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跃入观测全球海洋的“四维时代”

国家海洋卫星杭州地面站、中国 Argo实时资料中心建设与发展纪实

2018-06-20

卫星海洋环境动力学国家重点实验室依托于国家海洋局第二海洋研究所,以海洋环境安全和海洋自然资源产出与服务中的重大需求为牵引,以卫星遥感和Argo浮标等海洋观测新技术为重要手段,重点解决中国近海及邻近大洋中所面临的海洋资源环境科学技术问题,打造特色鲜明的、具有显著国际影响力的海洋科技基地。国重室拥有院士3人,国家“万人计划”专家3人,国家优秀青年基金获得者2人,省、部级人才计划入选者20人,形成了一支以高水平学术带头人为核心、中青年科学家为中坚力量、结构合理的科研队伍。


地球更确切地说应该是个“水球”。占地球表面积70%以上的海洋,与人类命运息息相关。生活在陆地上的人类是如何探知海洋“秘密”、摸清海洋“脾气”的呢?


海洋卫星和自动剖面浮标(Argo)一起,组成“天空海”立体监测网络,是人类获取海洋资料最先进的监测手段。坐落在杭州西子湖畔的卫星海洋环境动力学国家重点实验室(简称“国重室”),拥有国家海洋卫星杭州地面站和中国Argo实时资料中心两个国家级科技基础设施平台。多年来,该实验室依托这两大平台,监测水质、追逐台风、预测生态、分析碳源汇……为自然资源监测评估、维护国家权益与防灾减灾等国家重大需求做出了重大贡献。


近日,本报记者走进实验室,听科研人员讲述海洋卫星地面站和Argo中心建设与发展的历程。


国家海洋卫星地面站——30年,造就天上慧眼观沧海

我国共有4个海洋卫星地面站,建于1988年的杭州地面站是我国建站最早、接收资料最丰富的海洋遥感卫星地面站。


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第一代卫星地面站机房


说起卫星地面站,也许很多人会想联想到“朝天锅”的形象。其实,一个完整的地面站不止一口“大锅”,它还包括卫星资料处理系统、资料存储系统以及应用系统。


地面站是卫星与用户之间的桥梁,是卫星能否发挥作用的“中介”。它负责接收海洋卫星下传的遥感数据,并制作成各级产品,服务海洋用户。


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第三代卫星地面站机房


当年在杭州设立卫星数据接收点,为的是接收我国第一颗风云系列卫星(FY1)的海洋通道数据,从此拉开了我国海洋水色遥感研究和应用的序幕。


1997年9月,美国“海星”号水色卫星(Seastar/SeaWiFS)发射,我国海洋遥感学科带头人、中国工程院院士潘德炉攻破了技术难关,使得杭州地面站成为大陆唯一、也是国际上第一批获得SeaWiFS海洋水色卫星资料免费接收权的全球16个地面站之一。这一成果获得了2003年浙江省科学技术进步奖一等奖。


2007年4月,我国第二颗海洋水色卫星发射。国重室遥感技术创新团队建立了国际少有的综合考虑海气耦合、粗糙海面、偏振的辐射传输模型,从而打破国外垄断,使我国首次拥有了遥感前端资料处理“芯片”,并荣获海洋创新成果奖一等奖。


2013年,杭州地面站纳入国家海洋卫星地面应用系统业务运行,杭州地面站更名为“国家海洋卫星杭州地面站”。同年,国重室遥感技术创新团队攻克了近海复杂水体卫星遥感的国际性难题和我国海洋水色卫星资料处理与应用的关键技术,形成了具有自主知识产权的卫星接收、处理和应用一体化海洋遥感系统,并成功在多家单位推广应用。成果获得了国家科技进步奖二等奖。


2018年,国重室遥感技术创新团队攻克了接收小型化、处理自动化、船载移动化三大关键技术,将地面遥感系统推进到船载遥感应用系统,安装在“大洋一号”船上,为我国海洋环境遥感移动监测提供了重要平台,极大提高了我国海洋遥感系统的实用化水平。成果获得海洋科学技术奖一等奖。


