海洋波浪 -海洋波浪能的发电原理

礼子 · 发表于海洋科普 2023-10-26 17:30:59

近日，中法两国合作研制的首颗卫星——中法海洋卫星（CFOSAT）正式在轨交付自然资源部投入业务应用。2月19日，法国国家科学研究中心发布公告称，中法海洋卫星可向科学界共享观测数据，用于研究全球海洋动力环境。

中法海洋卫星是中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。中法海洋卫星项目充分体现了创新、协调、绿色、开放、共享五大发展理念，谱写了共商、共建、共享新篇章。未来，中法海洋卫星将在全球海洋环境监测、防灾减灾、气候变化研究方面发挥重要作用，有效提升中法两国海洋卫星工程研制应用水平。

取得良好应用效果

时间回溯到2018年。“5、4、3、2、1，点火！”10月29日8时43分，随着指挥员一声令下，橘红色的火焰从长征二号丙运载火箭尾部喷薄而出，搭载着中法海洋卫星从甘肃酒泉卫星发射中心腾空而起，奔赴茫茫苍穹。国家主席习近平同法国总统马克龙互致贺电，祝贺中法海洋卫星发射成功。

卫星入轨后，科研团队进行了数次轨道调整和单载波测试。中法双方科学家确认，卫星获取的海面风场、海洋波浪谱等海洋动力环境参数结果与真实海况基本一致。

2019年9月9日，中法海洋卫星在轨测试通过专家评审。测试结果表明，中法海洋卫星工作稳定，各项功能和性能符合研制总要求。星载微波散射计与海浪波谱仪运行稳定，遥感数据质量良好，具备投入业务应用能力。

在轨运行以来，中法海洋卫星在距地520公里的轨道上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接收站实时接收，中法双方各自处理中心制作1级~4级产品。经地面应用系统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。目前，该卫星存档数据超过20TB、分发数据达2.5TB，已有国内40多个用户单位使用。

国家卫星海洋应用中心副主任、中法海洋卫星中方首席科学家刘建强和中法海洋卫星法方首席科学家达丽尔·豪瑟认为，卫星成功发射后，科研人员在卫星的遥感器性能、算法和处理流程、科学数据产品、定标检验等方面进行了大量比对。实践证明，产品技术指标满足设计要求、部分产品优于设计要求，中法海洋卫星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，可帮助科研人员了解海面风浪过程基本机理和研究全球气候变化。

刻苦攻关终得硕果

中法海洋卫星的研制历经了13年漫漫征途，凝聚着中法科研人员的无数心血。

该卫星工程由国防科工局批准立项，航天东方红卫星有限公司负责研制，自然资源部为卫星用户。该工程由五大系统组成：卫星系统由中国航天科技集团有限公司所属中国空间技术研究院航天东方红卫星有限公司抓总，有效载荷由中国科学院空间中心和法国国家空间研究中心研制；长征二号丙运载火箭系统由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院研制；发射、测控由中国卫星发射测控系统部负责组织实施；中方地面应用系统由自然资源部所属国家卫星海洋应用中心负责，并与法国地面应用系统进行数据交换。

2005年，中法两国签署协议，同意推动天文卫星和海洋卫星领域合作，中法海洋卫星项目组正式成立。

2006年10月，中法两国航天部门签署了《合作实施中法海洋卫星谅解备忘录》。从此，中法海洋卫星成为中国首次与世界先进宇航机构在卫星系统层面的合作项目。

2009年，中法海洋卫星工程研制项目得到中国国家航天局、财政部联合批准，予以立项研制。

2014年3月，法国国家空间研究中心和中国国家航天局签署合作协议，中法海洋卫星列入中法合作中长期规划。

2015年，在中法两国总理见证下，中国国家航天局与法国国家空间研究中心签署合作谅解备忘录，为利用科学数据及应用合作奠定基础。同年，卫星系统详细设计通过评审。

2018年1月，法国总统马克龙参观了中法海洋卫星测试现场，参加中法海洋卫星助力环境监测圆桌论坛，将该卫星项目列入联合声明。

历经13年刻苦攻关，研制团队取得了丰硕成果。中法海洋卫星首次实现了海风、海浪同步观测，可与在轨运行的海洋一号、海洋二号等卫星配合，共同构建全天时、全天候、高空间分辨率的海洋综合遥感体系。中法海洋卫星成功发射入选2018年度中国航天与海洋十大新闻、十大海洋科技进展、中国遥感领域十大事件。

