文｜贾永君 刘建强 林明森 张有广 蒋兴伟

1.国家卫星海洋应用中心

2.自然资源部空间海洋遥感与应用重点实验室

一、前言

海洋约占地球表面积的71%，不仅是船舶航行的通道，也是人类生存和发展所需物资的主要源泉之一。海洋不仅可以向人类提供水产品，还有丰富的矿产资源可以开发，海上石油和天然气是人类可使用的重要能量来源。直接利用的海洋能，比如潮汐能、波浪能、温差能，是标准的绿色能源。为了全人类的福祉，全力开发和保护海洋是摆在人类面前的迫切任务。

海洋在本质上起着像大气那样重要的作用，即使人类对于海洋变化及其引发的作用可能既没有充分地觉察到，也没有很好地理解它。改造、利用和保护海洋的首要前提是了解海洋，理解的前提是要全面掌握大量高精确的观测资料。

认识和了解海洋大概可分四个层次：第一是海岸带，第二是近海，第三是周边海域，第四是全球大洋，当然也可以从时间尺度上划分层次。在卫星遥感技术之前人类了解和认识海洋的主要手段是现场测量、船舶测量等，然后基于这些观测总结认识海洋，但局限于前两个层次，并且认识的不完全准确。海洋动力环境要素获取的主要手段有四类：观测（立体监测与现场观测）、数值预报、物理模拟和理论研究。观测是第一位也是最重要的，但是观测受到时间和空间分辨率的限制，也受到海况条件的限制，实际在海上的实测资料是非常稀疏的。海洋遥感可以获得时空较连续的资料。

海洋是一个多运动形态的复杂耦合系统，时空尺度变化大，从毫米尺度的毛细重力波到上万千米的海洋环流都时时刻刻存在，时间尺度从秒级到上百年，并且这些运动形态不是独立存在的，它们之间相互作用，相互影响。

人类已经认识到太阳辐射的不均匀产生了风，风吹拂海面产生海浪和风海流；降雨影响海水的盐度，云和辐射会影响海水的温度，温度和盐度共同作用产生了密度流，风海流和密度流构成了海洋环流。但是如何快速、准确、高精度获取海水温度、盐度、密度、波浪、海流（含潮流）和水位等海洋减灾防灾、国家安全以及公众需求的海洋动力环境要素非常关键。

同时，在海洋资源开发、全球性环境变化监测、海洋权益的维护及沿海地区的综合开发和管理等方面，都需要有一种新的海洋观测技术替代或补充传统的常规海洋调查方法，而海洋遥感所具有的大范围实时同步、全天时、全天候多波段成像技术优势可以快速地探测海洋表面各物理参量的时空变化规律。

红外或可见光遥感由于会受到气象条件和观测原理的限制，对海洋动力环境的探测能力有非常大的局限，而微波遥感是非常有效的手段，目前我国已经建成了载荷为微波波段的海洋动力环境卫星星座。

海洋动力环境卫星星座，通俗地讲，就是通过三星组网，由单颗独立卫星变为可相互关联配合的星座。

二、海洋动力环境卫星星座性能

2021年5月19日，海洋二号D（HY-2D）卫星成功发射，HY-2D卫星是我国第四颗海洋动力环境系列卫星，与已在轨运行的HY-2B卫星和HY-2C卫星“三星组网”，共同构建成我国首个海洋动力环境卫星星座（图1），实现对全球海面高度、有效波高、海面风场、海面温度的全天时、全天候、高精度观测，有效服务我国海洋防灾减灾与自然资源调查监管。

图1 海洋动力环境卫星星座三星组网示意图

为了提高海洋观测效率，我国的海洋动力环境卫星星座包括至少3颗海洋动力环境卫星，通常是1颗极轨（太阳同步轨道）卫星和2颗倾斜轨道（非太阳同步轨道）卫星组成。2019年10月25日发射的HY-2B卫星是一颗极轨海洋动力环境卫星，其上搭载了雷达高度计、微波辐射计、微波散射计和校正辐射计等载荷，可以实现海面高度、有效波高、海表温度、海面风场等海洋动力环境信息的同时、快速获取。2020年9月21日发射的HY-2C和2021年5月19日发射的HY-2D是两颗倾斜轨道卫星，HY-2C和HY-2D上除了微波辐射计外，搭载的载荷和HY-2B完全一样（表1）。

