姜 通，曹 瓊，溫 淵

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

0 引言

因大氣CO2約占了溫室氣體排放量的80%，通常被認(rèn)為是導(dǎo)致全球氣候變暖的最主要因素之一［1］。用衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行CO2監(jiān)測(cè)，可提供更多全球范圍內(nèi)的高分辨率測(cè)量結(jié)果，能幫助科學(xué)家們更好地理解大氣CO2及其在碳循環(huán)中的地位，對(duì)提高預(yù)測(cè)CO2等溫室氣體在大氣中的濃度上升對(duì)氣候的影響有重要意義［2－3］。對(duì)衛(wèi)星遙感探測(cè) CO2來(lái)說(shuō)，海洋區(qū)域占了絕大部分觀測(cè)下墊面。因CO2吸收光譜帶內(nèi)的太陽(yáng)輻射經(jīng)海水反射后進(jìn)入載荷入瞳能量較低，故載荷在海洋區(qū)域的觀測(cè)模式不能采用陸地情況下的天底觀測(cè)，需用平靜水面的鏡面反射特征尋找海洋耀斑點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。采用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)全球范圍、高精度大氣CO2需解決不同觀測(cè)下墊面的觀測(cè)模式問(wèn)題。目前，還未有相關(guān)天基耀斑觀測(cè)模式完整詳細(xì)報(bào)道，部分文獻(xiàn)僅闡述了耀斑觀測(cè)的必要性和原理，并未涉及具體的計(jì)算模型及觀測(cè)流程控制等核心內(nèi)容［4－5］。本文對(duì)海洋耀斑觀測(cè)模型進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了仿真模擬分析。

1 耀斑觀測(cè)模式及區(qū)域分布

用衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行全球大氣CO2監(jiān)測(cè)主要使用光學(xué)遙感探測(cè)手段，由大氣分子對(duì)太陽(yáng)光譜特定波段的吸收信息反演出CO2柱濃度含量。大氣CO2吸收譜段主要位于近紅外與中紅外區(qū)域，其中近紅外吸收帶對(duì)底層CO2較敏感，而中紅外吸收帶與對(duì)流層中上層關(guān)系密切。目前，衛(wèi)星遙感CO2混合比的主流譜段為1.6μm，該波段內(nèi)其他氣體的吸收線很少，只有少量的水汽吸收［6－8］。另外，在該波段 CO2的吸收線強(qiáng)度不大，吸收線不會(huì)因CO2含量的變化達(dá)到飽和，故吸收的強(qiáng)度隨CO2含量增加近似于線性變化。日本的GOSAT與美國(guó)的OCO（發(fā)射失?。┬l(wèi)星均將1.6μm光譜吸收帶作為探測(cè)CO2主通道［9－10］。

對(duì)采用近紅外1.6μm作為CO2探測(cè)通道的衛(wèi)星載荷來(lái)說(shuō)，在地球表面為陸地時(shí)的觀測(cè)模式為天底觀測(cè)（Nadir），通過(guò)衛(wèi)星平臺(tái)的推掃或載荷掃描鏡的擺掃獲取不同經(jīng)緯區(qū)域的大氣CO2含量信息。與陸地表面漫反射方式不同，海洋水體在該波段除鏡面反射外無(wú)離水輻射，若采用陸地的天底觀測(cè)方式，則會(huì)因無(wú)法獲取有效下墊面輻射信號(hào)而使海洋上方CO2無(wú)法反演。

針對(duì)海洋條件的下墊面反射特性，一種有效的探測(cè)方式是測(cè)量水體鏡面反射即太陽(yáng)耀斑。依據(jù)光學(xué)原理，有效探測(cè)應(yīng)保證載荷觀測(cè)方位與太陽(yáng)在同一個(gè)平面即主平面內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)應(yīng)保證觀測(cè)天頂角θi與耀斑位置的太陽(yáng)天頂角θr相等，如圖1所示。設(shè)地球球心為O，太陽(yáng)矢量為RSUN，衛(wèi)星矢量為RSAT，耀斑位置矢量為RM。根據(jù)耀斑觀測(cè)成立的條件，矢量RSAT－M與RSUN－M應(yīng)在同一主平面內(nèi)，且θi，θr相等。

