海洋动力学 -海洋动力装备

亿脉 · 发表于海洋科普 2023-10-30 01:14:07

试想，在陆地上，仅凭“气温为36℃”这一信息，你能判断是在武汉还是吐鲁番吗？没错，你还需要空气湿度和降水量等信息。

同样，在海洋中，仅凭“海温为28℃”这一信息，你也无法判断是在阿拉伯海还是孟加拉湾，虽然它们仅仅隔着一个印度次大陆、处于同一纬度、海温相差无几——因为你还需要海洋盐度的信息（图1）。

图1 阿拉伯海和孟加拉湾海表盐度分布图

1 海洋盐度概况

海洋盐度与海洋温度、海洋流场一起，构成海洋动力学中最基本的三个要素。对海洋动力环境要素实现多尺度、多要素、大面积、实时和动态的立体式监测，是海洋防灾减灾、海洋权益维护、海洋环境保护、海域使用管理、海上执法监察、海洋灾害与突发事件应急观测、新型海洋要素观测等领域的迫切需求。其中，海洋盐度在海洋中尺度现象、海洋温盐环流、海气相互作用和海洋淡水收支平衡等过程中起着重要的作用，也是研究全球气候变化及天气预报模式的重要依据。鉴于采用海洋浮标、船基等传统手段进行几十年的观测后全球依然有25％的海域从未有过盐度观测数据，无法有效满足工程建设和业务应用需求，通过天基遥感对海洋盐度观测是唯一可行的大范围、连续观测海洋盐度的方法。

不同海区海水盐度之所以会有差异，主要的影响因素包括蒸发、降水、洋流、径流、海域封闭程度等。在南北方向，盐度主要受蒸发降水影响，自南北半球的副热带海区向两侧的高纬度、低纬度海区递减（图2）：①赤道附近海区地处赤道低压带，降水大于蒸发，因此盐度较低；②副热带海区地处副热带高压带，蒸发大于降度水，因此盐度较高；③自副热带向高纬度海区，温度逐渐降低，蒸发逐渐减少，盐度也逐渐降低。

图2 海洋表面平均盐度和温度按纬度分布的曲线图

在东西方向，盐度一般受洋流影响，暖流流经海区，盐度较高，寒流经过海区，盐度较低，大洋中部盐度居中；比如，北太平洋中低纬度海区，大洋西岸为日本暖流，盐度较高，大洋东岸为加利道福尼亚寒流，盐度较低。盐度还受径流淡水汇入影响，各大河流入海口处，盐度都较低，如亚马孙河、刚果河、长江、密西西比河等。

全球海洋平均盐度约34.7PSU；世界盐度最高的海区是红海，一是因为当地地权处副热带海区，二是因为当地周围几乎没有淡水汇入；世界盐度最低的海区是波罗的海，一是因为当地地处高纬海区，二是因为当地周围有大量淡水汇入。

2 国外海洋盐度卫星发展现状

国外海洋盐度卫星计划

欧空局ESA的土壤湿度和海洋盐度卫星（SMOS，Soil Moisture and Ocean Salinity）和NASA的宝瓶座盐度卫星（Aquarius/SAC-D）于2009年和2011年相继发射，使得海表盐度成为最后实现太空遥感监测的海面关键要素。两颗卫星参数如表1所示。

表1 国外海洋盐度卫星参数

SMOS卫星（图3）装载了L频段二维综合孔径微波辐射计，采用Y型二维稀疏天线阵，由3个支臂组成，单臂的长度约为4.5m，整个系统含69个接收单元及约5000个数字相关单元，是目前复杂程度最高的综合孔径辐射计系统。

