色掃描儀CZCS，但受制于分辨率、信噪比、波段數量等能力限制，尚無法深入開展全球水色遙感的定量化研究。進入1990年代，為配合全球海洋通量聯合研究(JGOFS)計劃和全球海洋生態系統動力學研究(GLOBEC)計劃，1997年美國又發射了世界上第一顆專用海洋水色衛星Seastar，搭載了當時最先進的第二代寬視場海洋觀測傳感器SeaWiFS，連續積累了十幾年的全球海洋高質量水色數據，對全球海洋初級生產力估算、海洋生態系統與上層海洋過程、海洋碳通量與全球變暖等前沿領域研究發揮了重要作用[8]。21世紀以來，以科學應用為主導的衛星計劃更是有增無減。例如，為觀測大氣與海洋、陸地之間的全球水汽循環，開展全球氣候變化研究，歐空局于2009年發射了世界上唯一能夠同時觀測海水鹽度和土壤濕度變化的SMOS衛星[9]；此外，為研究全球氣候變暖影響，2010年歐空局又專門設計并發射了世界上第一個用于極地冰層、海洋浮冰及沿岸帶海平面高度精確監測的Cryosat-2衛星[10]等。系列科學衛星計劃的實施，不僅推動了海洋科學的跨越發展，而且帶動了海洋衛星遙感技術的突破，加速了海洋衛星遙感的業務化應用。

1.2 海洋遙感的科學衛星時代

正是由于科學衛星在海洋科技發展中的重大推動作用，以實現科學任務為目標導向的科學衛星越來越被重視，海洋遙感也逐漸由試驗衛星、業務衛星階段邁向科學衛星階段。

1.2.1 試驗衛星階段——拉開倚天觀海的序幕 1970年代，美國先后發射了Seasat-A、Nimbus-7、TIROS-N等系列試驗衛星[7,11]，開啟了現代空間對海觀測的新歷程。1978年，美國發射了世界上第一顆海洋衛星Seasat-A，該衛星搭載了當時技術條件下能夠研制出來的所有海洋遙感器，如微波輻射計SMMR 、微波高度計RA 、微波散射計SASS 、合成孔徑雷達SAR 、可見光紅外輻射計VIRR 等多種傳感器。盡管在軌壽命只有短短的3個月，但其觀測效率之高，遠超當時人們的想象。更為重要的是，它首次驗證了利用遙感手段從太空探測海洋的可行性、高效性和巨大潛力，為人類進入海洋立體觀測的業務化時代邁出了關鍵一步。

1.2.2 業務衛星階段——開啟巡天探海的直播 1980年代以來，在經過前期試驗衛星技術驗證，以及后續實施的系列科學衛星計劃推動下，遙感器技術趨于穩定，壽命可長達十年之久，海洋遙感開始進入以業務化應用為主的發展階段，形成了以水色傳感器、微波輻射計、微波散射計、雷達高度計和合成孔徑雷達為代表的有效載荷，發展了海洋水色、海洋動力環境衛星系列，建立了成熟的衛星數據分發和應用體系，并成功應用于海洋環境監測、海洋資源開發、海洋權益維護、防災減災等諸多領域，成為推動世界海洋經濟發展、海洋事業進步、海洋強國邁進的重要驅動力量[12]。

1.2.3 科學衛星階段——揭開大數據海洋學的新篇章 進入21世紀，由于海洋科學衛星在科技發展中的地位愈加凸顯，世界各國紛紛制定更多專門的海洋科學衛星計劃，海洋遙感已邁入科學牽引的科學衛星時代。當前，海洋衛星的發展也逐步由追求載荷指標的先進性轉向為解決科學問題的有效性，衛星載荷研制開始瞄準具體科學任務而量身打造。可以說，誰搶先提出海洋科學的前沿問題并針對性地研制和發射新型海洋遙感器，誰就能在該領域的衛星遙感技術、大數據應用及大科學研究方面占據主動。未來10年，隨著面向全海域、全天時、全天候、高時空分辨率“四維遙感(時空維度)”觀測的新一代海洋科學衛星計劃的成功實施，海洋遙感將全面進入科學牽引、技術驅動、數據主導的新時代(見表1)。

