发展海洋盐度卫星 完善我国海洋动力卫星观测体系

张庆君 殷小军 蒋昱

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)



发展海洋盐度卫星 完善我国海洋动力卫星观测体系

张庆君 殷小军 蒋昱

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

海洋盐度是海洋动力中最基本的要素之一，发展盐度观测卫星是获取海洋动力环境数据的重要手段，在海洋观测和数据预报中发挥着巨大的作用。文章分析了海洋盐度卫星的发展现状，阐述了海洋盐度卫星在海洋领域的应用，论述了我国海洋动力环境卫星体系的成就和不足，结合我国的发展需求，提出了发展海洋盐度卫星完善我国海洋动力环境观测体系的发展目标。通过探测海洋盐度要素，实现海洋动力环境全要素的综合探测，可为海洋环境信息预报和提取等应用提供不可或缺的数据源。

海洋动力环境要素；盐度卫星；环境探测；海洋应用

1 引言

海洋是生命的摇篮，是资源的宝库，是全球气候的重要调节器，是经济利益的来源和世界贸易的大通道，也是国防安全的重要组成部分。开发利用海洋是解决当今全球资源短缺、人口膨胀、环境恶化的重要出路之一。人类社会的可持续发展必然越来越多地依赖海洋，海洋将为人类社会的繁荣和发展作出越来越大的贡献[1]。按照联合国海洋法公约和我国的主张，我国管辖的海域约300万平方千米。有效维护国家的海洋权益、合理开发利用海洋资源、切实保护海洋生态环境、实现海洋资源与环境的可持续利用，是时代赋予我们的历史使命[2]。我国在国家民用空间基础设施中长期发展规划中明确提出，海洋动力环境要素在海洋防灾减灾、海洋权益维护、海洋环境保护、海域使用管理、海上执法监察、海洋灾害与突发事件应急观测、新型海洋要素观测方面均有迫切需求，需要对海洋动力环境要素实现多尺度、多要素、大面积、实时和动态的立体式监测，兼顾全球热点海域观测的同时侧重我国领海监测 。因此，大力发展海洋立体监测体系是我国从海洋大国转变为海洋强国的重要手段。

海洋盐度与海洋温度和海洋流场是海洋动力学中最基本的三个要素。海洋盐度在观测中尺度海洋现象、海洋的温盐环流、海气相互作用和海洋淡水收支平衡等中起着重要的作用，是认识和揭示海洋现象最基本的参量，也是研究全球气候变化及天气预报模式的重要依据。采用海洋浮标、船基等传统的手段进行了几十年的观测，全球依然有25%的海面从来没有过盐度观测数据，不能有效满足工程建设和业务应用需求。通过天基遥感对海洋盐度观测是唯一可行的大范围、连续观测海洋盐度的方法。利用遥感卫星获取的海洋盐度信息，可完善对海洋动力环境信息的获取能力，适应海洋环境与海洋生态的观测和预报需求，同时为气候预测模式提供精确的背景场和再分析产品，提高气候预测的能力。

2 国外海洋盐度卫星的现状

2.1 海洋盐度的观测精度需求

依据国际上海洋盐度应用需求研究，不同类型的应用领域对海洋盐度产品精度、空间分辨率和时间分辨率的需求差异较大,如表1所示。例如海岸过程对盐度产品精度要求较低，对时间分辨率和空间分辨率要求高。海洋盐度异常对预报厄尔尼诺现象等应用对盐度产品的指标要求高，而对时间分辨率和空间分辨率的指标要求不高。

表1 全球盐度遥感的应用需求指标Table 1 Application demande of global remote sensing salinity

注：psu表示每千克水中溴化物、碘化物和氯化物的含量，单位是g。

2.2 海洋盐度的观测手段和进展

为了解决海洋盐度数据匮乏的问题，ESA和NASA分别发射了“土壤湿度和海洋盐度”(SMOS)卫星和“宝瓶座”(Aquarius)卫星用于海洋盐度测量，卫星参数如表2所示[3-4]。

表2 国外海洋盐度卫星参数表Table 2 Parameter of sea surface salinity satellite abroad

SMOS卫星装载了L频段二维综合孔径微波辐射计(图1)，采用Y型二维稀疏天线阵，由3个支臂组成，单臂的长度约为4.5 m，整个系统含69个接收单元及约5000个数字相关单元，是目前复杂程度最高的综合孔径辐射计系统。Aquarius卫星采用L频段主被动结合的工作体制(图2)，散射计和辐射计共用3个馈源的推扫式偏置抛物面天线交替观测同一海面区域。

