中法海洋卫星及其典型应用

文 | 刘建强 蒋兴伟 郎姝燕 Danièle HAUSER 孙从容 徐莹 董晓龙 王丽丽 林文明 王久珂刘金普 马小峰

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

3.法国国家科学研究中心（CNRS）

4.中国科学院国家空间科学中心

5.航天东方红卫星有限公司

6.南京信息工程大学

7.国家海洋环境预报中心

一、前言

中法海洋卫星（CFOSAT）是我国航天领域第一次与先进宇航国家开展系统性、全流程合作的项目，也是中法两国在航天工程领域、海洋科学领域高水平合作的重要成果。2018年10月29日CFOSAT在我国甘肃酒泉卫星发射中心成功发射，2020年2月正式交付使用。

CFOSAT搭载了两个全新体制的载荷，分别是中国科学院国家空间科学中心研制的扇形波束圆锥扫描微波散射计（CSCAT）和法国国家空间研究中心（CNES）研制的海浪波谱仪（SWIM）。其科学目标是通过对全球海面风场和海浪谱进行同步监测，开展海洋、大气相关的科学试验和科学应用的研究，提高人们对海洋动力环境变化规律的认识，进而改善对巨浪、海洋热带风暴、风暴潮等灾害性海况预报的精度与时效。国家卫星海洋应用中心和CNES负责CFOSAT卫星数据的地面接收、处理、存档与分发任务。

在轨运行2年多来，CFOSAT在距地520km的轨道上24小时不间断工作，每天绕极地飞行15轨，下行数据由双方地面接收站实时接收，中法双方各自处理制作1～4级产品。经地面处理中心输出的全球海面风场、海浪谱产品在台风飓风灾害监测、南北极海冰监测、海洋数值预报、短期海洋预报中得到应用验证。双方科学家经过对数据质量的评估认为，产品技术指标满足设计要求、部分产品优于设计要求，CFOSAT可完成在全球尺度上对海洋表面风浪的同步观测，能够改善海洋气象和极端海况下的风浪预报结果，提升海洋动力模型和预报系统技术水平，帮助科研人员了解海面风浪过程的基本机理和全球气候变化研究。

CFOSAT自发射以来运行稳定，国家卫星海洋应用中心与中国西安卫星测控中心（CLTC）每3个月对卫星轨道进行一次轨道维持，因此轨道高度始终可满足载荷需求。

二、中法海洋卫星主要载荷

1. 微波散射计

CSCAT/CFOSAT工 作在Ku（13.256 GHz）微波频率，是国际上首次采用扇形波束旋转扫描体制的卫星散射计。它综合了传统固定扇形波束散射计和笔形波束圆锥扫描散射计的特点，通过扇形波束圆锥扫描实现对地面目标的多入射角和多方位角观测。散射计刈幅内，每个风矢量单元分别垂直极化（VV）和水平极化（HH）波束以28°—51°的入射角观测2—8次，其中刈幅远端（距星下点＞400km）和星下点附近（星下点附近100km以内）的区域观测次数较少，刈幅中间区域的观测次数较多。因此，与固定扇形波束散射计相比，CSCAT/CFOSAT可改善卫星散射计空间覆盖范围，星下点区域无观测间隙；与笔形波束散射计相比（最多4次观测），CSCAT/CFOSAT可获取更加丰富的观测几何信息以及更多的观测样本数，为改进海面风场、海冰、土壤湿度等地球物理参数的反演方法、提高反演精度提供了新的机遇。

CSCAT/CFOSAT可实现目前国际上最高分辨率的全球海面后向散射和海面风场测量，连续观测刈幅上原始分辨率可达10.5km。

众所周知，星载CSCAT是目前获取全球海面风场最主要的传感器。美国、欧洲、印度和中国先后发射了多个业务化运行的CSCAT，这些散射计的风场数据在海洋气象灾害监测、数值天气预报模式以及海气相互作用科学研究中得到广泛且深入的应用。然而，过去和当前所有卫星散射计业务化海面风场的典型分辨率是25—50km，无法满足近海岸区域、中小尺度海面动力过程等一些较高分辨率应用的需求。CSCAT/CFOSAT雷达分辨单元的大小约为10 km×12.5 km，是目前原始空间分辨率最高的在轨运行的微波散射计。2020年7月，国家卫星海洋应用中心正式发布了CSCAT/CFOSAT全球近海岸风场产品，空间分辨率为12.5km×12.5km，是目前全球空间分辨率与精度最高的近海岸风场产品。2021年6月，CSCAT/CFOSAT再次推出了国际领先的新型高空间分辨率（6.25km×6.25km）风场产品，经验证，其精度也满足要求，即将作为科学试验产品对全球发布。