1.3 新一代海洋科學衛星計劃

海洋動力過程(包括微小尺度、中尺度和大尺度運動)是海洋物質輸運和能量傳遞的基本形式，是海洋學研究的基礎。從水平尺度看，已對空間尺度較大的海洋環流及中尺度的海平面變化都有了比較清晰的認識[13]，但對于小尺度和中尺度間的裂縫，即亞中尺度(10～100 km)海洋動力過程仍知之甚少，而這恰恰是海洋能量級聯和物質轉移最關鍵的部分[14]，也是研究大洋環流、能量耗散和氣候變化的基礎。從垂直尺度看，當前的衛星遙感僅能進行“海洋表層”觀測，而實現對海洋上混合層乃至躍層分層結構的剖面遙感觀測，將對海洋生態學、海洋動力學、海洋軍事學研究產生深遠影響[15]。因此，實現海洋亞中尺度和近溫躍層的遙感觀測，是當前海洋遙感面臨的重大技術挑戰。

圍繞海洋科學前沿，聚焦新載荷、新機理、新技術研發，世界主要海洋強國正在布局新一代海洋科學衛星計劃，以掌握未來海洋科技的主動權。面向海洋亞中尺度遙感觀測，2007年美法聯合提出了“地表水與海洋地形”(Surface Water and Ocean Topography，SWOT)衛星計劃[16](見圖1)，設計搭載了新型Ka波段干涉成像高度計，在與傳統高度計厘米級測高精度相當的條件下，可將空間分辨率提高一個數量級(從100～150 km提高到10～20 km)，目前處于實施階段，預期2021年發射；2018年歐空局提出了SKIM衛星計劃[17]，設計搭載新型多波束多普勒掃描式雷達高度計，用于全球海洋表層矢量流場和波浪的遙感觀測，空間分辨率與SWOT相當，目前處于全面論證階段；面向海洋剖面“三維遙感”觀測需求，國際上雖尚未提出專門的海洋衛星計劃，但海洋激光雷達被認為是未來最有望實現這一目標的技術手段。聚焦國內，2016年中國青島海洋科學與技術試點國家實驗室提出了“觀瀾號”海洋科學衛星計劃[18](見圖2)，設計同步搭載干涉成像高度計和海洋激光雷達的雙載荷體制，將實現海洋水平動力過程高精高分(2 cm@3 km×3 km)和海洋剖面激光雷達垂直穿透(150～300 m)的一體化遙感觀測能力，同步解決上述海洋亞中尺度和近溫躍層遙感觀測的科學需求，目前處于預研階段。

圖1 “地表水與海洋地形”計劃(NASA官網)

圖2 “觀瀾號”計劃

2 新一代海洋科學衛星代表性載荷

如前所述，針對海洋亞中尺度遙感觀測，具有寬刈幅、高分辨率、高精度的新型干涉成像高度計載荷是目前被較多采用的一種解決方案；針對海洋剖面分層遙感觀測，作為一種主動光學遙感的激光雷達，已經通過機載試驗及大氣/冰蓋星載激光雷達在軌驗證，被證明是未來實現“三維遙感”的載荷技術。因此，本文重點選擇干涉成像高度計和海洋激光雷達作為新一代海洋科學衛星的代表性載荷，分別予以介紹。

2.1 干涉成像高度計——衛星測高技術的新突破

海洋雷達高度計是迄今唯一能以厘米級精度測量平均海平面高度的微波遙感器,在海洋地形觀測中占據著重要地位。基于雷達高度計的海洋衛星測高技術發展大致分為三個階段，具體如表2所示。