协力攻克技术难题

“中法海洋卫星是两国携手研制的第一颗卫星，具有研制难度大、性能指标高、观测范围广等特点。”中法海洋卫星总指挥、总设计师王丽丽说。

中法海洋卫星装载有两台新型微波雷达，中方负责研制新型微波散射计，法方负责研制海洋波谱仪。在一个卫星平台上集成两种新型微波雷达载荷，这种技术创新组合不仅赋予了中法海洋卫星许多新技能，也带来了新挑战。

合作伊始，双方研制团队执行的标准并不统一。多年来，航天东方红卫星有限公司作为卫星研制抓总单位，借鉴以往国际合作经验，从项目论证、方案设计、单机研制、整星集成测试、发射测控，到数据处理及应用，与法方研制团队始终保持紧密合作。

面对不同研制模式带来的挑战，卫星研制团队克服困难，努力协调双方型号研制技术、管理标准、工作习惯等，共同编写技术方案、总装测试试验大纲和细则。针对卫星研制环节多、涉及研制单位多等难题，双方共同总结经验、开展阶段评审、协调解决问题，使研制工作不断取得新进展。

与我国研制的其他卫星不同，中法海洋卫星的部分结构板需要先运至法国，由法方安装相关仪器设备后，再运回中国总装。

为了让卫星顺利“漂洋过海”，研制团队量身打造了一个“安全舱”，首次将泡沫铝与铝板一体热压成形，确保箱体结构刚度合格。为避免箱内产品磕碰，团队还在减震器上安装了特制金属围框，利用围框的刚性、减震器的柔性、箱体内壁软质发泡材料，确保设备运输安全。

分工协作优势互补

中法海洋卫星的优势主要体现在两台新型体制微波雷达—中方研制的旋转扇形波束散射计和法方研制的海洋波谱仪。

刘建强介绍，中方负责的新型微波散射计能对海面风速、风向进行高精度观测。该仪器首次采用扇形旋转扫描波束体制，可同步获取海面多方位角观测数据，降低数据处理难度，提高海面风场反演精度。

此外，中方多家单位联合对散射计风场产品进行了评估，将散射计反演风场与欧洲中期预报、热带太平洋TAO浮标阵列观测结果比对。结果显示，风速误差小于每秒1.5米、风向误差小于20度。散射计12.5公里高空间分辨率风场产品，充分利用了载荷对海洋多入射角、多方位角观测的优势，有效提高近岸风场获取能力，观测点更加密集、与近岸浮标距离更近、匹配度更高。在监测台风时，可更清晰观测台风内部构造，风场矢量产品也更为精细。

“我们还开展了波谱仪降雨标志算法、低入射角雷达海面散射反演算法、波谱仪数据斑点修正算法等研究，有效降低了测量噪声影响，提升了产品性能。”刘建强说。

达丽尔·豪瑟表示，法方研制的海洋波谱仪可测量海浪有效波高、波向、波长等海浪波谱物理量，完成大范围海面波能量分布及传播的遥感监测。法方多家单位在比对波谱仪二维海浪谱与法国第三代海浪模式（MFWAM）数据后发现，数据产品覆盖好，与MFWAM模式和其他载荷相比一致性高，星下点波束反演数据性能优良。波谱仪与欧洲附近海域投放的浮标对比，在波长70米~240米范围，海面波浪的能量、方向、频率一致性好，有时甚至优于MFWAM模式。

