蒋兴伟1,2
,
林明森1,2
,
张有广1,2
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收稿日期: 2016-05-19; 修改日期: 2016-06-07;
优先数字出版日期: 2016-09-25
基金项目: 国家自然科学基金（编号：41476152，U1406404）
第一作者简介:
蒋兴伟(1959-), 男, 研究员, 国家卫星海洋应用中心主任, 研究方向为海洋卫星数据处理技术和大洋渔场环境信息系统建设。E-mail:xwjiang@mail.nsoas.org.cn
通讯作者简介: 林明森(1963-), 男, 研究员, 国家卫星海洋应用中心副主任, 研究方向为海洋遥感及应用。E-mail:mslin@mail.nsoas.org.cn
中图分类号: TP79
文献标识码: A
文章编号: 1007-4619(2016)05-1185-14
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摘要
中国十分重视海洋遥感及其监测技术的发展，初步形成了具有优势互补的海洋遥感观测体系，并发挥了显著的经济和社会效益。其中，海洋一号（HY-1A/B）卫星已经广泛应用于中国海温预报业务系统、冬季海冰业务监测、夏季赤潮和绿潮监测、海岸带动态变化监测、近岸海水水质监测和渔业遥感监测等方面。海洋二号（HY-2A）卫星不仅填补了中国海洋动力环境卫星遥感的空白，也是目前国际上唯一在轨运行的集主被动微波遥感器于一身的综合型海洋动力环境卫星，具备同时获取风场、有效波高、海面高度和海面温度的能力。通过卫星获得的数据提高了中国海洋环境监测与灾害性海况预报的水平，为国民经济建设和国防建设、海洋科学研究、全球变化研究等提供了可靠的遥感数据，同时还在国际对地观测体系中发挥了重要作用，受到国内外用户的高度认可。海洋一号和海洋二号卫星系列为中国建立完善的海洋环境立体监测体系奠定了坚实基础。根据国家发展和“一带一路”建设的实施，在加快建设海洋强国、维护海洋权益和加快发展海洋经济的进程中对海洋遥感的发展也进一步提出了更高的要求和更紧迫的需求。为此，紧紧围绕国家海洋强国战略需求，在《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015年-2025年）》中专门规划了海洋观测卫星系列，服务于中国的海洋资源开发、环境保护、防灾减灾、权益维护、海域使用管理、海岛海岸带调查和极地大洋考察等方面，同时兼顾陆地和大气观测领域的需求。在充分继承已有HY-1A/B、HY-2A、高分三号（GF-3）和中法海洋卫星（CFOSAT）成功研制经验和应用成果的基础上，发展多种光学和微波遥感技术，建设新一代的海洋水色卫星和海洋动力环境卫星，具备卫星组网观测能力；发展海洋监视监测卫星，构建优势互补的海洋卫星综合观测体系。通过空间基础设施的建设，海洋遥感卫星必将在建设海洋强国的进程中发挥出重要作用。
关键词
海洋遥感 , 水色卫星 , 动力环境卫星 , 监视监测卫星 , 观测体系
JIANG Xingwei1,2
,
LIN Mingsen1,2
,
ZHANG Youguang1,2
Abstract
China attaches great importance to the development of marine remote sensing and monitoring technology. The ocean remote sensing systems with complementary vantages offer significant economic and social benefits. HY-1A/B data have been widely used in sea surface temperature forecasting, sea ice operational monitoring in winter, red tide and green tide monitoring in summer, dynamic monitoring of coastal zones, coastal water quality monitoring, and fishery remote sensing. The HY-2A satellite fills the gaps of ocean dynamic environment satellite remote sensing and is the world's only in-orbit comprehensive ocean dynamic environment satellite that carries active and passive microwave remote sensors. HY-2A can simultaneously obtain data on sea-surface wind field, significant wave height, sea surface height, and sea surface temperature. The effectiveness of ocean environment monitoring and catastrophic sea condition forecasting has been improved with the use of satellite data. Ocean satellites provide reliable remote sensing data to the national economy and defense construction, marine scientific research, and global change research. They also play an important role in the international Earth observation system and are highly recognized by domestic and foreign users.HY-1 and HY-2 series satellites lay a solid foundation for the establishment of a sound ocean environment stereo monitoring system in China. With national development and the implementation of "the Belt and Road" strategy in China, the construction of maritime power, the safeguarding of marine rights and interests, and the development of marine economy demand high requirements and emphasize the urgent need for ocean remote sensing. Therefore, the "Long-term Development Plan of Civil Space Infrastructure (2015-2025)" is focused on the national maritime power strategy and establishes the plan for the ocean satellite series. This development plan is aimed at supporting the areas of marine resource survey, environment protection, disaster prevention and reduction, rights and interests safeguarding, management of sea areas, island and coastal zone investigation, and the polar ocean expedition of China. Moreover, the requirements of land and atmosphere observations are taken into account. On the basis of the development experience and application achievement of HY-1A/B, HY-2A, GF-3, and CFOSAT, multiple optical and microwave remote sensing techniques are developed, a new generation of ocean color and ocean dynamic environment satellites is built for marine networking observation, and ocean monitoring satellites are improved to construct an integrated marine satellite monitoring system. Ocean remote sensing satellites will inevitably play an import role in the process of building maritime power through the construction of space infrastructure.
