文 | 劉建強(qiáng) 蔣興偉 郎姝燕 Danièle HAUSER 孫從容 徐瑩 董曉龍 王麗麗 林文明 王久珂劉金普 馬小峰

1.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心

2.自然資源部空間海洋遙感與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3.法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）

4.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心

5.航天東方紅衛(wèi)星有限公司

6.南京信息工程大學(xué)

7.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心

一、前言

中法海洋衛(wèi)星（CFOSAT）是我國(guó)航天領(lǐng)域第一次與先進(jìn)宇航國(guó)家開展系統(tǒng)性、全流程合作的項(xiàng)目，也是中法兩國(guó)在航天工程領(lǐng)域、海洋科學(xué)領(lǐng)域高水平合作的重要成果。2018年10月29日CFOSAT在我國(guó)甘肅酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，2020年2月正式交付使用。

CFOSAT搭載了兩個(gè)全新體制的載荷，分別是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研制的扇形波束圓錐掃描微波散射計(jì)（CSCAT）和法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）研制的海浪波譜儀（SWIM）。其科學(xué)目標(biāo)是通過對(duì)全球海面風(fēng)場(chǎng)和海浪譜進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，開展海洋、大氣相關(guān)的科學(xué)試驗(yàn)和科學(xué)應(yīng)用的研究，提高人們對(duì)海洋動(dòng)力環(huán)境變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而改善對(duì)巨浪、海洋熱帶風(fēng)暴、風(fēng)暴潮等災(zāi)害性海況預(yù)報(bào)的精度與時(shí)效。國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心和CNES負(fù)責(zé)CFOSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地面接收、處理、存檔與分發(fā)任務(wù)。

在軌運(yùn)行2年多來(lái)，CFOSAT在距地520km的軌道上24小時(shí)不間斷工作，每天繞極地飛行15軌，下行數(shù)據(jù)由雙方地面接收站實(shí)時(shí)接收，中法雙方各自處理制作1～4級(jí)產(chǎn)品。經(jīng)地面處理中心輸出的全球海面風(fēng)場(chǎng)、海浪譜產(chǎn)品在臺(tái)風(fēng)颶風(fēng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、南北極海冰監(jiān)測(cè)、海洋數(shù)值預(yù)報(bào)、短期海洋預(yù)報(bào)中得到應(yīng)用驗(yàn)證。雙方科學(xué)家經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)估認(rèn)為，產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求、部分產(chǎn)品優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，CFOSAT可完成在全球尺度上對(duì)海洋表面風(fēng)浪的同步觀測(cè)，能夠改善海洋氣象和極端海況下的風(fēng)浪預(yù)報(bào)結(jié)果，提升海洋動(dòng)力模型和預(yù)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)水平，幫助科研人員了解海面風(fēng)浪過程的基本機(jī)理和全球氣候變化研究。

CFOSAT自發(fā)射以來(lái)運(yùn)行穩(wěn)定，國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心與中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心（CLTC）每3個(gè)月對(duì)衛(wèi)星軌道進(jìn)行一次軌道維持，因此軌道高度始終可滿足載荷需求。

二、中法海洋衛(wèi)星主要載荷

1. 微波散射計(jì)

CSCAT/CFOSAT工 作在Ku（13.256 GHz）微波頻率，是國(guó)際上首次采用扇形波束旋轉(zhuǎn)掃描體制的衛(wèi)星散射計(jì)。它綜合了傳統(tǒng)固定扇形波束散射計(jì)和筆形波束圓錐掃描散射計(jì)的特點(diǎn)，通過扇形波束圓錐掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)地面目標(biāo)的多入射角和多方位角觀測(cè)。散射計(jì)刈幅內(nèi)，每個(gè)風(fēng)矢量單元分別垂直極化（VV）和水平極化（HH）波束以28°—51°的入射角觀測(cè)2—8次，其中刈幅遠(yuǎn)端（距星下點(diǎn)＞400km）和星下點(diǎn)附近（星下點(diǎn)附近100km以內(nèi)）的區(qū)域觀測(cè)次數(shù)較少，刈幅中間區(qū)域的觀測(cè)次數(shù)較多。因此，與固定扇形波束散射計(jì)相比，CSCAT/CFOSAT可改善衛(wèi)星散射計(jì)空間覆蓋范圍，星下點(diǎn)區(qū)域無(wú)觀測(cè)間隙；與筆形波束散射計(jì)相比（最多4次觀測(cè)），CSCAT/CFOSAT可獲取更加豐富的觀測(cè)幾何信息以及更多的觀測(cè)樣本數(shù)，為改進(jìn)海面風(fēng)場(chǎng)、海冰、土壤濕度等地球物理參數(shù)的反演方法、提高反演精度提供了新的機(jī)遇。

