星載主動遙感測云現(xiàn)狀與展望

寇蕾蕾，郜海陽，林正健，廖淑君，丁丕滿，朱維，商建，胡秀清

1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心 中國氣象局氣溶膠與云降水重點實驗室,南京 210044;2.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院,南京 210044;3.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109;4.國家衛(wèi)星氣象中心,北京 100081

1 引言

地球表面約有三分之二的區(qū)域被云所覆蓋，云的產(chǎn)生、發(fā)展、消融對天氣過程的演變、地—氣系統(tǒng)的輻射平衡以及全球氣候變化等起著重要作用（Li 等，1995；Stephens，2005）。對云物理的研究一直是地球科學(xué)領(lǐng)域中最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一，云狀的形成和演變非常復(fù)雜，云量的時空分布也具有明顯的局地特征，對云的宏觀形態(tài)和云量全球分布的有效觀測，以及對云微物理特征和變化過程的深入理解，都是影響天氣預(yù)報和氣候模式精度的關(guān)鍵因素（Randall 等，2003；丁守國 等，2005）。研究云的遙感手段根據(jù)探測平臺可以分為星載、機載及地基探測，其中星載遙感以其覆蓋范圍廣、信息量大、重復(fù)頻率高等諸多優(yōu)勢，成為研究云的重要手段。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)能夠利用星載光學(xué)成像儀微波探測器、測云雷達和激光雷達等多種儀器對云的宏觀和微物理特征進行精確觀測，結(jié)合不斷進步的輻射傳輸計算和云參數(shù)反演技術(shù)，云物理及相關(guān)研究領(lǐng)域已得到快速發(fā)展（邱金桓 等，2003；Kollias等，2007）。

星載測云按照傳感器的工作方式有主動遙感和被動遙感之分。被動遙感測云通過獲取和記錄云層自身發(fā)射或反射來自自然輻射源的電磁波信息，反演云的宏觀及微觀物理特征?？梢姽狻⒓t外、微波波段的被動遙感技術(shù)已發(fā)展相對成熟。例如2002 年5 月4 日美國發(fā)射的EOS 計劃中的Aqua 衛(wèi)星同機搭載了中分辨率成像光譜儀MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）、高光譜大氣紅外探測器AIRS（Atmospheric InfraRed Sounder）和先進微波探測器AMSU（Advanced Microwave Sounding Unit），實現(xiàn)了可見光、紅外、微波波段的全覆蓋（Parkinson，2003；Xiong 等，2016）。中國2017 年11 月15 日發(fā)射的FY-3D 衛(wèi)星搭載了自主研制的微波溫度計MWTS-2（Micro-Wave Temperature Sounder）、微波濕度計MWHS-2（Micro-Wave Humidity Sounder）、微波成像儀MWRI（Micro-Wave Radiation Imager）和中分辨率光譜成像 儀MERSI（Medium Resolution Spectral Imager）等探測儀器，實現(xiàn)了對大氣和云層的三維立體探測，且與2013年9月發(fā)射的風(fēng)云三號C組網(wǎng)，可進一步提高大氣探測精度（Li 等，2016；Carminati等，2021）。

主動遙感測云通過發(fā)射特定波段電磁波并接收與大氣和云層作用后的回波信號，來獲取路徑上的云層信息，當(dāng)電磁波能量較強時，可以穿透云層從而獲得云層內(nèi)部甚至多層云和云下氣溶膠層的豐富信息。相比于被動遙感，主動遙感測云具有穿透性強、探測參數(shù)豐富、探測精度和時空分辨率高的優(yōu)點，因此，在探測云層的三維結(jié)構(gòu)上有不可替代的獨特優(yōu)勢。目前星載主動遙感測云主要借助較為成熟的毫米波雷達和激光雷達探測技術(shù)，其中最典型代表是搭載于CloudSat衛(wèi)星上的毫米波云廓線雷達CPR（Cloud Priofiling Radar）（Stephens 等，2002），以及CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations）衛(wèi)星上的云—氣溶膠偏振激光雷達CALIOP（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization）（Winker等，2010）。星載毫米波雷達借助其探測波段的優(yōu)勢，以較強的穿透性來實現(xiàn)對多層云甚至較弱降水的精細化觀測，成為測云技術(shù)的一個重要發(fā)展方向（Stephens 等，2008；Tanelli 等，2008）；星載激光雷達以其較高的靈敏度和垂直分辨率，能夠?qū)崟r、連續(xù)、快速、長期和精確地探測全球范圍內(nèi)較薄云層（尤其卷云）和氣溶膠層的諸多參數(shù)和信息（Hunt 等，2009）。CloudSat 和CALIPSO衛(wèi)星從2006 年發(fā)射升空至今已正常連續(xù)運行十余年，獲取了大量云垂直廓線觀測數(shù)據(jù)，并被廣泛應(yīng)用到云物理、天氣、氣候、環(huán)境等多個領(lǐng)域，在推動科學(xué)研究發(fā)展的同時，也產(chǎn)生了巨大的社會和經(jīng)濟效益（Nam 和Quaas，2012；Stephens 等，2018；Battaglia等，2020）。

值得一提的是，CloudSat和CALIPSO聯(lián)合其他幾顆衛(wèi)星在同一軌道上組成A-Train 衛(wèi)星星座，構(gòu)建了準同步主被動多波段結(jié)合的遙感觀測系統(tǒng)（嚴衛(wèi) 等，2008；L’Ecuyer 和Jiang，2011）。其中，CloudSat和CALIPSO對于同一區(qū)域的觀測時間先后相差約17.5 s（降軌后為40 s），可實現(xiàn)準同步觀測，兩者聯(lián)合獲取的數(shù)據(jù)可更準確地反映云層垂直結(jié)構(gòu)及其時空變化特征。CPR/CloudSat在探測較厚的云層甚至多層云方面有明顯的優(yōu)勢，而CALIOP/CALIPSO 對光學(xué)厚度較小的云層（如卷云、高積云、高層云等）的探測更加有效和精細，兩者在探測層面優(yōu)勢互補，相輔相成（Mace 等，2009）。CPR/CloudSat 和CALIOP/CALIPSO 的協(xié)同觀測在反演云物理參數(shù)、理解全球云分布特征等方面實現(xiàn)了重要突破（Weisz 等，2007；Grenier等，2009；Liu 等，2012；劉屹岷 等，2018；鄭建宇 等，2018）。

