全球海表流場多尺度結構觀測衛(wèi)星計劃*

杜 巖 董曉龍 蔣興偉 張玉紅 朱 迪 王閔楊 吳 煒 王祥鵬 趙章喆 徐星歐 唐世林 經(jīng)志友 李毅能 陳 琨 陳 雯

1(中國科學院南海海洋研究所 熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室 廣州 510301)

2(中國科學院國家空間科學中心 微波遙感技術重點實驗室 北京 100190)

3(國家海洋衛(wèi)星應用中心 北京 100081)

4(中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院 上海 201304)

5(中國科學院大學 北京 100049)

0 引言

海流是直接描述海洋運動的核心物理量。在多尺度耦合動力學中，海流對全球海洋的動量和能量交換起到重要作用[1,2]。全球海表流場引起的熱鹽輸運在海氣耦合中至關重要，影響著極端天氣與氣候事件的形成，例如赤道的水平熱輸送是ENSO 形成演化的關鍵環(huán)節(jié)[3—5]。海流參與生物地球化學循環(huán)[6,7]，并主導熱量與營養(yǎng)鹽的垂向輸運[8]。精確的海流觀測是研究海洋動力學、海洋多尺度過程相互作用和海氣相互作用的核心，在海洋生態(tài)動力、生物地球化學和地球系統(tǒng)模擬等相關研究中起到重要的支撐作用。

海洋是一門基于觀測的學科，海洋科學的研究進展往往依賴于觀測手段的重大突破。2010 年Freeman 等[9]提出，海流衛(wèi)星觀測是2025 年前海洋科學需要重點突破的方向。針對全球海表流場觀測，中國、美國及歐洲等相關科學家都開展了相關前沿研究，明確提出衛(wèi)星多普勒海洋學是海洋觀測新的突破方向，并相繼提出了衛(wèi)星多普勒流場探測任務概念。全球海表流場多尺度結構觀測衛(wèi)星計劃（Ocean Surface Current multiscale Observation Mission, OSCOM）是由中國科學院南海海洋研究所、中國科學院國家空間科學中心聯(lián)合多家單位提出的對全球海表流場進行高分辨率、高精度觀測的衛(wèi)星計劃，得到空間科學戰(zhàn)略先導專項（二期）背景型號研究項目支持。本文將對OSCOM 的任務概念、科學目標和有效載荷配置方案等進行分析。

1 海表流場觀測的發(fā)展趨勢

海洋的近表面流場跨越多個時空尺度，從時間尺度為秒至小時、空間尺度為厘米至百米量級的海洋湍流、混合和波動，到時間尺度為小時至天、空間尺度為公里至十公里量級的亞中尺度過程，時間尺度為月、空間尺度為數(shù)十至百公里量級的中尺度過程，直至時間尺度為年至百年、空間尺度為千公里及以上的大洋環(huán)流（見圖1[10]），這些不同時空尺度的運動存在復雜的動量和能量轉化，并影響海氣之間的交換和耦合，以及區(qū)域和全球的氣候變化[2,11—13]。海洋多尺度運動的狀態(tài)和模擬是預估地球系統(tǒng)變化的關鍵一環(huán)，也是地球系統(tǒng)科學和全球變化研究的重大前沿科學問題。

圖1 海洋多尺度動力過程示意（改自文獻[13]）。氣候變化為海平面變化趨勢，大尺度環(huán)流和中尺度渦中的填色為大洋環(huán)流模式數(shù)據(jù)的海表流速，箭頭為海表流場，亞中尺度數(shù)據(jù)來自高分六號衛(wèi)星Fig. 1 Schematic diagram of multiscale ocean dynamics (updated from Ref. [13]). Climate change is the sea level trend. Large-scale circulation and mesoscale eddy filled with surface current speed from model reanalysis data.Arrows are the currents, and the sub-mesoscale data are from the GF-6 satellite

早期全球海洋環(huán)流的研究基本針對千公里以上的大尺度環(huán)流場。20 世紀以來，發(fā)展了風生環(huán)流理論，主要包括埃克曼理論（1905）、斯韋爾德魯普平衡理論（1947）、西向強化理論等[14,15]。根據(jù)上述理論推導出的海表流場刻畫了千公里尺度上大部分的實際海流，表征了平衡態(tài)意義下各海盆的主要流系[16], 已被世界大洋環(huán)流實驗（World Ocean Circulation Experiment，WOCE）等現(xiàn)場觀測證實[17]。

