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自然灾害咋监测?海洋卫星告诉你
发布时间:2022-05-31     来源:“海洋卫星”公众号     浏览:6712

在我国首颗海洋卫星成功发射20周年到来之际,让我们一起来了解在轨海洋卫星能力,了解海洋卫星在台风、风暴潮、渤海海冰、南北极海冰、浒苔、溢油、赤潮、海底火山喷发与火山浮石飘移等海洋灾害以及包括洪涝灾害、森林火灾、蓝藻爆发、沙尘暴、滑坡与堰塞湖等非海洋灾害方面的应用实例。全文涉及海洋、陆地十多种灾害,专题图50多幅,动图20多个,许多专题图与动图为首次发布。

在轨海洋卫星与灾害监测能力

自2002年5月15日成功发射第一颗海洋水色卫星至今20年,我国已经发射海洋卫星12颗,除海洋一号A/B(HY一1A/1B)卫星完成使命任务已经失效外,在轨业务运行的卫星有10颗。其中,用于海洋水色水温环境探测的海洋一号系列有2颗,即HY一1C、HY一1D卫星;用于海洋动力环境探测的海洋二号系列与中法海洋卫星有5颗,即HY一2A、HY一2B、HY一2C、HY一2D、CFOSAT卫星;用于海洋监视监测的海陆雷达卫星系列有3颗,即纳入高分系统的高分三号卫星GF一3卫星和1米C一SAR卫星01星、02星业务卫星。自运行以来,已在自然灾害监测中发挥了极其重要的作用。

海洋一号系列卫星

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HY一1C、HY一1D卫星用于全球海洋水色要素探测、海表温度探测和海岸带动态环境监测,以海洋探测为主,陆海兼顾,配置海洋水色水温扫描仪(COCTS)、海岸带成像仪(CZI)、紫外成像仪、定标光谱仪以及船舶自动识别系统等载荷。双星上下午组网观测,海洋水色水温扫描仪全球开机,扫描幅宽3000千米,空间分辨率1千米,对全球海洋与陆地进行四次(经过赤道的地方时为10:30am、1:30pm、10:30pm、1:30am) 观测,海岸带成像仪在中国海岸带及关注区域开机工作,幅宽1000千米,空间分辨率50米, 每三天对中国海岸带及关注区域实现两次观测,由于载荷具有多种空间分辨率、高信噪比、高动态范围和宽刈幅、时效快等优点,成为自然灾害监测的有效工具,已在台风、渤海海冰与南北极海冰、绿潮、赤潮、溢油、火山与浮石、洪涝、林火、蓝藻、滑坡与堰塞湖、沙尘暴等灾害监测中发挥重要作用。

海洋二号系列卫星

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HY一2A、HY一2B卫星用于全球海面风场、有效波高、海面高度、海表温度等多种海洋动力环境参数监测,配置雷达高度计、微波散射计、扫描微波辐射计、校正辐射计、DCS、AIS等载荷,HY一2C、HY一2D卫星配置雷达高度计、微波散射计、校正辐射计、AIS载荷,HY一2B、HY一2C、HY一2D三星组网每天可多次提供全球海面风场、有效波高、海面温度,直接为灾害性海况预警预报提供近实时遥感观测数据,可全天候监测台风、海冰、巨浪等海洋灾害。

中法海洋卫星

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CFOSAT卫星为中法两国合作的科研试验卫星,主要任务是获取全球海面波浪谱、海面风场、南北极海冰信息,提高对巨浪、海洋热带风暴、风暴潮等灾害性海况预报的精度与时效,同时获取极地冰盖相关数据,为全球气候变化研究提供基础信息。配置海浪波谱仪(SWIM)、扇形波束散射计(CSCAT)两个全新载荷。SWIM是国际上首次采用六波束真实孔径雷达方式连续测量全球海面波浪谱的卫星遥感载荷,CSCAT首次采用扇形波束天线,可以与海洋波谱仪实现观测角的互补,首次实现风浪同时探测。