本文首先介紹和總結(jié)星載毫米波雷達和激光雷達技術(shù)研究現(xiàn)狀和數(shù)據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上重點分析毫米波雷達和激光雷達協(xié)同觀測和聯(lián)合應(yīng)用的取得的進展和不足，以及未來發(fā)展需求。進而，基于云三維結(jié)構(gòu)參數(shù)前沿需求分析，對新的星載測云技術(shù)和數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行展望，并從協(xié)同觀測的角度，討論主動遙感測云在多星編隊組網(wǎng)和單星多載荷配置上的應(yīng)用潛能。

2 星載主動遙感測云研究現(xiàn)狀

2.1 技術(shù)研究現(xiàn)狀

CloudSat和CALIPSO的成功在軌運行，標志著衛(wèi)星遙感測云技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的多波段被動遙感為主的階段進入到主被動遙感相結(jié)合的發(fā)展階段，其出色的三維云場數(shù)據(jù)也促進了云物理及相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究。近年來，隨著科技的不斷進步，越來越多的新技術(shù)也開始嘗試在主動遙感測云中展開應(yīng)用。

2.1.1 星載毫米波雷達技術(shù)

毫米波一般是指波長在1—10 mm 的電磁波，所對應(yīng)的頻率范圍為300—30 GHz，其中，習(xí)慣上將26.5—40 GHz 稱為Ka 波段，75—110 GHz 稱為W 波段。毫米波測云雷達的研制始于20 世紀40 年代，美國最早研制了Ka 頻段的AN/TPQ-6 雷達，用于測量云層高度（Holzworth 和Edinger，1960）。二戰(zhàn)后，隨著科技的不斷進步，毫米波波段的磁控管（1945 年）和速調(diào)管（1960 年）相繼問世，使得毫米波雷達開始在氣象領(lǐng)域展開應(yīng)用（Donaldson，1955）。進入80 年代后，隨著大功率發(fā)射器件的研制成功，毫米波雷達技術(shù)得到了快速發(fā)展。21 世紀后，隨著半導(dǎo)體發(fā)射器件的興起，固態(tài)體制的毫米波云雷達研制成功，其設(shè)備體積、穩(wěn)定性和耐用性等方面得到較大提升，并開始廣泛應(yīng)該于氣象、航空和軍事等相關(guān)領(lǐng)域（Li 等，2004；Kollias等，2007；仲凌志 等，2009）。

星載毫米波雷達技術(shù)的發(fā)展始于20 世紀90 年代，最具代表性的是在1998 年，CloudSat 和CALIPSO 計劃同時被美國宇航局（NASA）的地球系統(tǒng)科學(xué)探路者使命（ESSP）選中。經(jīng)過幾年的研發(fā)和大量地面試驗，兩顆衛(wèi)星以一箭雙星的方式搭載于Delta 7420-10C 型運載火箭，于2006 年4 月28 日發(fā)射升空并成功入軌（Stephens 等，2008）。CloudSat 由美國宇航局噴氣推進實驗室（NASA/JPL）和加拿大航天局（CSA）聯(lián)合研制，其中，CPR/CloudSat 儀器研制中涉及到3 項關(guān)鍵核心技術(shù)（Im 等，2001；LaBelle 等，2003）。（1）采用了由加拿大通信電力工業(yè)公司研制的放大鏈型分布作用速調(diào)管EIK（Extended Interaction Klystron），需要借助頻率源提供激勵信號，使用共振雙周期的階梯線來代替?zhèn)鹘y(tǒng)速調(diào)管共振腔，并配合1.9 kV的穩(wěn)定高壓電源，可以將發(fā)射功率放大到1.7—2.0 kW 的水平。（2）天線由復(fù)合石墨材料制成，滿足表面粗糙度（小于5 μm）需求的同時，盡可能地減輕重量，并提供了半寬小于0.12°的高定向波束，且天線波束7束以外的旁瓣比主瓣低50 dB。（3）使用了準光學(xué)傳輸線QOTL（Quasi-Optical Transmission Line）來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的波導(dǎo)線，基于高斯射頻光束的自由空間傳輸方式，利用多個金屬反射鏡將波束進行多次聚焦來實現(xiàn)低損耗的傳輸，這也是QOTL技術(shù)首次在星載雷達儀器中使用。

在CloudSat 取得成功后，歐洲航天局（ESA）和日本航天局（NASDA）聯(lián)合開發(fā)的EarthCARE衛(wèi)星計劃于2022 年發(fā)射（Battaglia 等，2020）。該衛(wèi)星搭載了一臺更先進的多普勒云雷達（CPR），具備多普勒參量的探測能力，天線直徑達到2.5 m，發(fā)射機仍然選用分布作用速調(diào)管EIK 作為放大器件，同時使用準光學(xué)傳輸線QOTL 作為波導(dǎo)，軌道降低至約400 km，因此探測靈敏度較之CloudSat提高了約7 dB，且水平和垂直空間分辨率分別達到750 m 和500 m（Illingworth 等，2015；Helière等，2017）。此外，目前仍然處于設(shè)計論證階段的云—氣溶膠—生態(tài)系統(tǒng)（ACE）任務(wù)將進一步提升云雷達的功能和性能，例如，將使用雙波段（Ka 和W）和雙偏振的探測模式，其中Ka 波段雷達具備垂直軌道方向的掃描探測功能，垂直空間分辨率進一步提升至250 m（Tomiyama等，2020）。到2020 年9 月為止，ACE 的縮比模型已經(jīng)研制完成，各項測試正在開展，但衛(wèi)星平臺和其余載荷并未確定，因此其詳細參數(shù)還需要根據(jù)最終的配置方案進行論證。表1 是3 種典型星載毫米波云雷達的主要設(shè)計參數(shù)。

表1 典型星載毫米波云雷達的主要設(shè)計參數(shù)Table 1 Main design parameters of typical spaceborne millimeter wave cloud radar

中國在星載毫米波雷達系統(tǒng)的研發(fā)方面也開展了多年的預(yù)研和論證。2010 年，北京遙測技術(shù)研究所完成了Ka、Ku 波段星載雷達樣機研制，先后突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，并開展了校飛試驗，取得了預(yù)期效果（商建 等，2012）。2014 年，北京遙測技術(shù)研究所、安徽四創(chuàng)電子公司、南京信息工程大學(xué)也已研制成功94 GHz 毫米波云雷達。2015 年，中國航天科技集團公司第五研究院和第八研究院開展了220 GHz測云雷達原理樣機研制工作。國家衛(wèi)星氣象中心正籌劃一顆測云衛(wèi)星，考慮在軌搭載的主要載荷是雙頻測云雷達（吳瓊 等，2018）。已有學(xué)者開展了94/220 GHz 的雙頻云雷達的微物理參數(shù)反演及靈敏度分析的仿真研究（吳瓊 等，2018；吳舉秀 等，2019）。

2.1.2 星載大氣激光雷達技術(shù)