第一階段：中尺度“菱形”階段(1970年代—1980年代)。在該階段，傳統高度計每3/17天沿相交軌道重復測量海平面高度，而軌道之間從未采樣的空白區域(約1.5°，沿赤道)形成一個“菱形”圖案，空間分辨率～100 km。通過該階段衛星計劃的實施，獲取了許多半定量結果,如海盆尺度環流特征、南極環流特征及中尺度海洋變化等[19]。

第二階段：半尺度“網格”階段(1980年代—2010年代)。多源高度計數據融合測高技術的應用大大提高了采樣精度，可以每天構建一個“網格”式(一般為0.25°×0.25°)SSH產品[20-21]。該階段的空間分辨率提升至～50 km，并由此實現了對海洋環流、羅斯貝波和中尺度渦旋的系統觀測和深入理解，對海洋科學的發展做出了許多定量化、基礎性的貢獻。如，通過測高獲取海表地形的技術手段第一次為大尺度全球海洋模式研究提供了天然試驗平臺；SSH的高程測量揭示了海洋中一種類似于羅斯貝波特征的持久性的西向傳播運動現象[22]，后又被證實為“全球海洋中幾乎無處不在的非線性渦旋”[6]。

表2 衛星測高發展的三個階段[18]Table 2 Three phases of development for satellite altimetry[18]

第三階段：亞中尺度“像元”階段(2020年代之后)。在即將到來的“像元”階段，新一代干涉成像高度計的成功應用將有望實現每1～3天對海洋地形進行“成像”，其“像元”大小小于(10 km×10 km)[23]，空間分辨率提升至～10 km。2016年我國三維成像微波高度計隨著天宮二號飛船的成功發射，成為國際上首顆在軌運行的寬刈幅干涉成像高度計，首次驗證了海表面高度干涉測量和三維成像的技術可行性。而作為當前“像元”階段的主要衛星任務——“SWOT”及“觀瀾號”衛星計劃，將更以前所未有的刈幅寬度(100～200 km)、高空間分辨率(～10 km)、厘米精度(～2 cm)測量海洋地形[18，24]，解決亞中尺度和幾天時間內的海平面變化觀測問題，實現對海洋渦旋整個生命周期(尤其是在發生和消亡階段持續一兩周內的亞中尺度狀態)的跟蹤觀測。同時，它還將用于估計10～100 km尺度上發生的海洋垂向運動，有助于深入理解海洋環流能量平衡[25](見圖3)。

圖3 干涉成像高度計

事實上，基于高度計的海洋動力學發展一直伴隨著爭議和爭論，許多問題都是因為不完備采樣(有時是病態的)和SSH重構不合理引起的。新一代干涉成像高度計所帶來的測高技術上的突破(“柵格”階段跨越至“像元”階段)，將根本推動海洋動力學研究從中尺度向亞中尺度轉變，這對打通海洋中不同尺度能量級聯和物質循環關鍵鏈路,進而提升全球氣候預報預測的精細化水平，都具有十分重要的意義。

2.2 海洋激光雷達——三維遙感透視的新技術手段

星載激光雷達發展于20世紀。作為星載激光雷達的先驅，美國NASA于1988年啟動了激光雷達空間技術實驗(LITE)[26]；1994年，美國在發現號航天飛機上成功進行了氣溶膠和云激光雷達的可行性試驗；2006年，美國NASA和法國CNES聯合發射了CALIPSO衛星(云/氣溶膠激光雷達和紅外測衛星)[27]，至此，星載激光雷達技術終于從試驗階段轉向實際應用階段。但截止目前，國際上仍尚未實施對海觀測的專用海洋激光雷達計劃。

