海洋遥感应用于全球气候变化观测，综述与述评微波海洋遥感卫星总设计师张庆君

海洋遥感应用于全球气候变化观测，综述与述评微波海洋遥感卫星总设计师张庆君海洋环境通常分为海洋水色环境、海洋动力环境、海洋地质环境等。海洋水色环境中的叶绿素、泥沙含量，海洋动力环境中的温度、盐度、海流、海风、海浪、潮汐以及海洋地质环境的海底地形、冻土等直接影响海洋碳循环系统和海洋-大气碳交换，进而影响整个碳循环。1.1 海洋环境与海洋碳循环系统2020年9月22日，主席在第75届联合国大会一般性辩论上提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的中国目标，即“碳达峰、碳中和”目标，其核心是开展碳综合治理，尽早实现碳排放和碳吸收的平衡。而海洋是全球最大的“碳库”和“碳汇体”，人类活动排放的CO2约有1/4~1/3被海洋吸收，海洋是应对全球气候变化、生物多样性和可持续发展等全球治理热点的汇聚点，是全球碳循环、水循环、能量循环的重要环节。深入剖析海洋环境对碳库、碳汇体的影响，建立完备的卫星海洋遥感体系，可以为全球碳综合治理和生态环境保

全文刊载于《前瞻科技》创刊号“航天科学与技术专刊”

文章摘要

海洋约占地球表面的71%，与全球气候变化和碳循环具有极其密切的关系，是全球碳循环、水循环、能量循环的重要环节。文章分析海洋水色、海洋动力、海洋地质等海洋环境与碳循环的关系，总结海洋环境要素探测的主要方法和手段、中国卫星海洋遥感体系现状及典型应用，提出以“提高精度、扩展覆盖、提升时效、填补空白”为指导思想，面向碳综合治理的中国卫星海洋遥感体系发展建议，并梳理了中国卫星海洋遥感体系建设亟待突破的核心关键技术，为中国卫星海洋遥感体系建设、全球碳综合治理以及维护全球生态环境和人类活动可持续发展提供参考。

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2020年9月22日，主席在第75届联合国大会一般性辩论上提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的中国目标，即“碳达峰、碳中和”目标，其核心是开展碳综合治理，尽早实现碳排放和碳吸收的平衡。而海洋是全球最大的“碳库”和“碳汇体”，人类活动排放的CO2约有1/4~1/3被海洋吸收，海洋是应对全球气候变化、生物多样性和可持续发展等全球治理热点的汇聚点，是全球碳循环、水循环、能量循环的重要环节。深入剖析海洋环境对碳库、碳汇体的影响，建立完备的卫星海洋遥感体系，可以为全球碳综合治理和生态环境保护提供有力支撑。

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海洋环境与碳循环

1.1 海洋环境与海洋碳循环系统

海洋环境通常分为海洋水色环境、海洋动力环境、海洋地质环境等。海洋水色环境中的叶绿素、泥沙含量，海洋动力环境中的温度、盐度、海流、海风、海浪、潮汐以及海洋地质环境的海底地形、冻土等直接影响海洋碳循环系统和海洋-大气碳交换，进而影响整个碳循环。

海洋碳循环系统通过海洋碳吸收过程、海洋生物碳交互过程以及陆架上升流碳输入过程，与大气碳循环系统、陆地碳循环系统等共同维护“碳循环圈”的稳定（图1），维持着地球生态平衡。

图1 海洋碳循环系统

1.2 海洋水色环境与碳循环

海洋水色环境主要包括浮游植物的叶绿素浓度、无机的悬浮物浓度和有机的黄色物质浓度等水色要素。海洋水色环境是海洋生态环境、海洋灾害、海洋资源开发利用的重要影响因素。

1）海洋水色是海洋生态环境变化的重要观测变量

浮游植物的叶绿素a浓度在海洋生物泵（BP）、微型生物碳泵（MCP） 和大洋生态系统碳汇中发挥着重要作用；海洋叶绿素a浓度与光合作用速率和生物量有着直接关系，是海洋生物和海洋化学研究的重要参数；在沿岸生态系统中，滨海湿地在全球海洋碳储存中也发挥着重要作用，红树林、盐沼和海草床湿地每年埋藏并长久保存的有机碳数量，约占海洋沉积物碳埋藏量的50%以上，虽然海草床仅占全球海洋面积的0.1%，但年固碳量却约占海洋总固碳量的18%。所以，直接观测海洋水色就能够反演近岸和海滩环境的变化。

2）海洋水色环境变化是海洋灾害的直接反映

根据《2020年海洋灾害公报》，中国近10年平均每年发生赤潮51次，年平均影响面积约4452 km2（图2），东海海域赤潮次数最多且累计面积最大，4—5月是赤潮次数最多、累计面积最大的月份；近10年来海水环境恶化引发大面积浒苔绿潮，主要集中在4—8月，年均最大分布面积37744.7 km2，年均最大覆盖面积447.9 km2。海洋水色环境本质上是海洋污染、泥沙含量和植被变化等状况的直接反映，是监测海洋污染、灾害的重要手段。

