王丽丽 赵鸿志 张可立

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

海洋约占地球表面积的71%，是生命的摇篮、资源的宝库、交通的命脉、战略的要地。中国既是陆地大国，也是海洋大国，拥有漫长的海岸线、广袤的管辖海域和丰富的海洋资源，拥有广泛的海洋战略利益。

航天遥感技术的大力发展使其成为全球海洋信息获取与服务的最重要手段。经过数十年的发展，中国海洋卫星遥感技术取得了显著成果。截至目前，中国已先后成功发射了海洋一号系列4颗海洋水色遥感卫星[1-10]，形成了在轨业务化运行能力。当前正开展的新一代海洋水色卫星的研制，其功能及性能将达到或接近国家极轨卫星伙伴计划(National Polar-orbiting Partnership，NPP，发射后更名为Suomi NPP)配置的可见近红外成像辐射计(Visible/Infrared Imager and Radiometer Suite，VIIRS)、哨兵3A/B卫星(Sentinel-3A/B)配置的海洋与陆地彩色成像光谱仪(Ocean and Land Color Instrument，OLCI)等国际同类水色遥感器的水平，将在中国海洋信息服务保障中发挥更大的作用。

但应该看到，随着人类对海洋认知的不断深入以及中国国民经济的高速发展，当前中国海洋水色卫星技术指标及应用效能与未来的应用需求还存在一定的差距。因此，在新时代海洋强国建设进程中，应紧紧围绕海洋应用需求，大力发展中国海洋水色卫星，补齐海洋环境探测手段不足的短板，增强卫星遥感对海洋环境要素的探测能力，服务于海洋强国建设的国家战略。本文通过梳理国内外海洋水色卫星/载荷的发展现状，分析未来海洋水色卫星的发展趋势，为中国发展下一代海洋水色卫星发展提出建议。

1 国际海洋水色卫星发展情况

1.1 发展现状

从20世纪70年代开始，全球共发射海洋水色遥感卫星(载荷)20多颗[4,11-12]，典型技术指标如表1所示。

表1 国外典型海洋水色卫星/载荷指标比较

根据卫星(载荷)发射时间及水色遥感应用情况，基本可以分为三个阶段。

(1)第一阶段(探索应用阶段)：以1978年发射的云雨-7卫星(Nimbus-7)为代表，是世界第一代水色观测卫星，开始海洋水色探测及应用研究，首次实现了对海洋水色要素的探测，推动了国际海洋水色遥感的发展。

(2)第二阶段(初步应用阶段)：以1997年美国发射的第一颗专用海洋水色观测卫星轨道观测2号卫星(OrbView-2)配置的海洋宽视场传感器(Sea-Viewing Wide Field-of-View Sensor，SeaWiFS)、1999年和2002年分别发射的美国土卫星(Terra)和水卫星(Aqua)上配置的中等分辨率成像光谱辐射计(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)、2002年欧洲发射的环境卫星(Environmental Satellite，Envisat)卫星上配置的中等分辨率成像光谱仪(Medium Resolution Imaging Spectrometer，MERIS)为代表的世界第二代水色观测卫星(载荷)，在谱段范围、光谱分辨率、信噪比等指标有一定提升，开启了国际水色遥感业务化应用时代。

(3)第三阶段(精细化应用阶段)：以美国2011年发射的Suomi NPP卫星(见图1(a))和2017年发射的联合极轨卫星系统1号(Joint Polar Satellite System-1，JPSS-1)卫星配置的VIIRS(见图1(b))、欧洲2016年和2018年分别发射的Sentinal-3A卫星和Sentinal-3B卫星(见图2(a))配置的OLCI(见图2(b))为代表的世界第三代海洋水色观测卫星(载荷)，是当前国际海洋水色观测的主流，实现了水色遥感的精细化应用。

