船载气象卫星接收系统在极地航海保障中的应用

刘玉新，崔晓健

（1.国家海洋技术中心 天津市 300112； 2.国家海洋信息中心 天津市 300171）

船载气象卫星接收系统在极地航海保障中的应用

刘玉新1，崔晓健2

（1.国家海洋技术中心 天津市 300112； 2.国家海洋信息中心 天津市 300171）

回顾我国极地船载气象卫星接收系统的发展历史，从躲避气旋和灾害性天气、冰区导航、指导大洋作业 3 个方面举例说明了高分辨卫星接收系统在极地航海气象保障中所起的重要作用，对我国极地船载气象卫星接收系统的发展前景进行了讨论分析。

船载气象卫星极地航海

自1960年4月1日美国发射第一颗气象卫星以来，气象卫星遥感事业得到了突飞猛进的发展[1]。气象卫星可在地球上空对各种天气系统（如热带风暴、气旋等）的气象要素进行连续不间断的观测，由极轨卫星和静止卫星组成的地球大气监测系统获得全球各地的观测资料。极区常规气象观测资料的极端匮乏是制约极地航海气象保障业务的重要难题，而气象卫星云图资料恰能填补这一缺陷，其资料实时性强，覆盖范围广，可监测很大范围内天气系统的发生、发展和变化，是极地考察航线气象保障的主要资料来源之一。

自1984年首次南极科学考察以来，我国先后开展了 25 次南极科学考察和 3 次北极科学考察。20 多年来，我国航海气象保障能力已从中纬度海域显著扩展到极地高纬 80°海域，同时创造了我国24年极地航海零伤亡的记录。如此的海洋气象保障效果，在世界航海史上也是绝无仅有的。船载气象卫星接收系统在其中起到了重要作用。

1 我国极地船载气象卫星接收系统的历史和现状

最早的极地科学考察船卫星接收设备比较落后，使用的是可见光和红外黑白卫星云图接收系统，该系统工作程序复杂，分辨率低，且需要人工冲洗接收的云图照片，很不方便。图 1 是一张冲洗的可见光云图照片，这种低分辨卫星云图云系与极冰均呈白色，很难区分云和冰的分布情况，因此无法准确辨别极区冰情。这给极区气象和海冰预报带来了很大困难，只能利用人员瞭望和直升机侦察的方式进行小范围海冰监测。但由于极区浮冰变化无常，小范围的海冰监测不能从根本上消除浮冰和冰山对考察船构成的威胁[2]。

图1 早期接收的黑白卫星云图照片

20世纪90年代初，我国的极地考察船安装了美国“奥而登”卫星接收系统，该系统自动化程度较高，使用热敏纸自动打印图片，减少了气象人员的工作量，增加了接收卫星云图的次数，基本解决了卫星气象资料不足的问题。但因为接收的是低分辨黑白云图，无法对极地浮冰、冰山的分布和运动进行有效的监测（图 2 ）。

图2 使用热敏纸自动打印的卫星云图照片

1997年，国家海洋环境预报中心、北京川页电气公司，航天工业总公司二院联合研制了适用于我国极地科学考察的船载高分辨卫星接收系统。该系统能在高温、高湿和低温的天气环境下正常工作，能适应 12 级以上大风，以及船舶在大风浪中的剧烈摇摆及破冰造成的强震动等恶劣工作环境。这系统具有接收极轨高分辨卫星云图和静止低分辨卫星云图的双套接收和图象处理系统。在中低纬度地区用静止卫星云图观测大范围天气情况，能及时发现热带风暴等灾害天气系统。在极区静止卫星云图失真的情况下，接收极轨卫星云图，从而能够为船舶航行安全提供更多更新的气象资料。国家海洋环境预报中心为该系统开发的配套软件，使操作人员能够在云图上显示任意点的经纬度，标出任意目标物，解决了在海洋中航行找不到目标物的困惑[3，4]，特别是它所提供的大范围极区高分辨率( 1 km)彩色卫星云（图 3 ），可以清晰地分辨海冰和云的分布及运动情况[5]。