图2 2011—2020年中国海域赤潮发生次数和

赤潮累计面积

3）海洋水色环境关系到海洋资源的开发和利用

根据《2020年中国海洋经济统计公报》统计结果，2020年全国海洋生产总值80010亿元，其中与海洋水色环境直接相关的海洋渔业全年实现增加值4712亿元、滨海旅游业13924亿元。这些海洋经济活动就是充分开发和利用了与海洋水色环境紧密相关的海洋生物、滨海矿砂、海水化学、滨海旅游等资源。

1.3 海洋动力环境与碳循环

海洋动力环境主要包括海水温度、海水盐度、海水密度、海面风场、海面高度、海面波浪、海流和潮汐等动力要素。海洋动力环境对碳循环的影响主要体现在产生海洋可再生能源（海洋能）、对海-气CO2通量交互。

1）海洋动力环境影响海洋能产生

海洋能包括潮汐能、潮流能、波浪能、温差能、盐差能等。中国重视海洋能的开发利用和产业化，并于2017年发布首个海洋能发展规划，即《海洋可再生能源发展“十三五”规划》，明确指出要提高海洋能开发利用能力、推进海洋能技术产业化。海洋能源储量巨大、开发利用发展迅速，全球海洋可再生能源资源的理论储量为年可发电量2.0×1015 kW·h；中国的波浪能理论总功率约为7.0×107 kW；截至2020年底，中国海上风电累计装机容量约为9.0×106 kW；截至2021年底，海上风电装机规模居世界第一；全球有13个国家从事潮流能技术研发，英国和美国的潮流能技术和装置较多，尤其是英国潮流能技术始终处于世界领先地位，潮流能资源年可开发量高达2.1×1010 kW·h。全球海洋可再生能源是全球电力消费量的数十倍，而每千瓦海洋能可以减少CO2排放1.667 t/a。

2）海洋动力环境影响海-气CO2通量交互

由3个国际全球变化研究计划共同发起的全球碳循环计划将海洋-大气CO2净通量及相互作用列为最重要的研究内容之一，其中“碳酸盐泵”和“物理盐泵”的过程都与海洋动力环境参数密切相关。海-气CO2交换发生在海面表层并划分为5个部分，海洋动力环境参数是重要的驱动因子（图3），例如温度是主要的热力学因子，与CO2浓度呈负相关；而风场是重要的动力因子，与CO2交换速度呈正相关；海流则在海洋内部，在全球尺度上传输并影响CO2的浓度分布。全球尺度上的海洋碳源区和碳汇区相对比较稳定，即赤道海域是全球海洋最大的碳源，特别是赤道太平洋地区每年即向大气输入大量CO2。

图3 海洋动力环境与CO2的交互原理

1.4 海洋地质环境与碳循环

海洋地质环境主要包括海水淹没的海底地形、海洋沉积物、海底构造和海底资源等地质要素，这些要素与海洋碳循环密切相关。

1）海底地形通过多途径影响碳循环

海底地形会影响到大洋环流而改变海水中碳的全球输运。水体中的碳随着寒流进入深海或沉降到深海内部，从而形成稳定的碳库。海底地形还会影响到底栖生物群落以及底栖生物残体和排泄物的埋藏程度。

2）海洋沉积物是全球碳循环的重要组成部分

不同海洋区域沉积环境、冻士发育状况、河流/海岸侵蚀作用、海冰覆盖以及“生物泵”强度等差别显著，导致沉积有机碳的源汇过程具有显著的区域性差异。北极圈海岸带受侵蚀影响最大的是美国和加拿大的波弗特海岸，图4为沿北极圈的海岸侵蚀率情况。北冰洋的溶解性陆源有机质约占全球向海洋输入的13%，这些陆源有机质不仅影响到北半球高纬度地区的陆地生态系统碳储量，也会影响到北冰洋的碳收支。

图4 沿北极圈的海岸侵蚀率

3）海底资源储藏大量丰富的碳

海底资源包括海底矿产资源（滨海砂矿、大洋多金属结核、钴结壳和热液硫化物等）、海底能资源（石油、天然气、天然气水合物和海底热能等）、海水资源、深海生物基因资源、海底空间资源等。海底沉积物中具有丰富的碳资源，海底石油资源量约为1.35×1011 t，海底天然气约为1.4×1014 m3，约占世界油气总资源量45%。海底天然气水合物中贮存的甲烷总量约为1.8×1016 m3。北冰洋大陆架上分布着大面积海底冻土，约存储5.6×1011 t的有机碳以及6.0×1010 t的CH4。