CSCAT/CFOSAT可實(shí)現(xiàn)目前國(guó)際上最高分辨率的全球海面后向散射和海面風(fēng)場(chǎng)測(cè)量，連續(xù)觀測(cè)刈幅上原始分辨率可達(dá)10.5km。

眾所周知，星載CSCAT是目前獲取全球海面風(fēng)場(chǎng)最主要的傳感器。美國(guó)、歐洲、印度和中國(guó)先后發(fā)射了多個(gè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的CSCAT，這些散射計(jì)的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)在海洋氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式以及海氣相互作用科學(xué)研究中得到廣泛且深入的應(yīng)用。然而，過去和當(dāng)前所有衛(wèi)星散射計(jì)業(yè)務(wù)化海面風(fēng)場(chǎng)的典型分辨率是25—50km，無(wú)法滿足近海岸區(qū)域、中小尺度海面動(dòng)力過程等一些較高分辨率應(yīng)用的需求。CSCAT/CFOSAT雷達(dá)分辨單元的大小約為10 km×12.5 km，是目前原始空間分辨率最高的在軌運(yùn)行的微波散射計(jì)。2020年7月，國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心正式發(fā)布了CSCAT/CFOSAT全球近海岸風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品，空間分辨率為12.5km×12.5km，是目前全球空間分辨率與精度最高的近海岸風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品。2021年6月，CSCAT/CFOSAT再次推出了國(guó)際領(lǐng)先的新型高空間分辨率（6.25km×6.25km）風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品，經(jīng)驗(yàn)證，其精度也滿足要求，即將作為科學(xué)試驗(yàn)產(chǎn)品對(duì)全球發(fā)布。

2．海浪波譜儀

SWIM/CFOSAT是一種能夠在全球范圍對(duì)海面波浪譜進(jìn)行高精度探測(cè)的主動(dòng)式新型海洋遙感載荷，基于小入射角下準(zhǔn)鏡面散射機(jī)理，通過探測(cè)海面后向散射系數(shù)，進(jìn)而反演波浪譜、波長(zhǎng)、波向、有效波高等波浪參數(shù)。以往能夠獲取波浪譜信息的遙感載荷主要是合成孔徑雷達(dá)（SAR）、光學(xué)遙感等方式，海浪波譜儀是基于小入射角的鏡面反射，探測(cè)機(jī)理更為直接。

SWIM/CFOSAT有6個(gè)波束對(duì)海面進(jìn)行同時(shí)探測(cè)，入射角分別為0°、2°、4°、6°、8°、10°。產(chǎn)品體系可分為兩部分，分別是星下點(diǎn)0°入射角獲取的有效波高產(chǎn)品與其余入射角共同探測(cè)反演的波浪譜產(chǎn)品。星下點(diǎn)沿軌數(shù)據(jù)反演的有效波高產(chǎn)品精度優(yōu)于0.5m。波浪譜產(chǎn)品的性能指標(biāo)包括：可探測(cè)海浪波長(zhǎng)范圍為70—500m，空間分辨率為70km×90km，主波波長(zhǎng)精度10%，波向精度為15°。

三、中法海洋衛(wèi)星典型應(yīng)用

1．散射計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)用

CSCAT/CFOSAT提供的高分辨率、高精度海面風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品在海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、海洋工程保障等方面發(fā)揮了重要的信息支持作用。尤其在臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)中，這種新型體制的散射計(jì)充分發(fā)揮了多入射角、多樣本數(shù)的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的描繪較普通散射計(jì)更為細(xì)致，可以提供更加全面詳盡的位置強(qiáng)度信息。