海洋流場的現(xiàn)場觀測十分有限且分布高度不均。傳統(tǒng)的船舶觀測雖然具有良好的時空分辨率，但僅局限在有限的區(qū)域和時間內。目前，有兩種方法能提供全球海表流場的觀測。一是通過漂流浮標的軌跡反演15 m 以上的近表層流速[18—20]。目前，全球約1500 個漂流浮標處于運行觀測狀態(tài)，漂流浮標觀測的平均有效分辨率約為400～500 km。二是根據(jù)海洋觀測浮標（Argo）獲取的溫鹽剖面數(shù)據(jù)計算上層2000 m 的地轉流速[21,22]。目前，全球共部署了約4000 個Argo 浮標，有效分辨率為200～300 km。以上兩種方法均不能滿足中小尺度海洋動力學的研究。

利用衛(wèi)星遙感技術獲取海表流場是一種更有效的方法[23—26]。利用衛(wèi)星雷達高度計測量的海面高度數(shù)據(jù)，基于地轉平衡理論可以反演海表地轉流場。1992 年，美國國家航天局 （NASA）和法國國家空間研究中心 （CNES）聯(lián)合發(fā)射的TOPEX/POSEIDON 開啟了利用衛(wèi)星測高反演地轉流速的進程[27]。TOPEX/POSEIDON 及 其 后 續(xù) 的Jason-1/2/3 和Sentinal-3/6 系列衛(wèi)星，以及中國海洋二號系列衛(wèi)星 （HY-2A/B/C/D）已為全球海流研究提供研究和業(yè)務數(shù)據(jù)支持。此外，順軌干涉SAR（InSAR）和多時相圖像也都可以用來追蹤海表運動特征。

迄今為止，全球最先進、使用最廣泛的實時海表流場數(shù)據(jù)是由NASA 地球與空間研究中心（ESR）支持開發(fā)的海洋表面流實時分析數(shù)據(jù)集（OSCAR[28]）。OSCAR 結合了幾乎所有可用的觀測資料，包括從衛(wèi)星海表面高度獲取的地轉流、由海面風場和海表漂流浮標反演得到的風驅動力分量以及由溫度和鹽度反演的熱成風調整分量[28]。OSCAR 的有效空間分辨率約為110 km，時間分辨率約為1 周[29,30]。

受觀測能力的限制，目前的觀測方法還無法實現(xiàn)全球范圍內的海表流場觀測，對海流的研究還存在諸多挑戰(zhàn)。首先，衛(wèi)星測高獲得的海表面高度只能通過地轉平衡理論反演獲得地轉流分量[31]，對不滿足地轉平衡的海洋運動（例如海洋內波）缺乏刻畫能力。其次，雖然目前的高分辨率衛(wèi)星圖像或海洋水色示蹤劑（例如葉綠素濃度）已經(jīng)顯示出伴隨著中尺度過程快速變化的亞中尺度結構，但是目前的衛(wèi)星觀測無法從動力上刻畫這些非平衡態(tài)的海水運動，而海洋非平衡態(tài)過程主導著上層海洋中50%以上的熱通量變化[32]和20%～50%的初級生產(chǎn)力變化[33]。再次，赤道地區(qū)缺乏有效的觀測。由于赤道區(qū)域不滿足地轉近似條件，通過海表面高度反演得到的地轉流無法準確描述赤道區(qū)域的海水流動[34,35]。利用表面漂流浮標可以修正赤道區(qū)域的觀測結果，然而由于赤道區(qū)域海洋表層的動力輻散作用，浮標數(shù)量較少不足以有效填補赤道觀測的空缺[36]。最后，近海區(qū)域的海洋動力過程非常復雜，而且通常不滿足地轉平衡[37]，現(xiàn)有觀測手段無法觀測近海海流。

研究表明，基于海表運動多普勒測量的海表全流場直接衛(wèi)星觀測，即多普勒衛(wèi)星海洋學研究是21 世紀初海洋觀測中亟待突破的方向，目前已成為國際海洋遙感觀測技術研究發(fā)展的熱點和前沿[38—43]。據(jù)樂觀估計，海表全流場有望在2025 年左右實現(xiàn)全球衛(wèi)星觀測[9]。繼海面溫度、海面高度、海面鹽度、海浪譜、海面風場之后，海表流場這一海洋核心要素也將實現(xiàn)衛(wèi)星的直接觀測。