海洋监视监测系列

海陆雷达卫星

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海陆雷达系列卫星用于全球海洋和陆地信息的全天候监视监测,配置C波段合成孔径雷达和船舶自动识别系统,用于海洋、减灾、水利及气象等多方面。C波段合成孔径雷达具有聚束、条带、扫描、波模式等12种成像模式,空间分辨率在1米~500米之间,幅宽为10千米~650千米。工作频段为C波段(5.4GHz),常规入射角为20o~50o,扩展入射角为10o~20o或50o~50o。可全天候监测台风、海冰、绿潮、溢油、地震前后变化、滑坡与堰塞湖等自然灾害。

上述各类卫星数据通过牡丹江、北京、海南(三亚、陵水)地面接收站接收,在北京数据处理中心处理,数据可通过海洋卫星存档与分发系统检索下载。

部分产品也可通过海洋卫星遥感实况小程序查阅,海洋卫星遥感实况小程序集成多颗卫星(CFOSAT、HY一1C、HY一1D、HY一2B、HY一2C、HY一2D、FY等)、多种要素(风场、温度场、叶绿素、悬浮泥沙、船舶自动识别系统、海冰密集度、云图等)数据,实现了多星多要素数据集成与动态播放包括:

(1)多星多要素数据的动态展示,并支持要素数据5天或7天的动态播放;

(2)多图层叠加展示:实现从单图层向多图层综合展示的转变,丰富展示内容、方便数据分析;

(3)极地投影适配与监测信息展示:适配南极、北极地区投影,设计高精度HY一1C卫星遥感影像底图,支持极地海冰、温场、风场数据动态叠加。

通过多颗海洋卫星组网观测获得的数据产品,结合其他信息,制作的产品已经在台风、渤海海冰、南北极海冰、湖冰与积雪、黄东海绿潮、近岸赤潮、溢油污染、湖泊蓝藻、洪涝灾害(黑龙江、江西、山西、河南等省份)、森林火灾(我国山东、重庆、四川、广西、云南省份以及美国、澳大利亚、巴西、韩国、俄罗斯、印度尼西亚等)、火山喷发(南极、日本、汤加)、地震灾后评估、沙尘暴监测中得到广泛应用,效果显著。    

海洋灾害监测实例展示

台风与风暴潮

海洋卫星是台风、风暴潮监测的利器。台风风场参数可通过海洋二号系列卫星微波载荷、陆海雷达卫星获得,台风的云系结构可通过海洋一号系列卫星可见光、红外、紫外云图获得。目前,每年影响我国的各个台风的生成、增强、消亡过程均能被海洋卫星监测到。每个台风的海面风场及其变化过程可通过HY一2A/2B/2C卫星、CFOSAT卫星以及欧空局Metop一A/B/C卫星多星组网观测获取,每天制作的单星单轨与单星全球网格化风场专题产品、全球海面风场融合专题产品以及台风监测专题产品实现业务化分发。台风监测专题图信息包括海面风场、台风半径、风暴中心位置和强度等,通过分析时序数据还可得到台风移动轨迹。海洋二号系列卫星高度计、微波辐射计载荷的海面风速产品以及中法海洋卫星的波浪产品、GF一3卫星的合成孔径雷达海面风场产品也是台风监测的有力工具。利用HY一1C/1D卫星的COCTS、UVI数据制作台风云图,可分析台风云系结构及变化,为台风风暴潮预报提供准确的信息服务。

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海洋一号卫星台风云图

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多源卫星散射计海面风场

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中法海洋卫星有效波高


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高分三号卫星台风风场

渤海海冰与湖泊冰雪

每年11月下旬到第二年3月底,渤海、黄海北部有不同程度的结冰,严重的海冰可影响海上交通运输和海上工程作业,危及海上石油平台安全。利用HY一1C/1D卫星海岸带成像仪、地球观测系统EOS/MODIS可见光数据、GF一3卫星及国外卫星SAR数据,制作专题产品开展业务化海冰监测,多颗卫星在空间、时间以及探测手段方面优势互补,HY一1C/1D卫星组网后,50米空间分辨率的海岸带成像仪对渤海实现3天至少两次覆盖,获取数据时效快,加上高分三号卫星SAR载荷补充,实现可见光与SAR协同,得到的信息更丰富,为海洋工程以及海冰预报提供了有力支撑。