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中国卫星海洋遥感体系现状

2.1 海洋环境要素探测机理

2.1.1 海洋水色环境要素探测机理

由于海水颜色一般从深蓝到碧绿、从微黄到棕红根据组分浓度不同而变化，开阔大洋海水（Ⅰ类水体）颜色多为蔚蓝，沿岸海水（Ⅱ类水体）则多呈淡绿色。所以，海洋水色遥感主要依靠光学载荷对海水光学特征的探测来反演海洋水色环境，如中等分辨率成像光谱仪（MODIS），相应探测谱段多集中在可见光到近红外波段（400~900 nm）。由于海洋水色高精度大气校正的需求，通常会将谱段扩展到紫外谱段（335~395 nm）和短波红外谱段（1~2.5 μm），部分海洋水色观测为兼顾海表温度探测，将谱段扩展到热红外谱段（8~14 μm）。表1为典型的海洋水色观测（SeaWiFS）光谱对应的水色要素。

表1 典型的海洋水色观测光谱对应的水色要素

由于水体反射率随波长变化较为平缓，因此对光谱响应特性提出了严格的约束，响应特征峰对应谱段带宽较窄，主要谱段带宽在10~15 nm，同时要求光谱带外响应不超过1%，中心波长偏移不超过0.5 nm。为了进一步实现对海洋生物的区分，谱段带宽需要提升至5~10 nm的水平。例如，当前国际上典型的OLCI载荷主要水色观测谱段带宽在7.5~10 nm，美国即将发射的PACE卫星上配置的OCI载荷的成像光谱带宽为5 nm。

海洋水色观测谱段通常配置中心波长为412、443、490、510、555、670 nm等典型水色观测谱段以及765、865 nm大气校正谱段。随着海洋水色应用的不断深入，国际海洋水色协调组（IOCCG）推荐在传统可见光近红外谱段基础上增加荧光谱段等至20个谱段，同时增加350、360、385 nm 3个紫外探测谱段以及1245、1640、2135 nm 3个近红外谱段。

根据全球气候观测系统（GCOS）对重要气候变量（ECV）的观测需求，海洋水色观测反演出的蓝绿谱段离水辐亮度产品不确定度要求为5%、叶绿素a浓度产品不确定度为30%。为了满足离水辐亮度产品5%的精度要求，必须从水色载荷设计、研制以及在轨应用全过程考虑辐射特性相关要素，保证传感器的绝对辐射定标精度，包括观测稳定性和星上定标系统设计、卫星发射前的相对辐射定标和绝对定标，以及在轨定标等各项因素。图5为海洋一号C/D星（HY-1C/1D）水色水温扫描仪和海岸带成像仪构型。

图5 HY-1C/1D水色水温扫描仪和海岸带成像仪构型

随着海洋水色遥感研究和应用的深入，对探测时空分辨率和探测精度提出了更高要求，针对全球大洋应用，空间分辨率逐渐由星下点1 km提升至300 m左右。但是针对海岸带、港口、港湾、河口等观测区域，一般需要50~300 m，部分精细化监测需达到10 m或者更高。如欧洲主要用于海岸带、海岛和内陆水体观测的Sentinel-2A/B卫星上装载的多光谱仪器（MSI），最高分辨率达到10 m的水平。由于海洋动态变化的特性，对于大多数科学应用研究而言，需要更短的重访周期，最典型的是1次/d，甚至要求2次/d。为了进一步揭示海洋在全球气候变化中所扮演的角色，海洋水色直接探测需要由海面走向水下，随着海洋激光雷达探测技术的日益成熟，海洋水色探测由海面走向水下100 m已成为可能。

2.1.2 海洋动力环境要素探测机理

根据基尔霍夫定理、普朗克定理和菲涅尔反射率等原理，科研人员构建了卫星定量观测海面辐射亮温的物理基础。动力要素的辐射特性和典型频段的关系如表2所示。海面的亮度温度和海表温度、辐射频率、观测角度（入射角）等参数密切相关：TB=F(ƒ θ p S T V)。其中，TB为海面辐射亮温，ƒ 为辐射频率，θ为入射角，p为极化方式，S为海表盐度，T为海表温度，V为海面风矢量（含风速和风向）。电磁波有4个Stokes参数，其中第1个变量和第2个变量为正交分量：Tv=T0 T1cosφ T2cos2φ；第3个和第4个变量为正交分量的复相关分量，包含反演风向的所有信息：T3=U1cosφ U2cos2φ。在上述表达式中，仅以Tv和T3为例，其中T0代表仅与风速相关的风量，T1、T2、U1和U2为与风向有关的调和系数。C波段和X波段对海表温度的敏感性最强，由于大气中的水蒸气、液态水和海面风速等辐射分量不可忽略，K波段和Ka波段也成为海面温度反演中用于降低反演误差的重要波段。实现海面微波辐射探测载荷的主要是辐射计，按照探测体制划分，主要包括实孔径微波辐射计、综合孔径微波辐射计。水下动力环境要素（主要包括温度、盐度和深度）通常通过船测、浮潜标等现场实测获取，但是大范围探测无法保障时间分辨率和空间分辨率，由此产生数值模式计算获取方式。根据海水密度方程以及运动（动量）方程、海水连续方程、温度方程、盐度方程等，通过求解数值方程可以获取海水三维温度、盐度和深度。

