保卫和开发海洋的福星

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  慧眼识海
  一望无际的大海不仅美不胜收,而且还蕴藏着无数宝藏。自 20 世纪 70 年代以来,随着人口、资源和环境压力等问题日趋严重,各沿海国家不断加快海洋开发步伐,海洋经济发展迅速。1977年世界海洋经济总产值 1100 亿美元,1980 年达到 3400 亿美元,1990年猛升至 6700 亿美元,2000 年达到 15000 亿美元……大规模、全面地开发利用海洋资源和海洋空间,发展海洋经济已成为各沿海国家的发展战略。
  全球变化是国际社会的热门课题,大气中的二氧化碳含量逐渐增加,导致了温室效应,而海洋在全球气候变化中起着十分重要的作用。
  我国东临太平洋,是世界上重要的海洋国家之一。我国大陆海岸线长达 1.8 万多公里,沿海岛屿有6500 多个,岛屿岸线约1.4 万多公里。根据《联合国海洋法公约》规定,按我国主张,应划归我国管辖的海域包括大陆架和专属经济区近300万平方公里,它相当于我国陆地面积的1/3。我国有40%以上的人口居住在面积仅占全国总面积13%的沿海省、市、自治区。因此,海洋在我国社会经济和国防建设中的战略地位极为重要。
  21世纪被人类称为“海洋世纪”。然而,要想对这一占地球面积70.8%的不断运动着的水体进行全面、及时的了解,掌握其活动规律,探清其蕴藏的巨大资源,靠一般方法是很难的。就目前和可以预见的将来来看,海洋卫星是认识海洋真面目的最佳利器,利用它可以经济地、方便地对大面积海域实现实时、同步、连续的监测。它已经被公认是海洋环境监视监测的主要手段。
  大洋神探
  我国海洋卫星的发展目标是建起一整套海洋卫星体系,它包括3个卫星系列,分别是海洋1号(海洋水色卫星系列)、海洋2号(海洋动力环境卫星系列)和海洋3号(海洋监测卫星系列)。我国正逐步形成以卫星为主导的立体海洋空间监测网。
  2002年5月15日,我国第一颗海洋卫星——海洋1号A星升空,它也是我国海洋水色卫星系列的第1颗卫星,质量为368公斤,运行在高798公里的太阳同步近圆轨道,以可见光、红外探测水色、水温为主,设计寿命2年。
  该卫星采用3轴姿态控制,载有10通道海洋水色扫描仪(分辨率1.1公里,量化级数10比特,光谱范围402~885纳米,10.3~12.5微米)和4通道CCD海岸带成像仪(分辨率250米,幅宽500公里,量化级数12比特,光谱范围420~890纳米)。海洋水色扫描仪主要探测叶绿素、悬浮泥沙和水温等,用于评估渔场、预报鱼讯、监测海洋污染和冰情等;CCD海岸带成像仪主要用于监测悬浮河口泥沙、海岸带生态等。星上数字图像信息经X频段数传系统向地面站发送。
  海洋1号A星通过对海洋水色要素的探测,为海洋生物资源开发利用、海洋污染监测与防治、海岸带资源开发和海洋科学研究等提供科学依据和基础数据。它的发射成功,结束了我国没有海洋卫星的历史。同国外同类型卫星比较,它不仅体积小、质量轻、技术指标先进,而且可见光和红外遥感探测并存,谱段较全,对于提取海洋水色和海表温度等多种信息,能达到更佳的效果。
  据国家海洋局统计,在海洋1号A星在轨运行的685天里,共实施了1805轨卫星境内外探测,获取了大量的海洋监测数据,用户达126个单位,覆盖了国内的海洋管理和生产作业、科研院所、大专院校等部门,在海洋科学研究和国民经济建设中发挥出十分重要的作用。它为海洋环境预报提供了实时数据和产品服务,在海洋资源开发与管理、海洋环境保护与灾害预警、海洋科学研究及国际与地区间海洋合作等多个领域取得了显著效益。
  科研人员利用海洋1号A星数据制作了52幅我国黄河、长江、珠江三大河口地区的资源调查和植被分类图、岸线动态变化图、河口悬浮泥沙分级图等,监测到我国沿海发生的赤潮灾害16次,对我国渤海每年冬季3个月左右的结冰期进行了海冰预报,并获取了大量南北极冰盖数据,为科学考察提供了基础数据。
  在没有海洋卫星之前,我国渔民只能凭经验出海作业。而利用海洋1号A星数据,有关部门制作了3~9月份逐月平均的海温和叶绿素分布图,并及时向海洋渔业生产部门提供服务,增加产量,仅此一项直接经济效益就十分可观。利用海洋1号A星的相关资料,我国与美、法等国的海洋研究机构开展了学术交流与合作,提高了我国在海洋遥感领域的国际地位,推动了我国海洋立体监测体系和空间对地观测体系的建设。
  2007年4月11日,我国第2颗海洋卫星——海洋1号B星由长征2号C火箭发射升空,进入距地球798公里高的太阳同步近圆轨道。