表1 海洋动力环境卫星星座组成及其主要信息

通过HY-2A这颗试验业务卫星的积累，HY-2B、HY-2C和HY-2D的数据产品精度得到大幅度的提高，产品精度见表2，并且海洋动力环境要素产品形成了体系化。同时相海表温度、有效波高、海面风场、海面高度等信息不仅可以加深人类对海气相互作用的认识，还可以为全球气候变化、海洋未知信息的提取提供强有力的支持和帮助。

表2 HY-2B/C/D海洋动力环境主要要素产品精度

三星组网后的海洋动力环境卫星星座的观测效率得到了显著提升。即使只有HY-2B卫星的微波辐射计能观测，全球海表面95%的地方每天也都有温度观测，这主要是因为微波辐射计1700km的观测刈幅决定的。

由于HY-2B以及HY-2C/D微波散射的观测刈幅平均超过了1750km，三星组网后，海面风场的观测效率得到了极大的提高，图2给出了三星组网后的观测效率。

从图2可以看出，三星组网后6小时全球超过85%海域有海面风场观测数据，12小时有95%的海域被海洋二号系列卫星散射计观测，结合中法海洋卫星（CFOSAT）微波散射计和欧洲的气象业务（MetOp）系列卫星，观测效率会更高。

图2 三星组网后卫星散射计全球海域海面风场观测效率

目前，我国的海洋动力环境卫星星座搭载的雷达高度计都是星下点观测，观测足印约2km，每秒提供一个观测数据产品。整体而言星下点雷达高度计观测效率非常低，目前有两种应对方案，一种是发展宽刈幅雷达高度计，另一种是建立多星组网运行。

为了更详细地说明三星组网后的观测效率提升，本文分析了在全球海域内的所有点，以该点为中心画同心圆，寻找圆内至少有一个观测点的最小半径。图3给出了从1天到10天观测周期内该半径的变化情况。

图3 组网动力卫星雷达高度计全球海域观测效率

三、 海洋动力环境卫星星座应用

1．多源数据融合

（1） 海表温度融合

我国的HY-2B卫星搭载微波辐射计和HY-C、HY-1D海洋水色卫星搭载的具有红外波段的海洋水色水温扫描仪得到的海表面温度精度均达到了国际先进水平。HY-2B微波辐射计不受云雨等气象现象的影响，可以全天时全天候观测，但是分辨率较低，为50km；HY-1C和HY-1D卫星上具有红外波段的海洋水色水温扫描仪虽然受气象条件影响较大，但是分辨率高，为1km。二者的融合不仅不会降低观测精度还能提高分辨率。图4给出了HY-2B卫星搭载的微波辐射计和HY-1C、HY-1D具有红外波段的海洋水色水温扫描仪得到的海表温度融合产品，产品的空间分辨率为5km，精度优于0.5℃。

图4 海表温度融合产品

（2） 海面高度异常融合

卫星雷达高度计的采样特点在一定程度上限制了海洋动力学问题的研究，为了更好地将卫星雷达测高数据应用于海洋动力学研究和海洋同化预报中，数据融合是不得不开展的工作。通过数据融合可以得到全球或局部海域的海面高度异常网格化产品，并在此基础上得到平均动力高度和地转流等产品。

图5给出了2021年3月2日—2021年3月12日HY-2B、HY-2C、Jason-3的海面高度异常融合产品。经与aviso融合产品比较，利用上述三颗自主研发的多任务融合海面高度异常产品精度约为4cm，可以满足三维温盐同化数值预报和海洋动力学的研究使用。