針對全球海表衛(wèi)星觀測，特別是基于多普勒測量的全流場衛(wèi)星遙感觀測，國際上提出了多個衛(wèi)星計劃：2018 年，法國國家空間研究中心提出的海表運動多尺度監(jiān)測衛(wèi)星任務 （SKIM）[44]參加了歐空局Earth Explorer 9 任務遴選競爭（未能入選）；2022 年，歐洲航天局已將海表流場Harmony 衛(wèi)星計劃[45]作為Earth Explorer 10 唯一候選衛(wèi)星進行審查，如果通過，將于2028 年發(fā)射。此外，SEASTAR 任務[37]是歐空局Earth Explorer 11 任務的4 個候選任務之一。2019 年，美國航空航天局（NASA）將風和流觀測計劃（WaCM ）[42,46]作為探索者號在未來10 年的首要任務，并在2022 年3 月決定與法國SKIM 團隊聯(lián)合推進該任務。2018 年，中國科學院提出了全球海表流場多尺度結構觀測衛(wèi)星計劃 （OSCOM），并得到空間科學先導專項（二期）的支持，目前是進入未來空間科學任務遴選的候選項目之一。

OSCOM 首次提出了基于多普勒散射計（Doppler Scatterometer, DOPS）的海表流場、海面風場和海浪譜（簡稱“流—風—浪”）一體化探測的測量原理和系統(tǒng)體制。OSCOM 采用Ka-Ku 雙頻多波束圓錐掃描體制的真實孔徑雷達，將實現(xiàn)超過1000 km 觀測刈幅、公里級分辨率的“流—風—浪”一體化衛(wèi)星直接觀測（見圖2）。OSCOM 能夠1 天覆蓋全球海洋大部分區(qū)域，3 天覆蓋全球。與同類國際計劃相比，OSCOM 的創(chuàng)新設計包括以下幾個方面：① Ka+Ku 雙頻DOPS，充分利用不同頻段對流和風的觀測能力的優(yōu)勢；②“流—風—浪”一體化觀測體制，通過聯(lián)合動力要素觀測控制并減少海流觀測誤差，使海表流速的觀測精度達到0.1 m·s—1，遠優(yōu)于目前美國WaCM 計劃0.25 m·s—1和歐洲Harmony 計劃0.15 m·s—1的指標水平；③采用多波束圓錐掃描體制實現(xiàn)寬刈幅，OSCOM 可以達到1000 km 以上刈幅，與歐洲SEASTAR 和SKIM 任務概念320 km 的觀測刈幅相比，具有顯著優(yōu)勢（見表1）。

圖2 OSCOM 示意。海洋大尺度和中尺度填色為大洋環(huán)流模式數(shù)據(jù)的海表流速，大尺度中的箭頭為海面風場，中尺度中的箭頭為海表流場，亞中尺度數(shù)據(jù)來自高分六號衛(wèi)星Fig. 2 Schematic diagram of OSCOM, large-scale and mesoscale oceanographic data are filled with surface current speed from model reanalysis data, arrows in large scale are surface winds and arrows in mesoscale are surface currents, sub-mesoscale data are from the GF-6 satellite

2 OSCOM 的科學目標

OSCOM 實現(xiàn)全球“流—風—浪”的直接觀測，結合其他高分辨率衛(wèi)星觀測（例如海面溫度和海洋水色等）重構獲得精細的海表流場，將進一步促進海洋亞中尺度動力學、多尺度相互作用以及中小尺度海氣相互作用等前沿核心科學問題的深入研究，并支撐海洋生物地球化學循環(huán)與碳收支的科學前沿，以及海洋數(shù)值模式的發(fā)展和完善。

2.1 海洋亞中尺度動力學

研究表明，中尺度渦動能占海洋環(huán)流總動能的90%以上[2]。中尺度渦通過平均流的不穩(wěn)定從大尺度環(huán)流中獲得能量，而中尺度渦動能最終將被各種小尺度不穩(wěn)定以及與地形或內波的相互作用所耗散。中尺度渦在海洋能量串級中發(fā)揮重要作用[11,47,48]。由于缺乏全球高分辨率海流觀測，海洋中小尺度過程之間的相互作用是目前研究中的難點，而且經(jīng)典地轉理論無法完全解釋海洋中的正向能量串級和動能耗散[2]。研究表明，依據(jù)傳統(tǒng)海洋動力學理論估計的垂向物質能量輸運比現(xiàn)場觀測值低一個數(shù)量級[49,50]。大中尺度的傳統(tǒng)理論也無法定量解釋上層海洋和大氣邊界層之間的質量和能量平衡[32]。最近，基于模式和少量觀測數(shù)據(jù)的研究結果表明，海洋亞中尺度過程普遍發(fā)生在全球海洋中，其在中小尺度相互作用方面發(fā)揮著重要的“橋梁”作用[2,12,51]。亞中尺度過程及其引發(fā)的次級環(huán)流是地轉能量和有效位能串級與耗散的直接途徑[11,12,52]。但在以往的觀測和理論研究中，這些亞中尺度過程在很大程度上被忽略。