Key words
ocean remote sensing , sea color satellite , ocean dynamic environment satellite , ocean monitoring satellite , observation system
1 引言
空间技术的发展使海洋卫星遥感技术应运而生，这为人类全方位的了解和认识海洋提供了有力的观测手段。海洋卫星经过近40年的发展，已经实现了从探索、试验到业务应用阶段的过渡。世界上主要的航天大国都具备了完善的海洋立体观测体系，而海洋卫星具备的大面积、全天候、全天时、高时效的观测优势，使其成为海洋立体观测体系中不可或缺的重要组成部分。
大面积、高精度、全方位认识和管控海洋，发展海洋经济，维护海洋开发环境安全，保障海洋权益是中国今后一段时期的重大海洋战略。建立完善的海洋遥感调查监测体系，扩大卫星和航空遥感的应用领域和范围，能够显著提高对海洋的监控能力，保障中国海洋经济社会的可持续发展，加快中国由海洋大国向海洋强国迈进的步伐。
对地观测卫星先后经历了20世纪60年代的起步阶段，70年代的初步应用阶段，80年代到90年代的大发展阶段，直到近10余年来，对地观测卫星中专门用于海洋观测的海洋卫星开始向高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、高信噪比和高稳定性等方向发展。国外主要航天大国，均有专门的海洋卫星观测计划，并形成了多种业务应用，在海洋环境的监测和军民应用中对海洋卫星的依赖程度不断加大。
中国十分重视海洋遥感及其监测技术的发展，初步形成了具有优势互补的遥感立体观测体系，并发挥了显著的经济和社会效益(蒋兴伟，2014)。同时，根据国家发展战略和“一带一路”建设的实施，在建设海洋强国、维护海洋权益和加快发展海洋经济的进程中对海洋遥感调查技术也具有紧迫的需求。
2 海洋卫星发展历程
中国在海洋卫星方面经过多年的建设，取得了显著进展，2002年5月—2011年8月分别发射了HY-1A/B和HY-2A 3颗卫星，已经初步建立海洋水色和海洋动力环境卫星监测系统。
中国第1颗海洋水色卫星HY-1A，于2002年5月15日成功发射。它实现了中国海洋卫星零的突破，完成了海洋水色功能及试验验证，使海洋水色信息提取与定量化应用水平得到了提高，促进了海洋遥感技术的发展，为中国的海洋卫星系列发展奠定了技术基础。2004年4月，HY-1A卫星停止工作，在轨运行685 d期间，获取了中国近海及全球重点海域的叶绿素浓度、海表温度、悬浮泥沙含量、海冰覆盖范围、植被指数等动态要素信息以及珊瑚、岛礁、浅滩、海岸地貌特征，并且基于此研发制作了42种遥感产品。第2颗海洋水色卫星HY-1B，于2007年4月11日成功发射，该卫星在HY-1A卫星基础上研制，其观测能力和探测精度进一步增强和提高，目前在轨运行8年多，实现了卫星由试验型向业务服务型的过渡(国家海洋局，2013，2014，2015)。HY-1A/B主要技术参数见表 1。
表 1 HY-1A/B主要技术参数
Table 1 The main technical parameters of HY-1A/B
| 卫星平台参数 | 卫星质量：368 kg(HY-1A)；442.5 kg(HY-1B)， 设计寿命3年 |
| 轨道参数 | 太阳准同步近圆形极地轨道，轨道高度798 km，轨道倾角98.8° |
| 仪器参数 | 海洋水色扫描仪(COCTS)：10个波段，幅宽1800 km， 光谱分辨率20—49 nm 海岸带成像仪(CZI)：4个波段，幅宽500 km，光谱分辨率20 nm COCTS和CZI用于探测叶绿素、悬浮泥沙、可溶有机物及海洋表面温度、海冰等要素，以及进行 海岸带动态变化监测 |