图5 HY-2B、HY-2C、Jason-3的全球海面高度异常融合结果

多星组网后，我国完全可以利用自主卫星实现多任务融合，实现该类产品的自主化。随着海洋动力卫星组网的建成，卫星获取的数据将呈几何式增长，同时卫星也变得更加稳定可靠，为世界海洋信息库更新提供持续不断的服务，为人类更好地开发、利用、保护、管控海洋提供行之有效的“中国力量”。

（3） 海面风场融合

风场不仅是海气相互作用重要的纽带，也是海洋动力环境预报、海上生产生活必须关注的海洋要素。沿轨的海面风场虽然刈幅超过1750km，但是还不足以满足应用需求，所以非常有必要进行数据融合。

图6是利用HY-2B、HY-2C卫星研制的多源卫星2021年7月23日海面风场融合产品，融合后形成标准的网格化产品，空间分辨率为25km×25km，精度优于1.5m/s，并且实现了6小时一次的融合效率。

图6 多源卫星海面风场融合

2.其他应用

我 国 现 在 有HY-2B、HY-2C、HY-2D和CFOSAT四颗卫星搭载有微波散射计。即使HY-2D还在在轨测试阶段的时候，风场的观测能力也和HY-2B、HY-2C几乎一样。

据统计，按照HY-2卫星微波散射计的刈副进行观测，全年的台风均可全部捕捉到，这已经成为防灾减灾和应急会商必备的遥感数据源。“烟花”于2021年7月18日2时被中央气象台升格为热带风暴，7月21日11时被中央气象台升格为强台风，7月25日12时30分前后在浙江省舟山普陀沿海登陆，登陆时中心附近最大风力13级（38 m/s）。7月25日正值天文大潮期，台风“烟花”登陆前后浙、沪、苏及沿海出现风、雨、潮三碰头，叠加影响大。7月26日9时50分前后在浙江省嘉兴平湖沿海再次登陆。

利用HY-2B、HY-2C、HY-2D微波散射计对台风“烟花”的连续观测（图7），可以近实时定位台风的位置、强弱等，并根据不同时刻台风的位置勾勒出台风的移动路径，这对于海洋防灾减灾是非常重要的参考。

图7 HY-2B、HY-2C、HY-2D微波散射计对台风“烟花”连续观测

四、结束语

海洋动力环境要素观测不仅对了解和认识海洋有非常重要的帮助，同时相的海洋动力环境要素观测还对海气相互作用研究、全球气候变化研究具有非常重要的作用。

中国建成的第一个海洋动力环境卫星星座集主、被动微波遥感器于一体，具有高精度定轨与全天候、全天时、全球海洋高效探测能力，可同步获取海面风场、有效波高、海面高度、海面温度等多种高时效海洋动力环境参数信息，与国外单颗卫星相比，海面风场数据获取时效由单星的24小时提高到6小时，覆盖全球85%以上的海域。

同时海洋动力环境卫星星座兼顾了大洋和极地观测。作为全球首个专用于海洋动力环境信息获取的星座，既聚焦大洋观测，又兼顾极地观测。采用太阳同步轨道具备极区海洋环境观测能力，采用非太阳同步轨道可有效分离各潮汐分量，解决潮汐混频问题。采用顺行加逆行轨道，有利于在轨交叉定标和真实性检验，摆脱长期依赖外星定标和检验的局面，成为完全自主可控的卫星星座。

通过卫星组网获取的高时空分辨率信息，使区域高分辨率海洋动力环境融合产品的制作具备条件，可增加更高空间分辨率和时效性的专题信息产品，使卫星数据在我国近海的应用效能得到更大发挥。

星座建成后不仅对台风路径、强度等有准实时观测，还可以对台风可能引发的灾害进行预判，并对灾害应急等部门提出合理化建议。

第二个海洋动力环境卫星星座已进入论证阶段，将重点加强星地一体化的设计，继续提升卫星观测的时空分辨率，持续为我国海洋防灾减灾、预警预报提供高频次实测数据，为海洋资源开发、海洋科研等提供更加有力的数据支撑服务。