OSCOM 全球高分辨率（5～10 km）和高精度（0.1 m·s—1）的海表流速測量將極大地促進非平衡海洋運動的研究。深入了解亞中尺度過程將有助于探索海洋能量從中尺度到小尺度過程的串級，估算全球海洋熱量垂向再分配及其對氣候變化的影響。

2.2 海洋多尺度動力過程演化與變率

海洋中多尺度運動過程的相互作用促進了跨尺度質量/熱量交換和能量串級，顯著影響了海面溫度、鹽度、海氣通量、熱含量，以及上層海洋浮游植物生長的營養(yǎng)鹽分布。然而，現(xiàn)有的衛(wèi)星觀測只能直接測量海面高程，并基于地轉近似間接推導出地轉流。雖然這些觀測可以監(jiān)測大尺度和中尺度海洋動力變化，但無法測量百公里以內的非地轉、非平衡態(tài)海流以及赤道區(qū)域的海流。全球海表流速的多尺度變化研究需要高分辨率的直接海流觀測。高分辨率海流衛(wèi)星技術和DOPS 能夠準確觀測10～100 km 水平尺度上的海表全流場[17,53,54]。

在真實海洋中，全球主要流系，如西邊界流（包括黑潮和灣流等）、赤道流和南極繞極流的最大流速范圍為0.7～2.0 m·s—1[10]。中尺度渦也能達到相似的強度[29]。海洋潮流的最大流速甚至更強，在特定的沿海地區(qū)可達到每秒幾米[55]。為了捕捉從沿海到深遠海的多尺度海洋動力學過程，DOPS 在空間的速度觀測精度需要達到0.1 m·s—1。OSCOM 旨在滿足海表流速觀測的高精度要求（見表1）。海表流場直接觀測將為研究海洋中的平衡和非平衡運動以及海洋環(huán)流的分布、變化和多尺度相互作用提供有價值的數(shù)據(jù)。

表1 多普勒海洋學衛(wèi)星任務計劃對比Table 1 Comparison of Doppler oceanography satellite mission plan

2.3 海氣交換及其氣候效應

大尺度環(huán)流（＞1000 km）和中尺度過程（約100 km）主要受地球自轉和海洋分層的約束，表現(xiàn)出典型的準二維、準平衡運動。這種運動不能完全解釋大氣和海洋內部之間的質量和能量跨圈層交換。在高分辨率大洋環(huán)流模式（1/48°和1/24°）中，從風傳遞到海洋的表面動能估算比同一模式低分辨率（1/6°和1/10°）結果高約25%～85%，其中的大部分能量由高頻風強迫的近慣性頻率動力過程產(chǎn)生[56]。此外，海洋亞中尺度過程在海氣垂直交換以及全球海洋水循環(huán)、熱量和能量收支中發(fā)揮關鍵作用，并顯著影響氣候系統(tǒng)[57—59]。

因此，需要新的高分辨率觀測來理解海氣相互作用，并改進耦合氣候模式，以準確預測長期的海洋和氣候變化[32,47]。通過將OSCOM 海表流場與來自其他衛(wèi)星的更高分辨率海面溫度和葉綠素濃度數(shù)據(jù)以及溫鹽剖面反演的海洋內部流場相結合，將有助于深入研究海洋和大氣之間的物質和能量交換，最終將通過構建基于物理過程的參數(shù)化方案提高耦合氣候模式的預測能力。

2.4 碳收支與生物地球化學循環(huán)

海洋碳收支和生物地球化學循環(huán)影響了大氣CO2濃度的變化，并與海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和全球變化密切相關[60,61]。雖然人類產(chǎn)生的二氧化碳排放量在過去一個世紀一直在增加，但海洋通過物理和生物耦合過程吸收和儲存了大量二氧化碳，從而成為最大的二氧化碳“蓄水池”。這些過程在很大程度上調節(jié)了大氣中的二氧化碳濃度，緩解了全球變暖[62,63]。以前的研究發(fā)現(xiàn)，中尺度渦只能解釋20%～30%的營養(yǎng)鹽垂直輸送[64—66]。而亞中尺度過程，例如海洋鋒和渦絲，才是上層海洋營養(yǎng)鹽供應的主要驅動力[67—72]。OSCOM 觀測的高分辨率、高精度“流—風—浪”數(shù)據(jù)，有助于準確估計海氣通量，并促進對海洋初級生產(chǎn)力、營養(yǎng)鹽收支平衡物理機制的深入研究。結合物理—生態(tài)耦合模式，可以研究相關垂直交換如何影響全球生物地球化學循環(huán)和營養(yǎng)鹽收支。