第1颗海洋动力环境卫星HY-2A，于2011年8月16日发射，现仍在轨运行。该卫星集主、被动微波遥感器于一体，具有高精度测轨、定轨能力与全天候、全天时、全球探测能力。卫星主要载荷有：雷达高度计、微波散射计、扫描辐射计、校正辐射计。主要使命是监测和调查海洋环境，获得包括海面风场、浪高、海流、海面温度等多种海洋动力环境参数，直接为灾害性海况预警预报提供实测数据，为海洋防灾减灾、海洋权益维护、海洋资源开发、海洋环境保护、海洋科学研究以及国防建设等提供支撑服务(蒋兴伟，2014)。HY-2A卫星主要技术参数见表 2。
表 2 HY-2A主要技术参数
Table 2 The main technical parameters of HY-2A
| 卫星平台参数 | 卫星质量1575 kg，设计寿命3年。 |
| 轨道参数 | 太阳同步轨道，轨道高度973 km，倾角99.34°。 |
| 仪器参数 | 雷达高度计：工作频率：13.58 GHz和5.25 GHz， 空间分辨率2 km 微波散射计：工作频率：13.256 GHz，空间分辨率50 km 扫描辐射计：工作频率：6.6—13.256 GHz，空间分辨率25—100 km 校正辐射计：3频段，工作频率：18.7—37 GHz |
3 应用研究进展
3.1 海洋水色环境遥感
中国海洋水色卫星遥感虽然起步较晚，但进展显著。特别是近5年中国海洋水色卫星遥感研究取得了丰硕的成果，在自主辐射传输模型、浑浊水体大气校正、碳参数反演及多尺度过程对海洋生态影响等研究取得了创新成果。
在海洋水色遥感机理研究方面，研制出了考虑风生粗糙水面的海—气耦合矢辐射传输模型PCOART(何贤强和潘德炉，2010)；基于矢量辐射模拟和偏振资料，提出了利用平行偏振等效辐亮度开展水色遥感的新概念，与传统水色遥感(基于总辐亮度)相比，可有效降低太阳耀斑和提高水色信噪比，为水色遥感发展提供了一种新框架(何贤强等，2009)。此外，在水光学研究方面，开展了中国近海水体固有和表观光学特性的实验分析、现场观测及辐射传输模拟等研究(汪小勇等，2011)。
在近海浑浊水体大气校正算法研究方面，通过分析全球典型近海浑浊水体光谱，发现蓝紫光波段离水辐亮度相比长波可忽略不计，进而提出了基于蓝紫光的浑浊水体大气校正算法(UV-AC)并将此算法应用于静止轨道水色卫星GOCI资料，实现了杭州湾极端浑浊水体悬浮物浓度的遥感反演(刘猛等，2013)；基于气溶胶散射光谱满足Angstrom定律的假设，提出了利用现场实测水体光谱库的大气校正算法(ENLF)，可同时适用于大洋和近海水体，并可有效估算气溶胶散射反射率。
在水色遥感模型研究方面，针对水色遥感算法或产品在中国近海的适用性问题，开展了覆盖渤、黄、东海及南海北部的真实性检验，开发了区域的叶绿素浓度、悬浮物浓度等水色要素遥感模型(张民伟等，2011；郑小慎等，2012；秦平等，2014)。在固有光学量遥感模型方面，主要是发展了水体吸收、后向散射系数的半分析算法，以及进一步分离出各组份吸收吸收系数的方法。此外，中国学者亦开展了浮游植物类群的遥感反演，Tao等人(2014)建立了甲藻和硅藻藻华的遥感识别算法，Lin等人(2014)提出了一种基于现场光学测量的浮游植物粒径反演方法。Lou和Hu(2014)利用静止水色卫星GOCI资料的每小时观测优势，反演获得了东海原甲藻藻华日变化特性。杨超宇等人(2010)发展了利用高分辨光学卫星探测海草的方法。