2．海浪波谱仪

SWIM/CFOSAT是一种能够在全球范围对海面波浪谱进行高精度探测的主动式新型海洋遥感载荷，基于小入射角下准镜面散射机理，通过探测海面后向散射系数，进而反演波浪谱、波长、波向、有效波高等波浪参数。以往能够获取波浪谱信息的遥感载荷主要是合成孔径雷达（SAR）、光学遥感等方式，海浪波谱仪是基于小入射角的镜面反射，探测机理更为直接。

SWIM/CFOSAT有6个波束对海面进行同时探测，入射角分别为0°、2°、4°、6°、8°、10°。产品体系可分为两部分，分别是星下点0°入射角获取的有效波高产品与其余入射角共同探测反演的波浪谱产品。星下点沿轨数据反演的有效波高产品精度优于0.5m。波浪谱产品的性能指标包括：可探测海浪波长范围为70—500m，空间分辨率为70km×90km，主波波长精度10%，波向精度为15°。

三、中法海洋卫星典型应用

1．散射计数据应用

CSCAT/CFOSAT提供的高分辨率、高精度海面风场产品在海洋防灾减灾、海洋环境预报、海洋工程保障等方面发挥了重要的信息支持作用。尤其在台风监测中，这种新型体制的散射计充分发挥了多入射角、多样本数的观测优势，对台风结构的描绘较普通散射计更为细致，可以提供更加全面详尽的位置强度信息。

各国科学家在标准海面风场产品的基础上，制作了0.25°×0.25°的3级网格产品，并进行了验证。

另外，中法两国科学家还利用CSCAT/CFOSAT多入射角的观测特征制作了南北极的海冰监测产品，产品可提供冰水划分、海冰分类、海冰移动轨迹预测、海冰覆盖等信息。

在多载荷联合反演方面，利用CSCAT与SWIM同平台监测的优势，针对台风监测，对风、浪、流、温度等要素间的相关性进行了分析，对高海况等恶劣条件下如何提升风矢量反演精度进行了研究。此外，利用CSCAT、SAR与高度计对土壤湿度进行了观测，多方位发掘了CSCAT的数据应用潜力。

（1）风场产品

CSCAT/CFOSAT单轨观测数据时长约为97min，刈幅为1050km，目前可提供6.25km科学试验产品、12.5km近海岸全球海面风场产品与25km全球海面标准产品。海洋卫星地面接收站一天可接收约15轨数据，全球覆盖率近80%。三天全球海面风场可获取42轨数据，全球覆盖率近96%。

图1和图2分别展示了CSCAT/CFOSAT全球海面风场单日与三日的覆盖图。

图1 CSCAT/CFOSAT单日全球海面风场覆盖图（2019年8月8日）

图2 CSCAT/CFOSAT三天之内的海面风场覆盖图（2019年8月8—10日）

（2）台风监测

2019年，国家卫星海洋应用中心在汛期卫星遥感监测服务体系将CSCAT风场数据纳入。CSCAT/CFOSAT具有高精度、高空间分辨率的观测优势，可以提供更细致的近海岸台风信息。业务化运行后，大大提高了我国近海岸海洋灾害的监测预警能力，为海洋防灾减灾和海洋经济建设提供了强有力的信息服务。

CSCAT/CFOSAT对2019年第19号超强台风“海贝斯”和2021年第6号强台风“烟花”整个过程的监测表明，卫星观测海面风场直观形象地反映了台风的位置和强度。在卫星获取到散射计的实时监测数据后，地面系统迅速对数据进行接收和处理，并在第一时间制作了台风遥感监测专题图。专题图不仅给出了台风所处的具体位置，还可提供台风的最大风速、七级风半径、十级风半径等定量信息。专题图可直接发送给台风监测和海洋环境预报部门，为沿海预报部门的防灾减灾工作提供了决策依据与信息参考。如图3所示，CSCAT可捕捉到台风“烟花”的整体结构，台风中心位置也清晰可见，最大风速达31.8 m/s。

图3 CSCAT/CFOSAT台风“烟花”遥感监测专题图（2021年7月24日）

图4展示了CSCAT/CFOSAT 12.5km和25km产品在台风监测中的对比。可明显看出，12.5 km空间分辨率的风场产品能够描述更多的风场细节，特别是12.5km产品更加靠近海陆边界线。

图4 CSCAT/CFOSAT 12.5 km与25 km不同空间分辨率台风遥感监测产品比对

（3）锋面监测

图5展示了CSCAT/CFOSAT 12.5km和25km产品在锋面监测中的对比。由图中可明显看出，12.5 km空间分辨率的风场产品能够描述更多的风场细节。

图5 CSCAT/CFOSAT 12.5 km与25 km不同空间分辨率锋面遥感监测产品比对

（4）极地海冰监测

极地海冰实时监测产品是CSCAT的4级应用产品。该产品是以散射计L2级产品作为输入，经时空匹配与海冰检测，可生成日、旬、月的南北极地区海冰监测产品，产品信息包括：海冰分类与海冰面积统计。