图3 SMOS卫星示意图

Aquarius卫星（图4）采用L频段主被动结合的工作体制，散射计和辐射计共用3个馈源的推扫式偏置抛物面天线交替观测同一海面区域。

图4 Aquarius卫星示意图

SMOS卫星和Aquarius卫星采用2种不同的观测体制，在技术上都取得了巨大进步。SMOS卫星的成就包括：首次在轨验证了综合孔径技术在海洋盐度测量中的应用能力；采用二维综合孔径探测体制，对目标进行多入射角探测，显著地提高了盐度测量精度和射频干扰的检测能力。Aquarius卫星的成就包括：实现了高稳定度、高灵敏度的辐射计测量技术；增加散射计测量海面粗糙度，明显提高了盐度测量精度。综合卫星数据的应用情况，SMOS卫星和Aquarius卫星存在的问题可归纳为：两颗卫星都未采用校正L频段亮度温度的同步测量手段；两颗卫星都未能解决L频段射频干扰问题，导致部分测量数据精度受到影响；SMOS卫星的有效载荷接收机稳定度不高，且没有对天线采用温控技术，导致观测亮温误差较大；Aquarius卫星采用实孔径体制，其空间分辨率低，观测幅宽小。ESA针对SMOS卫星在轨出现的问题，在后续发展规划中提出全新的六边形阵列形式的综合孔径微波辐射计，可提升L频段综合孔径微波辐射计的地面分辨率、测量灵敏度及射频干扰抑制能力，同时增加海面粗糙度的测量手段，可提高SMOS后续卫星的观测能力。

海洋盐度卫星资料处理

以SMOS和Aquarius为例，海洋盐度卫星资料的一般处理流程如下。

在Level-1阶段，通过对海面微波观测进行辐射订正得到观测亮温（Tb，单位: K）。SMOS利用干涉技术，对众多小天线的信号进行合成实现高分辨率；以不同入射角和偏振方式对视域（FOV）中同一点进行连续观测，不同点的空间分辨率和辐射精度有所不同。Aquarius的3个微波辐射计则以垂直和水平偏振方式、28.7°/37.8°/45.6°的入射角测量亮温。由于亮温对盐度的敏感度低且依赖于海温（20 °C 时约为0.5 K•PSU−1，而5 °C时约为0.3 K•PSU−1），辐射敏感度误差是L1阶段的主要误差。其它误差源包括：法拉第旋转，月球、行星、银河噪音，日光影响，大气影响，亮温系统偏差等。

在Level-2阶段，观测亮温被转换为海表盐度。“Klein & Swift”介电常数函数中，亮温与海水的电介质属性有关，而后者在微波波段（即L波段，1.413 GHz）与盐度有关，因此亮温可表示为海表盐度的函数：Tb=Tb（SSS）。利用回归方法可使观测亮温和正演模型Tb（SSS）得到的模式亮温之差达到最小。正演模型的描述量包括入射角和方位角等已知参数，海表盐度、海表温度、风等目标变量，以及特定粗糙度模型所需的其它变量；背景海表温度、风速、风向等辅助数据则作为初猜值和物理约束。这一级的误差包括正演模型误差和辅助数据误差，其中最大误差源来自风浪引起的海表粗糙度效应。对于SMOS，风速风向等粗糙度描述量来自欧洲中尺度天气预报中心（ECMWF）或者美国国家环境预报中心（NCEP）；对于Aquarius，除了NCEP的风速风向数据外，另一载荷即L波段（1.26 GHz）雷达散射计可同时测量海面后向散射以改进粗糙度订正效果。两颗卫星不同的海表盐度分析产品所用粗糙度模型不同。

在Level-3阶段（图5），大量含噪的L2数据融合生成格点产品。由于观测亮温（误差约1 K）得到的盐度反演值不准确（误差约1 PSU），而轨道级观测的时空密度很高，因此可对大量轨道级数据进行格点化处理。主要过程包括：选择所用的观测资料；选择分析产品的空间格点和时间间隔；选择投影方法和分析参数进行偏差订正；在有些情况下，需要进行适当的滤波以抑制高频能量，包括信号和噪音。