除传统的水色要素和水体光学特性反演外，中国学者进一步发展了边缘海复杂水体碳循环关键参数的遥感机理与方法。Bai等人(2009)利用多个航次数据，建立了基于水色卫星资料的东海表层盐度遥感模型，并首次获得了十年序列的夏季长江冲淡水扩散分布。以遥感盐度作为盐淡水混合表征，Bai等人(2008)提出了适用于复杂边缘海的基于控制因子分析的海水CO2遥感半分析模型。此外，Liu等人(2014a)通过分析溶解有机碳(DOC)的保守行为，建立了综合考虑黄色物质吸收系数(表征陆源输入)和叶绿素浓度(表征源生贡献)的东海表层DOC浓度遥感模型，并结合DOC的垂直分布类型，建立东海DOC储量遥感模型。这些新方法拓展了水色卫星遥感在海洋生物地球化学领域的应用。
海洋水色卫星遥感由于高时空分辨率观测的优势，已成为研究多尺度海洋过程及其生态响应的重要手段。中国学者利用水色卫星资料开展了浮游植物藻华的多尺度变化及其调控机制研究，包括台风、中尺度涡、季风和短期气候振荡等不同尺度过程的影响。研究发现台风不仅可引起表层、次表层浮游植物藻华和增加渔丰度，且可引起跨陆架的物质输运。中尺度涡对南海浮游植物时空分布及粒级均有显著影响。同时，探讨了吕宋海峡附近冬季藻华现象的动力机制。利用长时序的水色遥感叶绿素浓度数据，分析了中国近海洋浮游植物的动态变化，发现黄海藻华强度指数在1998年—2011年上升了1倍，但长江口没有显著的趋势变化(潘德炉和龚芳，2011)。
3.2 海洋动力环境遥感
中国海洋动力环境遥感是随着SZ-4飞船多模态微波遥感器的上天才逐步开展起来，但研究工作大多集中在对国外已有算法模型的引进和模仿上，缺乏自主创新。直到2011年8月，中国拥有了自主的海洋动力环境卫星之后，海洋动力环境卫星遥感随之得到了快速发展，在算法模型的研制和应用方面均取得了大量创新性的成果。
在有效波高的反演算法研究方面，基于二阶理论回波模型，导出了带有偏度系数的二阶理论回波模型(李秀仲等，2014)。引入了奇异值分解滤波，并根据最大似然估计算法反演参数的不同得到多种重跟踪方案，经比较分析发现四参数模型最适合HY-2A卫星雷达高度计波形反演，有效波高反演精度达到0.31 m(徐广珺等，2014)。
在海面风场反演算法方面，利用多解反演算法和2维变分模糊解去除方法对HY-2A卫星散射计2A级数据进行处理，结果表明风速与风向精度均有较大提高。同时，风向模糊解去除能力明显提高，尤其是对台风条件下的风场反演结果，风向反演精度有明显改善(Wang等，2015)。王磊等人(2012)基于利用神经网络方法建立了基于后向散射系数σ0与有效波高的双参数风速反演模型，并探讨利用AGC来代替σ0对风速反演的可行性进行研究。
在海面温度反演算法研究方面，王振占等人(2014)利用辐射传输方程模拟，建立了海面温度、海面风速、大气水汽含量等海洋环境参数的反演算法。此外，孙广轮等人(2013)归纳了多元线性回归算法和非线性迭代算法两种主要的算法类型，并对反演海温的影响因素作了分析。这些研究工作有利于海洋动力环境卫星海面温度观测精度的进一步提高。
在海冰密集度反演算法研究方面，张翔等人(2012)根据海冰与海水辐射特征，提出一种基于多频段双极化反演海冰密集度方法，该方法利用简化的辐射传输模型和地物参考点模拟亮温并逼近观测亮温，可有效利用卫星数据反演海冰密集度，监测海冰边缘与面积变化。石立坚等人(2014)对典型海区光谱梯度率和极化梯度率进行了统计分析，确定了计算海冰密集度所需的亮温特征值，计算结果与美国冰雪数据中心和德国不来梅大学提供的两种业务化海冰密集度产品一致。