2.5 海洋數(shù)值模式的發(fā)展與完善

大氣動能輸入是海洋的主要驅動力。然而即使與最新的海洋數(shù)值模式仍無法準確估計從大氣風場傳輸?shù)胶Ｑ蟮哪芰?。風應力阻力系數(shù)與海表流速之間的關系尚不清楚，這已成為改善上層海洋動力學與海氣相互作用模擬和預測的瓶頸[73—75]?！傲鳌L—浪”的同時觀測可以提供海氣通量的定量估計，并優(yōu)化模式中的相關參數(shù)化方案，提高海洋模擬和預測的準確度和精確度。

此外，海洋數(shù)值模式無法準確模擬海洋中尺度渦、亞中尺度過程和近岸動力過程[76]。目前，最有效的方法是使用高分辨率海洋模式同化多種海洋觀測，生成描述真實海洋過程的再分析數(shù)據(jù)。未來，基于“流—風—浪”同步觀測，應用選尺度數(shù)據(jù)同化技術和機器學習方法[77]，可以更準確地預測非平衡狀態(tài)下的海表流速。

針對以上前沿科學問題，OSCOM 擬實現(xiàn)的科學目標如下。

（1）開展海洋亞中尺度非平衡態(tài)動力學、海洋多尺度相互作用、海氣耦合的研究，支撐實現(xiàn)海洋系統(tǒng)科學、氣候變化等理論研究的重大突破。

（2）奠定海洋非平衡態(tài)過程數(shù)值模擬和預報的動力學基礎，實現(xiàn)海洋和海氣耦合模式的重大改進，為海洋生物地球化學循環(huán)、碳收支研究和國家重大任務提供支撐。

（3）實現(xiàn)全球公里級海表流場的星載直接觀測，填補國際上對海洋矢量要素一體化觀測能力的空白。

3 科學需求

OSCOM 的核心任務是實現(xiàn)高分辨率、高精度海表流場的直接觀測。由于“流—風—浪”三要素相互耦合，海面風場、海浪譜與海表流場的同步觀測對高精度海表流場的反演至關重要，也是實現(xiàn)OSCOM 衛(wèi)星科學目標的關鍵。

3.1 海表流場

OSCOM 旨在實現(xiàn)對全球海表全流場直接觀測，這樣有利于觀測非地轉流。非地轉流包括Ekman流、慣性流、潮流、Stokes 漂流以及海面風場或者海洋內部不穩(wěn)定導致的不穩(wěn)定流/波，其水平尺度為1～1000 km，時間尺度從數(shù)小時到數(shù)月。對6 h 間隔的全球漂流數(shù)據(jù)的分析表明，非地轉流占全球全流速的43%。目前海表流場主要通過地轉平衡理論從衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)反演，獲得赤道外開闊大洋的大中尺度（＞100 km）地轉流[78]。中高緯度的地轉流空間尺度為20～100 km，熱帶海洋中的非地轉、非平衡過程空間尺度可達到10～100 km[79]。因此，海表流場觀測的水平分辨率應小于10 km，才能滿足海洋中尺度和亞中尺度動力學過程的科學需求。亞中尺度和中尺度動力過程時間尺度通常為天到月的量級。根據(jù)海洋動力學的時空相干性，寬刈幅（≥1000 km）的觀測對于解決觀測時間分辨率不足的問題是非常必要的。

海表流場的高精度觀測對于刻畫亞中尺度過程非常重要。在全球海洋中，6 h 漂流浮標觀測到的平均海流速度大于0.1 m·s—1的樣本約占總樣本的82%。這一數(shù)值在南?，F(xiàn)場觀測中能上升到約95%。速度大于0.1 m·s—1的海流動能占總動能的99%以上。0.1 m·s—1的速度精度能滿足刻畫亞中尺度過程和研究全球海洋多尺度動力過程相互作用的科學需求。

3.2 海面風場

海面風場直接影響著海氣之間的動量、熱量和水氣通量，是海洋—大氣耦合系統(tǒng)的關鍵變量。在風場驅動下，粗糙海面布拉格散射的多普勒頻率是準確反演高精度海表流場的關鍵。海表流場也會通過應力影響海面風場，二者需要同步觀測。在亞中尺度至中尺度，海表流場的梯度與海面風場異常高度相關[57—59]。海面風場的空間分辨率小于10 km 才能滿足高精度海表流場的反演需求，并且提升對海氣動量、熱量和二氧化碳通量的估算能力。海面風場在亞中尺度和中尺度海氣耦合系統(tǒng)中強度較強而且變化較快。在初步的仿真模擬實驗中，為實現(xiàn)海表流場反演精度優(yōu)于0.1 m·s—1，風速和風向的反演精度需優(yōu)于2 m·s—1和20°[41]。