各國(guó)科學(xué)家在標(biāo)準(zhǔn)海面風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，制作了0.25°×0.25°的3級(jí)網(wǎng)格產(chǎn)品，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

另外，中法兩國(guó)科學(xué)家還利用CSCAT/CFOSAT多入射角的觀測(cè)特征制作了南北極的海冰監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，產(chǎn)品可提供冰水劃分、海冰分類、海冰移動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)、海冰覆蓋等信息。

在多載荷聯(lián)合反演方面，利用CSCAT與SWIM同平臺(tái)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)，對(duì)風(fēng)、浪、流、溫度等要素間的相關(guān)性進(jìn)行了分析，對(duì)高海況等惡劣條件下如何提升風(fēng)矢量反演精度進(jìn)行了研究。此外，利用CSCAT、SAR與高度計(jì)對(duì)土壤濕度進(jìn)行了觀測(cè)，多方位發(fā)掘了CSCAT的數(shù)據(jù)應(yīng)用潛力。

（1）風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品

CSCAT/CFOSAT單軌觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)約為97min，刈幅為1050km，目前可提供6.25km科學(xué)試驗(yàn)產(chǎn)品、12.5km近海岸全球海面風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品與25km全球海面標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。海洋衛(wèi)星地面接收站一天可接收約15軌數(shù)據(jù)，全球覆蓋率近80%。三天全球海面風(fēng)場(chǎng)可獲取42軌數(shù)據(jù)，全球覆蓋率近96%。

圖1和圖2分別展示了CSCAT/CFOSAT全球海面風(fēng)場(chǎng)單日與三日的覆蓋圖。

圖1 CSCAT/CFOSAT單日全球海面風(fēng)場(chǎng)覆蓋圖（2019年8月8日）

圖2 CSCAT/CFOSAT三天之內(nèi)的海面風(fēng)場(chǎng)覆蓋圖（2019年8月8—10日）

（2）臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)

2019年，國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心在汛期衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)服務(wù)體系將CSCAT風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)納入。CSCAT/CFOSAT具有高精度、高空間分辨率的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，可以提供更細(xì)致的近海岸臺(tái)風(fēng)信息。業(yè)務(wù)化運(yùn)行后，大大提高了我國(guó)近海岸海洋災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，為海洋防災(zāi)減災(zāi)和海洋經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了強(qiáng)有力的信息服務(wù)。

CSCAT/CFOSAT對(duì)2019年第19號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“海貝斯”和2021年第6號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“煙花”整個(gè)過程的監(jiān)測(cè)表明，衛(wèi)星觀測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)直觀形象地反映了臺(tái)風(fēng)的位置和強(qiáng)度。在衛(wèi)星獲取到散射計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，地面系統(tǒng)迅速對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理，并在第一時(shí)間制作了臺(tái)風(fēng)遙感監(jiān)測(cè)專題圖。專題圖不僅給出了臺(tái)風(fēng)所處的具體位置，還可提供臺(tái)風(fēng)的最大風(fēng)速、七級(jí)風(fēng)半徑、十級(jí)風(fēng)半徑等定量信息。專題圖可直接發(fā)送給臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)和海洋環(huán)境預(yù)報(bào)部門，為沿海預(yù)報(bào)部門的防災(zāi)減災(zāi)工作提供了決策依據(jù)與信息參考。如圖3所示，CSCAT可捕捉到臺(tái)風(fēng)“煙花”的整體結(jié)構(gòu)，臺(tái)風(fēng)中心位置也清晰可見，最大風(fēng)速達(dá)31.8 m/s。

圖3 CSCAT/CFOSAT臺(tái)風(fēng)“煙花”遙感監(jiān)測(cè)專題圖（2021年7月24日）

圖4展示了CSCAT/CFOSAT 12.5km和25km產(chǎn)品在臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)中的對(duì)比。可明顯看出，12.5 km空間分辨率的風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品能夠描述更多的風(fēng)場(chǎng)細(xì)節(jié)，特別是12.5km產(chǎn)品更加靠近海陸邊界線。

圖4 CSCAT/CFOSAT 12.5 km與25 km不同空間分辨率臺(tái)風(fēng)遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品比對(duì)