大氣激光雷達探測技術(shù)始于20 世紀60 年代，與傳統(tǒng)天氣雷達相比，大氣激光雷達的波長更短，對小粒子和顆粒物更加敏感，且激光具備更好的單色性和方向性，因此，在測量精度和時空分辨率等方面更有優(yōu)勢（田曉敏 等，2018）。為了更大限度地發(fā)揮激光雷達在全球大氣探測中的作用，星載大氣激光雷達技術(shù)應(yīng)運而生。1994 年，NASA的“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機搭載了一臺米散射激光雷達LITE（Lidar In-space Technology Experiment），盡管只獲得了約45 h 的觀測數(shù)據(jù)，但成為了大氣激光探測技術(shù)在空間應(yīng)用的里程碑（Winker 等，1996）。此后，由歐洲航天局ESA 聯(lián)合法國MATRA MARCONI 航天技術(shù)公司在1998 年成功研制了一臺基于米散射技術(shù)的大氣激光雷達ATLID（Atmospheric LIDAR），使用了一臺1064 nm 的Nd：YAG 激光器和一個0.6 m 直徑的望遠鏡，盡管最后未能上星，但也為后續(xù)的EarthCARE 計劃起到了重要的推動作用（Marini，1998）。在隨后的幾年中，美國NASA 和法國國家空間研究中心CNES 聯(lián)合研制了第一臺真正意義上的星載大氣激光雷達CALIOP，并搭載在CALIPSO 衛(wèi)星上，于2006 年4月28日發(fā)射升空并成功入軌（Winker等，2010）。CALIOP 使用了兩臺可交替工作的固體（Nd：YAG）激光器，用于產(chǎn)生重復(fù)頻率為20.16 Hz 的1064 nm 和532 nm 脈沖激光，脈沖長度約為20 ns，功率為110 mJ，激光光束有約0.1 mrad 的發(fā)散角，地表光斑直徑約70 m。設(shè)有一個1064 nm通道和兩個正交偏振的532 nm 通道，望遠鏡直徑1 m，主鏡、副鏡和內(nèi)部隔板都采用輕量化的鈹材料制造。另外，望遠鏡與其他光學(xué)器件之間采取絕熱處理。其出色的工程化技術(shù)和穩(wěn)定的衛(wèi)星平臺性能，已經(jīng)支持CALIPSO成功在軌運行了十多年。

在CALIPSO 取得成功后，歐州航天局ESA 研制的高光譜測風(fēng)激光雷達ALADIN 搭載于Aeolus衛(wèi)星在2018 年8 月23 日發(fā)射升空并成功入軌（Lux等，2020）。這項耗資5.5 億美元、歷時16 年的科學(xué)項目，正式成為世界上第一顆全面監(jiān)測全球風(fēng)場的遙感衛(wèi)星，可提供自地面至30 km 高度處的高時空分辨率、近實時水平徑向風(fēng)速信息。計劃于2021 年發(fā)射的EarthCARE 衛(wèi)星也搭載了一臺大氣激光雷達ATLID，利用高光譜分辨率（HSR）探測技術(shù)，將瑞利散射（大氣分子散射）和米散射（云和氣溶膠粒子散射）的信號進行有效分離，很大程度上提高了探測精度（Do Carmo 等，2019）。ATLID 將Nd：YAG 激光器進行三倍頻，從而得到355 nm 波長，同時具備35 mJ的脈沖能量，光束的發(fā)散角極小，地面光斑直徑僅為10 m 左右，減小多次散射帶來的影響，而法布里—珀羅標準具的光譜帶寬也達到了0.3 pm。米散射通道的垂直分辨率為100 m，瑞利通道為500 m，出色的信噪比也使得后向散射系數(shù)的探測靈敏度達到了8×10-7m-1sr-1。

此外，目前仍然處于設(shè)計論證階段的ACE 任務(wù)也計劃搭載一臺擁有3個波長（355 nm、532 nm、1064 nm）的高光譜分辨激光雷達（HSRL），至少在兩個波長上具備偏振探測能力（Müller 等，2014）。基于這一技術(shù)，NASA 首先研制了一臺雙波長（532 nm 和1064 nm）的簡化版云氣溶膠傳輸系統(tǒng)CATS（The Cloud-Aerosol Transport System），搭載于國際空間站ISS 進行了兩年多的連續(xù)觀測（2015-04—2017-09），為ACE 任務(wù)中HSRL 激光雷達的研制提供了支撐（Tomiyama 等，2020）。表2是典型星載激光雷達主要設(shè)計參數(shù)。

表2 典型星載激光雷達主要設(shè)計參數(shù)Table 2 Main design parameters of typical spaceborne Lidar

國內(nèi)多家單位和企業(yè)已經(jīng)掌握了目前的大氣激光雷達主流技術(shù)（盧乃錳 等，2016；宋長波和趙一鳴，2017；徐俊杰 等，2020；邵江鋒 等，2020；郭金家 等，2008）。其中，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所牽頭的基于高光譜探測技術(shù)和差分吸收技術(shù)的星載激光雷達項目已經(jīng)在執(zhí)行中，并擬于2021 年發(fā)射中國第一臺星載激光雷達（穆永吉 等，2018）。目前，國內(nèi)已經(jīng)立項第二顆星載激光雷達用于溫室氣體的測量（謝楊易 等，2014），且多家單位也已經(jīng)開展了星載測風(fēng)激光雷達的預(yù)研（于翠榮 等，2013），同時擬搭載海洋測量激光雷達的“觀瀾號”衛(wèi)星項目已經(jīng)立項建設(shè)（陳戈 等，2019）。現(xiàn)狀表明，中國已經(jīng)進入星載大氣激光雷達發(fā)展的高潮期，同時在配套的正演模型、反演技術(shù)和數(shù)據(jù)拓展應(yīng)用層面也已有大量相關(guān)的研究成果。

2.2 數(shù)據(jù)典型應(yīng)用現(xiàn)狀

自2006 年A-train 衛(wèi)星編隊中的毫米波雷達CPR 和激光雷達CALIOP 成功發(fā)射以來，已取得十來年的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)已應(yīng)用到云物理學(xué)、天氣過程、氣候變化、數(shù)值模式等多個領(lǐng)域，取得良好的社會和經(jīng)濟效益。