3.3 海浪譜觀測需求

海表波浪，尤其是重力波的相速度，能夠影響海表多普勒頻率譜；海浪譜是實現(xiàn)高精度海表流場反演的重要變量。海浪譜的空間分辨率小于10 km 才能滿足高精度海表流場的反演需求。海浪譜在50～500 m 的波長范圍內，所有方向的波長和波向的精度為10%和15°。全球海浪譜觀測將有助于開展以下研究：①提高海表面粗糙度的估計，獲取高精度海表流場；②估算Stokes 漂流和風輸入浪的能量；③優(yōu)化海洋大氣界面動量和熱量通量的參數(shù)化方案。

“流—風—浪”是海洋動力環(huán)境的三個基礎變量，彼此之間相互耦合。DOPS 將采用Ka 和Ku 兩個頻率的波段進行觀測。Ka 波段直接測量不同入射方位角下后向散射信號回波脈沖的多普勒頻率頻移[41]，Ku 波段以步進差頻干涉模式運行。海面風場通過測量后向散射系數(shù)（標準化雷達交叉剖面）得到[41,54]，海浪譜可以基于雙尺度模型，通過差頻干涉測量進行估算[80]。最后，海表流場由多普勒頻移和海面風場與海浪譜耦合模型獲得。結合海面風場和海浪譜的測量與反演，獲得高精度的海表全流場，將為海洋動力學和海氣動量交換等科學問題的突破提供至關重要的依據(jù)（見圖3）。

圖3 有效載荷與數(shù)據(jù)及其對科學目標的貢獻Fig. 3 Payloads, data products, and their contribution to scientific objectives

3.4 與其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)的聯(lián)合應用

3.4.1 海洋–大氣交換

最近的研究表明，中尺度、亞中尺度海氣相互作用主導跨圈層物質和能量交換，在海氣相互作用，尤其是動量和熱量通量研究中起著重要作用[58,59,64,80]。OSCOM 可以獲得“流—風—浪”的觀測與反演，但尚缺少高分辨率海面溫度觀測[81]。高分辨率的海面溫度數(shù)據(jù)可以由海洋一號系列衛(wèi)星（HY-1 C/D，分辨率1.1 km）、風云三號系列衛(wèi)星（FY-3 C，分辨率1.1 km；FY-3 D/E，分辨率250 m）提供。而且HY-2B/C/D/E 衛(wèi)星觀測的10～25 km 分辨率海洋動力數(shù)據(jù)有助于研究多尺度海洋大氣的相互作用。

3.4.2 海表精細化流場重構

最新研究成果表明，海面溫度梯度和海表葉綠素分布與中尺度—亞中尺度海表動力過程在空間上高相關。因此，高分辨率海面溫度和葉綠素數(shù)據(jù)可用于反演重構海表流場結構[82]?；趧恿Α獰崃Ψ囱菽Ｐ秃推渌l(wèi)星（例如HY-1 C/D 和FY-3 C/D/E）獲取的高分辨率海面溫度和海表葉綠素數(shù)據(jù)，OSCOM 的海表流場觀測分辨率（5 km）可以提高到更高精度（約1 km）。

4 探測原理與有效載荷配置

海面回波多普勒頻移反映散射目標的雷達視向速度。由于海面自身構成及海面電磁散射的復雜性，海面回波多普勒質心不僅與海流有關，還與重力波或海浪的軌道速度有關；二者均與海面風場密切相關。此外，海面風場也會導致海面幾何形態(tài)的變化，導致雷達散射回波的幅度和相位發(fā)生變化。

OSCOM 雙頻DOPS 結合差頻干涉技術，通過對海面粗糙度譜、斜率譜和多普勒譜的同步探測，可聯(lián)合反演“流—風—浪”三個要素[39,40,82]。其中，海面風場與多普勒雷達觀測幅度之間的經(jīng)驗關系與發(fā)展成熟的微波散射計海面風場反演模型一致，通過觀測能直接獲取海面風場[54]。雖然流與浪均能導致多普勒測量頻率的變化，但是在特定風速條件下，借助差頻干涉技術和海面對雙頻脈沖響應的差異，能將流和浪的不同運動特性投射到不同的觀測回波多普勒頻移分量[80]。然后在特定風場下，利用海浪對差頻觀測的不同響應區(qū)分各分量，實現(xiàn)“流—風—浪”的參數(shù)反演。