表2 观测要素与微波探测频段关系

海面不仅辐射电磁能量，还反射和散射外部电磁能量，利用反射和散射特性可以获取海面的风场、浪场和海面高度等信息。相对于平面反射面的微波反射，粗糙海面的微波散射较为复杂，现在使用的方法都是在一定条件下的近似解，包括基尔霍夫近似法、小扰动法、双尺度法、小斜率法。当电磁波以垂直或者近垂直入射（入射角＜20°）时，产生准镜面反射，反向散射系数σ0随海洋风速增大而减少，且与入射波的极化无关；当入射角在20°~80°时，产生布拉格谐振散射，反向散射系数σ0随海洋风速增大而增大、随入射角增加而减少，且与极化有关；海面风引起海表张力增加，改变海面的平面度，引发入射角、反射散射系数σ0改变，由此可建立后向散射系数与风速、风向的关系，通过仪器测量出后向散射系数即可求出风速、风向。散射计是探测海面风场的主要载荷，按波束形式分为笔形扫描波束散射计和扇形（固定扇形和扫描扇形）波束散射计，按工作方式分为推扫式和扫描式；高度计和全极化辐射计也可以获得海面风场风速。

海浪根据其成因分为风浪与涌浪。风浪是被海表风直接驱使表面海水运动而形成的，由于风力和风向的不同，波长、振幅、速度均不相同；涌浪是风浪运动到一定程度受风力影响很小的海浪，可以看作是由振幅、频率、运动方向、初始相位都不相同的正弦波叠加形成的。海浪的参数主要包括有效波高、波长和波向。卫星遥感实现海浪探测的主要载荷有高度计、合成孔径雷达（SAR）、波谱仪。高度计探测反演可以获得海面高度、有效波高、海面风场等信息。SAR获取海面海浪运动而形成不同的信号谱，根据信号谱并结合海浪谱的特点，反演出海面的海浪谱信息，包括有效波高、波长、波浪传播方向。波谱仪以0°~10°小入射角测量海面后向散射系数，兼顾高度计和SAR的优点同时测量高精度的海面有效波高和波浪谱。图6为海洋二号（HY-2）卫星辐射计、高度计及散射计构型布局。

图6 HY-2辐射计、高度计及散射计构型布局

海流是海洋动力环境最基本和最重要的动力要素之一，又称为洋流，是海水因热辐射、蒸发、降水、冷缩等形成的密度不同的水团。再加上风应力、地转偏向力、引潮力等作用而大规模相对稳定的流动（包括水平和垂直的），按照海流成因可以分为风海流和密度流，实际发生的海流受多种因素综合作用。现有全球海面流场测量主要基于星载高度计、散射计和SAR多传感器融合，形成较低分辨率的全球流场。星载SAR实现海面流场探测的方式主要有顺轨干涉SAR、单基地SAR反演海面流场，顺轨干涉SAR利用顺轨干涉相位反演海面流场，单基地SAR利用多普勒谱反演海面流场。通过多角度观测同时获取不同角度观测的多普勒谱中心异常和顺轨干涉相位信息融合求解二维流场的“复眼”SAR技术逐渐成为国内外近年来研究的热点。

2.1.3 海洋地质环境要素探测机理

海面高度受海底地形特征的重力影响，可用于海底地形估计。海面高度数据的水平分辨率远低于船舶的测深，但可以揭示海底的显著地貌特征，在理想的深海条件下，可以实现水平分辨率6~9 km。重力异常和海底地形在一定波段内存在高度相关，借助重力异常或重力梯度异常可反演大尺度的海底地形。借助光波在水中传播和反射后的光谱变化，以多光谱和SAR影像数据为主，结合实测水深构建反演模型，实现大面积水深反演，再结合遥感成像时刻水位反算得到海底地形。通过发射可以穿透水体的蓝绿波段激光进行水深直接测量，能够高效精确地测量近岸水深和水下地形。

海底多年冻土的退化可通过探测海面温度、海水盐度并利用简易一维热导模型来模拟，进而估算海底多年冻土碳的释放。海冰的季节性消融也会改变海水的温度结构和盐度，从而影响到海底碳的释放。利用卫星获取海冰变化的资料，结合中国海洋动力环境卫星获取的海洋动力要素资料，可以提高对海底多年冻土碳释放的认识。海岸线为陆地与海洋之间的交界线，海岸线的提取一般为进行水陆分离后，利用轮廓边界跟踪技术进行岸线提取，在此基础上，结合影像上各类型岸线的地理及光学特征，建立岸线解译准则并对岸线类型进行人工目视解译，确定其类型。