（3）鋒面監(jiān)測(cè)

圖5展示了CSCAT/CFOSAT 12.5km和25km產(chǎn)品在鋒面監(jiān)測(cè)中的對(duì)比。由圖中可明顯看出，12.5 km空間分辨率的風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品能夠描述更多的風(fēng)場(chǎng)細(xì)節(jié)。

圖5 CSCAT/CFOSAT 12.5 km與25 km不同空間分辨率鋒面遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品比對(duì)

（4）極地海冰監(jiān)測(cè)

極地海冰實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品是CSCAT的4級(jí)應(yīng)用產(chǎn)品。該產(chǎn)品是以散射計(jì)L2級(jí)產(chǎn)品作為輸入，經(jīng)時(shí)空匹配與海冰檢測(cè)，可生成日、旬、月的南北極地區(qū)海冰監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，產(chǎn)品信息包括：海冰分類與海冰面積統(tǒng)計(jì)。

圖6分別為北極地區(qū)與南極地區(qū)在2019年1月與6月的月平均海冰分布專題圖。由圖中可明顯看出，南北極地區(qū)海冰面積隨著季節(jié)的變化此消彼長(zhǎng)。在北極海冰快速消融的時(shí)候，南極海冰面積在急劇增長(zhǎng)。

圖6 CSCAT/CFOSAT極地海冰月平均產(chǎn)品

圖7是由法國(guó)科學(xué)家提供的CSCAT/CFOSAT與ASCAT/MetOp散射計(jì)對(duì)于極地海冰監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的對(duì)比，由圖中可明顯看出，CSCAT具有覆蓋好，一致性高的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)。

圖7 CSCAT/CFOSAT與ASCAT/MetOp極地海冰監(jiān)測(cè)產(chǎn)品對(duì)比

2．波譜儀數(shù)據(jù)應(yīng)用

高空間分辨率的SWIM/CFOSAT數(shù)據(jù)在2021年2月2日正式進(jìn)入法國(guó)氣象局波浪同化系統(tǒng)，同化結(jié)果表明有效波高可以得到顯著提升。法國(guó)海洋研究所還開發(fā)了多種波譜儀離線產(chǎn)品，包括：1Hz長(zhǎng)時(shí)間氣候產(chǎn)品，5Hz近海岸星下點(diǎn)產(chǎn)品。

目前，各國(guó)業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)與科研院所對(duì)SWIM的數(shù)據(jù)應(yīng)用進(jìn)行了多角度挖掘，已表明其可應(yīng)用在內(nèi)陸水體的波浪觀測(cè)；SWIM與SAR聯(lián)合在海洋盆地尺度進(jìn)行海況模式的捕捉；利用風(fēng)、浪同步觀測(cè)數(shù)據(jù)首次實(shí)現(xiàn)對(duì)全球海面波應(yīng)力的精確計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)應(yīng)力反演；利用風(fēng)、浪同步觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行定位定強(qiáng)；利用風(fēng)、浪同步觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)海流進(jìn)行反演；以及利用多特征與多入射角的觀測(cè)特征對(duì)極地海冰進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（1）波浪產(chǎn)品

利用SWIM/CFOSAT星下點(diǎn)和左右兩側(cè)觀測(cè)盒子的海浪參數(shù)，可以制作SWIM實(shí)測(cè)每日有效波高、主波波向、主波波長(zhǎng)全球分布圖（圖8）。

圖8 SWIM/CFOSAT每日有效波高、主波波向、主波波長(zhǎng)全球分布圖

（2）海浪寬刈幅有效波高產(chǎn)品

本產(chǎn)品為與散射計(jì)同刈幅的海浪有效波高場(chǎng)，其中彩色填色為海浪有效波高數(shù)值，刈幅中央的灰色數(shù)據(jù)點(diǎn)為SWIM/CFOSAT觀測(cè)點(diǎn)。圖9展示了將SWIM與CSCAT兩種載荷的產(chǎn)品融合計(jì)算得到的寬刈幅有效波高產(chǎn)品。該產(chǎn)品能夠?qū)⒔窍曼c(diǎn)的海浪觀測(cè)有效拓寬，獲得與CSCAT同刈幅寬度的海浪有效波高場(chǎng)。