4.1 海面多普勒速度

海表流場的探測通過回波脈沖干涉實現(xiàn)多普勒頻移的測量，獲取海面運動速度。然后通過多方位角觀測實現(xiàn)速度方向的測量。

微波雷達信號的多普勒頻移取決于雷達與海面的相對運動，包括雷達平臺的運動、海面風場和海浪引起的運動（共振布拉格波的相速度和比布拉格波更長的海浪的軌道運動），以及海表流場。準確估計海面風場和波浪引起的多普勒頻移并將其去除是精確反演海表流場面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

DOPS 通過Ka 波段脈沖簇相干得到海面多普勒速度的高精度估計，之后通過Ku 差頻干涉信息得到海浪譜。Ka 頻段可以實現(xiàn)更窄的天線波束寬度及更高的天線增益，有利于海面多普勒頻移的估計和海表流場的反演。與傳統(tǒng)真實的孔徑雷達不同，DOPS 需要對回波信號的干涉相位進行預處理和多普勒頻移估計。OSCOM 聯(lián)合Ka 與Ku 波段得到的海面風場信息，通過“流—風—浪”耦合的多普勒速度譜模型，去除海浪譜和海面風場對海面多普勒速度的貢獻，最終得到海表流場矢量的估計與反演。

4.2 海面風場

DOPS 對海面同一分辨單元上不同入射方位角下的后向散射系數(shù)進行多角度測量，結合地球物理模型反演，可以實現(xiàn)對海面風場的探測[83]。建立后向散射系數(shù)對風速和視角的依賴性的地球物理模型函數(shù)（GMF）獲得海面風場。通過旋轉天線實現(xiàn)波束的圓錐掃描，可以從不同方位角獲得海面每個分辨率單元的重復觀測，并根據(jù)測量的后向散射系數(shù)獲得衛(wèi)星的前向移動。

4.3 海浪譜

與基于準鏡面散射的小入射角海浪譜觀測（例如中法海洋衛(wèi)星CFOSAT 上的雷達波譜儀[84]）相比，OSCOM 采用基于中等入射角的Δk海浪譜測量方法，可將觀測刈幅從200 km 拓展至1000 km 以上，與海表流場、海面風場實現(xiàn)寬刈幅、同程觀測。

該方法基于海面風—浪耦合的雙尺度模型，通過發(fā)射一組差頻干涉信號，實現(xiàn)海浪譜觀測：每組差頻回波信號可以實現(xiàn)對特定波長海浪譜的一次測量，即對海浪譜在Δk處進行一次采樣。發(fā)射的差頻信號經(jīng)海面散射，散射計接收機接收到兩個頻率回波后進行復相干：利用長波的周期性，采用步進頻差的方式，干涉獲取不同波長的海浪譜。

“流—風—浪”是三個相對獨立的海洋動力學參數(shù)。星載“流—風—浪”的測量對于載荷的觀測體制、信號模型、數(shù)據(jù)處理方法等都提出了不同要求。在中大入射角條件下，基于布拉格散射的風場測量和基于海面多普勒速度估計的流場測量，具有小入射角觀測無法替代的優(yōu)勢。對于海浪譜的觀測，小入射角條件下，基于準鏡面散射的本地入射角調制關系與海面斜率呈線性關系，有利于海浪譜的反演。在中大入射角條件下，海面的布拉格散射的本地入射角調制關系與海面呈單調的非線性關系。盡管這給海浪譜反演算法的實現(xiàn)帶來了一定困難，但是基于Δk海浪譜測量原理及合成孔徑雷達海浪觀測的理論及實驗結果表明，在中等入射角條件下，可以獲得與小入射角相當?shù)暮＠俗V反演精度。因此，OSCOM 采用一套多工作模態(tài)的DOPS 實現(xiàn)對海面“流—風—浪”的同步測量與反演，有效降低載荷系統(tǒng)設計復雜度，提高載荷費效比。

為實現(xiàn)OSCOM 的科學目標，最關鍵的突破是實現(xiàn)海表全流場的寬刈幅、高分辨率觀測。利用DOPS 在多個方位角方向上觀測，可以實現(xiàn)海表流場矢量的直接測量，并同時測量海面風場[39,40,43,83]。

為了實現(xiàn)寬刈幅、高分辨、高精度的“流—風—浪”觀測，DOPS 采用雙頻（Ka-Ku）多波束圓錐掃描體制的真實孔徑雷達，實現(xiàn)在46°～49°俯仰波束范圍內具有多個獨立的波束觀測。DOPS 的Ku 和Ka 波段分別采用不同工作模式：Ka 波段為多普勒測量模式，通過旋轉掃描提供多方位角觀測的海面后向散射系數(shù)和海面多普勒頻率；Ku 波段為調頻干涉模式，通過旋轉掃描提供多方位角觀測的海面后向散射系數(shù)和海浪譜；Ku 和Ka 波段后向散射系數(shù)用于實現(xiàn)對海面風場的高精度反演；利用海面多普勒速度、海浪譜和風場信息聯(lián)合反演海表流場。衛(wèi)星軌道采用太陽同步軌道，軌道高度650 km。DOPS 海面觀測幾何如圖4 所示。OSCOM 衛(wèi)星有效載荷的具體配置方案見表2。

