HY-2A卫星及在海洋灾害监测中的应用潜力分析

The HY-2A Satellite and Its Application Potential on Monitoring Ocean Disaster

        蒋兴伟(国家卫星海洋应用中心北京 100081)
        林明森(国家卫星海洋应用中心北京 100081)
        张有广(国家卫星海洋应用中心北京 100081)

         HY-2A卫星，海洋灾害，监测，应用潜力

        HY-2A satellite Ocean disaster Monitoring Application potential

        文章在全面介绍HY-2A卫星及载荷主要技术指标的基础上对数据产品进行了评估，并分析了HY-2A在台风监测和海啸预警中的应用潜力。研究表明，HY-2A卫星的数据产品能够满足海洋应用的需要，卫星在台风和海啸的监测中可以做到准确识别，并明显提高海洋灾害预报的时效，具有巨大的应用潜力。为了充分发挥HY-2A在海洋防灾减灾中的作用，建议开发针对HY-2A遥感载荷的多源数据融合产品，提高数据的空间分辨率，形成精细网格的海洋动力环境要素数据产品，为风场、海浪、风暴潮同化模式提供可靠的数据源，有效提高海洋数值同化预报模式的精度。

        HY-2A satellite, which is a only ocean dynamic environmental satellite on-orbit operation in the world, has four payloads of microwave sensing. It can synchronous measure the ocean dynamic environmental parameters, such as wind fields, significant wave height and sea surface temperature et al and measure real time data in China’s coastal waters. Therefore, HY-2A hold the balance predominance on monitoring storm tide, typhoon and tsunami et al. In our country, it is face to challenge to prevent and reduce ocean disasters. Therefore, The government is pay attention to the ocean disasters of prevention and reduction. In this paper, first of all, we have a comprehensive introduction on HY-2A satellite and its technical specifications and then we have a data validation. Finally, this is a detailed analysis that the application potential of HY-2A on monitoring typhoon and tsunami. The study results show that HY-2A can meet the need of ocean application and which can successfully capture typhoon and effectively monitor tsunami. In this paper, the next step will study on the data merge of HY-2A all payloads data in order to improve data resolution and to develop the high resolution of ocean dynamic environmental grid data, which can provide a reliable data source to ocean data assimilation model.

        HY-2A卫星是我国第一颗海洋动力环境卫星，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、全球海洋探测能力。该卫星于2011年8月16日在太原卫星发射中心采用CZ-4B运载火箭发射成功。卫星的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，直接为灾害性海况的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。

         2012年1月?HY-2A卫星完成在轨测试并交付使用，各项测试均已达到设计指标[1,2]。HY-2A卫星产品已经成功应用于海洋防灾减灾、海洋环境保护、海洋科学研究以及国防建设等多个领域，有效地发挥了HY-2A卫星的经济和社会效益。

         本文在全面介绍HY-2A卫星及载荷主要技术指标的基础上对数据产品进行评估，并进一步分析HY-2A卫星在台风监测和海啸预警中的应用潜力。

         HY-2A卫星装载雷达高度计、微波散射计、扫描微波辐射计和校正微波辐射计以及DORIS、双频GPS和激光测距仪。卫星轨道为太阳同步轨道，倾角99.34°，降交点地方时为 6:00 am，卫星在寿命前期采用重复周期为14天的回归冻结轨道，高度971km，周期104.46分钟，每天运行13+11/14圈；在寿命后期采用重复周期为168天的回归轨道，卫星轨道高度973km，周期104.50分钟，每天运行13+131/168圈[3]。

         HY-2A卫星雷达高度计用于测量海面高度、有效波高及海面风速等海洋基本要素。表1是HY-2A卫星雷达高度计技术指标[3]。

         HY-2A卫星微波散射计用于全球海面风场观测。表2是HY-2A卫星微波散射计技术指标[3]。

         HY-2A卫星扫描微波辐射计主要用于获取全球海面温度、海面风场、大气水蒸气含量、云中水含量、海冰和降雨量等。表3是HY-2A卫星扫描微波辐射计技术指标[3]。

        

         利用美国浮标数据中心（NDBC）浮标现场观测数据对HY-2A微波散射计风速、风向反演结果进行对比验证。选用浮标空间分布如图1所示。取时间匹配窗口为10分钟，空间匹配窗口为25km，即当散射计测量时间与浮标测量时间小于等于10分钟，空间距离小于等于25公里时，则认为散射计与浮标测量结果为同步观测，同时采用2σ质量控制方法，剔除无效数据。2011年11月1—30日，共获得1 043组同步观测数据，统计分析结果如图2、3所示，该结果表明HY-2A卫星微波散射计风速和风向大小与NDBC浮标海面风场大小比较的均方根误差为1.5m/s和19.5°。

        （1）海面高度验证。将HY-2A卫星雷达高度计和Jason2卫星雷达高度计数据进行星星交叉比对。比对数据为2011年12月份HY-2A卫星雷达高度计和Jason2卫星雷达高度计海面高度数据。将2011年12月份数据按照每3天为一组进行交叉比对。在星星交叉比对时，选取的空间窗口为50km。以12月12—14日为例，HY-2A卫星雷达高度计与Jason2卫星雷达高度计地面轨迹共有909个交叉点，交叉点处海表面高度差位于[-0.1 0.1]区间内有730个点，占交叉点总数的80.31%。

        

        

         计算交叉点处HY-2A卫星雷达高度计与Jason2雷达高度计海面高度的均方根误差，计算得到的均方根误差为8.3cm。

         （2）海面风速验证。采用NDBC浮标风速对HY-2A卫星雷达高度计风速进行比对评价（图4）。首先计算高度计地面轨迹离浮标距离最近的点，当该最小距离小于50km时，将该最近点作为高度计比对点位置；取卫星过境比对点的时间前后共1小时内海面风速作为现场测量值，取卫星比对点50km空间范围内有效观测值的平均值作为对比点。