2.2.1 毫米波雷達數(shù)據(jù)典型應(yīng)用

（1）云的宏微觀物理特性及其分布特征。CPR可穿透云層，對單層云和多層云都有良好的探測能力，在云的宏觀結(jié)構(gòu)及其分布特征、云的三維微物理結(jié)構(gòu)特征等方面取得了顯著應(yīng)用成果。利用CPR 的云廓線和云分類等產(chǎn)品可分析不同地區(qū)、不同地形、不同云類、不同云相的云垂直結(jié)構(gòu)、云量、云出現(xiàn)頻率、云微物理量、云光學(xué)性質(zhì)及其空間地理分布和季節(jié)變化統(tǒng)計特征（Sassen and Wang，2008；王帥輝 等，2011；Adhikari等，2012；趙艷風(fēng) 等，2014；Guo 和Zhou，2015）?；贑PR觀測資料還可反演云內(nèi)液/冰水含量、云粒子有效半徑、云光學(xué)厚度等云微物理參數(shù)（L’Ecuyer 等，2008；Austin 等，2009；Deng 等，2015）。了解不同類型、不同地區(qū)云的宏微觀結(jié)構(gòu)及其分布特征，可提高對天氣系統(tǒng)和云微物理結(jié)構(gòu)的認識，改善云微物理參數(shù)化方案的構(gòu)建，且可能為全球和區(qū)域氣候模式提供了可靠的云氣候特征資料，為模式參數(shù)化方案的改善提供很好的依據(jù)（Luo 等，2008；Matrosov，2011；張華 等，2015；楊冰韻 等，2017；Dodson等，2018；Kukulies等，2019）。

（2）與其他傳感器探測的對比驗證。CPR 可探測得到較高垂直分辨率較高精度的云剖面信息，CPR 優(yōu)秀的云垂直結(jié)構(gòu)刻畫能力可很好的評估和檢驗其他衛(wèi)星探測資料（MODIS、CALIPSO、TRMM、GPM、風(fēng)云衛(wèi)星資料等）、地面及飛機觀測資料以及數(shù)值模式結(jié)果等。有許多學(xué)者利用CloudSat 云剖面產(chǎn)品對MODIS、AIRS 等探測反演的云頂溫度、云類等產(chǎn)品進行了對比驗證（Weisz等，2007；邱玉珺和王宏奧，2017）。還可利用CPR 資料與地基雷達或GPM 衛(wèi)星觀測的弱降水或降雪進行對比分析，以改善雷達降雪反演算法（Norin 等，2015；Casella 等，2017）。云類型或云高度的模擬誤差，可能通過輻射效應(yīng)引起較大的天氣或氣候模擬偏差，CPR 良好的云類型和云垂直結(jié)構(gòu)資料為評估模式提供了很好的觀測資料（Marchand等，2009；Dodson等，2018）。

2.2.2 激光雷達數(shù)據(jù)典型應(yīng)用

（1）卷云的全球分布及云微物理特征。CALIOP 借助其短波長和高探測靈敏度的優(yōu)勢，在較薄的云層尤其是卷云的探測方面發(fā)揮了重要作用，極大地增進了人們對卷云全球分布特征（云頂高、云邊界、云出現(xiàn)頻率等）和宏觀演變過程的深入理解（Nazaryan 等，2008；鄭建宇 等，2018）。同時，與被動測云技術(shù)的結(jié)合（如MODIS等），也為卷云的輻射強迫計算以及在氣候變化中的作用研究提供了支撐（Huang 等，2009；Min等，2010）。雙波長和雙偏振通道的設(shè)計，使得通過退偏比和色比可以在一定程度上對云相態(tài)進行識別，能夠較好地區(qū)分較薄云層中的水云、冰云和混合相態(tài)云，為云層的微物理特征研究提供基礎(chǔ)（Hashino 等，2013；Winker 等，2009）。此外，其垂直廓線的探測能力，能夠有效識別雙層和多層云，也為極地平流層云的研究提供機會（Wang等，2016；Pitts等，2009；Mao等，2021）。

（2）氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)及氣溶膠與云的相互作用。CALIOP 的短波長和高探測靈敏度在小顆粒的氣溶膠探測方面具有獨特優(yōu)勢，獲取的高時空分辨率大范圍三維數(shù)據(jù)（Chepfer等，2008；Huang等，2015；Guo 等，2016），能有效識別氣溶膠或污染物的層高、分布、演變和可能來源（Liu 等，2009；Vernier 等，2011；Hu 等，2016）。將其不同波長回波信號的色比、雙偏振通道的退偏比以及回波強度結(jié)合，能夠用于識別氣溶膠的主要類型，同時根據(jù)氣溶膠層出現(xiàn)的高度和水平方向的延展范圍，可對污染物輸送進行示蹤（Huang 等，2009；Sekiyama 等，2010；Yu 等，2010；Liu 等，2018；Guo 等，2017）。在云與氣溶膠的相互作用方面，其出色的數(shù)據(jù)能夠幫助解釋氣溶膠在垂直方向上如何作用于云降水發(fā)生和發(fā)展，通過識別和確定氣溶膠和云相互混雜的層次，獲取氣溶膠與云參數(shù)（如云滴有效半徑、液水含量等）之間可能存在的關(guān)聯(lián)性（Varnai 和Marshak，2011；Devasthale 和Thomas，2011；Wang 等，2015；Chen等，2016）。

3 CloudSat與CALIPSO的協(xié)同觀測

2006 年4 月28 日，CloudSat 和CALIPSO 以一箭雙星的方式發(fā)射并成功入軌。CALIPSO 滯后CloudSat 大約17.5 s，這兩顆星與Aqua（2002 年）、Aura（2004 年）、PARASOL（2004 年）、GCOMW1（2012）和OCO-2（2014）組成被稱為“ATrain”的星座計劃，軌道高度相同，均為705 km，與赤道交錯時間大約在當(dāng)?shù)貢r下午的1：30，因此，又稱為“午后星座”（嚴衛(wèi) 等，2008；Stephens等，2018）。直到2018 年2 月，由于技術(shù)問題影響了衛(wèi)星的正常運行，CloudSat不得不實施了降軌操作。隨后，為了協(xié)同觀測的效果，2018 年9 月，CALIPSO 也執(zhí)行了降軌，加入到CloudSat 的軌道，前后間隔約40 s，從而組成“C-Train”，其軌道在A-Train 下方16.5 km 處，大約每隔20 d 與A-Train地面星下點軌跡相交一次，從而可以在此期間進行短暫的“A-C”協(xié)同觀測。

對于CloudSat 和CALIPSO，CPR/CloudSat 優(yōu)秀的穿透云層能力在探測較厚的云層甚至多層云方面有明顯的優(yōu)勢，而CALIOP/CALIPSO 對光學(xué)厚度較小的云層（如卷云、高積云、高層云等）的探測更加有效和精細，但很難透過較厚的云層觀測到云內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整信息（Mace 等，2009）。因此，兩者在探測層面可實現(xiàn)協(xié)同觀測和聯(lián)合處理，優(yōu)勢互補，從而得到更加精確和完整的云層垂直結(jié)構(gòu)及其時空變化特征。