在Level-4级，遥感盐度和现场观测等其它类型数据或温度等其它要素数据进行融合。

图5 SMOS巴塞罗那专家中心（BEC）海表盐度Level-3级客观分析产品

3 海洋盐度卫星与我国海洋动力环境卫星观测体系

我国海洋动力环境卫星发展现状

根据我国面向海洋强国战略在海洋资源开发、海洋环境保护、海域使用管理、极地大洋管理和海洋权益维护等方面的重大需求，我国逐渐形成海洋水色、海洋动力和海洋监视监测3个卫星系列。20世纪末，我国国防科工局支持了发展我国海洋动力环境卫星的设想，并在此后由中国航天科技集团公司于2011年完成了我国首颗海洋动力环境卫星海洋二号A的研制发射，实时获得全球海洋表面风场，得到全球海洋上的风矢量场和表面风应力数据，为海洋环境预报提供准确的初场和表面驱动力；获取全球海洋地形数据，提供海面动力拓扑基本环境参量；掌握全球海面温度场和极地冰盖的变异，提高我国对全球变化预测和长期气候预报的准确性。海洋动力环境卫星的发射，提升了我国海洋动力卫星的载荷研究和数据应用水平，也为我国海洋动力环境监测提供了坚实的理论基础和扎实的工程经验。装载C频段SAR载荷的高分三号卫星于2016年8月成功发射，可以用于海洋动力环境的测量。2019年6月，海洋二号B卫星正式在轨交付自然资源部使用。9月，中法两国合作研制的首颗海洋微波遥感卫星中法海洋卫星在轨测试通过评审，它是世界首颗具备全球全天候、全天时大范围同步获取海洋风浪信息的卫星。海洋二号B卫星、中法海洋卫星将与后续的海洋二号C和海洋二号D卫星组网形成全天候、全天时、高频次全球大中尺度海洋动力环境卫星监测体系。海洋二号C卫星已完成全部研制，计划于2021年发射。海洋二号D卫星和2颗海洋三号（1米C-SAR）业务卫星（海陆兼顾）工程研制进展顺利。海洋科研卫星方面，新一代海洋动力卫星、高轨海洋与海岸带环境监测卫星正开展型号立项前的准备。现阶段，除探测海洋盐度外，我国海洋动力环境卫星具备了观测所有动力环境要素的能力，并已经与中国海监飞机、船舶、浮标和岸站一起，构成对我国海域的立体监测体系并投入业务运行。正在实施着对我国管辖海域的有效监测，必将对综合管理国家海域、保护海洋环境、维护国家海洋权益、发展海洋经济、增强国家海防实力发挥重要作用，并取得巨大效益。虽然目前我国规划了业务星和科研星，具备形成稳定运行的业务系统，可以基本满足各行各业对海洋的应用需求，但与国际同类卫星的发展相比还存在较大差距，主要表现在性能指标尚有差距、观测手段还需完善和天地一体化应用发展缓慢。

2019年，我国海洋盐度探测卫星已获立项批复。长久以来，由于缺少实时的盐度观测数据，我国在海洋环境预报、海洋生态预报、短期气候预报、全球水循环和极端天气预报等领域的精度不高，对此各行各业已经迫切提出了盐度数据精度的指标需求，如表2所示。为了适应海洋大国的发展战略，适应空间信息建设和国民经济的发展需求，我国海洋动力观测卫星系列需要加速发展高精度观测海洋盐度的卫星，作为海洋二号系列卫星的组成，填补海洋动力环境参数获取能力的空缺，完善观测要素，提高测量精度，实现海洋动力环境全要素的综合探测，更好地为海洋环境预报、中尺度海洋环境信息的提取等应用服务。

表2我国对盐度数据的指标需求

我国海洋盐度卫星发展建议

一是坚持自主的海洋盐度观测体系。海洋观测需要长期、动态、连续、实时和大面积定量监测，独立自主地发展我国自己的海洋盐度卫星对于海洋监测与调查的现代化、国民经济、国防建设，都具有十分重要的意义。特别对于我国作为管辖约300万平方千米海域面积的海洋大国，拥有自己的海洋盐度卫星显得尤为重要，可以避免受制于人，以满足平战结合、寓军于民的需求。二是充分利用国内外的人才资源。我国作为航天大国必须拥有一批掌握海洋盐度卫星研制和应用的技术队伍，带动空间技术和基础学科的发展；与此同时．海洋盐度卫星的研制和应用存在许多与国外合作的途径，可以缩短研制周期、提高卫星技术和应用水平。三是综合开发利用国外已有的观测数据。在我国尚未形成以本国盐度卫星系列为应用主体之前，充分利用国外同类型卫星数据，促进我国卫星海洋应用技术的发展。一方面，为国家和地方海洋部门提供海洋环境与资源遥感信息，为海洋环境预报、海洋和海岸带管理、开发利用的决策服务；另一方面，为我国今后发射高性能盐度卫星奠定应用技术基础。