表2 OSCOM 衛(wèi)星有效載荷DOPS 配置方案Table 2 DOPS configuration scheme of OSCOM satellite payload

圖4 多普勒散射計海面觀測幾何Fig. 4 Doppler scatterometer observing strategy

5 結語

海表流場是描述海洋運動狀態(tài)最直接、最基礎的物理量。全球海表流場在多尺度海洋動力學的動量和能量耦合、海氣交換與相互作用、海洋物質能量輸送與平衡等方面發(fā)揮著重要作用。海表流場還決定了海洋中的營養(yǎng)鹽運輸、污染物擴散和海冰漂移。然而目前主流的衛(wèi)星測高法只能獲得海表流場中的地轉流分量，無法刻畫赤道區(qū)域、近岸海域復雜多變的流場，以及開闊大洋中非平衡態(tài)海流過程，無法獲得大多數(shù)海域的中小尺度過程。這些不足阻礙了對非平衡態(tài)海洋動力學和中小尺度海氣相互作用的深入研究。因此，迫切需要開展全球高分辨率的海表流場直接觀測。由于“流—風—浪”三要素之間的相互耦合特性，三者同時觀測是獲取高分辨率、高精度海表流場的關鍵。

為此，中國科學院提出了OSCOM 任務。OSCOM 將通過多普勒散射計對分辨率為 5～10 km、刈幅大于 1000 km 的海面矢量運動進行實時直接探測，并能夠實現(xiàn)全球“流—風—浪”的一體化測量。利用雷達直接測量的海表流場（分辨率5～10 km）與來自其他衛(wèi)星的高分辨率海面溫度和水色數(shù)據(jù)（分辨率約1 km）相結合，可以進一步構建高分辨率海表流場數(shù)據(jù)（分辨率約1 km）。OSCOM 創(chuàng)新性提出了“流—風—浪”一體化觀測與反演的技術方案。

OSCOM 將促進海洋亞中尺度動力學、多尺度過程相互作用、海氣物質和能量交換與平衡、生物地球化學循環(huán)和全球氣候變化的前沿研究，并有助于改進非平衡態(tài)過程的數(shù)值模擬和預測。OSCOM 將開啟海洋亞尺度動力學研究和地球科學跨學科前沿研究的新紀元。

自 2012 年以來，中國科學院和國家自然科學基金委先后給予多項資助和項目，支持 DOPS 概念和技術的研究和開發(fā)。2020 年，中科院“空間科學先導專項（二期）”支持了全球海表流場多尺度結構觀測衛(wèi)星計劃（OSCOM）候選任務的背景型號研究。迄今為止，OSCOM 對科學目標、觀測技術發(fā)展、反演模型和技術進行了深入研究和論證。2020 年8 月，完成了航空校飛試驗。OSCOM 衛(wèi)星概念的先進性和可行性受到肯定。OSCOM 具備開展工程型號任務研制的研究基礎、技術基礎和保障條件。

OSCOM 的定位是科學衛(wèi)星，聚焦重大科學問題的創(chuàng)新與突破，首要任務是實現(xiàn)科學目標。通過在多普勒探測原理、“流—風—浪”一體化探測與反演技術等方面的研究，實現(xiàn)“從0 到1”的創(chuàng)新突破，為應用衛(wèi)星的發(fā)展提供必要的準備和支撐。OSCOM 若能順利進入工程階段，有望在2025 年完成發(fā)射任務，其將成為我國首顆海洋科學衛(wèi)星，在實現(xiàn)我國海洋衛(wèi)星的發(fā)展模式從追趕、并行轉變?yōu)橐I發(fā)展的過程中發(fā)揮關鍵作用。

致謝 中國科學院國家空間科學中心空間科學與深空探測規(guī)劃論證中心對本項目進行了指導。陳云帆幫助繪制了衛(wèi)星概念示意圖。海表流場數(shù)據(jù)來自http://apdrc.soest.hawaii.edu/dods/public_ofes/OfES/。風場數(shù)據(jù)來自ht tp://apdrc.soest.hawaii.edu/dods/public_data/satellite_product/QSCAT。海平面數(shù)據(jù)來自https://resources.marine.copernicus.eu/product-detail/SEALEVEL_GLO_PHY_L4_NRT_OBSERVATIONS_008_046/D ATA-ACCESS。