圖9 SWIM/CFOSAT寬刈幅海浪有效波高產(chǎn)品（2019年6月11日08:24）

（3）海浪波陡產(chǎn)品

海浪波陡產(chǎn)品用于描述波浪的陡峭程度，根據(jù)海難的統(tǒng)計(jì)研究，波陡與船只失事有著非常緊密的聯(lián)系，波陡越大，波浪越陡峭，船只更容易翻沉失事。圖10中的數(shù)據(jù)點(diǎn)為SWIM觀測(cè)，本產(chǎn)品由SWIM觀測(cè)計(jì)算得到。

圖10 SWIM/CFOSAT海浪波陡產(chǎn)品（2019年6月11日08:24）

（4）危險(xiǎn)海況指數(shù)產(chǎn)品

危險(xiǎn)海況指數(shù)產(chǎn)品是根據(jù)有效波高、波陡以及涌浪成分三種要素綜合計(jì)算而來(lái)，指數(shù)越高表示海況越惡劣（圖11）。本產(chǎn)品由SWIM/CFOSAT觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。使用0—20來(lái)描述低海況和高海況情況，有效波高、波陡和涌浪成分越大，認(rèn)為海況越惡劣，也就用更高的指數(shù)值來(lái)描述。

圖11 SWIM/CFOSAT危險(xiǎn)海況指數(shù)產(chǎn)品（2019年6月11日08:24）

（5）風(fēng)浪疊加產(chǎn)品

風(fēng)浪疊加產(chǎn)品是將CSCAT風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品與SWIM星下點(diǎn)有效波高產(chǎn)品進(jìn)行疊加，在臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)期間可以直觀地獲取風(fēng)浪要素的信息（圖12）。

圖12 風(fēng)浪疊加產(chǎn)品（2021年7月23日10:37）

（6）極地海冰監(jiān)測(cè)產(chǎn)品

SWIM/CFOSAT極地地區(qū)30天周期的星下點(diǎn)平均后向散射系數(shù)，結(jié)果與其他高度計(jì)載荷的觀測(cè)結(jié)果一致。冰厚的區(qū)域，粗糙度高，后向散射系數(shù)較低，是典型的多年冰；冰薄區(qū)域，由于鏡面效應(yīng)，粗糙度低，后向散射系數(shù)高。圖13可看出冰反演的結(jié)果和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心同一時(shí)段海冰覆蓋結(jié)果非常一致。

圖13 SWIM/CFOSAT 30天北極極地海冰覆蓋產(chǎn)品（2018年12月16日—2019年1月15日）

四、結(jié)語(yǔ)

CFOSAT成功發(fā)射以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，載荷獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)世界各國(guó)科學(xué)家使用后表明，衛(wèi)星搭載的兩個(gè)新型體制載荷不僅儀器性能穩(wěn)定，可提供連續(xù)監(jiān)測(cè)的風(fēng)浪產(chǎn)品，還在風(fēng)浪溫流等多要素觀測(cè)、極地海冰、陸地土壤濕度等方面都具有極強(qiáng)的監(jiān)測(cè)能力與應(yīng)用潛力。隨著CFOSAT數(shù)據(jù)的開放共享不斷深入，未來(lái)將有更多的業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)與科研團(tuán)隊(duì)使用衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)。

利用CFOSAT獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠幫助科研人員研究臺(tái)風(fēng)、海浪的生成，重建強(qiáng)降雨區(qū)的遙感數(shù)據(jù)，用于研究巨浪在遭遇礁石后的消亡、反射、傳播等機(jī)理。CFOSAT國(guó)際科學(xué)組成員期待，今后能夠充分挖掘兩個(gè)新體制載荷的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用超分辨等新算法不斷開發(fā)更多新型應(yīng)用產(chǎn)品，助力建設(shè)海洋動(dòng)力環(huán)境立體監(jiān)測(cè)，為全球海洋、陸地監(jiān)測(cè)提供遙感技術(shù)支持，發(fā)揮載荷反演精度高、空間分辨率高的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，不斷為全球氣候變化提供數(shù)據(jù)保障。