25年来全球海平面测量的进展和讨论

　　这张动态图记录了1993-2017年海平面高度变化与全球长期数据平均值的比对情况，其中蓝色和紫色的区域低于平均值，红色、黄色和白色的区域高于平均值。
　　来源：NASA/喷气推进实验室-加州理工学院
　　2017年8月10日是革命性的海洋科考船——“太空船”发射的第二十五周年纪念日。随着NASA/CNES测高卫星（NASA和法国国家空间研究中心联合研制的海洋地形任务Topex-Poseido，也可简称T/P）正式进入轨道运行，我们迎来了海洋学的新时代，即首次高精度对全球海平面进行测量的时代。Topex-Poseidon任务及其后继三颗Jason系列卫星的发射，实现了全球洋流和潮汐的连续测量；为我们观测厄尔尼诺等全球性气候事件提供了新的手段；向我们提供了长达25年全球和区域海平面升高的精确记录；同时提升了对飓风、洪水和干旱等极端天气事件的预测精度。
　　实现全球海平面高度的连续观测大概就是庆祝美国与法国长期以来合作的最好方式了——为海洋和气候的研究提供了基础测量数据。
　　Topex-Poseidon卫星

　　Topex-Poseidon图解
　　来源：NASA喷气推进实验室-加州理工学院
　　1992年，Topex-Poseidon发射之初，没有人预想到它的海洋高度测量精度能够持续长达三十年的记录，历经四个航天器。事实上，许多海洋科学家当时并不相信，Topex-Poseidon传感器能够足够精确的从波浪、潮汐等变化的海洋噪声信号中探测出海平面上升的情况。相反，雷达高度计和辐射计测量系统却是一开始就超过预期。在这25年的连续运行中，Topex-Poseidon及其后继卫星的探测结果表明，全球平均海平面上升了2.8英寸（7厘米）。
　　我们地球上的海洋太辽阔复杂，任何一颗卫星和任何一个国家都无法做到充分测量。Topex-Poseidon及其后继Jason系列卫星任务是美国宇航局和法国国家空间研究中心领导的长期国际合作关系的优秀成果。将近三十年来，NASA和CNES的科学家和工程师汇集了他们的专长、才华、思路，设计和创造了这套集成的太空测量系统，实践证实了1+1>2的科学效应。NASA和CNES的共同合作，应用先进的技术获取超精度和超准确的测量结果，然后将测量结果完全免费的向公众公开。通过这一努力，前所未有的向人类展示了全球海洋的基本情况，几天到几十年的时间尺度上海洋如何变化、，以及海洋是如何影响——以及响应——天气与气候的等等。
　　“NASA和CNES的科学家和工程师们已经合作了不止一代，完成了从太空精确的测量海洋表面，为我们地球上两大流体系统——海洋和大气的运动和互作用提供了有力的研究手段，”位于华盛顿的美国宇航局地球科学司司长Michael Freilich说。
　　洋流图

　　动画记录了NASA卫星探测的2005年6月至2007年12月海洋表面的流动情况。观测大西洋湾流和太平洋黑潮携带的暖水如何以每小时超过四英里（六公里）的速度在数千英里内运输；如南半球Agulhas的沿岸流如何将赤道水运输到地球的极地；以及成千上万的其他洋流是如何否限于特定区域，并形成缓慢流动的做圆周运动的涡旋。
　　来源：NASA/SVS
　　Topex-Poseidon的首要任务是全面监测海洋表面洋流的主要变化模式。海面上大型山丘和山谷揭示了洋流的位置，它们的高度可以超过六英尺（两米）。海底地形的峰谷分布是依靠水温和压力的变化探测的。像湾流这样的大尺度洋流倾向于沿着等高度线流动，循着山脉和山谷的边缘。地形坡度表示流速。然而，与陆地上的地形不同，流动的“水体”会根据风、温度和其他因素发生变化，导致洋流的位置和速度发生变化。因此，想监测地球上整个海洋表面这些变化的唯一方法，就是利用轨道卫星对海表面高度进行精确的遥感测量。
　　Topex-Poseidon卫星十天为一个周期测量几乎整个地球上海洋的形态，第一次定量的探测洋流的季节性变化情况。Topex-Poseidon和Jason1-3任务返回的数据能够反映出大洋环流通过能量传输影响气候的过程
　　海洋中储存的热量