3.1 協(xié)同觀測的成果

（1）聯(lián)合反演云物理參數(shù)。CPR 和CALIOP 對不同云層不同相態(tài)有不同的敏感性，兩者聯(lián)合反演，可以獲取更多的云層結(jié)信息，進而可得到更準確的云相態(tài)、云類型、云層光學(xué)厚度、云水含量等物理參數(shù)，如CloudSat 二級產(chǎn)品中云幾何廓線、云分類、大氣輻射通量和加熱率產(chǎn)品。CPR和CALIOP 再與被動傳感器結(jié)合進行多源數(shù)據(jù)融合反演，能更好的刻畫混合相態(tài)層云、深對流云、臺風(fēng)云系的分布和變化等信息，從而改善云參數(shù)化方案和數(shù)值天氣預(yù)報結(jié)果（嚴衛(wèi) 等，2011；Kato 等，2011；Adhikari 和Wang，2013；Pan 等，2017；傅云飛，2018）。如Chen 和Sun（2019）從PARASOL、CALIPSO、Cloudsat 衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行云頂相態(tài)的動態(tài)空間融合方法，并以臺風(fēng)“盧碧”為研究對象，說明了臺風(fēng)中不同相態(tài)云的分布特征。

（2）更完整的云的宏微觀分布特征。CPR 對光學(xué)厚度較厚的大尺度粒子組成的云層敏感，CALIOP 對薄云和光學(xué)厚度較小的卷云敏感，CloudSat和CALIPSO兩種探測資料聯(lián)合，可得到更完善的云層垂直結(jié)構(gòu)信息，全球低云、中云、高云的各層云量及所有層的總云量分布及季節(jié)變化，云出現(xiàn)頻率，輻射效應(yīng)等的計算和評估更加準確（Zhang 等，2010；汪會 等，2011；Das 等，2017；Yu 等，2018；唐雅慧 等，2020）。如鄭建宇等（2018）利用CloudSat 和CALIPSO 聯(lián)合資料分析了8種云類的云量四季分布，此結(jié)果可與區(qū)域或全球氣候模式的云量模擬結(jié)果相比，且可進一步優(yōu)化模式的云量診斷方案。

（3）促進氣溶膠—云—降水過程的理解。CloudSat和CALIPSO 的聯(lián)合可幫助闡明云凝結(jié)核和冰核顆粒特征，及其在塑造云微物理性質(zhì)和形成降水中所起的作用，進而改進氣溶膠—云相互作用對氣候系統(tǒng)產(chǎn)生輻射強迫的理解（Zhang 等，2015；Stephens 等，2018）。如Grenier 和Blanchet（2010）利用CloudSat 和CALIPSO 資料研究了極地薄云中云參數(shù)的分布規(guī)律和氣溶膠分布，說明了氣溶膠、云和輻射的相互作用。Takahashi 等（2017）利用CloudSat 和CALIPSO 資料，結(jié)合地面觀測和模式仿真說明了暖雨形成過程的海陸差異。

3.2 協(xié)同觀測的發(fā)展需求

要真正意義上實現(xiàn)有效的協(xié)同觀測是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。隨著CloudSat/CALIPSO 甚至整個A-train 星座取得的成功，人們越來越意識到協(xié)同觀測的重要性。實際上，一個協(xié)同觀測系統(tǒng)在確定了觀測目標后，首先須對每一個核心觀測單元提出較高的基本要求，其次根據(jù)觀測單元的特點對觀測編排模式進行精妙設(shè)計，接下來需要配備輔助觀測單元來完善整套系統(tǒng)，最后需要借助一定的理論體系將整個觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行串聯(lián)和融合。盡管CloudSat/CALIPSO 在協(xié)同觀測層面取得了令人矚目的成果，但基于主動遙感測云的協(xié)同觀測在未來發(fā)展中還有很大的提升空間。

（1）主動遙感測云載荷性能的提升。星載激光雷達和毫米波雷達本身的儀器性能有待進一步提升。其中，誤差水平是儀器性能的直接體現(xiàn)，在原有水平上提高15%—30%，探測數(shù)據(jù)將在各種尺度天氣過程的數(shù)值預(yù)報、數(shù)據(jù)同化中得到更多的應(yīng)用。在時空分辨率方面，激光雷達擁有一定的優(yōu)勢，而毫米波雷達如果能夠提高至沿軌500 m和垂直300 m 以內(nèi)，則更有利于云層精細結(jié)構(gòu)和微物理特征的分析。在最小探測閾值的提高方面，激光雷達需要進一步提升信噪比，以提高在白天的探測能力，而毫米波雷達的靈敏度則有望提升至-35 dB，從而具備對弱云的觀測能力。此外，探測波段的拓展和探測功能的增加也是未來的發(fā)展趨勢。只有儀器本身的探測能力提升，探測參量拓寬，才能在協(xié)同觀測中實現(xiàn)更好的優(yōu)勢互補。

（2）協(xié)同觀測模式的精細化改進。從時空匹配的同步性和一致性來看，單星雙機模式要優(yōu)于雙星雙機模式。對于單星平臺而言，其優(yōu)勢在于研制、發(fā)射和后期飛控運維成本更加合理，且能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的同步共視場觀測，但儀器要在保證探測能力和整機體積之間進行妥協(xié)，同時軌道高度要降低至400—500 km 的范圍以內(nèi)，從而保證較高的探測靈敏度，這樣也是歐空局研制EarthCARE的思路。相比之下，雙星模式對載荷和軌道的要求則要寬松，若在適當(dāng)考慮體積和研制成本的情況下，單機的儀器性能可以實現(xiàn)突破，帶來更高的時空分辨率，且有望在重點觀測區(qū)域增加垂直軌道方向的掃描式觀測，實現(xiàn)更寬廣區(qū)域內(nèi)的精細化的探測。

（3）與被動遙感儀器的配合。從已有的報道來看，主被動技術(shù)的結(jié)合在觀測云方面具有獨特的優(yōu)勢。其中，CALIOP/CALIPSO、CloudSat/CPR與MODIS、紅外云成像儀的聯(lián)合能夠改善云層微物理特征的反演結(jié)果，同時在云的輻射強迫定量研究中也有應(yīng)用。但由于本身探測模式的差異性，相互之間的深度融合還未真正實現(xiàn)，如果主動遙感儀器能在特定區(qū)域內(nèi)借助橫向掃描探測實現(xiàn)水平探測區(qū)域的拓寬，并綜合考慮協(xié)同觀測中的同步共視場問題，那么與被動遙感成像儀器數(shù)據(jù)的融合將會更加有效。此外，與臨邊模式的被動遙感儀器實現(xiàn)共視場的協(xié)同觀測，也有利于數(shù)據(jù)反演準確性的提升，但對軌道設(shè)計的要求非常嚴格。