卫星遥感器的定标是数据定量化应用的关键。在定标方法的研究方面，周武等人基于微波辐射计的对地观测数据修正了进入冷空反射器的地球信号，建立了地面观测亮温的冷空反射器权重系数矩阵修正冷空观测信号的方法(周武等，2013)。Liu等人(2014b)改进了海面高度绝对定标的方法，在黄海利用实测的验潮仪数据外推到卫星星下点进行海面高度的标定，为雷达高度计的在轨定标提供了一种新的手段。闫龙浩等人(2014)对GPS浮标测高精度影响因素方面进行了分析，为利用GPS浮标进行海面高度的绝对定标积累了经验。
海洋动力环境卫星的时标和国际上同类卫星的时标不同，与精密定轨设备的时间相比，具有一定的偏差。针对卫星雷达高度计的时标偏差问题，汪栋等人(2013)分析了时标偏差对测高精度的影响，使用自交叉点数据估算时标偏差值的方法，开展了时标偏差修正实验，时标偏差修正后自交叉点的海面高度不符值分布收敛程度有了明显的提高，使测高精度达到国际上同类卫星高度计的水平(张有广等，2013)。
在海洋动力环境卫星的精密定轨方面，利用简化动力学方法通过非差状态估计和非差模糊度固定进行参数估计，提高了定轨与定位的精度。在DORIS和激光精密定轨方面，采用动力学方法实现了MOE和POE两种卫星精密定轨的解算。这些定轨方法的应用，使中国海洋动力环境卫星的精密定轨水平达到了世界先进水平(林明森等，2014)。
4 海洋卫星典型应用
4.1 水色卫星应用
(1)赤潮监测。赤潮是海洋中的一种或多种微小浮游生物、原声动物或细菌，在一定的环境条件下突发性迅速增值或聚集，引起一定海域范围在一段时间内变色的生态自然现象。赤潮作为一种海洋灾害不仅给海洋环境、海洋渔业和海水养殖业造成严重危害，对人类健康和生命也有一定影响。中国东海海域是赤潮高发区域，卫星遥感技术为赤潮的监测和预报提供了有利的观测手段。综合利用HY-1B、MODIS等多颗海洋水色卫星可实现赤潮的监测。图 1为2014年7月东海赤潮遥感监测分布图。
(2)绿潮监测。大型海洋绿藻过量增殖的现象，被称为“绿潮”。人类向海洋中排放大量含氮和磷的污染物而造成的海水富营养化，是绿潮爆发的重要原因。海藻在铁量增加、阳光照射和其他所有条件同时出现的情况下，便会疯狂生长繁殖，进而形成绿潮。绿潮已成为世界范围内的近海、海湾和河口等海域一个普遍的现象。从1980年开始，美洲的美国、加拿大，欧洲的丹麦、荷兰、法国、意大利，亚洲的日本、韩国和菲律宾等国家，均发生过绿潮灾害，法国沿岸海域的情况尤为严重，受绿潮危害的滨海城市达103个。2007年夏季，中国黄海中、南部海域首次发现由浒苔大量增殖引发的绿潮，呈稀疏带状分布，过程持续约2个月，自此每年在相同海域相同时间段发生规模不等的绿潮。绿潮严重影响海域景观和旅游观光，干扰水上运动项目的顺利进行；大量繁殖的浒苔能遮蔽阳光并消耗海水中的氧气，对海洋养殖业及渔业具有较大的破坏作用；当海流将大量绿潮藻类卷到海岸时，绿潮藻体腐败产生有害气体，破坏近岸生态系统。利用HY-1B、EOS/MODIS、环境一号(HJ-1)等光学卫星数据和SAR数据能够实现绿潮的综合监测。图 2为2012年6月19日绿潮灾害卫星监测图，其中绿色区域即绿潮爆发区域。图 3为2012年绿潮爆发期间绿潮中心位置分布图，其中绿点为中心点，标注时间代表卫星监测日期。
(3)渔场环境监测。浮游藻类是海岸带生态系统中的生产者，是鱼类和贝类的食物来源。叶绿素a含量可以反映海区浮游植物浓度的高低，通常在河流入海口及上升流附近，因为营养物质丰富而具有较高的叶绿素浓度，从而形成渔场，比如舟山渔场。但是，叶绿素浓度过高之后导致水体透明度和溶解氧含量降低，对水中生命体不利，因而它又是海域富营养化的重要指标。
利用HY-1B卫星数据，结合EOS/MODIS产品资料，可获取中国管辖海域及周边海域的叶绿素浓度分布信息，这些信息已在海洋渔业部门得到使用。对中国及其邻近海域叶绿素浓度季节平均分布的研究表明：夏季和秋季的平均叶绿素浓度高于春季和冬季；在秋季，沿岸的叶绿素浓度明显高于其他海域。