盡管CALIPSO衛星以大氣觀測為主要任務，但在過去的十多年中，它仍然為海洋學研究提供了許多寶貴的副產品[28]：Behrenfeld等使用CALIPSO數據來量化全球海洋浮游植物生物量和總顆粒有機碳儲量[29]；Lu等發現海洋次表層總后向散射與葉綠素a濃度以及顆粒狀有機碳之間存在顯著關系，并表明CALIPSO激光雷達有望用于估算全球葉綠素a和顆粒狀有機碳濃度[30]；Behrenfeld等報告了10年不間斷的極地浮游植物生物量，發現極地浮游植物動態過程被劃分為“盛衰”循環，并解釋是由于浮游生物捕食者-獵物間的食物鏈失衡造成的[32]等，上述研究成果再次力證了激光雷達在海洋學研究中的重要潛在價值。

因此，星載海洋激光雷達作為一種主動光學遙感，與傳統被動光學遙感相比，至少有三方面的優勢：(1)可有效穿透海洋混合層，通過推導獲取海洋次表層的分層光學性質，進而揭示溫躍層結構及其相關動力學特征[31-35]；(2)通過其主動光學遙感，可實現全天時探測，并開展與傳統被動光學遙感相結合的主被動融合研究；(3)實現水下生物群落的直接探測，同時結合真光層中各種浮游植物和浮游動物的間接信號，可揭示海洋食物鏈和生態系統的初步特征和規律[36-38](見圖4)。

圖4 海洋激光雷達

3 新一代海洋科學衛星的應用展望

3.1 將帶來海洋測高和剖面光學遙感數據量的激增，推動海洋大數據的新發展

隨著新一代海洋觀測技術的發展，尤其是三維高分遙感透視技術的突破，海洋科學將邁入大數據時代[39]。據統計，截止到2019年，海洋觀測數據的約一半貢獻來自于衛星遙感[40]，然而，目前這些遙感數據的大部分來自于可見光和紅外遙感器，而微波遙感數據由于低空間分辨率原因占比仍然較低。因此，具備全球海洋高時空分辨、長時間序列、無縫覆蓋海平面高度測量能力的新一代寬刈幅干涉成像高度計的成功應用，不僅解決傳統高度計存在的固有病態采樣問題(沿軌密集/跨軌稀疏的不對稱)，而且其帶來的海量測高數據(每日數據激增約104倍)，必將進一步推動亞中尺度海洋學領域海洋大數據的新發展。

此外，當前衛星遙感還僅僅停留在準實時的二維階段，海洋剖面深度的衛星遙感數據貢獻近乎為零，即使垂直尺度上的現場觀測數據分布也隨深度銳減：即從海面的PB級減少到大洋海底的KB級。從該意義上講，由于數據量在海洋垂直維度上的嚴重不均勻分布，海洋表面雖已進入大數據時代，而海洋內部仍處于小數據階段。因此，海洋激光雷達在海洋三維遙感觀測上的歷史突破，不僅使其獲取的直達近溫躍層深度的全球海洋光學剖面數據顯得極為珍貴，為海洋混合層的觀測和研究做出不可估量的貢獻，而且也是未來海洋內部跨入大數據時代的重要途徑。

3.2 將建立海表動力參數和剖面光學/生態參數的一體化遙感能力，推動海洋跨學科深入研究

全球變化問題已成為人類面臨的共同挑戰之一，從地球系統整體角度出發，海洋跨學科研究將是未來海洋科學發展的主要趨勢和必然要求。在廣泛的時空尺度中，海洋物理、海洋生物以及生物地球化學參數的相互耦合是海洋系統的一個基本特征，如上升流、厄爾尼諾/拉尼娜、太平洋年代際振蕩等現象。研究表明，物理—生物—生物地球化學相互作用/協變在海洋中尺度上有著很強的表現，其機制研究需要使用多學科方法[41-42]。中尺度渦作為廣泛存在且又典型的中尺度現象，是海洋科學研究的前沿和熱點。目前通過衛星高度計數據融合而建立的全球范圍內自動識別和跟蹤單個渦流的方法，已使半尺度(～50 km)上的海洋跨學科研究取得了初步進展。然而，中尺度渦是一個旋轉水柱，即通過所謂的埃克曼螺旋、海洋上混合層、鏡像層[43]、密躍層(溫躍層、鹽躍層)，以及流體動力學和地球物理學的聲波導、生物海洋學的真光層等“載體”沿垂直深度延伸至數百米甚至千米。因此，通過新一代干涉成像高度計和海洋激光雷達的聯合觀測，建立海表動力參數和剖面光學/生態參數的一體化遙感能力，不僅可實現對中尺度渦(甚至亞中尺度渦)表面特征和內部結構的三維同步觀測，還將進一步推動海洋動力學和海洋生態學的跨學科研究。