法国气象局相关负责人表示，经荷兰气象局处理后，该卫星散射计产品满足应用需求。统计结果表明，散射计与其他载荷一致性好，可用于优化气候预报模型。波谱仪可有效对海洋进行高精度海浪方向谱观测，其观测结果有助于研究海况对散射计反演风场的影响。

开放共享观测数据

卫星成功的关键在于后续应用。双方约定，中法两国各自建立地面应用系统。法方地面接收站由加拿大依诺维克站、瑞典基律纳站组成，中方地面站由国家卫星海洋应用中心所属北京站、牡丹江站、海南站组成。双方各自建立任务中心，共同开展应用，同步获取全球海面波浪谱、海面风场、南北极海冰信息，助力科研人员在海洋科学、防灾减灾、全球气候变化等领域研究。按照约定，卫星运行期间，两国将每年召开科学组会议，展示研究成果，开展科学研讨。

“中法海洋卫星获得的探测数据由中法两国科学家共享。”刘建强表示，中法两国愿同其他国家进行数据交换和应用交流，为“一带一路”沿线国家海洋防灾减灾、气候变化等研究提供支撑。

2020年2月19日，法国国家科学研究中心发布公告称，法中双方达成一致，同意开放共享中法海洋卫星的观测数据，已有来自法国、中国、美国、俄罗斯等多个国家和地区的40多个科研团队使用了该卫星数据服务科学研究和优化天气预报系统。目前，这些团队已经能够访问2019年7月底以来的卫星观测数据。随着开放共享不断深入，相信未来将有更多科研团队使用中法海洋卫星的观测数据。

据悉，法国巴黎高等师范学院、法国环境观测研究所、法国气象局等多家科研院所联合发起的极端条件下波浪的生成及其对珊瑚环礁和岛屿的影响计划，拟纳入中法海洋卫星资料，加强对赤道地区异常气象条件（台风和气旋风暴）下巨浪的发生、增强和消亡机制的研究和理解。

中法海洋卫星国际科学组成员期待，利用中法海洋卫星独特技术优势，助力科研人员研究南太平洋台风、海浪的生成，并将争取重建强降雨区相关遥感数据，用于研究巨浪在遭遇礁石后的消亡、反射、传播等机理。希望通过参与南太平洋科学活动，中法海洋卫星数据可更好地服务台风、巨浪的产生及其对海平面上升影响等研究。

延伸阅读

海洋卫星：放飞“天眼”瞰沧海

海洋卫星因具有全天时、全天候、同步、快速、高频次、长期连续观测等优势，不受地理位置和人为条件限制，可覆盖环境条件恶劣的海区，已成为认识、研究、开发、利用和管理海洋不可替代的高科技手段。

1997年，海洋一号卫星正式立项，拉开了我国海洋系列卫星发展的帷幕。经过多年发展，我国已成功发射海洋一号A星（退役）、海洋一号B星（退役）、海洋一号C星、海洋二号A星、海洋二号B星、高分三号卫星、中法海洋卫星等系列卫星，构建了海洋水色、海洋动力环境、海洋监视监测3个海洋卫星系列。其中，海洋水色卫星以全球海洋的叶绿素浓度、悬浮泥沙、可溶性有机物等海洋水色信息，以及海表温度、海冰、海雾、赤潮、绿潮、污染、突发事件和海岸带动态变化信息等为观测目标；海洋动力环境卫星以全球海面高度、海面风场、海表温度、有效波高、海浪谱、海表盐度、海洋重力场等海洋动力环境要素为观测目标；海洋监视监测卫星以对全球船舶、岛礁、海上构筑物、海冰、海上溢油等海面目标，以及海面风场、海浪方向谱、内波、中尺度涡、海底地形等海洋现象和地形特征进行大范围、高精度、高时效的监视监测为目标。

如今，我国已形成海洋水色、海洋动力环境等系列多颗卫星同时在轨运行的局面，建立起种类齐全、优势互补的海洋遥感卫星观测体系，实现多颗卫星在轨组网运行、协同观测，具有对全球海域多要素、多尺度和高分辨率信息进行连续观测覆盖的能力。卫星在轨运行以来，通过卫星数据分发和应用服务，在我国海洋环境监测、海洋资源开发、海洋经济发展、海洋防灾减灾、海洋科学研究和国际海洋合作等方面发挥了重要作用，为“一带一路”建设提供了技术支撑和服务保障。