(4)海冰监测。利用2013年—2014年HY-1B、MODIS和高分一号等多颗卫星资料，可对渤海及黄海北部的海冰灾害进行监测。其中，图 4为2015年1月30日HY-1B卫星遥感影像海冰图；图 5为2015年1月30日卫星遥感监测海冰覆盖范围专题图；图 6为卫星遥感监测海冰冰情图(国家海洋局，2015)。
根据卫星监测结果，2015年辽东湾最大浮冰范围出现在1月22日和2月4日，为45海里；渤海湾整个冬季未出现大面积的浮冰；莱州湾整个冬季未出现大面积的浮冰；黄海北部最大浮冰范围出现在2月13日，为16海里。
4.2 海洋动力环境卫星的应用
(1)台风监测。台风是中心持续风速在12级到13级的热带气旋。台风发源于热带海面，那里温度高，大量的海水被蒸发到了空中，形成一个低压中心。随着气压的变化和地球自身的运动，流入的空气也旋转起来，形成一个逆时针旋转的空气漩涡，这就是热带气旋。只要气温不下降，这个热带气旋就会越来越大，最后形成台风。台风是中国沿海主要的海洋灾害。卫星遥感以其大面积、全天候和全天时的观测优势，是监测台风的有效手段。
海洋卫星上搭载的微波散射计能够获取全球的海面风场，进而可监测台风移动路径，并识别台风中心。利用微波散射计进行台风中心提取时，主要有两个方法：一是通过区域风场的风速进行提取。针对有眼台风，通过观察风场风速的分布，寻找高风速区域中的极小值，可以快速、有效并且高精度的获取台风中心。二是通过区域风场风向进行提取。由于台风天气有明显的气旋式涡旋结构，风向通常旋涡式指向台风中心，通过寻找漩涡指向中心，也能够确定台风中心。但是值得注意的是，由于台风区域通常伴随着较强的降雨，对海面后向散射产生较强影响，有时通过风速与风向确定的台风中心位置可能不重合。
HY-2A卫星主载荷之一的微波散射计能够进行台风和风暴潮的监测。HY-2A微波散射计顺利完成2012年—2014年全部台风的监测任务，在每次台风的生命周期中，至少对其完成一次观测，3年共计捕获79次台风，为业务和科研提供了准确的数据源。图 7为HY-2A微波散射计对“北冕”台风的监测实例。HY-2A微波散射计有效完成了对“北冕”台风整个过程的监测，卫星观测的海面风场清晰反映了台风位置和强度信息。
2012年形成于大西洋洋面上的一级飓风“桑迪”，因其侵袭美国东部，造成严重灾害而受到关注。桑迪飓风10月28日至30日横扫美国东部海岸，HY-2A卫星在27日成功观测到该飓风及其移动方向，这为有效地防范飓风在28日的登陆提供了预警时间。图 8为飓风期间风场和波高的变化。由图 7可以看出，HY-2A观测的台风有规则的台风眼，而桑迪飓风则没有规则的“飓风眼”，但桑迪飓风期间具有明显超过6 m以上的波高，因此，桑迪飓风造成的损失不容忽视。
(2)灾害性海浪监测。灾害性海浪是波高大于等于4 m的海浪。中国近海每年灾害性海浪都会造成大量的经济损失和人员伤亡。2013年中国近海共出现43次灾害性海浪，造成经济损失6.3亿元。近10年来，中国沿海共发生427次灾害性海浪，造成1147人死亡，直接经济损失34.47亿元。卫星雷达高度计是能够提供全球海洋有效波高信息的主要载荷，可为灾害性海浪的预警报提供可靠的观测数据。图 9为HY-2A高度计获取的全球灾害性海浪的分布。
(3)风暴潮监测。风暴潮是发生在沿海近岸的一种严重的海洋自然灾害。它是在强烈的空气扰动下所引起的海面增高，这种升高与天文潮叠加时，海水常常暴涨造成自然灾害。风暴潮会导致近海及沿岸浅水域水位猛烈增长，当风暴潮与天文潮迭加后的水位超过沿岸“水位警戒线”时，会造成海水外溢，甚至泛滥成灾，造成人民生命财产以及工业、农业、海业、交通运输等方面的巨大损失。