         计算结果显示HY-2A高度计海面风速大小与NDBC浮标现场测量值比较的均方根误差RMS为1.98m/s。

         （3）有效波高验证。采用NDBC浮标有效波高对HY-2A卫星雷达高度计有效波高进行比对评价（图5）。首先计算高度计地面轨迹离浮标距离最近的点，当该最小距离小于50km时，将该最近点作为高度计比对点位置；取卫星过境比对点的时间前后共1小时内（前后各半小时）有效波高的有效观测值的平均观测值作为现场测量值。取卫星比对点前后共50km（前后各25km）空间范围内有效观测值的平均值作为对比点卫星有效波高值，以5个观测值内有效观测值的平均值作为交叉对比点的值。

        

         计算结果显示，HY-2A卫星雷达高度计有效波高与NDBC浮标现场测量值比较的均方根误差为0.42m。

        

        采用HY-2A和TRMM卫星上的微波成像仪（TMI）星星交叉比对的方式对HY-2A微波辐射计产品进行精度检验。选取2011年11月1—30日的HY-2A扫描微波辐射计与TMI产品数据进行交叉比对，数据匹配时间窗口为10分钟，空间窗口选择±0.1°经纬度，在无海冰的海洋观测区域内，共匹配上130 441组数据，基本上覆盖了全球海域。比对结果如图6所示。

        

        HY-2A卫星散射计每天可以观测全球90％的海域（图7），并可在西北太平洋提供台风实时监测数据，是目前国内外在轨运行的唯一具有该能力的海洋微波遥感卫星。通过HY-2A卫星散射计的观测数据，可确定海上风暴的强度、位置、方向和结构，微波散射计和雷达高度计观测数据已应用到我国海洋防灾减灾中的风暴潮、海浪灾害预警预报中，并在台风苏拉、达维等台风预警预报及决策中发挥了重要作用。截至2012年10月，HY-2A卫星捕捉到了全部23次台风，图8中为韦森特、苏拉和达维等台风期间风场和波高的变化。

        

         HY-2A卫星搭载了微波散射计和雷达高度计，这两种主动微波遥感器同步获取的海洋风场和海浪信息在海洋防灾减灾中发挥了重要作用，可以及时提供台风发生和发展过程中的风、浪信息，为沿海地区及时应对海洋灾害争取了宝贵时间。同时，HY-2A提供的同步风、浪信息可为风场和海浪同化模式的运行提供高精度的初始场，进而提高海面风场和海浪数值同化模式的精度，为海洋防灾减灾的决策提供信息服务。

         在全球对地观测中，仅存2颗用于全球海面风场观测的遥感器，分别是HY-2A卫星和欧洲气象卫星搭载的HY-2A SCAT和ASCAT微波散射计[4]。通过图9a和图9b的比较看出：HY-2观测的海面风场与ASCAT风场结构一致，但HY-2的观测刈幅远远大于ASCAT。HY-2A微波散射计平均1 500km的观测刈幅，使其能够全面地获取台风期间台风的强度、位置、方向、结构和移动路径、速度等要素，相对于ASCAT有效提高的HY-2A卫星的观测效率，使其在全球海面风场观测中的优势十分明显。

        

         同时，HY-2A卫星可以同步获取海面风场和海浪的信息，这为全面的获取台风期间的海况信息提供了难得的数据源，有效发挥了微波散射计和雷达高度计联合观测的优势。

         HY-2A卫星高度计具备海面高度和有效波高监测能力，可为海啸监测提供观测数据。以印度尼西亚地震前后全球海域有效波高监测为例，据中国地震台网测定，北京时间2012年4月11日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公里。11日当天再次发生里氏8.2级强震。

         研究中利用HY-2A卫星雷达高度计对印度尼西亚地震前后全球海域有效波高分布进行了监测分析。图10和图11分别为地震前后全球海域有效波高与印度洋海域有效波高分布。图12和图13分别为地震前后全球海域有效波高与印度洋海域有效波高分布。从图10—13比较可以确定，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有效波高变化不大，印度洋海域有效波高变化不超过1m。根据上述比较结果，可以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具备提供海啸预警预报的能力。

        

        

        

        

         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—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14中分别为飓风期间风场和波高的变化，由图14和图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6m以上的波高，因此，桑迪飓风造成的损失不容忽视。

         HY-2A卫星作为目前国内外唯一在轨运行的集多个微波遥感载荷于一体的海洋动力环境卫星，可以同步获取全球海面风场、有效波高和海面温度等海洋动力环境参数，并能够获取中国近海等周边海域的实时观测数据。HY-2A卫星的这种观测优势使得它在风暴潮、台风、海啸等海洋防灾减灾方面发挥着举足轻重的作用。我国海洋防灾减灾的形势严峻，每年东南沿海遭受人员和经济损失最严重的海洋灾害是台风和风暴潮等，充分发挥卫星在海洋灾害监测和预警预报中的作用备受关注。本文研究表明，HY-2A卫星的数据产品已经能够满足海洋应用的需要，在台风和海啸的监测中可以做到准确识别，并明显提高海洋灾害预报的时效，具有巨大的应用潜力。为了充分发挥HY-2A在海洋防灾减灾中的作用，建议下一步开发针对HY-2A多遥感载荷的多源数据融合产品，提高数据的空间分辨率，形成精细网格的海洋动力环境要素数据产品，为风场、海浪、风暴潮同化模式提供可靠的数据源，有效提高海洋数值同化预报模式的精度，充分发挥HY-2A卫星的作用。