SMOS卫星和Aquarius卫星采用2种不同的观测体制，在技术上都取得了巨大进步。SMOS卫星的成就包括：首次在轨验证了综合孔径技术在海洋盐度测量中的应用能力；采用二维综合孔径探测体制，对目标进行多入射角探测，显著地提高了盐度测量精度和射频干扰的检测能力。Aquarius卫星的成就包括：实现了高稳定度、高灵敏度的辐射计测量技术；增加散射计测量海面粗糙度，明显提高了盐度测量精度。综合卫星数据的应用情况，SMOS卫星和Aquarius卫星存在的问题可归纳为：① 两颗卫星都未采用校正L频段亮度温度的同步测量手段；② 2颗卫星都未能解决L频段射频干扰问题，导致部分测量数据精度受到影响；③ SMOS卫星的有效载荷接收机稳定度不高，且没有对天线采用温控技术，导致观测的亮温误差较大；④ Aquarius卫星采用实孔径体制，其空间分辨率低，观测幅宽小。

ESA针对SMOS卫星在轨出现的问题，在后续发展规划中提出全新的六边形阵列形式的综合孔径微波辐射计，可提升L频段综合孔径微波辐射计的地面分辨率、测量灵敏度及射频干扰抑制能力，同时增加海面粗糙度的测量手段，可提高SMOS后续卫星的观测能力。

3 海洋盐度在海洋环境预报中的应用

3.1 海洋环境预报

海洋盐度是影响海洋动力环境和海气相互作用驱动全球三维海洋环流模式的一个关键因子。盐度对海洋中的热力、动力过程的影响非常显著，是大洋热盐环流的驱动因素之一。盐度变化决定海洋密度或浮力，控制海洋底层水的生成，影响热盐环流。海洋盐度卫星观测数据不仅能为海洋环境数据同化提供可靠的盐度观测数据，还能丰富近海海洋环境预报产品种类，为近海海洋养殖、海洋资源开发利用等提供保障产品。海洋盐度观测数据能明显提高海洋环境预报能力和准确率，为近海海洋活动提供准确海洋环境预报。

3.2 海洋生态预报

海洋生态系统变化的随机性是由外在环境随机性(天气过程及气候变化、大气及陆源物质输运、流场改变等)及内在随机性(生态动力学的随机性)共同作用决定的，需要输入大量的基础数据。海洋盐度卫星观测数据输入到生态模型中,可明显提高模拟的精度和预报的准确性,为近海海域生态环境保护、资源利用及监测评估等提供决策依据。

3.3 短期气候预报

海洋盐度是影响障碍层、深层水团、温盐环流等海洋物理过程的重要因素，海洋盐度在空间上的分布是模拟海洋垂直剖面结构、海洋热贮存的重要数据源。海洋盐度的季节和年际变化还与厄尔尼诺等海气相互作用现象息息相关，是认识和预测短期气候变化的主要数据来源。

3.4 水资源监测与预报

海洋蒸发与降水对海洋盐度的影响最显著。全球86%的蒸发来自海洋，78%的降水最终汇集到海洋，蒸发或降水导致海洋盐度的上升或下降。海洋表面盐度的空间分布与海表蒸发-降水差的空间分布一致，因此，海洋盐度是全球降水量、洪涝和干旱现象的重要指示器。

3.5 极地海冰监测

海冰对海上运输和海洋资源开发的影响极其重要，海冰的总面积和厚度是非常重要的参数，影响海洋-大气的相互作用，反映了极地冰盖冰架和临海海域的动态变化，是研究海洋和大气相互耦合关系中的重点因素。海洋盐度观测获取海冰厚度、面积、空间分布及冰龄等数据,为极地气候预报和临海区域气象预报提供不可或缺的数据源。

3.6 极端天气预报

近年来全球气候变化的加剧对天气预报的准确性提出了更高的要求。海洋盐度的变化直接影响海洋等温层间的混合及热量传输，且对提高长期气候预报精度和模式优化至关重要，因此准确、全面、连续的全球海洋盐度观测数据正是气候预报准确性的重要保证。利用海洋盐度卫星数据进行四维同化，可以监测大尺度海洋盐度现象，特别是追踪交汇海域的海洋盐度的年际变化对极端条件下天气预报意义重大。

4 我国海洋动力环境卫星观测体系进展

4.1 我国海洋动力环境卫星的现状与成就

根据我国面向海洋强国战略在海洋资源开发、海洋环境保护、海域使用管理、极地大洋管理和海洋权益维护等方面的重大需求，国家海洋局经过科学论证，建议形成海洋水色、海洋动力和海洋监视监测3个卫星系列[5]。20世纪末，我国国防科工局支持了发展我国海洋动力环境卫星的设想，并在此后由中国航天科技集团公司于2011年完成了我国首颗海洋动力环境卫星的研制发射，实时获得全球海洋表面风场，得到全球海洋上的风矢量场和表面风应力数据，为海洋环境预报提供准确的初场和表面驱动力；获取全球海洋地形数据，提供海面动力拓扑基本环境参量；掌握全球海面温度场和极地冰盖的变异，提高我国对全球变化预测和长期气候预报的准确性。海洋动力环境卫星的发射，提升了我国海洋动力卫星的载荷研究和数据应用水平，也为我国海洋动力环境监测提供了坚实的理论基础和扎实的工程经验[6]。装载C频段SAR载荷的高分三号卫星于2016年8月成功发射，可以用于海洋动力环境的测量。如表3所示，除探测海洋盐度外我国海洋动力环境卫星具备了观测所有动力环境要素的能力，并已经与中国海监飞机、船舶、浮标和岸站一起，构成对我国海域的立体监测体系并投入业务运行，正在实施着对我国管辖海域的有效监测，必将对综合管理国家海域、保护海洋环境、维护国家海洋权益、发展海洋经济、增强国家海防实力发挥重要作用，并取得巨大效益[1,7]。