（4）多源數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演和融合。目前尚未有真正意義上的多源數(shù)據(jù)聯(lián)合反演算法，使得大量不同平臺、不同體制和不同探測原理的載荷很難實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的有效融合，數(shù)據(jù)聯(lián)合使用率較低。在未來，開發(fā)能夠同時融合多源數(shù)據(jù)的反演算法，構(gòu)架數(shù)據(jù)融合反演系統(tǒng)，真正意義上將協(xié)同觀測模式下獲取的高質(zhì)量數(shù)據(jù)進行充分利用，如在微物理參數(shù)的反演、云量的反演、云輻射能力的反演等方面有著廣泛的需求。

4 星載主動遙感測云展望

盡管CloudSat、CALIPSO 在云宏微觀特征、氣溶膠特性、云模式應(yīng)用等方面取得顯著成效，但CPR/CloudSat、CALIPO/CALIPSO 在時空分辨率、靈敏度等方面依然有一定局限性，進而影響其產(chǎn)品在中小尺度云降水探測和參數(shù)化、氣溶膠—云相互作用的過程、云降水動力過程診斷分析等方面的應(yīng)用效果。云頂高度探測是CloudSat/CALIPSO的優(yōu)勢，但受儀器靈敏度和輻射衰減的影響，云底高度的探測始終是一個極具挑戰(zhàn)性的難題，尤其是對深對流云，由于信號衰減導(dǎo)致難以得到真實的云底信息。且CloudSat/CALIPSO 只能給出特定軌道的云特性廓線（剖面），難以實現(xiàn)真正的三維掃描觀測。另外，CPR 空間分辨率較低，使得中小尺度的云降水探測不夠精確，且易出現(xiàn)波束充塞導(dǎo)致參數(shù)估計不準確；目前的星載測云雷達無速度信息，從而不能很好地進行云降水的動力過程研究；CALIOP 由于采用的傳統(tǒng)雙波長體制，在各項參數(shù)的反演方面受限于激光雷達比的選??；對于較厚的云層（尤其水云），CALIOP 有明顯的局限性，甚至無法有效觀測其下方的氣溶膠層信息，在一定程度上帶來誤差。

近年來，隨著主動遙感技術(shù)的不斷進步，以及未來EarthCare 和ACE 計劃的推出，星載主動遙感測云已經(jīng)成為大氣遙感領(lǐng)域里的熱點研究方向。目前，各類新技術(shù)、新方法及新的協(xié)同觀測模式不斷涌現(xiàn)，同時更多深入的科學(xué)問題也亟待解決，星載主動遙感測云真正地進入了快速發(fā)展時期。

4.1 星載主動遙感測云的新技術(shù)

（1）太赫茲雷達技術(shù)。太赫茲波長因為接近于云粒子而更適合探測云目標。這主要是因為星載平臺避免了太赫茲波近地面大氣衰減嚴重的問題，太赫茲波對微小尺寸冰晶粒子的探測較為靈敏，含太赫茲波的雙頻雷達觀測有助于提升云反演精確度。目前的制約主要來自于固態(tài)發(fā)射機的功率和探測器效率，但從已有的報導(dǎo)來看，當(dāng)前太赫茲技術(shù)的發(fā)展有望滿足星載太赫茲云雷達研制需求，國內(nèi)外學(xué)者已在太赫茲測云雷達方面進行了預(yù)研論證，且提出了合理的需求指標（Battaglia等，2014；王平和王海濤，2017；商建 等，2018）。隨著技術(shù)研究及應(yīng)用的持續(xù)開展，該技術(shù)有望成為主動遙感測云領(lǐng)域的一支生力軍。

（2）多普勒技術(shù)?，F(xiàn)在的星載測云雷達主要提供強度數(shù)據(jù)，但雷達多普勒速度譜包含了豐富的云、和降水的微物理和動力信息，近些年越來越多的國外學(xué)者利用多普勒速度譜對云、弱降水的微物理過程進行分析（Kalesse 等，2013；Zhai等，2020）。Battaglia 等（2018）開發(fā)了一套W 波段星載測風(fēng)云雷達模擬器，成功模擬了具備傾斜收發(fā)視場的星載W 波段云雷達多普勒觀測過程。2018 年全球第一臺星載測風(fēng)激光雷達ALADIN 搭載于Aeolus 衛(wèi)星發(fā)射升空，但2020 年開始發(fā)布的數(shù)據(jù)產(chǎn)品中還未涉及氣溶膠和云的相關(guān)產(chǎn)品，且相關(guān)算法還有待進一步改善，例如其Rayleigh風(fēng)廓線產(chǎn)品在中國東部等高污染區(qū)存在很大偏差（Guo等，2021）。目前，包括中國在內(nèi)的多個國家已經(jīng)重點開展星載測風(fēng)技術(shù)的研究（Battaglia 等，2018；于翠榮 等，2013）。

（3）多波長技術(shù)。在反演云微物理參數(shù)如云粒子大小、液水/冰水含量等時，單波長雷達反演具有較大不確定性。利用不同波長云雷達，根據(jù)云粒子對不同波段電磁波散射的差異，可以獲得云粒子更多微物理信息。如GPM 星載雙頻降水雷達（DPR）利用Ka、Ku 兩個波段測量降水，由于可得到降水的滴譜信息，從而可提高降水精度，且進一步改善弱降水估計（Skofronick-Jackson 等，2018）。在未來，如何論證利用W 或Ka 波段毫米波雷達與太赫茲雷達的聯(lián)合探測反演云相態(tài)等微物理參數(shù)是一項重要的前沿工作（吳瓊 等，2018）。同時，激光雷達也開始在原有的532 和1064 nm 基礎(chǔ)上，增加355 nm 和1.5 μm 的波段，用于大氣成分的測量和更精細化的參數(shù)反演（Marini，1998；Qiu等，2017）。

（4）多極化技術(shù)。多極化技術(shù)可以利用接收的共極化和交叉極化信息改善云粒子測量精度，增強雷達對不同類型粒子的識別能力，并可提供關(guān)于粒子大小分布、形狀與相態(tài)等微物理參數(shù)信息。地基偏振（極化）雷達近些年來在云降水探測方面已得到長足發(fā)展，如美國大氣輻射測量（ARM）計劃項目中使用的W 波段和Ka 雙極化垂直指向云探測雷達系統(tǒng)（Kollias 等，2016）。Galletti 等（2014）論證了天頂/天底指向毫米波雷達在線極化和圓極化探測模式下不同散射體的極化特征和探測性能。隨著該技術(shù)的成熟，不久的將來多極化技術(shù)將實現(xiàn)星載雷達平臺的應(yīng)用。