由于地震等地壳活动导致某些海底的油气资源会释放至大气中，如天然气水合物分解出的甲烷等气体沿地层中的断裂向海底运移直至底层大气，可通过卫星热红外（8~14 μm）增温异常探测海面温度、底层大气中甲烷和一氧化碳含量等进行监测。通过卫星热红外相机可探测天然气水合物资源，国际海洋全球变化研究（IMAGES）大西洋古海洋及地球化学（PAGE）项目于2002年6月在墨西哥湾地区开展了一个航次的调查，通过对西北墨西哥湾大陆坡天然气水合物资源区及其周围海区的卫星热红外海面亮温变化情况进行分析显示，热红外亮温异常与深水海域天然气水合物分布存在关系。

2.2 中国海洋卫星遥感体系现状

中国作为海洋大国从20世纪90年代开始跟踪国外的技术发展，建立了具有中国特点的卫星海洋遥感体系和发展路线，现已发射海洋水色（海洋一号A/B/C/D星，HY-1A/1B/1C/1D）、海洋动力环境（海洋二号A/B/C/D星，HY-2A/2B/2C/2D）和兼顾对人类海洋活动探测的海洋监视监测（高分三号及高分三号02星，GF-3及GF-3B）系列海洋卫星，2022年即将发射高分三号03星（GF-3C），初步形成了具有优势互补的卫星海洋遥感业务化应用体系（图7）。

图7 中国卫星海洋遥感体系现状

1）海洋水色卫星

目前，在轨的HY-1C/1D两颗卫星采用上下午星组网运行的方式，能够实现对全球大洋水色水温星下点1 km分辨率、2次/d的覆盖能力，叶绿素a浓度的反演精度达到40%，海面温度探测精度达到0.7 K；针对中国海岸带区域以及部分重点海域，能够形成50 m分辨率、不少于1次/d的快速重访能力。中国和国际海洋水色卫星对大洋观测能力的对比分析见图8，中国和国际海洋水色卫星对近岸观测能力的对比分析见图9。目前，中国正在研发与当前国际先进水色观测卫星水平相当的新一代海洋水色卫星。

图8 中国和国际海洋水色卫星针对大洋观测能力的对比分析

图9 中国和国际海洋水色卫星针对近岸观测能力的对比分析

2）海洋动力环境卫星

目前，中国在轨运行的HY-2B/2C/2D已完成三星组网，卫星所有载荷性能和卫星产品精度达到国际先进水平。海洋动力环境系列卫星获取的数据产品不仅是支撑中国海洋环境遥感观测及数字海洋的骨干数据源，也是欧洲中期天气预报中心（ECMWF）、法国国家空间研究中心卫星海洋学存档数据中心（AVISO）等数据集不可或缺的输入源。与国际同类卫星对比分析如表3所示。

表3 海洋动力环境卫星主要性能指标与

当时国际先进水平对比

3）海洋监视监测卫星

GF-3卫星是中国首颗多极化、高分辨合成孔径雷达（SAR）成像卫星，是集高分辨与宽覆盖一体、陆海目标与环境探测兼顾的新一代综合型SAR卫星，具有亚米级对地观测成像、全极化探测、毫米级地表形变测量及运动目标检测能力，实现了中国SAR卫星遥感由单极化到多极化、单孔径到双孔径、静止目标到运动目标、定性观测到定量观测、单一功能到“一星多能”的重大技术跨越，扭转了中国高分辨SAR图像数据依赖进口的局面，在国内外产生深远影响，各项应用指标均达到了国际同类先进水平，其中多种探测要素综合探测的能力处于国际领先水平。

GF-3B、GF-3C是GF-3卫星的业务星，三星组网运行将构成中国首个海洋监视监测网，具备对中国陆地及海域全境5 h重访能力，与同类SAR成像星座相比，分辨率更高，成像模式更多，应用效能更强。卫星组网大大缩短对同一区域重复观测的时间间隔（重访周期），双星实时观测区最大重访周期由单星3.5 d缩短至0.6 d，平均重访周期由单星0.5~0.7 d缩短至0.2~0.35 d；三星组网后，实时观测区最大重访周期缩短至0.5 d，平均重访周期缩短至0.15~0.25 d。表4为GF-3组网观测能力与国际其他同类卫星性能对比。图10为GF-3/3B/3C组网示意图。

表4 GF-3组网观测能力与国际其他同类卫星

性能对比

图10 GF-3/3B/3C组网示意图

4）极区探测卫星

目前中国尚无极区专用探测卫星，利用海洋系列卫星可对极区进行部分监测。欧洲2010年发射的CryoSat-2利用Ku频段高度计测量极地冰盖高度和海冰厚度，覆盖范围为南北纬88°。在应用方面，美国、新西兰和澳大利亚的科研人员对欧洲航天局（ESA）的CryoSat-2和美法联合研制的Jason-1对地观测卫星的数据进行分析，发现获得的海底地形数据在精度上比重力数据提升2倍以上。近年来极区多星联合应用较多，ESA正在改变其CryoSat-2卫星的轨道，以定期与美国国家航空航天局（NASA）的ICESat-2对齐，旨在同时提供对同一块冰域的雷达和激光雷达测量。国际上几颗典型用于海洋地质环境探测的卫星情况见表5。