　●海洋一号A卫星：

2002年5月15日，太原卫星发射中心，海洋一号A卫星搭载于长征四号乙火箭发射升空。在完成了7次变轨后，该卫星于2002年5月27日到达预定轨道。

海洋一号A卫星是我国第一颗用于海洋水色探测的试验型业务卫星，装载了2台遥感器。一台是10波段的海洋水色扫描仪，另一台是4波段的电荷耦合元件成像仪。该卫星主要用于观测海水光学特征、叶绿素浓度、海表温度、悬浮泥沙含量、可溶有机物和海洋污染物质，并兼顾观测海水、浅海地形、海流特征和海面上大气气溶胶等要素，为海洋资源开发利用、沿岸海洋工程建设、河口港湾治理、海洋环境监测等提供科学依据和基础数据。

●海洋一号B卫星：

2007年4月11日，我国成功发射海洋一号B卫星，实现了海洋水色卫星由试验应用型向业务服务型的过渡。该卫星在海洋一号A卫星基础上研制，载有1台10波段的海洋水色扫描仪和1台4波段的海岸带成像仪，观测能力和探测精度进一步提高，主要用于探测叶绿素、悬浮泥沙、可溶有机物及海洋表面温度等要素，进行海岸带动态变化监测。

●海洋二号A卫星：

2011年8月16日，我国海洋二号A卫星在太原卫星发射中心成功发射。该卫星搭载微波散射计、雷达高度计、扫描微波辐射计和校正微波辐射计4个微波遥感器，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，

该卫星主要负责监测海洋环境，可获得包括海面风场、浪高、海流、海面温度等多种海洋动力环境参数，为灾害性海况预警、预报提供实测数据。

　●高分三号卫星：

2016年8月10日，我国在太原卫星发射中心用长征四号丙型运载火箭成功将高分三号卫星送入预定轨道。该卫星可应用于海域环境监测、海洋目标监视、海域使用管理、海洋权益维护和防灾减灾等，并可全天时、全天候、近实时监视监测。

高分三号卫星具备12种成像模式，涵盖传统的条带成像模式和扫描成像模式，以及面向海洋应用的波成像模式和全球观测成像模式，是当时世界上成像模式最多的合成孔径雷达卫星，分辨率达1米。该卫星显著提升了我国对地遥感观测能力，能够获取可靠、稳定的高分辨率SAR图像，极大地改善了我国天基高分辨率SAR数据严重依赖进口现状，使天基遥感跨入全天时、全天候、定量化、米级的应用时代。

　●海洋一号C卫星：

2018年9月7日，我国在太原卫星发射中心用长征二号丙运载火箭成功发射海洋一号C卫星。该卫星是我国民用空间基础设施规划的首颗海洋业务卫星，将与后续卫星组成我国海洋民用业务卫星“星座”，进行上、下午组网观测，大幅提高水色卫星全球覆盖能力。海洋一号C卫星装载了海洋水色水温扫描仪、海岸带成像仪、紫外成像仪、星上定标光谱仪和船舶自动识别系统等5个有效载荷。与海洋一号A星和B星相比，该卫星观测精度、观测范围、使用寿命均有大幅提升。

　●海洋二号B卫星：

2018年10月25日，我国在太原卫星发射中心用长征四号乙运载火箭成功发射海洋二号B卫星，星上装载了雷达高度计、微波散射计、扫描微波辐射计、校正微波辐射计、数据收集系统和船舶自动识别系统等6个有效载荷。与海洋二号A卫星相比，该星在观测精度、数据产品种类和应用效能方面均有大幅提升，可大幅提高海洋动力环境要素全球观测覆盖能力和时效性。

来源：中国自然资源报

记者：朱彧高悦

通讯员：孙从容

编辑：吴琼

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