图1 SuomiNPP卫星及其配置的VIIRS载荷

图2 Sentinal-3A/B卫星及其配置的OLCI载荷

根据当前国际海洋水色观测计划，未来5～10年仍然以第三代海洋水色观测卫星(载荷)为主，美国NPP计划中规划的JPSS-2(预计2022年发射)、JPSS-3(预计2027年发射)、JPSS-4(预计2032年发射)3颗卫星仍然以当前的VIIRS载荷作为未来海洋水色观测主载荷接续当前海洋水色观测任务。预计2023年发射的浮游生物-气溶胶-云-海洋生态系统卫星(Plankton，Aerosol，Cloud，ocean Ecosystem，PACE)配置的海洋水色光谱仪(Ocean Color Instrument，OCI)载荷也只是对MODIS和VIIRS等载荷的延续，将光谱分辨率提升到5 nm的水平。同时，欧洲规划的Sentinel-3后续系列卫星仍然以OLCI为海洋水色观测主载荷。

1.2 发展趋势分析

纵观国际海洋水色探测卫星(载荷)的发展规律，可以发现国际海洋水色遥感的发展具有如下趋势。

1)形成持续稳定的观测体系

海洋观测是一项长期任务，通过长期、连续的观测来发现海洋变化的规律，最终服务于海洋研究及应用。国际上注重观测体系的顶层设计，通过制定长远的发展计划，建立全球性、立体、多维度的综合海洋观测体系，注重观测数据的持续性，实现多种海洋卫星联合观测和持续稳定运行。

2)海洋水色观测由综合型观测卫星向专用的观测卫星发展

早期的海洋水色观测，通常将水色载荷与其他载荷装配在同一卫星上进行观测，如MODIS搭载在Terra和Aqua卫星上。但随着海洋水色观测要素的增多，海洋水色观测任务越来越复杂，目前大多发展专用的海洋卫星，如Sentinel-3A/B、全球变化观测任务-气候1卫星(Global Change Observation Mission-Climate 1，GCOM-C1)、PACE等，进一步提升海洋观测业务能力。

3)海洋水色观测已由传统的海洋水色要素观测逐渐向海洋光学环境要素的精细化观测过渡

在已发射的海洋水色观测遥感器中，空间分辨率越来越高，由典型的1.1 km(SeaWiFS)提高到250 m(新一代地球静止海洋水色成像仪(Geostationary Ocean Color Imager，GOCI))的观测能力；谱段范围由传统的可见近红外谱段扩展到紫外到热红外全谱段，谱段数由最初的8个(SeaWiFS)谱段发展到数十个(VIIRS有22个)，光谱带宽越来越窄，由典型的20～40 nm发展到7.5～20 nm的精细光谱，而正在研制的PACE/OCI为带宽5 nm的光谱成像仪；信噪比由典型的500提高到1000。空间分辨率、光谱分辨率、信噪比等性能指标的提升，伴随光谱分辨率的大幅提高，使得海洋水色探测能力向精细化方向迈进。此外，由于谱段范围越来越宽带来的好处就是观测手段就越来越丰富，尤其是一些新发展水色探测卫星/载荷补充了偏振第二代全球成像仪(Second generation Global Imager，SGLI)、夜光(VIIRS)等新型探测手段，海洋水色探测已由传统的水色探测拓展到水色水温、水体透明度、藻类辨识、浮游生物等海洋环境要素探测，并正向更广阔的应用领域(如海洋溢油)发展。

4)卫星重访周期进一步缩短，覆盖范围由局部海域变为全球海洋

四维动态变化的海洋监测要求卫星重访周期要短，一般都在1～3天以内，随着静止轨道卫星和星座组网在海洋水色观测中的应用，对特定区域的重访周期将甚至提高到1天多次，观测覆盖范围也由局部海域变为全球大洋。

2 中国海洋水色卫星发展情况

2.1 发展现状

中国海洋卫星发展起步较晚，2000年11月发布的《中国的航天》白皮书明确了海洋卫星系列是中国长期稳定的卫星对地观测体系的重要组成部分。2002年5月15日成功发射了中国第一颗海洋卫星——海洋一号(HY-1A)卫星，也是第一颗海洋水色观测卫星，实现了中国海洋卫星零的突破，开启了国产化海洋水色探测和应用研究的序幕。2007年4月11日成功发射的中国第二颗海洋卫星——海洋一号B(HY-1B)卫星实现了海洋水色遥感卫星由试验型向业务服务型的过渡。2018年和2020年分别发射的海洋一号03(HY-1C)卫星和海洋一号04(HY-1D)卫星两颗水色卫星在HY-1A/B卫星基础上进行了功能、性能升级，在轨组网形成了中国首个海洋水色业务卫星星座，实现了对全球大洋和中国近海近岸等重点区域的高精度、高频次监测。HY-1A/B/C/D系列卫星为中国第一代海洋水色遥感专用卫星，主要技术指标与SeaWiFS、MODIS等国际第二代水色卫星(载荷)相近，具体如表2所示，形成了中国国产化水色遥感业务体系。