表5 国际海洋地质环境探测卫星简介

2.3 中国海洋卫星典型应用

1）海平面变化监测

全球气候与海平面变化、海温异常变化紧密相关，通过卫星遥感可长期、稳定连续监测海平面变化和海温变化。2002—2020年，通过卫星长时间序列的观测数据确定的全球海平面变化速率为3.05 mm/a，2011年发射的HY-2A卫星也具备稳定的海平面变化监测能力，实现HY-2A、HY-2B、HY-2C和HY-2D卫星的接续观测，为全球海平面的观测贡献高质量的测高数据，有效服务于全球海平面变化研究（图11）。

图11 全球海面变化情况（2002—2020年）

（来源：国家卫星海洋应用中心）

2）极地科考

2021年11月5日，中国第38次南极科考队搭乘“雪龙号”科考船从上海出发，执行南极科学考察任务。“雪龙号”成功接收了GF-3系列卫星的3 m分辨率数据，为科考船在冰区航路选择、破冰路线决策提供技术保障（图12）。

图12 2021年11月5日GF-3系列卫星的“雪龙号”

南极科考破冰路线产品

3）台风和灾害监测

HY-2卫星具有精细化测量海洋风场和风矢量的优势，实现台风风场结构的精细化描述，能够在台风初期以及台风眼形成等不同阶段实现对台风中心的精确描述，其数据产品已成为气象海洋环境预报必不可少的数据产品。例如，2020年，利用HY-1C/1D卫星、HY-2C/2D卫星、中法海洋卫星（CFOSAT）等数据开展了西北太平洋海域台风监测工作，全年共监测到22次台风过程，制作台风遥感监测专题图1562幅，及时提供给国家、海区、省市三级海洋预报部门，为汛期台风预报会商提供了近实时的台风实况信息保障。图13为2101号台风“杜鹃”HY-2C卫星微波散射计数据产品。

图13 2101号台风“杜鹃”HY-2C卫星微波散射计

数据产品

HY-1卫星在海洋灾害监测中发挥了重要作用。2020年，利用HY-1C/1D卫星影像数据，相关人员在中国东海海域和南海海域部分区域监测到大面积赤潮，制作了卫星遥感赤潮监测报告，形成由卫星发现赤潮，相关单位现场核实处置的应用示范模式，为赤潮防治提供了重要的技术支撑。图14为东海海域HY-1D卫星海岸带成像仪赤潮遥感监测影像。

图14 东海海域HY-1D卫星海岸带成像仪赤潮

遥感监测影像（2020年8月17日）

GF-3卫星在海洋防灾减灾、应急处突方面得到较好的应用，在2018年1月6日的“桑吉号”邮轮溢油监测中发挥了重要作用，图15为GF-3监测到的“桑吉号”溢油监测专题图。2021年4月27日9时许，巴拿马籍杂货船“义海”轮（SEA JUSTICE）与利比里亚籍锚泊油船“交响乐”轮（A SYMPHONY）在山东青岛朝连岛东南海域发生碰撞，导致油船一货舱受损溢油。2021年5月2日17时50分，过境的GF-3卫星SAR数据对事故海域进行监测，在事故船只“交响乐”轮位置附近及其北侧海域发现1处油膜分布区，油膜区位于“交响乐”轮南侧偏东海域，呈弯曲状细长条带和不规则面状混合形态，扩散程度较高。

图15 “桑吉号”邮轮溢油监测产品

4）海温监测

中国海洋动力环境卫星HY-2B搭载微波辐射计，具备海温监测能力，探测能力达到国际先进水平，空间分辨率为50 km。中国在轨海洋水色卫星HY-1系列搭载水色水温扫描仪监测海温，由于水色水温扫描仪是红外相机，受天气影响较大，但是其空间分辨率可达1 km。HY-2B与HY-1系列卫星融合实现海温监测，兼顾精度和分辨率提升，空间分辨率可达5 km，精度优于0.5℃，如图16所示。

图16 HY-2B与HY-1系列卫星融合海温数据产品

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面向碳综合治理的中国卫星海洋遥感

体系建设发展建议

3.1 卫星海洋遥感体系未来规划

新时期碳综合治理对卫星海洋遥感体系提出了新的更高需求。为了更好地满足碳的监测需求，海洋水色卫星需要增加探测谱段、降低谱段带宽、提高信噪比；海洋动力环境卫星需要探测亚中尺度海面温度、海面高度等要素，补充极区海冰、冻土探测；海洋监视监测卫星需要对海洋飓风、台风等海上灾害的实时监测、跟踪和预报。3类卫星系统均需提升探测精度、提高重访时间，如表6所示。

