海洋區(qū)域大氣CO2衛(wèi)星遙感觀測(cè)模型及仿真研究

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。

［1］ IPCC Core Writing Team.2007：Climate change 2007：synthesis report：contribution of working groupsⅠ，ⅡandⅢto the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change［M］.PACHAURI R K，REISINGER A（eds）.Geneva：IPCC，2007.

［2］ 劉 毅，呂達(dá)仁，陳洪濱，等.衛(wèi)星遙感大氣CO2的技術(shù)與方法進(jìn)展綜述［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2011，26（2）：247－254.

［3］ 石廣玉，戴 鐵，徐 娜.衛(wèi)星遙感探測(cè)大氣CO2濃度研究最新進(jìn)展［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2010，25（1）：7－13.

［4］ SHIOMI K.Study for sun glint observation of GOSAT FTS using MODIS and AMSR－E data［C］／／Geoscience and Remote Sensing Symposium.［s.l.］：IGARSS，2006：2060－2063.

［5］ CRISP D，MILLER C E，DECOLA P L.NASA orbiting carbon observatory：measuring the column averaged carbon dioxide mole fraction from space［J］.J App1Remote Sensing，2008，2（1）：2－6.

［6］ O’BRIEN D M，RAYNER P J.Global observations of the carbon budget 2：CO2colμmn from differential absorption of reflected sunlight in the 1.61μm band of CO2［J］.Journal of Geophysical Research，2002，107（D18）：1－16.

［7］ MAO Jian－ping，KAWA S R.Sensitivity studies for space－based measurement of atmospheric total colμmn carbon dioxide by reflected sunlight［J］.Applied Optics，2004，43（4）：914：927.

［8］ KUANG Z M，MARGOLIS J，TOON G，et al.Spaceborne measurements of atmospheric CO2by high resolution NIR spectrometry of reflected sunlight：an introductory study［J］.Geophysical Research Letters，2002，29（15）：1716－1719.

［9］ TADAO A，TATSUYA Y，KOJI N，et al.The correction of disturbed near infrared spectra to be observed by space－borne fourier transform spectrometer of GOSAT［J］.Journal of the Remote Sensing Society of Japan，2008，28（2）：143－151.

［10］ CRISP D，ATLAS R M，BREON F M，et al.The orbiting carbon observatory（OCO）mission［J］.Advances in Space Research，2004，34：700－709.

［11］ 張占月，徐艷麗，曾國(guó)強(qiáng).基于STK的航天任務(wù)仿真方案分析［J］.裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，17（1）：48－51.

［12］ 陳希軍，李 仁.基于STK的衛(wèi)星飛行軌跡仿真技術(shù)［J］.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，24（3）：339－343.