4 海洋盐度的海洋环境保障应用

海洋环境预报

海洋盐度是影响海洋动力环境和海气相互作用驱动全球三维海洋环流模式的一个关键因子。盐度对海洋中的热力、动力过程的影响非常显著，是大洋热盐环流的驱动因素之一。盐度变化决定海洋密度或浮力，控制海洋底层水的生成，影响热盐环流。海洋盐度卫星观测数据不仅能为海洋环境数据同化提供可靠的盐度观测数据，还能丰富近海海洋环境预报产品种类，为近海海洋养殖、海洋资源开发利用等提供保障产品。海洋盐度观测数据能明显提高海洋环境预报能力和准确率，为近海海洋活动提供准确海洋环境预报。

短期气候预报

海洋盐度是影响障碍层、深层水团、温盐环流等海洋物理过程的重要因素，海洋盐度在空间上的分布是模拟海洋垂直剖面结构、海洋热贮存的重要数据源。海洋盐度的季节和年际变化还与厄尔尼诺等海气相互作用现象息息相关（图6），是认识和预测短期气候变化的主要数据来源。

图6 热带太平洋海表盐度的厄尔尼诺和拉尼娜变化模态

水资源监测预报

海洋蒸发与降水对海洋盐度的影响最显著。全球86％的蒸发来自海洋，78％的降水最终汇集到海洋，蒸发或降水导致海洋盐度的上升或下降。海洋表面盐度的空间分布与海表蒸发降水差的空间分布一致，因此，海洋盐度是全球降水量、洪涝和干旱现象的重要指示器。

极地海冰监测

海冰对海上运输和海洋资源开发的影响极其重要，海冰的总面积和厚度是非常重要的参数，影响海洋大气的相互作用，反映了极地冰盖冰架和临海海域的动态变化，是研究海洋和大气相互耦合关系中的重点因素。海洋盐度观测获取海冰厚度、面积、空间分布及冰龄等数据，为极地气候预报和临海区域气象预报提供不可或缺的数据源。

海洋生态预报

海洋生态系统变化的随机性是由天气过程及气候变化、大气及陆源物质输运、流场改变等外在环境随机性及生态动力学的随机性等内在随机性共同作用决定的，需要输入大量的基础数据。海洋盐度卫星观测数据输入到生态模型中，可明显提高模拟的精度和预报的准确性，为近海海域生态环境保护、资源利用及监测评估等提供决策依据。

极端天气预报

近年来全球气候变化的加剧对天气预报的准确性提出了更高的要求。海洋盐度的变化直接影响海洋等温层间的混合及热量传输，且对提高长期气候预报精度和模式优化至关重要，因此准确、全面、连续的全球海洋盐度观测数据正是气候预报准确性的重要保证。利用海洋盐度卫星数据进行四维同化，可以监测大尺度海洋盐度现象，特别是追踪交汇海域的海洋盐度的年际变化对极端条件下天气预报意义重大。

5 结束语

海洋盐度是海洋动力中最基本的要素之一，发展盐度观测卫星是获取海洋动力环境数据的重要手段，在海洋观测和数据预报中发挥着巨大的作用。我国初步形成了对全球海域内海洋动力业务化运行能力，根据我国实际需求和技术基础，迫切需要研制完成一颗具备业务化运行能力的海洋盐度卫星，实现对海洋长期、稳定的海洋盐度观测，与海洋二号系列、高分三号系列卫星一起，构建我国完整而又具特色的全球海洋观测体系。同时升级现有在轨载荷观测能力，研制新型遥感载荷，加强天地一体化研究，提升遥感定量化应用能力，完善海洋要素观测手段，提升海洋动力环境卫星观测能力。

参考文献

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[3]陈建，张韧，王辉赞，安玉柱，马强，杨代恒. SMOS卫星遥感海表盐度资料处理应用研究进展. 海洋科学进展[J]，2013，31（2）: 295–304

来源：我们的太空（ourspace0424）作者：陈建编辑：麻雨洁邮箱：ourspace0424@163.com