图3 首次北极科学考察接收的高分辨卫星云图照片

2003年，从中国第二次北极科学考察开始引进了美国Seaspace公司高分辨气象卫星遥感接收系统，用于气象卫星遥感数据接收[6]。该系统包括 3 部分，卫星实时接收处理及后加工处理系统Terascan、气象决策支持系统WDS—Ⅱ、原始数据实时备份海量数据存储系统。接收天线安装于顶甲板中心，接收及处理部分装置于室内，跟踪部分采用船舶 GPS 接入信号确定航向，进而确定跟踪精度，气象决策系统采用船载海事卫星 e—mail 系统获取涌浪预报。在航速一定的情况下，接收系统可以根据制作的卫星时刻表自动连续接收卫星信号，但在停船作业等 GPS 无法正确获取船首向的情况下，可采用手动跟踪，接收卫星气象云图。

卫星遥感数据接收后进行实时处理并根据需要做相应的后处理，主要根据对天气系统跟踪或浮冰区导航及作业浮冰追踪的不同需求，以不同的数据通道进行遥感图像的分析，满足航行气象保证、冰区导航、后期研究的不同需要。输出卫星云图图像主要由可见光及红外通道合成得到。图4 为中国第二次北极科学考察所收取的一次北极强气旋卫星云图，气旋云系结构非常清晰。

图4 2003年9月9日北极地区强气旋系统卫星云图

2 高分辨卫星云图的实际应用

早期船载系统所接收的低分辨卫星云图，很难对极区的浮冰、冰山变化情况进行有效监测，这无疑降低了考察船在极区航行中抵御风险的能力。高分辨卫星接收系统，先是1997年安装的国内自主研制的船载卫星接收系统，再是2003年开始服役的Seaspace卫星接收系统，从根本上解决了上述问题，具有非常重要的实际应用价值。

2.1 躲避气旋及灾害性天气

卫星云图对监测气旋等灾害性天气系统，确保考察船的航行安全起着重要的作用。1997年12月10日，雪龙船由新西兰的Christchuech港起航进入西风带，遭遇强气旋。由于风大浪高，雪龙船摇摆到 38°，船上的卫通 C 站、M 站及气象传真机均失灵，收不到任何气象预报及图表。恰恰船载卫星接收系统在关键时刻接收到了清晰的卫星云图，云图显示航线前方的 3 个强气旋挡住了雪龙船的去路（图 5 ）。据此，船长果断调整航向，由原来的东南向改为西南向航行，24 h 后成功避开了气旋的影响，顺利通过了西风带。

图5 1997年12月10日雪龙船接收的卫星云图

再以中国第二十次南极科学考察为例。2005年3月9日，雪龙船准备从澳大利亚的弗里曼特尔港起航回国。卫星云图显示，有一个热带风暴位于航线北部，逐渐加强并缓慢向西移动（图 6 ）。雪龙船能否按时起航是气象预报的关键。综合依据当时各方面的气象资料分析，认为该热带风暴前期缓慢向西移动加强，中期是一个转向移动的过程（由向西移动逐渐转为向东南方向移动），这期间需 3 至 4 天的时间。但按照计划，雪龙船必须在3月9日傍晚之前起航。为确保船舶的航行安全，预报员经过仔细分析，认为雪龙船可以沿澳大利亚近岸北行，然后利用热带风暴转向的“时间窗口”，迅速通过热带风暴影响区域。为预防热带风暴发生突变，选择澳大利亚北部的沙克湾作为紧急情况下的避风湾。

图6 2005年3月9日7:25分（UTC）NOAA-16卫星云图

9日下午，雪龙船按时从弗里曼特尔港起航北行。同时，从卫星云图来看，热带风暴明显加强，云系个体明显增大，云系结构更加密实。3月11日热带风暴的外围云系已经影响到沙克湾，此时雪龙船也航行到了沙克湾口附近，热带风暴中心恰好位于雪龙船正前方（图 7 ）。雪龙船于是停在沙克湾避风。随着热带风暴的西移，雪龙船果断起航北行，海上最大风速仅有 17.1 m/ s，岸边涌浪仅高 2 ～ 3 m，12 h 后顺利摆脱了热带风暴的影响，驶入了安全海域[2]。