表2 中国第一代海洋水色卫星与国际第二代水色卫星/载荷比较情况

中国海洋水色卫星的发展历程如图3所示。当前中国正开展以新一代海洋水色卫星为代表的第二代海洋水色卫星的研制工作，其是在中国第一代海洋水色卫星的基础上进一步提升海洋水色探测精度，主要技术指标与VIIRS、OLCI等国际第三代海洋水色卫星(载荷)技术指标相当(如表3所示)，将使中国海洋水色遥感实现从“跟跑者”向“并跑者”角色的转变。

图3 中国海洋水色卫星发展历程

表3 中国第二代海洋水色卫星与国际第三代水色卫星/载荷比较情况

2.2 存在的不足

随着中国国民经济高速发展，对海洋水色精细化、快速化、常态化的观测需求越来越高，海洋水色观测效益日益凸显。然而，随着观测需求的不断提高[13-15]，受当前水色探测技术发展的局限，现有海洋水色卫星不能完全满足精细化探测需求，具体表现如下。

1)信噪比需要进一步提高

由于海洋水色观测主要是针对水体目标，为了能有效反演水体光学特性参数必须要求观测数据有高信噪比，尤其是要实现精细化观测，对信噪比的要求更高。如当前国际主流的OLCI载荷[16-18]，水色观测主要谱段在300 m空间分辨率、光谱带宽10 nm的情况下，能够实现信噪比大于1000的观测能力，部分谱段信噪比甚至超过2000，具体如表4所示。中国第一代海洋水色卫星上配置的海洋水色水温扫描仪信噪比一般在300～500，与其空间分辨率相当的MODIS载荷相比(MODIS主要谱段信噪比如表5所示)，也存在较大的差距。当前正研发的第二代海洋水色卫星上配置的水色水温扫描仪伴随大量技术革新，能够实现信噪比大于1000的观测能力，但是分辨率比OLCI低约1倍，光谱带宽近似为OLCI对应谱段的2.7倍。因此，在高信噪比观测能力上与OLCI还是存在一定的差距。

表4 OLCI载荷主要水色谱段信噪比

表5 MODIS载荷主要水色谱段信噪比

2)光谱带宽需要进一步优化

从水体光谱的响应特性可以看到，水体反射率随波长变化较为平缓，响应特征峰对应谱段带宽较窄，主要谱段带宽在5～10 nm左右。为精细分辨出这些特征，要求水色载荷观测谱段设计时必须考虑水体响应特征谱段[19-20]，只有带宽较窄的情况下才能够识别出相应水体的光学特性。例如，国际第二代水色载荷MODIS海洋观测谱段光谱带宽基本在10 nm，当前国际上典型的OLCI载荷主要水色观测谱段带宽在7.5～10 nm，美国即将发射的PACE卫星上配置的OCI载荷为成像光谱仪，光谱带宽为5 nm。中国第一代海洋水色卫星上配置的海洋水色水温扫描仪主要水色观测谱段的光谱带宽均在20 nm，正研发的第二代海洋水色卫星上配置的水色水温扫描仪水色观测谱段的光谱带宽一般在15～20 nm。因此，针对精细化水色观测需求，在光谱带宽设置上还需要进一步提升水色光谱的分辨能力。

3)探测谱段需要进一步丰富

随着人类对海洋认知的加深，传统水色产品服务外的新的用户需求不断增加。因此，除了传统的水色探测谱段外，还需要针对新的应用需求增加相应的探测谱段和探测能力。例如，OLCI载荷在MERIS载荷[21]的基础上，增加了673 nm通道用于叶绿素荧光测量，增加764.4 nm和767.5 nm两个氧气吸收谱线和940 nm的水汽吸收谱段用于提高云层厚度的反演，增加1.02 μm的谱段用于提升近岸水体大气和气溶胶校正的能力。另外，当前国际上广泛使用的海洋水色载荷VIIRS增加高灵敏度的日夜观测谱段(Day night band，DNB)以满足夜间海洋观测应用需求[22]。此外，日本的SGLI载荷为了反演全球气溶胶分布，增加了2个三方向的偏振谱段。同时，相关研究表明，可见光偏振在海面溢油检测以及油种区分方面展现出的潜力使其成为未来海洋观测需要重点关注的手段[23-24]。对于中国海洋水色卫星而言，目前仍然以海洋水色水温观测为主，大气校正通道不丰富，尤其是针对近岸水体大气校正[25-30]，针对新的应用需求的探测手段稍显不足。