同时通过试验验证,海洋卫星数据在北方湖泊湖冰,如:青海湖、纳木错、色林错、呼伦湖、贝尔湖、兴凯湖等湖泊的湖冰以及陆地上北方地区积雪变化监测中有很好的应用潜力。

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南北极海冰与地貌

目前,我国极地科考遥感服务保障主要靠我国海洋卫星及其他国内外卫星相结合完成。HY一1C/1D 实现对极地准业务化监测,HY一1C/1D卫星海洋水色水温扫描仪每天实现对全南极、全北极全覆盖,在夏季海岸带成像仪具备1天两次以上的探测的能力,在北纬以及南纬60°~90°区域内已拍摄几万景,曾连续获得局部区域6天均为晴空数据场景,利用HY一1C/1D卫星数据开展了雪龙船航线保障服务,监测了松岛冰川崩解、埃默里冰架与布伦特冰架断裂、康格冰架消失、D28/A74/A23冰山移动、海冰变化、冰间航道、潮汐缝、雪垄、冰盖、冰帽、冰川、冰舌以及两极地貌信息变化。

海洋二号卫星配置的微波散射计、雷达高度计和微波扫描辐射计,可以提供极地区域海洋动力环境信息及海冰密集度、覆盖区域、类型等信息,研发了基于自主海洋卫星微波辐射计亮温北极海冰密集度反演算法,建立了极区海冰密集度产品制作系统,实现了业务化监测。中法海洋卫星配置的微波散射计和海浪波谱仪,可以提供南北极海冰信息,空间分辨率由25千米提升到12.5千米,对极地的覆盖可以达到3天一次。  

利用“雪龙”号船载遥感接收系统实时接收处理HY一1C/1D卫星、HY一2卫星以及GF一3卫星数据并制作专题图,为拓展冰上丝路和雪龙探极提供了保障服务。

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北极圈内少先队员岛冰帽年变化

绿潮/浒苔

2008年夏季,黄海、东海突发罕见的浒苔,自然灾害直接危及青岛奥帆赛事举办。国家卫星海洋应用中心调用多源卫星对浒苔进行监测,之后变成每年业务化工作。2019年,在浒苔监测中利用HY一1C卫星海洋水色水温扫描仪和海岸带成像仪监测浒苔的能力得到验证,特别是海岸带成像仪表现尤为突出,相对于海洋一号B卫星的海岸带成像仪,其扫描幅宽提高了一倍,空间分辨率提高了5倍,同时信噪比高,浒苔识别能力大大提高,不仅能看到海洋表层浒苔,水下的部分信息也能观测到,因此分析处理得到的浒苔分布面积更为真实。HY一1D卫星发射后,双星组网覆盖周期由原来的3天一次变成3天两次,再结合高分卫星与陆地卫星可实现自主卫星对黄东海每天一次监测,为浒苔防控提供了更有效、更有力支撑。

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高分三号绿潮监测

赤潮

赤潮频发是近岸海域环境污染的主要因素之一,既严重破坏了海域生态环境,又影响海洋渔业和滨海旅游业发展,甚至危害到人类健康。海洋中的浮游生物爆发性急剧繁殖造成海水呈现黄色、绿色、褐色、红色等不同颜色。海洋一号C/D卫星海岸带成像仪能很好识别,自发射以来曾多次监测到渤海、黄海、东海、南海发生的赤潮,已成为海洋生态环境监测的有力工具。利用HY一1C/1D卫星,监测到了金州湾、渤海湾、天津海岸、莱州湾、威海海域、浙江海岸、福建海岸、广东沿海、深圳湾、北部湾、海南沿海等海域的多次赤潮事件,获取了赤潮位置、分布范围等重要信息,及时提供给了沿海省市相关部门。