图6分别为北极地区与南极地区在2019年1月与6月的月平均海冰分布专题图。由图中可明显看出，南北极地区海冰面积随着季节的变化此消彼长。在北极海冰快速消融的时候，南极海冰面积在急剧增长。

图6 CSCAT/CFOSAT极地海冰月平均产品

图7是由法国科学家提供的CSCAT/CFOSAT与ASCAT/MetOp散射计对于极地海冰监测产品的对比，由图中可明显看出，CSCAT具有覆盖好，一致性高的观测优势。

图7 CSCAT/CFOSAT与ASCAT/MetOp极地海冰监测产品对比

2．波谱仪数据应用

高空间分辨率的SWIM/CFOSAT数据在2021年2月2日正式进入法国气象局波浪同化系统，同化结果表明有效波高可以得到显著提升。法国海洋研究所还开发了多种波谱仪离线产品，包括：1Hz长时间气候产品，5Hz近海岸星下点产品。

目前，各国业务机构与科研院所对SWIM的数据应用进行了多角度挖掘，已表明其可应用在内陆水体的波浪观测；SWIM与SAR联合在海洋盆地尺度进行海况模式的捕捉；利用风、浪同步观测数据首次实现对全球海面波应力的精确计算，进而实现风应力反演；利用风、浪同步观测数据对台风进行定位定强；利用风、浪同步观测数据对海流进行反演；以及利用多特征与多入射角的观测特征对极地海冰进行监测。

（1）波浪产品

利用SWIM/CFOSAT星下点和左右两侧观测盒子的海浪参数，可以制作SWIM实测每日有效波高、主波波向、主波波长全球分布图（图8）。

图8 SWIM/CFOSAT每日有效波高、主波波向、主波波长全球分布图

（2）海浪宽刈幅有效波高产品

本产品为与散射计同刈幅的海浪有效波高场，其中彩色填色为海浪有效波高数值，刈幅中央的灰色数据点为SWIM/CFOSAT观测点。图9展示了将SWIM与CSCAT两种载荷的产品融合计算得到的宽刈幅有效波高产品。该产品能够将近星下点的海浪观测有效拓宽，获得与CSCAT同刈幅宽度的海浪有效波高场。

图9 SWIM/CFOSAT宽刈幅海浪有效波高产品（2019年6月11日08:24）

（3）海浪波陡产品

海浪波陡产品用于描述波浪的陡峭程度，根据海难的统计研究，波陡与船只失事有着非常紧密的联系，波陡越大，波浪越陡峭，船只更容易翻沉失事。图10中的数据点为SWIM观测，本产品由SWIM观测计算得到。

图10 SWIM/CFOSAT海浪波陡产品（2019年6月11日08:24）

（4）危险海况指数产品

危险海况指数产品是根据有效波高、波陡以及涌浪成分三种要素综合计算而来，指数越高表示海况越恶劣（图11）。本产品由SWIM/CFOSAT观测数据计算得到。使用0—20来描述低海况和高海况情况，有效波高、波陡和涌浪成分越大，认为海况越恶劣，也就用更高的指数值来描述。

图11 SWIM/CFOSAT危险海况指数产品（2019年6月11日08:24）

（5）风浪叠加产品

风浪叠加产品是将CSCAT风场产品与SWIM星下点有效波高产品进行叠加，在台风监测期间可以直观地获取风浪要素的信息（图12）。

图12 风浪叠加产品（2021年7月23日10:37）

（6）极地海冰监测产品

SWIM/CFOSAT极地地区30天周期的星下点平均后向散射系数，结果与其他高度计载荷的观测结果一致。冰厚的区域，粗糙度高，后向散射系数较低，是典型的多年冰；冰薄区域，由于镜面效应，粗糙度低，后向散射系数高。图13可看出冰反演的结果和欧洲中期天气预报中心同一时段海冰覆盖结果非常一致。

图13 SWIM/CFOSAT 30天北极极地海冰覆盖产品（2018年12月16日—2019年1月15日）

四、结语

CFOSAT成功发射以来，运行稳定，载荷获取的数据经世界各国科学家使用后表明，卫星搭载的两个新型体制载荷不仅仪器性能稳定，可提供连续监测的风浪产品，还在风浪温流等多要素观测、极地海冰、陆地土壤湿度等方面都具有极强的监测能力与应用潜力。随着CFOSAT数据的开放共享不断深入，未来将有更多的业务机构与科研团队使用卫星观测数据。

利用CFOSAT独特的技术优势，能够帮助科研人员研究台风、海浪的生成，重建强降雨区的遥感数据，用于研究巨浪在遭遇礁石后的消亡、反射、传播等机理。CFOSAT国际科学组成员期待，今后能够充分挖掘两个新体制载荷的观测优势，应用超分辨等新算法不断开发更多新型应用产品，助力建设海洋动力环境立体监测，为全球海洋、陆地监测提供遥感技术支持，发挥载荷反演精度高、空间分辨率高的观测优势，不断为全球气候变化提供数据保障。