有效地对风暴潮进行预警报，是预防和减小风暴潮损失的关键。风暴潮预警报的关键是如何将预报出的风暴增水值叠加到相应的天文潮位上。通常采取的做法是：风暴潮预报员根据热带气旋预测的移动速度和热带气旋强度，计算出某个时刻热带气旋中心位置是否达到有利于热带气旋引发某个验潮站产生最大风暴潮增水时刻，然后将该时刻的风暴潮增水值叠加到对应的天文潮位上。上述预报方法的关键是精确的确定热带气旋的移动速度、强度和移动路径。其中，热带气旋越强、风速越大，风暴潮增水也就越大，造成的危害也就越大。
海洋卫星上搭载的微波散射计在热带气旋的观测中具有明显的优势，能够观测热带气旋的风速和风向，对涡旋特征进行识别和定位，并能够实时监测热带气旋移动路径。图 10为利用HY-2A卫星微波散射计观测到的台风“灿鸿”的中心位置和中心风速。
利用微波散射计提供的风场和气旋位置等信息，根据最小二乘原理，用模型风场拟合卫星风场数据，得到一个最大风速半径R，然后利用风暴潮模式进行计算，可得到沿岸风暴潮增水值。
(4)全球海平面变化监测。随着人类活动对海洋、大气系统影响的迅速扩大，全球变暖、海平面上升已经成为全球性重大环境问题。海平面上升给人类生存环境造成巨大的威胁，已经引起全世界科学家和各国政府的高度关注。卫星雷达高度计在全球海平面变化监测中具有独特的优势，获取的SSH数据已经成为全球平均海平面上升研究中的重要数据源。
利用HY-2A、Jason-1/2等卫星雷达高度计的融合数据，也能够实现中国近海海平面变化的监测，并制作了中国近海及邻近海域月平均、年平均以及较上一年度变化的海平面数据产品。利用这些海平面变化产品，各相关海洋预报和防灾减灾部门开展了相应的海平面变化预测以及海洋环境等产品的研制，向社会公众和相关海洋行业部门提供服务。
(5)海啸预警。由于水下地震、火山爆发或水下塌陷和滑坡等激起的巨浪，在涌向海湾内和海港时所形成破坏性的大浪称为海啸。海啸是一种破坏性极强的海浪，能够带来巨大的经济损失。因此，实时的对海浪进行监测是防范海啸的一种有效手段。中国的HY-2A卫星雷达高度计已具备高精度、全天候、全天时获取全球海洋有效波高和海面高度信息的能力，也可为海啸监测提供可靠的观测数据。2012年4月11日中国地震台网测定，北京时间16时38分，印尼苏门答腊北部附近海域(北纬2.3°，东经93.1°)发生里氏8.5级地震，震源深度为20 km。11日当天再次发生里氏8.2级强震。利用HY-2A卫星雷达高度计实现了印尼地震前后SWH的监测，在此期间国外的卫星高度计也获得了观测数据。图 11和图 12分别为地震前后全球海域有效波高。图 13和图 14分别为地震前后印度洋海域SWH分布。由图 11—14可知，地震前后全球范围内，特别是地震最有可能引发海啸的印度洋海域SWH变化不大，印度洋海域SWH变化不超过1 m。根据比较结果，可以初步判定在印度洋海域不会发生海啸。美国太平洋海啸预警中心在发布了海啸预警信息后，随后取消了针对印度洋相关地区的海啸预警，由此验证了利用HY-2A卫星观测数据分析后得出不会发生海啸的结论，从而也证明了HY-2A具备提供海啸预警报的能力。
(6)大洋渔业。HY-2A卫星上的雷达高度计和扫描微波辐射计能够识别出大洋中的锋面和中尺度涡，可以用来探测大洋渔场。目前已经实现了以HY-2A和HY-1B卫星遥感资料为主，结合国外海洋卫星资料，对全球三大洋10个海域的鱼种进行每周一次的业务化渔情分析与预报(图 15、图16)。在9家渔业企业近150艘远洋渔船安装了在线渔情系统，实现了近实时在线的海况分析和渔情预报服务，为中国远洋鱿钓渔船、金枪鱼延绳钓渔船、大型拖网渔船和金枪鱼围网渔船的科学生产提供了技术支撑，取得了显著的经济效益(国家海洋局，2015)。