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溢油

HY一1C/1D卫星对中国近海溢油具有大范围、高频次、动态监测能力,能识别不同溢油污染类型及面积,有利于溢油污染类型判定,为中国海洋环境监测提供可靠卫星数据支持,基于HY一1C/1D卫星CZI载荷近3年观测数据,对中国近海及相关海域开展溢油光学遥感监测与分析,近3年来共监测到溢油事件57次,同时利用GF一3卫星对海上溢油事件进行了多次监测。

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高分三号卫星船舶相撞后溢油监测

火山喷发与浮石飘移

今年1月15日,汤加海域洪阿哈阿帕伊岛火山猛烈喷发;2021年8月13日,位于日本本州岛以南1050千米的硫磺岛以南50千米海域的日本福德冈之场海底火山发生喷发,两次火山喷发均产生了大量的火山浮石。火山浮石是由火山熔岩和海水接触产生的一种矿物质,主要成分是二氧化硅,质地软、比重小,因此会长时间漂浮在海面上,并随着洋流向西漂流,影响航行安全和生态环境。国家卫星海洋应用中心利用HY—1C/D卫星以及高分卫星进行了监测,制作了一系列专题图像,及时提供给了相关应急机构。

此外,还获取了南极埃里伯斯火山、千岛群岛、樱花岛、太平洋新岛火山喷发的场景。

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陆地灾害监测实例展示

洪涝灾害

汛期一般是多云多雨,但总有晴空时。近年来,国家卫星海洋应用中心充分利用HY一1C/1D卫星载荷扫描幅宽大、重访周期短的优势,以及高分三号全天候监测优势,与省级地方联动,针对河南、江西、黑龙江、湖南、湖北、山西、陕西等地出现的洪涝灾害制作了洪涝前、洪涝中、洪涝后的卫星遥感专题图像,为汛期防灾救灾与灾后重建提供了有力信息服务支撑。

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森林火灾

森林火灾的发生,首先会导致森林资源减少、人民群众生命财产受损,危及人类与野生动物安全,有时还会造成消防队员付出生命代价;其次是生态环境与生物多样性遭到破坏,造成生物物种减少甚至灭绝,还带来连锁反应,长时间的烧烤,使树木变成焦土,森林难以恢复原貌,导致荒漠化、水土流失;再次是造成大量碳排放,燃烧排放的二氧化碳和一氧化碳,造成局部升温,引起气候变化,森林碳汇大量减少。此外,还会引起空气污染,空气质量下降,能见度降低,影响航班正常运行。

HY一1C/1D卫星在轨交付以来,发现多个国家以及中国多个城市每月都有各种森林火灾出现。火灾发生时常伴随长距离的、淡蓝色或淡黄色的浓烟,无论是在海洋水色水温扫描仪图像还是在海岸带成像仪的图像分析,其特征明显,烟雾与云层可通过形状及阴影特征区分开,火灾发生后其辐射值与周边有明显的差异,植被指数发生明显变化,特别是海洋水色扫描仪每天一次覆盖和3天一次覆盖,用火灾发生前最近图像做比对就更容易判断。大面积的火与小面积的火灾没有云覆盖条件下一般都能发现,发现之后再找前3天或6天图像比对,可计算过火面积。在俄罗斯、澳大利亚、巴西、印尼、美国、缅甸、老挝、蒙古等国以及我国青岛、烟台、高密以及重庆、云南、山西、广东、广西、四川、江西、北京等地发生火灾时,中心利用HY一1C/1D卫星进行应急监测,其数据与产品及时提供给了相关部门。

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高密市食品加工厂起火,黑烟长度在空中漂移达60千米。

湖泊蓝藻

经济社会发展速度过快,导致工业、农业污染以及城市生活废水、污水增多,这些废水未达到排放标准进入江河湖泊,造成水体富营养化。在适宜的温度条件下,蓝藻大量繁殖,严重影响饮用水源与生活用水,蓝藻的恶臭也影响人们自由呼吸。利用HY一1C/1D卫星海岸带成像仪监测到太湖、巢湖、洱海蓝藻频发,及时提供给有关部门,为地方政府的蓝藻综合治理提供了依据。