　　NOAA对海洋上层储热的年度评估结果（2015年结果），结合了Topex系列数据，用于分析全球气候变暖。
　　来源：NOAA
　　超过90%由全球变暖引起的的热量都储存在海洋中，这意味着海洋是调节全球气候的关键因素。过多的热量会导致海水膨胀，加快海平面上升的速度。通过测量长期以来的海平面变化趋势和洋流影响下的海表形态，Topex-Poseidon和Jason系列卫星为了解海洋在全球气候变化中的作用提供了这两个基本参数。
　　“随着人为活动加剧全球变暖，加速了海平面上升速度，我们正致力于恢复海表形态，”位于加州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室主要负责Jason-3项目的科学家Josh Willis说，“卫星测高的精度决定了我们对海平面的认知，即海平面上升了多少以及上升速度有多快。”
　　厄尔尼诺，拉尼娜等现象

　　如图所示，Topex-Poseidon的早期贡献在于全面记录了1997年的厄尔尼诺现象，接着在1999年记录了拉尼娜现象。颜色较深的区域表示海表平面高度低于正常值，而颜色较浅和白色的区域比正常值高。
　　来源：NASA喷气推进实验室-加州理工学院
　　几十年来，科学家们无法预测厄尔尼诺现象和其他年际海洋变化是如何改变区域天气的。部分原因是由于观测手段的限制，即传统的船测和浮标测量，无法对远在赤道太平洋的海域进行大面积、长时间序列的观测，因此难以追踪上述海洋现象的起源和发展。Topex-Poseidon和Jason系列卫星第一次全面和长周期的对厄尔尼诺和拉尼娜事件提出全球性观点。喷气推进实验室项目科学家Lee-Lueng Fu关于前两次海洋测高任务指出——“Topex-Poseidon让我们能够长期跟踪这些海洋现象的演变过程，不仅限于热带地区，同时对海洋长期变化过程提供了证据。”其中之一就是太平洋十年涛动（Pacific Decadal Oscillation, PDO），与厄尔尼诺和拉尼娜现象相似，但不同的是它的相位能够持续几十年。
　　过去25年中，借助卫星测高数据，科学家们确定了多年海洋震荡与全球各地的干旱和洪涝灾害等极端气候事件的相关性。虽然目前这些事件的成因并没有完全揭示，但是已经比全球星载计划之初有更好的观测和预报能力。
　　开阔大洋的潮汐

　　图为来自Topex-Poseidon海平面数据的日均全球潮汐数值模型结果。
　　来源：ESR
　　卫星测量之前，深海潮汐测量步履维艰，代价高昂且观测点时空过于离散。当Topex-Poseidon返回的数据计算出第一幅全球潮汐图，改变了科学家对潮汐耗散的理解。数据表明，接近三分之一的潮汐能量在开阔大洋中耗散，耗散过程对海洋水体混合发挥了前所未知的重要作用。
　　Jason-1卫星
　　Topex-Poseidon头三年身担重任，但是在很久之前，海洋学家和其他地球科学学家就已经意识到长时间连续观测的重要价值。Fu解释说，“海平面高度是地球科学系统的基本参数，所以科学家们绞尽脑汁的对其进行攻关不无道理。”在强大的团队支持下，Jason-1由NASA和CNES共同努力并与2001年12月升空。接下来三年，Topex-Poseidon和Jason-1在飞行轨道上相互协调，使科学家对其进行交叉校准和测量，实现对全球海洋的高频观测。另外，每个后续任务也都与之前的任务轨道和角度相重叠，确保数据来源的一致性。
　　迄今为止，每颗海洋测高卫星都比预先超期服役。Topex-Poseidon长达13年的工作最终于2005年退役，Jason-1也工作了12年，直到2013年7月。九年寿龄的Jason-2和Jason-3（于2016年1月发射）目前仍在运行。
　　Jason-2卫星