圖1 海洋耀斑觀測(cè)Fig.1 Sunglint observation mode

衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)，全球陸海分布以及南北極附近的海洋區(qū)域太陽(yáng)天頂角較大，輻射能量不能滿足探測(cè)CO2信噪比要求等條件，因此耀斑觀測(cè)有效范圍主要位于中、低緯度（－35°，35°）區(qū)域，如圖2所示。圖中陰影區(qū)域?yàn)橐哂^測(cè)區(qū)域［4］。

對(duì)大氣CO2衛(wèi)星遙感探測(cè)，衛(wèi)星軌道一般選太陽(yáng)同步軌道，可覆蓋全球大部分范圍。此外，針對(duì)我國(guó)的地理經(jīng)緯度分布特點(diǎn)，衛(wèi)星軌道升交點(diǎn)一般取為下午（13：30附近）時(shí)刻，滿足衛(wèi)星在我國(guó)上空區(qū)域時(shí)，達(dá)到載荷入瞳處的輻射能量值為最大。因此，根據(jù)大氣CO2衛(wèi)星遙感的軌道參數(shù)特點(diǎn)，耀斑點(diǎn)始終出現(xiàn)在衛(wèi)星星下點(diǎn)的某一側(cè)：軌道為順時(shí)針?lè)较颍叱霈F(xiàn)在衛(wèi)星飛行方向的右側(cè)方位；軌道為逆時(shí)針?lè)较?，耀斑出現(xiàn)在衛(wèi)星飛行方向的左側(cè)方位，如圖3所示。黑色圓點(diǎn)為星下點(diǎn)，黑色菱形點(diǎn)為耀斑點(diǎn)出現(xiàn)方位。

圖2 天底與耀斑觀測(cè)分布Fig.2 Distribution of nadir and sunglint observation mode

圖3 耀斑觀測(cè)方位Fig.3 Observation azimuth of sunglint mode

2 耀斑位置計(jì)算

衛(wèi)星飛行到海洋區(qū)域上空，星上程序?qū)崟r(shí)尋找耀斑點(diǎn)，控制載荷掃描鏡的二維轉(zhuǎn)動(dòng)角度指向該點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，上述功能的實(shí)現(xiàn)需提前在地面確定在軌耀斑計(jì)算模型。

設(shè)衛(wèi)星工作模式切換到耀斑觀測(cè)時(shí)，衛(wèi)星星下點(diǎn)位置為P；太陽(yáng)直射點(diǎn)為S；t為點(diǎn)S，P間的經(jīng)度差，稱為時(shí)角；δ為太陽(yáng)直射點(diǎn)的緯度（太陽(yáng)赤緯）；φ為星下點(diǎn)緯度，如圖4所示。其中：點(diǎn)P的地理經(jīng)緯度（λ，φ）由衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)時(shí)提供獲得，可作為已知量。

圖4 耀斑點(diǎn)位置Fig.4 Position of sunglint point

設(shè)耀斑位置在點(diǎn)M，可認(rèn)為太陽(yáng)光束平行入射到地球表面，圖4中BM為耀斑點(diǎn)太陽(yáng)入射光線，QP為星下點(diǎn)太陽(yáng)入射光線，BM∥QP，因此星下點(diǎn)太陽(yáng)天頂角與耀斑點(diǎn)太陽(yáng)天頂角差別僅是由地球表面曲率引起?？紤]大氣CO2遙感衛(wèi)星的地面軌間距大小以及地球數(shù)據(jù)的全覆蓋，二維掃描鏡在穿軌方向掃描范圍一般在0～500km附近。在此范圍區(qū)域內(nèi)，可忽略地球區(qū)域?qū)嵌鹊挠绊?，認(rèn)為星下點(diǎn)的太陽(yáng)天頂角極為耀斑點(diǎn)的天頂角。因此，只需計(jì)算星下點(diǎn)P的太陽(yáng)天頂角及方位角，就可確定耀斑點(diǎn)位置。

a）太陽(yáng)天頂角

點(diǎn)P位置的太陽(yáng)天頂角度

其中，太陽(yáng)赤緯δ與t可由λ，φ精確求解，且

式中：A＝2πJ／365；β1＝0.006 918；β2＝0.399 912；β3＝0.070 257；β4＝0.006 758；β5＝0.000 907；β6＝0.002 697；β7＝0.001 480。此處：J為Julian日期。