表6 未来中国卫星海洋遥感体系的建设需求

后续发展的重点是在现有卫星海洋遥感体系基础之上，采取“提高精度、扩展覆盖、提升时效、填补空白”的指导思想，实现天、空、海、水下立体探测，既要解决海水垂直深度问题，又要解决近海、深海、两极探测剖面的问题。卫星海洋遥感体系向海洋水色卫星星座（简称海洋水色星座）、海洋动力环境卫星星座（简称海洋动力星座）、海洋监视监测卫星星座（简称海洋监视星座）、其他应用于海洋环境遥感的卫星（简称其他应用卫星）4个系列发展。

1）海洋水色卫星星座

针对大洋观测，应以满足精细化观测需求为驱动，发展具备1000倍信噪比、5~10 nm光谱带宽、覆盖紫外到热红外多观测谱段、全球大洋空间分辨率在200~300 m的海洋水色观测卫星体系，对全球大洋实现至少2次/d覆盖，叶绿素浓度产品精度由当前的40%提升至30%。观测要素应从传统的海洋水色水温观测向海洋光学环境要素拓展，增加偏振、夜光等探测手段（图17），提升探测能力，补齐短板，满足未来更加精细化、定量化的探测需求。

图17 未来大洋水色观测的发展目标

（谱段及分辨率）

针对中国近海近岸、大江大河、大湖等不同水体特征，应提升对应水域的水色探测能力，为适应相应区域的探测需求，空间分辨率应提升至5~10 m的水平，同时应重点扩展相应的水色探测谱段（图18），确保较高的信噪比，尤其是用于大气校正的近红外等谱段的信噪比，能够实现对近岸至少每天上下午各1次的重访能力，匹配中国海岸带精细化探测的需求。

图18 未来近岸水色观测的发展目标

（谱段及分辨率）

面向水下探测，需要发展海洋激光雷达探测卫星，填补水下探测的技术空白，实现从海面到水下的海洋立体观测，准确获取中国以及全球海洋区域次表层参数信息，为人类认知海洋、研究全球气候变化服务。

2）海洋动力环境卫星星座

在提高性能方面，新一代海洋观测技术的发展将对遥感技术进行全面升级，发展海面温度优于0.5 K、海面风场优于1.5 m/s、海面高度优于3 cm的高精度卫星系统，组网后重访时间优于6 h。中国下一代CFOSAT将发展有效波高精度优于0.3 m、空间分辨率优于5 km、波长精度优于10%的卫星系统。

在填补空白方面，迫切需要发展达到0.1 m/s精度的高分辨率海洋流场观测卫星，将在海洋碳循环的实时大尺度观测方面取得重要突破。除此之外，部署和发展近海大气温度和大气湿度观测手段可以提高全球碳循环的观测精度。

弥补极区环境探测的不足，重点针对极区海冰、重力场、海面高度等要素进行探测，覆盖范围由国际上的南北纬88°拓展至南北纬90°，实现中国极区海洋探测数据全自主获取，海冰厚度探测精度优于0.5 m，提高海洋地质相关的海洋背景模型精度，弥补中国已有卫星体系的不足，为“双碳”目标作出贡献。

扩展覆盖与提高时效方面，不仅可以丰富对研究结果分歧较大的海域和“海洋未知汇”的探讨，更能提高多维耦合模型模拟的真实性，3 h全球覆盖将是海洋卫星系统后续需要解决的问题。

3）海洋监视监测卫星星座

基于GF-3系列卫星，中国已经实现对海洋环境的高时效、高精度探测，未来将重点实现对特定区域的高时效探测。

应重点发展高轨海洋监视微波卫星，支持海洋飓风监测、海浪监测、广域洋流走向监测、海冰局域精细监测、海冰分布态势监测、风暴潮漫滩灾情监测、中国管辖海域海上油气平台分布态势监测，以及热点岛礁大型人工设施变化监视等探测模式。具备全球南北纬60°和东经45°~180°范围内观测能力，增加经度方向30°范围的覆盖能力；提升重访能力，双星组网能够满足对东海、南海等热点区域小时级重访需求，对中国东南海域的重访时间可以达到1 h，对渤海、日本海区域的重访时间可以达到约2 h；提升中国内陆应急、气象会商重访能力，满足应急灾害监测及会商需求，海南、福建、广东、广西等受台风影响频繁地区实现1 h重访，长江以南地区提升至2 h重访，东北地区和新疆地区提升至4 h重访，提升应急观测频次，满足海洋飓风2 h重访的预报需求。

4）其他应用于海洋环境遥感的卫星

海洋环境遥感和地球陆地遥感、大气遥感共同形成了地球遥感观测系统，海洋环境与陆地系统、大气系统紧密结合，由此陆地环境探测系统和大气环境探测系统辅助促进海洋环境的探测，形成面向碳综合治理强有力的辅助海洋遥感体系。图19为空天地海一体化卫星海洋遥感体系。

