中法海洋卫星及典型应用

文|黄耀辉 赵晓磊 阎诚 宋紫溪

航天东方红卫星有限公司

一、中法海洋卫星项目背景

中法海洋卫星（CFOSAT）是我国第一个与世界先进宇航机构在系统层面合作的卫星项目，由法方提供波谱仪（SWIM），中方提供卫星平台和散射计（SCAT）并负责卫星发射与测控，探测数据由中法双方共同开发利用，以获取海面风场、海浪等海洋动力环境参数。该卫星于2009年批复立项，由航天东方红卫星有限公司抓总，经过中法联合团队近10年的深入而广泛的合作，卫星于2018年10月成功发射，2019年9月完成了卫星在轨测试评审，卫星和载荷在轨工作稳定，数据产品满足设计要求，2020年2月卫星完成在轨交付，正式转入业务应用。

中法海洋卫星采用成熟的CAST2000小卫星平台，设计寿命3年，运行于轨道高度521km、降交点地方时07:00AM的太阳同步轨道，探测数据分别传输至中法两国地面站，由两国地面应用系统接收并进行处理。该卫星首次实现了海浪谱和海面风场同时探测，在海洋动力环境业务监测、海洋灾害监测和预报预警、海洋科学研究中发挥重要作用。

2020年2月，中法双方达成一致，同意开放共享中法海洋卫星的在轨数据，已有来自法国、中国、美国、俄罗斯等40多个研究团队使用了中法海洋卫星的数据服务开展科学研究和海洋预报系统的数据优化。

二、中法海洋卫星业务产品体系

中法海洋卫星在轨工作以来，每天24小时不间断工作，每天绕极地飞行14轨，下行数据由双方地面站实时接收，国家卫星海洋应用中心和法国空间研究中心/法国海洋研究院均可生产1～4级海面风场和海浪谱产品。中法海洋卫星业务产品体系如表1所示。

表1 中法海洋卫星业务产品体系

截止卫星在轨交付，中方已存档数据超过20TB，分发数据2.5TB，已在国内40多个用户单位使用；法方已通过处理及分发提供给法国以及欧洲等多个国家的用户使用。经地面应用系统输出的全球海面风场、海浪谱产品已经在台风、飓风灾害监测、南北极海冰监测、海洋数值预报、短期海洋预报中实现应用验证并得到广泛应用。

三、中法海洋卫星典型应用

1.海洋动力环境业务监测

中法海洋卫星搭载的波谱仪在国际上首次采用六波束真实孔径雷达方式连续测量全球海面海浪谱，扫描幅宽180km。波谱仪可业务化获取全球海浪谱数据，为海浪同化研究提供全球尺度的海浪谱信息。这些数据一方面可以用于改进并验证大气-海浪边界耦合模型的物理性质，另一方面可以通过同化技术来约束模型，克服对海洋波浪场模型假设的依赖性。图1为基于2019年9月4日波谱仪数据得到的海浪谱产品：中心位置21.3° (N)、128.4° (E)在 70 km×90 km 范围内的海浪方向谱，有效波高3.9m，主波波长145m，主波波向75°。

图1 海浪谱产品示例

卫星搭载的散射计是国际上首次采用扇形波束扫描方式测量海洋风场的微波散射计，刈幅大于1000km，提高海面风速和风向的反演精度，更加精准地观测海面风场。散射计可以与波谱仪实现观测角的互补，对研究海洋动力环境作用过程和表面散射特性具有重要意义。图2是基于2019年10月9-11日散射计数据获取的全球海面风场产品，覆盖率达95%以上。

图2 海面风场全球分布图

中法海洋卫星可获取全球海浪谱、有效波高、海面风场等海洋基本参数，从而更好地了解、认识海表面波的动力过程与变化过程，有助于完善我国海洋立体监测手段，弥补海洋一号、海洋二号等卫星在探测手段、时间、空间上的不足。

2.海洋灾害监测和预警

中法海洋卫星获取的实时海况信息可以用于海洋灾害监测和预警，减少灾害损失。该卫星可为海洋预报提供海浪谱、海面风场等多参量的初始场信息，改进海况预报及同化模型，提高对巨浪、海洋热带风暴、风暴潮等灾害性海况预报的精度与时效。风浪联合探测获取的全球海况信息，有利于改进中、长期气候预报模式，提高预报准确性，从而带来巨大的经济效益。随着我国海洋产值的增加，海洋灾害造成的直接经济损失也随之增加，海洋灾害的直接经济损失约占海洋总产值的10%。如果海洋环境预报时效提前一天，可减少约6%的经济损失。卫星的设计寿命为三年，按我国“十二五”海洋总产值估算，可减少760亿元的经济损失。

2019年9月4日，中法海洋卫星对超强台风“玲玲”的海面风场和海浪场进行了观测，如图3所示。台风路径右侧风速超过14m/s大风区的有效波高超过5m，观测主波波长为150～180m，风场为西南向，海浪向东传播。风向和浪向的偏移随台风中心距离增大，接近理论预测。

图3 中法海洋卫星对台风“玲玲”进行风浪同步观测

波谱仪海浪波陡产品可用于描述波浪的陡峭程度（图4）。危险海况指数产品使用0～20来描述海况等级，有效波高、波陡和涌浪成分越大，海况越恶劣（图5）。

图4 波谱仪海浪波陡产品

图5 波谱仪危险海况指数产品

3.海洋科学研究

中法海洋卫星可以实现全球尺度的风浪联合观测，有助于为海洋科学研究、全球气候变化提供实测数据和积累长时间系列历史数据。图6为2019年1月卫星散射计监测到的南极海冰分布及面积。

图6 卫星散射计监测的南极海冰分布及面积

“无风不起浪”，海表面的波浪和大气之间存在复杂的边界耦合过程，因此海浪和海面风场的各自特性以及两者相互作用的关系，一直受到科学家的广泛关注。风浪联合观测有助于揭示长涌浪与风浪的相互作用、与交界海面的关系，以及与危险海况相关的能量聚合的物理过程。此外，由于风浪联合观测多入射角的设计，卫星可提供从小波（几厘米）、中波（十几厘米到几米）到长波（几十到上百米）的多尺度海面风场及波浪信息，对于研究不同尺度波浪的时空变化及传播过程有巨大帮助，有利于揭示占据约全球70%面积的海洋表面水气交互作用的科学机理，在海洋科学研究、海洋技术应用和工程研究等方面有重大效益。

四、结束语

中法海洋卫星已成功发射并在轨稳定工作超过一年，其在轨表现优异，遥感数据质量处于世界领先水平，卫星获取的全球海面风场、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，效果良好。目前，该卫星已正式投入业务应用。同时，中法海洋卫星数据已由中、法等多国科学家共同使用，开展更深、更广的科学研究与应用。随着中法海洋卫星应用数据开放共享不断深入，卫星数据的应用领域将不断扩大，将进一步服务于海洋预报和海洋研究，为海洋防灾减灾和全球气候变化等研究提供支撑。