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杭州地面站现有8副卫星天线之一


30年来,杭州地面站经历了3代卫星接收天线改造升级,共接收了我国风云、海洋系列、国外EOS系列、NOAA系列等28颗海洋和气象卫星,积累了海量的海洋遥感卫星数据。值得欣慰的是,从卫星天线到遥感资料应用处理系统,全部是自主知识产权的国产硬件和软件。


那么,海量数据如何转化为应用成果?国重室卫星遥感技术创新团队在海洋遥感新机理、新技术和新应用方面不断突破,全面支撑了我国新型海洋卫星系列的发展和应用示范。


按照规划,我国将陆续发射系列极轨海洋水色卫星。水色遥感与陆地或气象遥感不同,其特点是从极大噪声背景下提取微弱的水体信号,高精度信息反演是核心技术。该系列卫星资料的处理技术一直都由国重室负责。目前,实验室已完成“天宫二号”空间实验室水色成像仪的在轨测试。


极轨海洋水色卫星遥感要求在临近中午、强光照下进行观测。对此,研究团队在国际上率先建立了考虑地球曲率的海洋—大气耦合矢量辐射传输数值模型,实现了从早到晚小时级的高频观测,有力支撑了我国计划发射的静止轨道水色卫星的研制工作。同时,他们依托地面站构建了国内首套静止轨道海洋水色卫星资料应用示范系统,集卫星资料自动接收、处理、产品制作、数据入库管理、产品可视化和网络共享服务于一体,得到了广泛的应用。


海水颜色(水色)蕴含丰富的人眼无法识别的高阶信息,国重室面向国家需求,不断在新型遥感信息提取和业务化示范应用方面取得突破。针对近海水质恶化的问题,国重室构建了可提取水体营养盐等信息的水质监测系统,成功应用于长三角地区,其成果获得了浙江省科学技术进步奖一等奖。针对水体富营养化,赤潮频发的问题,建立赤潮监测系统,使卫星遥感赤潮监测从人机交互提升为全自动监测,并进一步识别藻种分类,成果获得海洋科学技术奖一等奖。面对蓝色碳汇这一全球气候变化问题,构建了集遥感监测、现场观测、通量评估和信息服务为一体的中国近海海-气二氧化碳通量遥感监测评估系统,其成果获得海洋科学技术奖特等奖。


如今,作为我国新型海洋卫星数据接收处理的实验站、卫星遥感成果应用技术的推广站和国际合作的示范站,杭州地面站依托国重室,在我国海洋卫星技术研发和数据共享服务等方面在世界发挥着不可或缺的作用。


中国Argo实时资料中心——“中国实时海洋观测网的先驱”

就像人们使用探空气球来探测大气垂直特征一样,自动剖面浮标是用来观测海洋内部的重要设备。浮标能自主沉浮,时而潜入几千米深海,将海水温度、盐度、漂移轨迹等数据“记录在案”;时而浮出海面,向卫星传输数据。一个浮标,可在海洋里连续作业3年~5年。


对海洋科学研究来说,越是长期的、大范围的海洋监测数据,越具有研究价值。Argo计划,即全球实时海洋观测网建设,由美国、日本等海洋科学家于1998年提出,设想在全球大洋中,每隔300公里布放一个由卫星跟踪的自动剖面浮标(简称“Argo浮标”),实时监测上层海洋海水温度、盐度和海流,帮助人类应对全球气候变化,以及准确预测诸如台风和厄尔尼诺等极端天气/海洋事件等,观测资料免费共享。


20年来,各国在全球海洋布放的Argo浮标数量超过1.5万个,累计获得了约180万条温、盐度剖面数据,比过去100年收集的总量还要多得多。因此,Argo计划也被誉为“海洋观测技术的一场革命”。


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2003年,许建平(右)和刘增宏在西北太平洋执行我国首个Argo布放航次


国重室在推动国内和国际Argo计划中,也取得了辉煌的成果。2002年1月,我国正式宣布加入国际Argo计划。同年,中国Argo实时资料中心在杭州正式建立。而当时,全球大洋中没有一个浮标是中国投放的。


经过十多年的发展,中国Argo实时资料中心作为全球Argo观测网的中国国家中心,使我国成为国际上9个有能力向全球Argo资料中心提交经质量控制数据的国家之一。


2015年,针对采用北斗卫星通讯的国产剖面浮标,国重室筹建了北斗剖面浮标数据服务中心,成为继法国、美国后,第3个有能力为全球Argo实时海洋观测网提供剖面浮标观测数据传输的服务中心。