  海洋1号B星是海洋1号A星的后续星,质量442公里。星上载有一台10频段海洋水色扫描仪和一台4频段CCD海岸带成像仪。该卫星在海洋1号A星的基础上研制,其观测能力和探测精度进一步增强和提高。该星用于接替已到寿命的海洋1号A星,对我国所管辖的近300万平方公里海域的水色环境实施大面积、实时和动态监测,并具备对世界各大洋和南北极区的探测能力。其实时观测区为渤海、黄海、东海、南海及海岸带区域等;其他观测区采用星上记录,过我国境内回放接收;主要探测要素为叶绿素、悬浮泥沙、可溶有机物及海洋表面温度等。
  虽然海洋1号B星是海洋1号A星的接替星,同属海洋水色系列卫星,基本延续了海洋1号A星的主要设计,但其各项指标和功能都有了较大提高,取得多项技术突破:星上的海洋水色扫描仪和海岸带成像仪的性能都大幅提高。与海洋1号A星相比,由于寿命延长、性能提高,海洋1号B星提供的信息量增加了3倍以上,使用价值成倍增长。它可对赤潮、悬浮泥沙等实施有效监测,其中赤潮是其水色探测的主要任务之一。同时,黄河、长江、珠江三大河口的悬浮泥沙也是该海洋卫星重点监测对象。
  该星尚属业务试验型海洋水色卫星,用户将开展业务试运行。其后续星海洋1号C星、1号D星将正式实现业务化运行。
  新星高照
  2011年8月17日,我国用长征4号B火箭发射了我国第1颗海洋动力环境卫星——海洋2号A。该卫星使我国海洋卫星首次以厘米级定轨精度和微波探测方式,全天时、全天候地获取宝贵的海洋动力环境数据,能极大提升中国海洋监管、海权维护和海洋科研的能力。这也标志着中国海洋卫星向系列化、业务化方向迈出一大步。它于2012年3月正式投入使用,与已在轨运行的海洋1号卫星相互配合,分别以微波、光学两种观测手段,把海洋动力环境监测与海洋资源探测相结合,构成了空间立体监测系统,进一步完善我国海洋立体监测体系。   海洋2号A是中型卫星,质量1575公斤,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,使我国首次具备了全天候、全天时的观测海洋的能力。其采用三轴稳定方式,运行在970公里高的太阳同步轨道,2天即可实现对全球90%海面的观测,设计寿命3年,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,可直接为灾害性海况预警预报提供实测数据。卫星上装有雷达高度计、微波散射计、微波辐射计和校正辐射计,以及16副各种类型的天线,是目前国内天线最多的卫星,覆盖了8个频段,同时搭载了用于星地激光通信试验任务的激光通信终端。
  星上的雷达高度计是通过向海面垂直发射脉冲信号,分析回波特征得到海面高度和有效波高、风速等信息,经过处理可获得全球大地水准面、重力场、海表面地形、海流、海浪、潮汐、海表面风等动力参数信息,同时还可获得海冰含量、湍流边界等海洋信息。它用于探测海面高度、有效波高、重力场、大洋环流、有效波高及风速等海洋基本要素,海洋雷达高度计测量数据的进一步反演结果,可以应用于海洋地球物理学、海洋动力学、海洋气候与环境监测、海冰监测等方面的研究。其测高精度优于5~8厘米,有效波高测量范围为0.5~20米,有效波高测量精度优于10%或0.5米(取两者之间大值)。
  星上的微波散射计是利用不同风速下海面粗糙度对雷达后向散射系数的响应变化,通过发射脉冲信号,测量海面回波的特征,获得全球全天候的海面风场,为海洋环境预报、风暴灾害警报、航线规划、海洋工程等服务。它用于探测海面风速和风向,测量的风速范围为4~24米/秒,风速精度为2米/秒或10%;风向测量范围为0~360°,风向精度为±20°。
  星上的微波辐射计本身不发射电磁波,只被动接收海洋表面和传输路径上的大气的辐射亮温,进而反演得到全天时、全天候、大范围的海面温度、大气水汽含量、海面风速等信息,在渔场预报、气候预测和全球变化等方面,以及气象、植被和土壤湿度方面提供服务。它用于探测海面温度、海面风速、大气水蒸气含量、云中水含量、海冰和降雨量等。海面温度的观测精度达1K,海面风速精度2米/秒。
  星上的校正辐射计通过对上层大气液态水和水汽含量的测量,专门用于向雷达高度计提供同程大气校正数据。它测量雷达高度计观测路径的水汽含量,为其提供校准服务。
  海洋2号A是目前世界上唯一在轨运行的、具备全天候、全天时、大面积、高精度、全球连续探测海洋高度场、浪场、风场、流场和重力场等海洋动力环境信息能力的海洋遥感卫星,可在海洋环境监测与预报、资源开发、维护海洋权益及科学研究等方面发挥重要作用,可连续有效监测风暴潮和巨浪等极端海洋现象,提高海洋灾害预警的时效性和有效性;提供识别重要渔场信息,为大洋渔业资源开发提供技术保障;卫星获取的数据能够有效监测全球海平面变化和极地冰盖变化,为研究全球气候变化提供科学依据。
  未来,我国还将建立海洋3号海洋监测卫星系列,以实现对海上目标的监视,满足在恶劣海况下对海上溢油等灾害应急、海洋权益维护保障、海域和海岛监管等监测和监视的需求。
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