中法海洋衛星及典型應用

文|黃耀輝 趙曉磊 閻誠 宋紫溪

航天東方紅衛星有限公司

一、中法海洋衛星項目背景

中法海洋衛星（CFOSAT）是我國第一個與世界先進宇航機構在系統層面合作的衛星項目，由法方提供波譜儀（SWIM），中方提供衛星平臺和散射計（SCAT）并負責衛星發射與測控，探測數據由中法雙方共同開發利用，以獲取海面風場、海浪等海洋動力環境參數。該衛星于2009年批復立項，由航天東方紅衛星有限公司抓總，經過中法聯合團隊近10年的深入而廣泛的合作，衛星于2018年10月成功發射，2019年9月完成了衛星在軌測試評審，衛星和載荷在軌工作穩定，數據產品滿足設計要求，2020年2月衛星完成在軌交付，正式轉入業務應用。

中法海洋衛星采用成熟的CAST2000小衛星平臺，設計壽命3年，運行于軌道高度521km、降交點地方時07:00AM的太陽同步軌道，探測數據分別傳輸至中法兩國地面站，由兩國地面應用系統接收并進行處理。該衛星首次實現了海浪譜和海面風場同時探測，在海洋動力環境業務監測、海洋災害監測和預報預警、海洋科學研究中發揮重要作用。

2020年2月，中法雙方達成一致，同意開放共享中法海洋衛星的在軌數據，已有來自法國、中國、美國、俄羅斯等40多個研究團隊使用了中法海洋衛星的數據服務開展科學研究和海洋預報系統的數據優化。

二、中法海洋衛星業務產品體系

中法海洋衛星在軌工作以來，每天24小時不間斷工作，每天繞極地飛行14軌，下行數據由雙方地面站實時接收，國家衛星海洋應用中心和法國空間研究中心/法國海洋研究院均可生產1～4級海面風場和海浪譜產品。中法海洋衛星業務產品體系如表1所示。

表1 中法海洋衛星業務產品體系

截止衛星在軌交付，中方已存檔數據超過20TB，分發數據2.5TB，已在國內40多個用戶單位使用；法方已通過處理及分發提供給法國以及歐洲等多個國家的用戶使用。經地面應用系統輸出的全球海面風場、海浪譜產品已經在臺風、颶風災害監測、南北極海冰監測、海洋數值預報、短期海洋預報中實現應用驗證并得到廣泛應用。

三、中法海洋衛星典型應用

1.海洋動力環境業務監測

中法海洋衛星搭載的波譜儀在國際上首次采用六波束真實孔徑雷達方式連續測量全球海面海浪譜，掃描幅寬180km。波譜儀可業務化獲取全球海浪譜數據，為海浪同化研究提供全球尺度的海浪譜信息。這些數據一方面可以用于改進并驗證大氣-海浪邊界耦合模型的物理性質，另一方面可以通過同化技術來約束模型，克服對海洋波浪場模型假設的依賴性。圖1為基于2019年9月4日波譜儀數據得到的海浪譜產品：中心位置21.3° (N)、128.4° (E)在 70 km×90 km 范圍內的海浪方向譜，有效波高3.9m，主波波長145m，主波波向75°。

圖1 海浪譜產品示例

衛星搭載的散射計是國際上首次采用扇形波束掃描方式測量海洋風場的微波散射計，刈幅大于1000km，提高海面風速和風向的反演精度，更加精準地觀測海面風場。散射計可以與波譜儀實現觀測角的互補，對研究海洋動力環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日散射計數據獲取的全球海面風場產品，覆蓋率達95%以上。

圖2 海面風場全球分布圖

中法海洋衛星可獲取全球海浪譜、有效波高、海面風場等海洋基本參數，從而更好地了解、認識海表面波的動力過程與變化過程，有助于完善我國海洋立體監測手段，彌補海洋一號、海洋二號等衛星在探測手段、時間、空間上的不足。

2.海洋災害監測和預警

中法海洋衛星獲取的實時海況信息可以用于海洋災害監測和預警，減少災害損失。該衛星可為海洋預報提供海浪譜、海面風場等多參量的初始場信息，改進海況預報及同化模型，提高對巨浪、海洋熱帶風暴、風暴潮等災害性海況預報的精度與時效。風浪聯合探測獲取的全球海況信息，有利于改進中、長期氣候預報模式，提高預報準確性，從而帶來巨大的經濟效益。隨著我國海洋產值的增加，海洋災害造成的直接經濟損失也隨之增加，海洋災害的直接經濟損失約占海洋總產值的10%。如果海洋環境預報時效提前一天，可減少約6%的經濟損失。衛星的設計壽命為三年，按我國“十二五”海洋總產值估算，可減少760億元的經濟損失。

2019年9月4日，中法海洋衛星對超強臺風“玲玲”的海面風場和海浪場進行了觀測，如圖3所示。臺風路徑右側風速超過14m/s大風區的有效波高超過5m，觀測主波波長為150～180m，風場為西南向，海浪向東傳播。風向和浪向的偏移隨臺風中心距離增大，接近理論預測。

圖3 中法海洋衛星對臺風“玲玲”進行風浪同步觀測

波譜儀海浪波陡產品可用于描述波浪的陡峭程度（圖4）。危險海況指數產品使用0～20來描述海況等級，有效波高、波陡和涌浪成分越大，海況越惡劣（圖5）。

圖4 波譜儀海浪波陡產品

圖5 波譜儀危險海況指數產品

3.海洋科學研究

中法海洋衛星可以實現全球尺度的風浪聯合觀測，有助于為海洋科學研究、全球氣候變化提供實測數據和積累長時間系列歷史數據。圖6為2019年1月衛星散射計監測到的南極海冰分布及面積。

圖6 衛星散射計監測的南極海冰分布及面積

“無風不起浪”，海表面的波浪和大氣之間存在復雜的邊界耦合過程，因此海浪和海面風場的各自特性以及兩者相互作用的關系，一直受到科學家的廣泛關注。風浪聯合觀測有助于揭示長涌浪與風浪的相互作用、與交界海面的關系，以及與危險海況相關的能量聚合的物理過程。此外，由于風浪聯合觀測多入射角的設計，衛星可提供從小波（幾厘米）、中波（十幾厘米到幾米）到長波（幾十到上百米）的多尺度海面風場及波浪信息，對于研究不同尺度波浪的時空變化及傳播過程有巨大幫助，有利于揭示占據約全球70%面積的海洋表面水氣交互作用的科學機理，在海洋科學研究、海洋技術應用和工程研究等方面有重大效益。

四、結束語

中法海洋衛星已成功發射并在軌穩定工作超過一年，其在軌表現優異，遙感數據質量處于世界領先水平，衛星獲取的全球海面風場、海浪譜產品在臺風、颶風災害監測、南北極海冰監測、海洋數值預報、短期海洋預報中得到應用驗證，效果良好。目前，該衛星已正式投入業務應用。同時，中法海洋衛星數據已由中、法等多國科學家共同使用，開展更深、更廣的科學研究與應用。隨著中法海洋衛星應用數據開放共享不斷深入，衛星數據的應用領域將不斷擴大，將進一步服務于海洋預報和海洋研究，為海洋防災減災和全球氣候變化等研究提供支撐。