2017年,国重室开始发展生物地球化学Argo技术以及相关的科学研究,成为国内首家可以自动接收、解码并处理多参数生物地球化学Argo数据的单位。同年,国重室在国际Argo官网发布的新版《2004年~ 2016年全球海洋Argo网格资料集》,是我国科学家在国际上发布的首款Argo网格数据集,从而使我国成为第6个公开发布类似数据产品的国家。


截至今年5月,中国Argo计划已在太平洋、印度洋、南大洋和地中海等海域布放了416个剖面浮标,约占全球Argo浮标数量的2.5%。中国Argo观测网已成为全球Argo实时海洋观测网中的重要组成部分,我国在国际大型合作计划中的显示度显著提高。中国Argo观测网也是我国海洋观测史上唯一一个以深海大洋观测为主,覆盖范围最大、持续时间最长、且建设资金投入最少的海洋立体观测系统。如今,我国已从早期的国际Argo计划参与国,发展成为能自主研发剖面浮标、利用北斗卫星导航系统定位和传输浮标观测数据、主导建设南海Argo区域海洋观测网、自主研制全球海洋Argo网格数据集并提供国际共享、主动承担海洋大国责任和义务的重要成员国。


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我国Argo浮标布放分布图


国重室有关负责人透露,该实验室计划于2018年~2019年组建国际上第一个西北太平洋的生物地球化学Argo观测网,同时以成功研制北斗剖面浮标以及国际Argo计划由“核心Argo”向“全球Argo”拓展为契机,建设北太平洋西边界流海域、西太平洋典型边缘海—南海的Argo区域海洋观测网,并逐步向印度洋孟加拉湾和阿拉伯海扩展,最终建成至少由400个剖面浮标组成的覆盖海上丝绸之路的区域Argo海洋观测网,使之成为“全球Argo”的重要组成部分,成为增进与海上丝绸之路沿线国家交流与合作的纽带,以进一步促进Argo资料在我国乃至海上丝绸之路沿线国家业务化预测预报和基础研究中的推广应用。


共建共享造福人类在国际合作中尽显中国力量

国重室的国家海洋卫星杭州地面站和中国Argo实时资料中心是我国的两个重大科技基础设施平台。其对应的国际组织国际海洋水色协调组织IOCCG和全球Argo计划,一直由国重室科研人员担任重要职务。


IOCCG唯一的中方代表一直由国重室科研人员担任,潘德炉院士、毛志华研究员、何贤强研究员先后当选IOCCG委员。许建平研究员担任国际Argo指导组成员和中国Argo计划首席科学家,国重室主任柴扉研究员担任国际生物地球化学Argo指导组成员,刘增宏副研究员为中国Argo实时资料中心技术负责人、国际Argo资料管理组成员,邢小罡副研究员担任国际Argo资料管理组生物Argo工作组成员、国际海洋研究科学委员会(SCOR)下属的WG142工作组正式成员和唯一的中国成员。国重室所在的海洋二所是目前国际上仅有的两个同时拥有国际Argo计划和生物地球化学Argo计划科学指导委员会委员的单位之一。


国重室在国际上日益显著的国际影响力,得益于国家海洋卫星杭州地面站和中国Argo实时资料中心这两个国家级平台的建设。这些科研成果全球共享,服务世界。


据悉,国重室将于今年11月举办海洋生态遥感及剖面浮标监测技术高级培训班,以实用性海洋生态遥感和Argo浮标监测技术作为培训主课,促进发展中国家海洋领域人才培养。通过进一步合作拓展,争取在“一带一路”沿线国家建站和构建浮标观测网。通过帮助培养相关人才及协助其加入国际计划等形式,让更多国家和人民共享全球海洋遥感观测以及全球Argo实时海洋观测网。


为人类共同应对全球气候变化、防御海洋灾害、贡献“中国智慧”,让“一带一路”沿线国家和民众能够真切体验和享受到海上丝路建设带来的福祉,在加快建设海洋强国的伟大事业中做出应有的贡献,这是卫星海洋环境动力学国家重点实验室全体科研人员新时代的新使命!


(本文转载自中国海洋报,作者:安海燕、郑雅楠 )