图7 2005年3月11日7:04分（UTC）NOAA - 16 卫星云图

2.2 冰区导航

南极大陆周边海域浮冰和冰山对船只正常航行有严重的威胁，在茫茫的南极冰海中航行，随时会遇到意想不到的危险和困难。根据接收的高分辨卫星云图，可为船舶寻找较为开阔的水域，使船舶安全通过浮冰区，既节省航行时间，又能保证船只的安全航行。

1998年1月16日雪龙船从俄罗斯青年站到中山站，考虑到南极大陆边缘浮冰、冰山密集，计划航线是避开大陆边缘航行。但从接收的高分辨卫星云图来看，南极大陆边缘出现了一条开阔的水道，而计划航线大多海域被浮冰覆盖，于是向船长推荐采用了一条新航线（图 8 ）[3]，雪龙船提前 4 天到达中山站，新航线比原计划航线缩短航程 1 111.2 km ，在节省燃油的同时，为科考队赢得了宝贵的时间，为整个科考计划的顺利完成做出了重要贡献。

图8 1998年1月16日接收的 NOAA — 16 卫星云图

再以第十五次南极考察为例。由于要进行冰盖考察，雪龙船提前进入普里兹湾。1998年12月5日，雪龙船抵达普里兹湾附近，但在湾口处被一条约 370 km ～ 555 km 的冰坝挡住去路，要进入湾内非常困难。经过对12月5、6日几张高分辨卫星云图的分析，从冰坝中找到了一条约 2 km 宽的缝隙，雪龙船经由这条冰缝隙顺利进入普里兹湾内，顺利完成了冰上卸货，保证了冰盖考察队的按时出发[2]。

2.3 指导大洋调查作业

在南极地区进行南大洋综合海洋调查是比较困难的，调查期间需要有好的天气和海况，并且作业海区不能被浮冰覆盖。因此，需要随时掌握局地海域的天气和冰情变化。高分辨卫星接收系统提供的清晰云图为南大洋调查作业提供了可靠的保障。

图9 显示了第十四次南极考察期间南极普里兹湾大洋作业海区（图中圆白点为大洋调查点）的冰情分布情况，可见在普里兹湾有一个从东北向南延伸的大冰坝，使 75°E 附近的作业点难以进行调查。据此，考察船优先调查了无浮冰的站点，取消了浮冰严重的站点，后期再视冰情变化进行调整，避免了海上调查作业的盲目性[3]。

图9 1998年2月14日11:24（UTC）NOAA 卫星云图

3 讨论和展望

高分辨的气象卫星云图接收系统在极地考察船上的应用，一定程度上解决了极区气象观测资料匮乏的问题，为科学考察船在极区的安全航行提供了保障的同时，也为有效利用极地短暂的夏季进行合理的时间安排和执行考察任务提供了重要参考。目前，具有更高分辨率的 MODIS 气象卫星接收系统即将在极地考察站安装并投入使用，虽然受到技术的限制这种系统不能直接安装在考察船上，但是通过卫星网络实时将接受处理好的气象卫星云图产品传输到考察船上，提供给极地考察船的航海保障人员和决策人员使用，也并不困难，这必将对极区的卸货补给和科学考察工作的更安全有效开展提供更好的保障。

[1]陈渭民，夏浣清，陈光宇. 卫星气象学[M].北京：气象出版社，1989：1-9.

[2]魏文良. 中国极地考察航线海洋气象研究[M].北京：海洋出版社，2008：46-55.

[3]解思梅，郝春江，邹斌等.新型船载卫星接收处理系统[J]. 海洋学报，2000，22(4)：31-40.

[4]尹涛，杨清华，许淙.极地科学考察中海冰监测和预报的研究应用[J]. 海洋预报，22(5)：24-26.

[5]中国首次北极科学考察队—中国首次北极科学考察报告[M].北京：海洋出版社，2000：100-103.

[6]张占海. 中国第二次北极科学考察报告[M].北京：海洋出版社，2004：223-229.

2010年11月9日