3.3 將搭建海洋觀測與模式“協作”的橋梁，推動亞中尺度海洋學的新突破

觀測(現場和遙感)和模式是支撐現代海洋學發展的兩大強力工具，作為未來海洋學發展的“左膀右臂”，兩者只有協同發展，使其分辨率在時空尺度上相互匹配，才能發揮其“合力”優勢。1980年代，隨著遙感衛星的業務化運行，海洋遙感(動力)觀測能力率先達到中尺度(～100 km)水平，模式發展暫時落后；1990年代，提出的渦分辨率數值模擬概念[44]與當時衛星測高的中尺度分辨能力(～100 km)基本一致，迎頭趕上；21世紀之后，隨著計算機技術的飛速發展，區域模式動力(地轉)分辨率已躍升至亞中尺度(～10 km)水平[45]，后來居上。然而，截至目前，融合高度計數據的最佳空間分辨率仍停留在半尺度，遠落后于海洋模式的分辨率。觀測和模式分辨率的長期不匹配將減緩并限制海洋模式乃至海洋學的整體發展。因而，隨著新一代衛星計劃的先后實施，其搭載的干涉成像高度計有望首次使衛星遙感的觀測分辨率在全球尺度上達到～10 km水平，實現與模式分辨的“再匹配”，不僅為未來海洋模式深入研究和模式精細化預報提供第一手高分辨率觀測資料，而且二者將共同為21世紀亞中尺度海洋學的新突破提供合力支撐。

3.4 將實現海洋生命系統的直接遙感探測，揭示水下生物群落遷移的時空規律

目前，通過傳統主流遙感器(可見光、熱紅外和微波)從空間探測的海洋基本參數包括：海表溫度、海水鹽度、海面高度、風場、水色和海冰等[51]。就海洋水色和海洋生態系統而言，持續的云層覆蓋、夜間和極地區域的極夜現象嚴重制約了傳統被動光學衛星的水色參數測量，甚至每年大片地區(如極地)連續好幾個月都無法觀測。而基于新一代海洋激光雷達主動遙感技術不僅可獲取包括極地區域在內的全球海洋次表層剖面分層的光學特性，而且將有望實現海洋次表層以上海洋生命系統的直接遙感探測。因而，在未來十年，隨著海洋激光雷達衛星的成功發射，將很快進入從太空探測生命信號的時代，海洋生命系統遙感能力將從目前積分初級生產力的物理探測階段邁向分層生物群落的生命探測階段，這在海洋衛星遙感的發展中將具有里程碑意義。

4 結語

隨著海洋科學衛星在科學前沿探索、核心技術突破、新興產業帶動等方面的作用日益凸顯，發展專門的海洋科學衛星正在成為世界各國共識。當前，圍繞海洋亞中尺度和近溫躍層遙感觀測需求，國際上正在積極布局實施以干涉成像高度計和海洋激光雷達為新型載荷的新一代海洋科學衛星計劃，一旦實現突破，將對未來亞中尺度海洋學、海洋躍層動力學以及大數據海洋學發展將產生深遠影響，這對我國把握當前海洋科技有望實現重點跨越的難得機遇、加快推進實施我國的海洋科學衛星計劃，具有十分重要的借鑒和啟示意義。

致謝：感謝唐軍武研究員和趙朝方教授的有益討論和建設性意見。