對(duì)已知經(jīng)度λ，當(dāng)?shù)貢r(shí)間TMST可表示為

式中：TGMT為格林尼治平時(shí)。對(duì)TMST進(jìn)行校正，以求得精確的當(dāng)?shù)貢r(shí)間

式中：TET為校正時(shí)，且

此處：B＝2πJ／365；α1＝0.000 075；α2＝0.001 868；α3＝0.032 077；α4＝0.014 615；α5＝0.040 849。則有

b）太陽(yáng)方位角

可用球面三角正弦公式計(jì)算星下點(diǎn)太陽(yáng)方位角χ（從正南方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)），有

χ是太陽(yáng)方位角。則有

3 在軌耀斑位置數(shù)據(jù)模擬

用STK軟件對(duì)大氣CO2遙感衛(wèi)星進(jìn)行耀斑觀測(cè)模擬［11－12］。設(shè)衛(wèi)星運(yùn)行于太陽(yáng)同步軌道，軌道高度700km，升交點(diǎn)13：30。設(shè)置軟件可獲取衛(wèi)星星下點(diǎn)的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度及觀測(cè)時(shí)間等數(shù)據(jù)，與衛(wèi)星未來(lái)在軌耀斑工作實(shí)際較一致。衛(wèi)星飛行一軌的軌跡分布如圖5所示。粗實(shí)線為太陽(yáng)光照區(qū)，模擬耀斑觀測(cè)區(qū)域在其中選取。因耀斑主要分布于中低緯度區(qū)域，取模擬耀斑觀測(cè)起始點(diǎn)經(jīng)緯度為（－40.674°，－127.006°），對(duì)應(yīng)的觀測(cè)時(shí)間為2011－07－02 22：26：10（UTGG）；耀斑觀測(cè)結(jié)束點(diǎn)經(jīng)緯度為（40.545°，－146.674°），對(duì)應(yīng)的觀測(cè)時(shí)間為2011－07－02 22：48：40（UTGG）。用本文耀斑位置計(jì)算方法所得耀斑觀測(cè)區(qū)域太陽(yáng)天底角和方位角如圖6所示。模擬時(shí)間為7月份，太陽(yáng)直射北半球，天頂角變化曲線顯示星下點(diǎn)的太陽(yáng)天頂角在南半球高于北半球，與實(shí)際情況吻合。圖中太陽(yáng)方位角均大于180°，說(shuō)明耀斑位置均在同一側(cè)方向。

圖5 STK模擬耀斑觀測(cè)區(qū)域Fig.5 Sunglint observing area by STK simulation

耀斑觀測(cè)時(shí)要求耀斑點(diǎn)、太陽(yáng)與衛(wèi)星在一個(gè)主平面內(nèi)，且衛(wèi)星觀測(cè)天頂角與耀斑點(diǎn)的太陽(yáng)天頂角相等，根據(jù)星下點(diǎn)的太陽(yáng)方位角和天頂角數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)動(dòng)載荷掃描鏡長(zhǎng)軸（穿軌方向）與短軸（沿軌方向），就可使指向鏡指向耀斑點(diǎn)，從而獲取海洋區(qū)域大氣CO2的數(shù)據(jù)。掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程如圖7所示。

圖6 太陽(yáng)天頂角與方位角Fig.6 Sun zenith and azimuth

圖7 載荷掃描鏡尋找耀斑轉(zhuǎn)動(dòng)角度Fig.7 Running angle sketch map of pointing mechanism

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)低反射率海洋地表的耀斑觀測(cè)模式進(jìn)行了研究，給出了耀斑位置計(jì)算及載荷掃描鏡在軌耀斑點(diǎn)尋找方式。STK軟件模擬結(jié)果表明，用本文方法可獲取尋找耀斑點(diǎn)位置的關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)海洋區(qū)域耀斑觀測(cè)要求。

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