（5）高光譜激光雷達技術(shù)。與傳統(tǒng)的Mie散射激光雷達相比，高光譜分辨率激光雷達（HSRL）通過窄帶光學(xué)濾波器將分子Rayleigh 散射信號和氣溶膠Mie散射信號分離開，可極大地提高了反演氣溶膠光學(xué)參數(shù)的精度，從而可更好的應(yīng)用到云—氣溶膠相互作用研究中。計劃于2022 年發(fā)射的EarthCARE 搭載的ATLID（Do Carmo 等，2019）和ACE 搭載的3 個波長HSRL（Müller 等，2014）都將采用這種高光譜探測技術(shù)。目前中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所牽頭研制的第一臺星載高光譜分辨率激光雷達正樣已經(jīng)完成，并處于上星前的最后測試階段，預(yù)計于2021 年上半年發(fā)射入軌（穆永吉 等，2018）。高光譜激光雷達技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)是近幾年中國甚至國際上的研究熱點。

（6）多傳感器數(shù)據(jù)融合反演技術(shù)。已成功發(fā)射的A-train 系列衛(wèi)星和GPM 衛(wèi)星，均以衛(wèi)星編隊的方式獲取地球大氣、海洋、資源等信息。即將發(fā)射的EarthCARE 及在研的ACE 衛(wèi)星任務(wù)，將采用多載荷共平臺集成復(fù)合觀測模式。多載荷協(xié)同觀測及多傳感器數(shù)據(jù)融合，建立云參數(shù)的時空同步且高空間分辨率的反演新算法和數(shù)據(jù)融合新技術(shù)新方法是未來發(fā)展趨勢。在即將到來的十年里，如EarthCare 和ACE 衛(wèi)星任務(wù)等多種新型傳感器的出現(xiàn)，必然帶來新的數(shù)據(jù)集，因此，大量相關(guān)數(shù)據(jù)的融合反演技術(shù)在未來會有迫切的需求。

4.2 單星及多星平臺協(xié)同觀測的新模式

隨著衛(wèi)星平臺技術(shù)的不斷進步，如何更加有效地實現(xiàn)載荷與衛(wèi)星平臺的最優(yōu)化配合，以及平臺間的高度協(xié)同，從而最大程度發(fā)揮載荷效能，是主動遙感測云領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。目前面臨兩種技術(shù)路線的選擇：一種是將各個主動遙感設(shè)備安裝在不同的衛(wèi)星平臺上，進行雙星或多星編隊組網(wǎng)協(xié)同觀測；另一種是將所有設(shè)備載荷裝載在同一衛(wèi)星平臺上，進行單星在軌觀測。不同技術(shù)路線的選取，在載荷分配形式、衛(wèi)星平臺需求、軌道需求和探測模式等方面有很大差異。對于衛(wèi)星平臺而言，需要將毫米波云雷達、激光測云雷達配置于相同或不同的衛(wèi)星平臺，并適當(dāng)加入被動光學(xué)成像儀（可見光、紅外、偏振多角度等）等載荷實現(xiàn)協(xié)同觀測。同時，考慮衛(wèi)星在軌飛行阻力的情況下，需要適當(dāng)調(diào)節(jié)配置來保持平臺各自總重的平衡，并將載荷與平臺的空間、電力、溫控系統(tǒng)、姿態(tài)穩(wěn)定度、數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)進行高度配合。

（1）雙星系統(tǒng)。CloudSat和CALIPSO 取得的成功已經(jīng)驗證了雙星系統(tǒng)的有效性，但其探測模式仍有提升空間（Stephens 等，2018）。對于雙星系統(tǒng)，需要將毫米波云雷達、激光測云雷達分別配置于不同的衛(wèi)星平臺，其探測模式主要有兩種：獨立視場模式和共視場模式。

獨立視場模式是指兩顆衛(wèi)星主載荷的探測視場在同一時刻沒有交叉區(qū)域，如圖1（a）所示。CloudSat和CALIPSO屬于這種探測模式，兩臺主載荷的視場均為垂直向下，沒有交叉區(qū)域。這種模式的好處在于，軌道高度固定后，探測路徑最短，接收的回波信號最強，受到潛在的太陽背景光的影響較小，但缺點是兩星的探測目標之間有時差，如CloudSat 和CALIPSO 為17.5 s（Kato 等，2010）。共視場模式是指兩顆衛(wèi)星主載荷的探測視場分別前后傾斜，在視場交叉處實現(xiàn)同步觀測，避免了探測目標間的時差。但其不足之處在于交叉點僅能在某一高度上實現(xiàn)同步觀測，由于視場的傾斜，在交叉點上部和下部都無法重疊；其次，每個載荷測得的廓線是沿著視線路徑斜距上的信息，與真正意義上的垂直結(jié)構(gòu)有一定偏差；另外，視場的傾斜會導(dǎo)致視線路徑加長，接收回波信號強度減弱，從而影響探測靈敏度。

圖1 單星及多星平臺協(xié)同觀測的新模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of new modes for collaborative observation of single-satellite and multi-satellite platforms

（2）多星系統(tǒng)。多星系統(tǒng)的范疇比較廣，如A-train 在同一條軌道配置了6—8 顆星來組成衛(wèi)星群（L’Ecuyer 和Jiang，2011）。這種方式能夠獲取更優(yōu)質(zhì)的探測數(shù)據(jù)，體現(xiàn)技術(shù)實力，也將是中國氣象衛(wèi)星系列未來發(fā)展的重要方向。本文提出一種四星編隊系統(tǒng)“FoRcLouD”，其中“F”、“R”、“L”、“D”分別代表四顆衛(wèi)星的簡稱和次序：1）“F”意為First，代表第一顆星，主要搭載各類被動光學(xué)/微波成像儀；2）“R”意為Radar，主要搭載毫米波雷達；3）“L”意為Lidar，主要搭載激光雷達，同時“R”與“L”也有左右相伴的意思；4）“D”星排第四，也有“enD”結(jié)尾（D）的意思，代表四星編隊的最后一顆，主要搭載多種臨邊觀測儀器。