4.2 我国海洋动力环境卫星的差距与不足

我国海洋动力环境卫星缩短了与国外近30年的差距，目前我国规划了业务星和科研星，具备形成稳定运行的业务系统，可以基本满足各行各业对海洋的应用需求[8]，但与国际同类卫星的发展相比还存在较大差距，主要表现在性能指标尚有差距、观测手段还需完善和天地一体化应用发展缓慢。

表3 海洋卫星观测要素与满足度分析Table 3 Oceanic elements of satellite observation and satisfaction

由于缺少实时的盐度观测数据使我国在海洋环境预报、海洋生态预报、短期气候预报、全球水循环和极端天气预报等领域的精度不高[9]，对此各行各业已经迫切提出了盐度数据精度的指标需求，如表4所示。为了适应海洋大国的发展战略，适应空间信息建设和国民经济的发展需求，我国海洋动力观测卫星系列的发展目标需要包含能够高精度观测海洋盐度的卫星，作为海洋二号系列卫星的组成，填补海洋动力环境参数获取能力的空缺，完善观测要素，提高测量精度，实现海洋动力环境全要素的综合探测，更好地为海洋环境预报、中尺度海洋环境信息的提取等应用服务[10]。

表4 我国对盐度数据的指标需求Table 4 Demanding salinity precision of our country

5 我国海洋盐度卫星发展建议

1)建立自主的海洋盐度观测体系

海洋观测需要长期、动态、连续、实时和大面积定量监测，独立自主地发展我国自己的海洋盐度卫星对于海洋监测与调查的现代化、国民经济、国防建设，都具有十分重要的意义。特别对于我国作为管辖约300万平方千米海域面积的海洋大国，拥有自己的海洋盐度卫星显得尤为重要，可以避免受制于人，以满足平战结合、寓军于民的需求。

2)充分利用国内外的人才资源

我国作为航天大国必须拥有一批掌握海洋盐度卫星研制和应用的技术队伍，带动空间技术和基础学科的发展；与此同时，海洋盐度卫星的研制和应用存在许多与国外合作的途径，可以缩短研制周期、提高卫星技术和应用水平。

3)综合开发利用国外已有的观测数据

在我国尚未形成以本国盐度卫星系列为应用主体之前，充分利用国外同类型卫星数据，促进我国卫星海洋应用技术的发展。一方面，为国家和地方海洋部门提供海洋环境与资源遥感信息，为海洋环境预报、海洋和海岸带管理、开发利用的决策服务；另一方面，为我国今后发射高性能盐度卫星奠定应用技术基础。

6 结束语

我国海洋二号卫星在轨稳定运行已超过5年，高分三号卫星也于2016年8月顺利入轨，初步形成了对全球海域内海洋动力业务化运行能力。根据我国实际需求和技术基础，迫切需要在“十三五”期间研制完成一颗具备业务化运行能力的海洋盐度卫星，实现对海洋长期、稳定的海洋盐度观测，与海洋二号系列、高分三号系列卫星一起，构建我国完整而又具特色的全球海洋观测体系。同时升级现有在轨载荷观测能力，研制新型遥感载荷，加强天地一体化研究，提升遥感定量化应用能力，完善海洋要素观测手段，提升海洋动力环境卫星观测能力。

References)

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(编辑：张小琳)

Developing Sea Surface Salinity Satellite to Promote Ocean Dynamical Environments Observation

ZHANG Qingjun YIN Xiaojun JIANG Yu

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

Sea surface salinity is one of the most important factor in dynamical environment and ocean dynamical environment based on satellite is crucial to the ocean observation and is playing more and more important role to the forecast and observation. This paper analyse the development and the application status of sea surface salinity satellite, then we discuss strongpoint and deficiency in the dynamical development of our satellite. We combine the demand of China and put forward the developing object of our country. Consummating observation element and realizing the comprehensive detecting could serve to ocean application including forecast and date mining.

ocean dynamical environment； salinity satellite; detecting environment；ocean application

2016-05-17；

2017-02-03

张庆君，男，博士，研究员，博士生导师，卫星总设计师兼总指挥，航天遥感领域总师，入选“新世纪百千万人才工程”和国家“万人计划”科技创新领军人才。先后获国家科技进步特等奖、国家发明一等奖、国防科技进步一等奖等多项奖励。研究方向为航天器系统与总体技术、航天遥感应用。Email：zhangqj@tom.com。

V19

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.001