图19 空天地海一体化卫星海洋遥感体系

3.2 亟待突破的核心关键技术

3.2.1 遥感载荷技术

遥感载荷是实现海洋环境要素探测的核心。为了满足未来面向碳综合治理的业务应用需求，亟待突破如下遥感载荷技术：海洋光学环境的精细化探测技术，实现大洋200~300 m、海岸带区域5~10 m的高信噪比、高光谱分辨率的探测能力，并进一步扩展光学探测谱段；海洋激光雷达探测技术，满足水下100 m甚至更深的海洋光学环境、海洋内部海温、海流、内波等环境探测需求；多通道高分辨率微波辐射计探测技术，实现灵敏度优于0.5 K、辐射分辨率优于0.2 K、空间分辨率优于10 km的高精度探测；干涉成像高度计技术，实现测高精度优于3 cm、空间分辨率优于5 km、幅宽大于500 km的高精度海面高度和有效波高探测；多基线干涉洋流测量技术，实现流速优于0.1 m/s，流向优于20°的絮流、近岸流观测；基于物联网框架的天空岸海多基地传感器综合管理、通信和数据交互技术。

3.2.2 定标技术

定标和真实性检验是遥感数据反演和应用的基础，是影响探测精度的重要因素。遥感载荷的定标包括内定标和外定标等模式，其中卫星遥感载荷的内定标主要有两点（高温和低温）定标、光谱定标（自带光源）、收发闭环定标、冷空定标、太阳或月亮定标等星上定标方法和技术。但是对于宽谱段、多频点、干涉成像以及激光等新型载荷，必须突破新的定标方法。

外定标包括场地定标和交叉定标等方法。在“十二五”海洋观测卫星地面系统的支持下，中国2019年建成烟台光学遥感海上综合观测平台和万山雷达高度计海上定标场，实现了业务化海上定标检验场“零”的突破。烟台光学遥感海上综合观测平台是国内首个针对光学遥感的海上综合观测平台，除常规配置的太阳光度计、表面光谱仪之外，还配置水体后向散射测量仪、水体吸收衰减测量仪、荧光计等剖面设备，以及水样分析实验室和光学仪器辐射性能监测实验室。万山定标场是全球第5个、国内首个卫星雷达高度计海上定标场。该定标场主要观测海表面的潮位、风速、风向、海表温度、有效波高、波向、大气温湿压剖线等数据，除可用于雷达高度计的在轨绝对定标之外，还可以用于海面风场、海面温度、云液水等产品的在轨检验，也可以服务于万山海域的环境监测。

中国海洋卫星定标检验场网采用“边建设、边服务、逐步扩充”的原则，正在开展西沙光学遥感海上定标场、海洋水体与大气同步观测系统、微波辐射计海上定标场、烟台C-SAR海上定标场、西安微波散射计有源定标器固定站、南京雷达高度计有源定标器固定站、锡林浩特波谱仪有源定标器定标场等建设任务。后续需要根据海洋卫星的规范发展，结合新型遥感载荷的特点，通过扩改建方式规划建设中国海洋卫星定标检验场网，支撑海洋遥感相关研究的广度和深度，服务于更高、更完善的科学观测需求。

3.2.3 数据处理和应用技术

随着卫星遥感海洋环境要素的深入应用，各类探测器的数量和质量得到空前发展，各类高精度海洋数值模式数据成指数增长，大数据理念在海洋认知中发挥了重要作用，基于遥感大数据和AI深度挖掘技术的应用，可实现亚中尺度、小尺度海洋动力要素获取。同时，为确保数据的高质量和高时效，需要打破通信、遥感系统间的数据共享壁垒，实现轨道资源、传感器资源、通信资源等各类资源的综合高效利用，在时空大数据、云计算和天基信息服务智能终端支持下，通过天空地海网络的全球无缝互联互通，实现全球海洋环境要素的实时、高精度共享。未来应重点突破海量数据处理和融合技术、基于人工智能（AI）技术的海洋环境快速反演技术、基于多源数据的海洋数据同化和反演技术、基于“云 端”的数据分发技术（图20）。同时面向应用需求，开发业务化的应用系统和设备，通过快速推送、订购推送、应急互动的业务数据软件和终端的研制推广应用，直接服务于渔民、游船、货船、沿岸地方政府、工矿企业以及国家主管部门，向“一带一路”沿线国家分发和交换数据。

图20 多源融合处理技术

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结束语

中国卫星海洋遥感经过近30年的研究和建设，建立了具有自身特点的卫星海洋遥感体系，具备光学、主被动微波和合成孔径雷达等较为完善的探测手段，实现了从无到有、从弱到强的技术跨越，在中国海洋经济和国家建设方面发挥了重要的作用。面对实现“双碳”目标、实现海洋强国梦想的重大需求，现有卫星海洋遥感体系的探测能力与需求尚有一定的差距，迫切需要规划论证新型卫星海洋遥感体系建设。面向新型卫星海洋遥感体系建设需要突破载荷探测技术、定标技术、数据处理和应用技术，加速提升碳综合治理的效能。

END

引用本文

张庆君.面向碳综合治理的卫星海洋遥感体系展望[J].前瞻科技 2022 1(1):126-145;

doi:10.3981/j.issn.2097-0781.2022.01.011

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