　　Lee Fu（左侧）是Topex Poseidon和Jason-1/2的项目科学家，Josh Wills（右侧）是目前仍在运行的Jason-2/3项目科学家。
　　来源：NASA喷气推进实验室-加州理工学院
　　随着2008年6月Jason-2的升空，星载海洋测高的发展从研究对象转向数据应用，给社会发展和人民群众带来切实的利益。任务执行部门从NASA和CNES研究机构转变为NOAA（美国国家海洋和大气管理局）和EUMETSAT（欧洲气象卫星组织）；的确，卫星高度计对NOAA常规厄尔尼诺事件的预测尤为重要。NASA和CNES团队继续提供科学支持，仪器设计和科学的预测、专业数据管理。
　　海洋预报

　　Jason-1数据对2005年发生在墨西哥湾的飓风Rita的路径预测发挥了重要作用，风暴的轨迹如图中黑线所示。Jason-1在湾口观测到暖舌（红色区域），比周围的海水高出13-23英寸（35-60厘米）。海水热量可以加剧飓风的强度。
　　来源：NASA喷气推进实验室-加州理工学院/科罗拉多大学
　　在更小的时空尺度上，卫星测高可以直接用于海洋风暴潮的预报。飓风受储存在海洋下层水的热量驱动，且由于上层海水在升温和冷却过程中会发生膨胀和收缩，因此海平面高度是海水温度和热含量的标志之一。因此，海洋测高数据通常用于预报飓风，这并不奇怪。
　　导航

　　美国海军使用海洋测高卫星数据辅助海面和水下航行。
　　来源：美国海军
　　渔民和美国海军使用这一系列近实时数据探测流、涡旋，风和波浪，以保障海面和水下航行的安全。墨西哥湾的涡流信息已被用于海上工作人员安排钻井作业的日程，以保障海上安全，同时节约了大量成本。
　　Jason-3卫星

　　艺术家视角的Jason-3
　　NASA喷气推进实验室-加州理工学院
　　2006年Jason-3卫星升空时，NASA项目科学家Willis曾评论，“这项任务仍有很大的发展空间，因为Jason-1/2已经建立了对气候变化最清晰的记录。”Jason-3在海表地形测量方面完成出色，这是其主要任务的一方面。
　　Jason-2迎来了新的轨道

　　科学家Walter H. Smith (NOAA)和David Sandwell (Scripps海洋研究所)利用Jason-2最新较低轨道数据计算得到了这张全球海底地形图。
　　来源：NOAA
　　今年，Jason-2搭载的系统开始出现空间辐射损伤的迹象，因此任务管理部门决定降低卫星飞行轨道，解除与Jason-3的轨道共享。团队间讨论后决定，卫星降低17英里（27公里），降低后将沿着离地面仅5英里（8公里）的地面轨道采集数据，重访周期一年。
　　除了保护Jason-3，拥有新轨道的Jason-2对平均海面高度测量的分辨率更高了。因为海底地形部分取决于海底轮廓，科学家通过估算的方式来更精确的预测海底地形地貌，解释当前未知的海底细节，如海底山脉。这类地形图可用于优化海洋模型，海啸波预警和军事活动保障。
　　海洋卫星的未来

　　图为即将迎来的Sentinel-6卫星。
　　来源：欧洲空间局
　　下一个海洋测高任务——Jason-CS（Jason后续服务卫星）预计将于2020年搭载在Sentinel-6上发射升空。顾名思义，他将继续Jason系列卫星的荣耀，同时也将拥有新的合作伙伴：欧洲空间局。EUMETSAT将领导该项任务，而NASA在Jason-CS中的角色将和Jason-3一样，CNES负责评估这项任务并提供精确的运行轨道。
　　卫星时代彻底革新了海洋学，而且我们可以拭目以待，很快卫星将应用于水文学——内陆水的研究。SWOT（全称the French/U.S. Surface Water and Ocean Topography，法国/美国地表水和海底地形任务）携带名为KaRin的干涉仪走在这项研究的前面，标志着技术的又一伟大突破。
　　Fu指出，这些进步标志着全世界科学队伍对我们海洋测高计划的认可。“海洋测高太重要了！这项技术的发展可以充分证明这一点，”他说，“长远而言，海洋测高是一个国际承诺。”