5 未来发展规划
由于海洋灾害的监测和预报对卫星技术提出了不同的需求，单颗卫星的观测难以获取多源、多维、多尺度、多时相的海洋环境参数数据，为此，大力发展系列海洋卫星为海洋灾害的监测和防灾减灾建设提供全方位的信息服务，稳步推进海洋水色、海洋动力环境和海洋监视监测系列卫星体系建设以及构建海洋卫星星座。具体来说，中国海洋卫星有以下3个系列：
5.1 海洋水色系列卫星
通过HY-1A和HY-1B卫星，已经实现了全球海洋水色环境的观测。为了有效解决海冰、绿潮和赤潮这些海洋灾害连续业务化的监测，需要采用卫星组网的方式提高监测的时效性。
在“十三五”、“十四五”分别发射HY-1C/D双星和HY-1E/F双星。按上午星、下午星组网运行，保持连续的海洋水色环境探测，重点提高有效载荷的信噪比、保证遥感器件均匀，解决全口径和全光路的星上太阳月亮定标技术、确保卫星长寿命高可靠、提高水色仪的偏振度技术指标，实现卫星全球连续探测能力，提供高质量和高覆盖数据产品。
后续按照“空基规划”已经确定了一系列海洋水色卫星的发展计划，到2025年将有6颗卫星在轨运行，每2颗同时在轨组网运行服务。同时“空基规划”中还将在“十四五”发射静止轨道的海洋水色卫星。
5.2 海洋动力环境系列卫星
中国已于2011年8月16日成功发射海洋二号系列(HY-2A)卫星，星上搭载有雷达高度计，但解决海洋灾害的监测，需要更高的空间分辨率和时间分辨率，这就要求观测有更高的空间分辨率和更高的地面覆盖，单凭一颗HY-2A雷达高度计无法满足高时空分辨率的需求。由于空间分辨率和地面覆盖宽度是一对矛盾，对低地球轨道来说，采用多颗雷达高度计卫星组成的监测网将是解决时间和空间分辨率矛盾的有效方法，可大大提高海洋灾害预警预报的精度和时效性。通过HY-2系列卫星可有效解决风暴潮、海平面上升、灾害性海浪、台风和海啸等与海洋动力环境相关的海洋灾害的业务化监测。
同时，在HY-2系列卫星的基础上，再发展海洋盐度卫星，构成对海洋温、盐、流、海浪、风场等动力环境多要素的精细观测。在后续按照“空基规划”确定的海洋动力环境卫星的发展计划，到2025年将有6颗卫星在轨运行，每2—3颗同时在轨组网运行服务，包括拓展的海洋盐度科研星计划。
5.3 海洋监视监测系列卫星
海洋合成孔径雷达(SAR)卫星，即高分三号(GF-3，也称HY-3)卫星2016年8月发射第1颗卫星，2020年发射HY-3业务星。星上搭载有多极化多模式的海洋合成孔径雷达，其空间分辨率为1—500 m，成像刈幅10—650 km，以满足对海洋上目标和海洋要素的监视监测需求。通过HY-3海洋监视监测卫星可实现海冰、溢油和绿潮的精细监测。后续按照“空基规划”还将发射HY-3业务卫星2颗和高轨SAR卫星1颗。
6 展望
根据国家发展和“一带一路”建设的实施，在加快建设海洋强国、维护海洋权益和加快发展海洋经济的进程中对海洋卫星和海洋遥感的发展也进一步提出了更高的要求和更紧迫的需求。为此，紧紧围绕国家的海洋强国战略需求，专门规划了海洋观测卫星系列，服务于中国的海洋资源开发、环境保护、防灾减灾、权益维护、海域使用管理、海岛海岸带调查和极地大洋考察等方面，同时兼顾陆地和大气观测领域的需求。在充分继承已有HY-1A/B、HY-2A、GF-3和中法海洋卫星(CFOSAT)成功研制经验和应用成果的基础上，发展多种光学和微波遥感技术，建设新一代的海洋水色卫星和海洋动力环境卫星，具备卫星组网观测能力；发展海洋监视监测卫星，构建优势互补的海洋卫星综合观测体系。通过空间基础设施的建设，海洋遥感卫星必将在建设海洋强国的进程中发挥出重要作用。
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