4)海洋水色观测空间尺度需进一步提升

海洋每天都发生着各种尺度的海洋现象。为了研究各种海洋现象，需要开展精细化监测。对于海洋水色环境研究，需要进行中小尺度的观测。以美国典型的海洋水色载荷VIIRS为例[31-32]，其水色空间分辨率为375 m，水温空间分辨率为750 m；而欧洲的典型水色载荷OLCI空间分辨率达到300 m。当前，中国海洋水色观测仍以大中尺度海洋现象为主，空间分辨率一般在1 km左右，即使在新一代海洋水色卫星中提升到500 m，但与海岸带等区域的精细化监测需求仍有较大的差距。

5)重访能力需要进一步提高

海洋是动态变化的水体，海洋水色环境也不断地发生着变化。因此，对海洋水色环境的观测需要高频次的观测能力。以美国JPSS计划为例，VIIRS单个载荷幅宽在3000 km，单颗卫星可以实现1天1次的全球覆盖，在SuomiNPP、JPSS-1两星组网运行后可以实现1天2次的重访能力，如果考虑到跟美国的国防气象卫星计划(Defense Meteorological Satellite Program，DMSP)、欧洲的气象卫星运行计划(Meteorological Operational Satellite Program of Europe，MetOp)组网运行，将能实现每天3个不同时间段多次的全球覆盖能力。中国目前在轨的HY-1C/D卫星，双星组网可实现1天2次的全球覆盖能力，基本能够满足用户对全球大洋的观测需求。但对于中国海岸带区域，由于海岸带成像仪幅宽相对偏窄，导致对近海等重点关注区域只能1天1次的重访能力，需要更高频次的重访能力来满足海岸带区域的监测需求。

3 中国下一代海洋水色卫星发展建议

纵观中国海洋水色卫星的发展历程可以看出，中国海洋水色卫星的发展与国际发展趋势基本一致，但在具体发展中又按照中国海洋遥感应用特色不断推进，即按照大洋和海岸带不同探测区域的目标特性设计与观测需求相适应的载荷，如海洋水色水温扫描仪主要针对全球大洋水色水温观测，而海岸带成像仪主要针对海岸带等重点区域进行观测。

根据国家总体规划，中国将发展海洋水色卫星、海洋动力环境卫星和海洋监视监测卫星的三大系列海洋卫星，逐步形成以中国为主导的海洋空间监测网[4-7]。结合国际海洋水色卫星的发展趋势，根据当前中国海洋强国建设的背景和未来需求，对下一代海洋水色卫星的发展建议如下。

(1)下一代海洋水色卫星应该接续中国第二代海洋水色观测卫星，继续发展专用的海洋水色卫星来维持保持我国海洋水色卫星的观测体系，保持对海洋水色环境等要素长期、连续、稳定的观测能力。

(2)继续按照中国特色的海洋水色遥感发展思路推进，在关注全球大洋的同时，重点关注中国近海近岸、大江大河、大湖等不同区域的水体特征，着重服务于海洋强国建设需要。

(3)下一代海洋水色卫星要以满足精细化观测需求为驱动，需要发展具备高信噪比、窄光谱带宽、多观测谱段、高空间分辨率的海洋水色观测载荷/卫星，实现从传统海洋水色水温观测向海洋光学环境要素探测拓展；同时，针对新兴应用需求，应考虑增加偏振、夜光等探测手段来提升探测能力，实现中国海洋水色遥感从“并跑”到“领跑”的跨越。

(4)为了提高对海洋水色观测的时效性，应充分发挥小卫星低成本、快速研制的优势，在轨采用多星组网实现对全球大洋以及海岸带等重点区域的快速覆盖和高频次重访。