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地震前后变化

在获悉青海、云南地震消息后,中心迅速组织查看海洋一号C/D卫星地震前的最新数据,同时按陆海统筹、部省互动要求,作为牵头主用户马上协调中国资源卫星应用中心安排高分三号卫星合成孔径雷达拍摄,并建立了数据与专题遥感影像产品共享网址,制作的相关专题图及时传递给当地有关部门。

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滑坡与堰塞湖

2020年7月21日,湖北恩施土家族苗族自治州屯堡乡马者村沙子坝滑坡体前缘滑入清江,一度堵塞河道形成堰塞湖。当晚,应湖北省卫星技术应用中心请求,查看了HY一1C/1D卫星轨道以及最近数据。在7月19日HY一1C卫星遥感图像中,马者村被云覆盖,位于屯堡乡的河道水体呈现土黄色浑浊状态。7月27日,HY一1C卫星轨道经过屯堡乡时正好无云,从获取的图像中可看到发生滑坡处明显不同,经量算滑坡长度约1200米、宽度约280米,滑坡处的上下游河道还是土黄色状态,与现场调查结果基本一致。

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针对金沙江“11.03”山体滑坡堰塞湖应急事件,中心当时利用刚发射的海洋水色卫星HY一1C卫星海岸带成像仪(CZI)数据开展连续应急监测,从2018年11月1日至11月23日,共获取堰塞湖区域HY一1C/CZI数据20余景(其位置正好相邻轨道都覆盖),制作遥感监测影像图10期。数据通过FTP及时提供给应急管理部国家减灾中心,为金沙江“11.03”山体滑坡堰塞湖前线联合指挥提供了客观准确的决策辅助信息。

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白格堰塞湖从形成到疏通,上下游水体变化一目了然

沙尘暴

沙尘暴究竟从哪来?影响多大区域?往哪去?通过海洋一号卫星图像可以得到答案。海洋一号卫星海洋水色水温扫描仪扫描幅宽3000公里,双星组网后,白天可见光与红外通道可以覆盖两次,可捕捉沙尘暴日变化过程。2021年3月15日出现的沙尘暴覆盖区域超出想象,北京、天津、内蒙古、新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河北、山东,辽宁、吉林、黑龙江等省份都有沙尘暴,而在3月14日下午HY一1D卫星海洋水色水温扫描仪图像上只有蒙古国部分区域有沙尘暴。本次沙尘暴长度超过3000公里,最宽超过500公里。与2020年6月海洋一号卫星监测到的撒哈拉沙漠产生的沙尘暴相当,那一次影响的长度超过2700公里,最宽处超过1200公里。

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结束语

自然灾害形成的过程有长有短、有缓有急,当致灾因素的变化超过一定强度与承载力时,就会在几天、几小时甚至几分钟内表现为突发性自然灾害,对灾害的监测是“测、报、防、抗、救、援” 防灾减灾体系链中的先导性与长期性措施,是抗灾、减灾、救灾工作首要环节。只有对地球自然与人类活动环境连续有效监测,才能及时提供准确、全面信息,发现异常并快速做出预警预测,通过灾前、灾中、灾后做出定量评估及时采取措施,同时总结发现时空分布特征及变化规律,统筹安全与发展,坚持人民至上、生命至上,完善空间规划,做到风险可规避、资源可持续有效利用,实现人与自然能和谐共生。

防灾减灾救灾工作事关人民群众生命财产安全、事关社会和谐稳定。我国防灾减灾工作的指导方针是“以防为主、防抗救相结合”“常态减灾和非常态救灾相统一”,要实现从注重灾后救助向注重灾前预防转变,从应对单一灾种向综合减灾转变,从减少灾害损失向减轻灾害风险转变。

我国海洋卫星已形成星座,配置可见光、红外、主被动微波遥感载荷及辅助载荷,多数载荷每天24小时连续工作,工作时间长,其载荷扫描幅宽大,获取数据频次多。同时,用户负责星地一体化运行管理,从卫星探测计划到接收、处理、分发推送全链条完整,产品时效快,可快速发现地球表面的多尺度、多要素环境信息变化与异常,在自然灾害监测方面有很好的应用潜力。


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