四星編隊系統(tǒng)的共視場模式能夠最大程度體現(xiàn)協(xié)同觀測的優(yōu)勢，如圖1（b）所示。其核心思路是讓D 星臨邊觀測的視場與其他三顆星的視場有交叉區(qū)域。其中，L 星向后指向，R 星向前指向，D星距離較遠，其臨邊視場與大氣層的切點剛好在R星和L星指向的交叉點，這樣保證較為完美的共視場。不僅能夠獲得云內(nèi)部的垂直回波結(jié)構(gòu)，而且臨邊觀測的數(shù)據(jù)也可以提供切點位置的水汽、溫度、大氣成分等廓線，為綜合觀測分析提供優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。另外，F(xiàn)星位于編隊的最前方，其觀測視場角較大，如果F 星與L 星的距離不超過一定間隔（如15—45 s（L’Ecuyer 和Jiang，2011）），則可以認為在一定程度上滿足同步觀測的需求。

（3）單星平臺。單星獨立飛行觀測的優(yōu)勢體現(xiàn)在高度協(xié)同的共視場模式、與被動光學(xué)成像儀的配合以及較理想的衛(wèi)星研制成本等方面，但其難度在于衛(wèi)星平臺和各個載荷體積之間的合理搭配。目前EarthCare 衛(wèi)星和ACE 計劃都將采用單星平臺（Barker 等，2011；Da Silva 等，2020）。在載荷的選擇方面，單星至少要搭載4—5個有效載荷，包括2 個主動儀器和2—3 個甚至更多的被動成像儀等，較多的載荷導(dǎo)致探測模式相對多樣化，如圖1（c）所示。根據(jù)CALIPSO 和CloudSat 的經(jīng)驗，以及EarthCare 的一些考量，可以發(fā)現(xiàn)激光雷達的視線與毫米波雷達視線并不是完全一致，激光雷達為了避免直接反射的影響，需要在星下點方向一側(cè)傾斜1°—3°（Hélière 等，2017）。另外，被動光學(xué)成像儀需要考慮與太陽的夾角以及與激光視場的干擾問題，因此視場指向的選擇也要有一定的差異性。

4.3 衛(wèi)星軌道高度的發(fā)展趨勢

從上文中可以看出，A-train 早期的軌道在705 km，而目前的ISS/CATS、EarthCARE、ACE 已經(jīng)將軌道分別降至405 km、416 km、450 km 的高度上，這也意味著主動遙感測云的衛(wèi)星軌道在朝著更低的高度發(fā)展。

對于主動遙感設(shè)備而言，衛(wèi)星軌道越低越能夠提升雷達的回波信號接收強度，但過低的軌道意味著在軌飛行的阻力更大，需要頻繁對軌道實施調(diào)整，增加了運維復(fù)雜度和風(fēng)險。另外，軌道降低的同時也增加了載荷設(shè)計和配置的復(fù)雜度。一般而言，在儀器定型后，各項參數(shù)不再改變的情況下，想進一步提升接收信號的強度，則需要降低軌道高度。以CALIPSO 和CloudSat 的軌道高度和儀器為參考，原始的軌道高度Zsat_0為705 km，設(shè)原始接收回波信號強度為I0，降低后的軌道高度為Zsat，接收回波信號強度為I，則兩次強度的比值也即接收回波信號強度的提升水平I/I0與軌道高度滿足如下關(guān)系：

式中，Z為探測高度。當(dāng)不考慮復(fù)雜因素時，接收回波信號強度與軌道高度基本滿足平方反比的關(guān)系。如圖2（a）所示，使用不同的軌道高度（350—750 km），接收回波信號強度的提升水平I/I0隨著軌道高度的下降，在不同的探測高度上都會有大幅的提升。如圖2（b）所示，當(dāng)探測高度Z固定在10 km 時，不同的軌道高度上接收回波信號強度的提升水平I/I0呈現(xiàn)明顯的平方反比關(guān)系。

圖2 接收回波信號強度的提升水平I/I0與軌道高度的關(guān)系Fig.2 The relationship between the enhancement level of the received signal intensity I/I0 and the orbit height

對于雙星系統(tǒng)而言，要將毫米波雷達原始的最低探測靈敏度-30 dBz提升至-35 dBz，接收回波信號強度需要提升為原始強度的約3.16 倍，這時軌道高度至少需要下降到約404.3 km。但從另一個角度考慮，如果維持-30 dBz 的最低靈敏度，那么天線的尺寸可以大幅縮小，從而節(jié)省載荷質(zhì)量和空間。但是，對于多星系統(tǒng)而言，降低軌道會使被動光學(xué)成像儀視場角的覆蓋面積縮小，若要增大儀器視場角，需要在像差的控制方面做更復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計。

對于目前備受關(guān)注的單星平臺，最重要的一點是在滿足探測指標的情況下，盡可能縮小載荷配置空間，合理選擇平臺，最大化利用效能。如果以達到與CALIPSO 和CloudSat 相同探測靈敏度為目標，那么天線直徑和軌道高度會形成明顯的正比依賴關(guān)系。當(dāng)軌道高度下降至400—500 km 的區(qū)間時，探測器和光學(xué)系統(tǒng)不變的情況下，激光雷達的望遠鏡直徑和毫米波雷達的天線直徑可以進一步縮小。如果要將毫米波雷達探測靈敏度提升至-35 dBz，且激光雷達信噪比同比例提高，當(dāng)軌道在400—500 km 區(qū)間時，激光雷達的望遠鏡和毫米波雷達的天線直徑均需要大幅增加，這樣體積的載荷需要考慮使用大型的衛(wèi)星平臺。針對這一難點，EarthCare 的思路是將激光雷達的望遠鏡口徑縮小，而將毫米波雷達的天線大幅增大，并利用工程技術(shù)在保證重心穩(wěn)定的情況下，將天線做至平臺外部，從而達到了提升靈敏度的同時又兼顧衛(wèi)星平臺選擇最優(yōu)化的目標（Do Carmo 等，2019）。

綜上，單星獨立觀測雖然在載荷的選擇和搭配上較為復(fù)雜、且對平臺和軌道的要求較為苛刻、數(shù)據(jù)傳輸量大、抗風(fēng)險能力較差，但在真正實現(xiàn)多臺儀器的共視場、與被動光學(xué)成像儀的配合最佳、衛(wèi)星研制成本可控、技術(shù)相對成熟等方面仍具備不可替代的優(yōu)勢。微波雷達與激光雷達以及與其他傳感器共平臺協(xié)同觀測，可實現(xiàn)云—氣溶膠—降水的同步聯(lián)合遙感，從而加深云的形成和演變、云—氣溶膠—降水相互作用及其對氣候系統(tǒng)的輻射強迫等方面的認識和理解，進一步提高天氣預(yù)報和氣候監(jiān)測能力。

5 結(jié)語

星載主動遙感測云已經(jīng)成為大氣科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，中國也已開展了相關(guān)層面的論證和預(yù)研。本文主要回顧了星載毫米波雷達和激光雷達測云技術(shù)及數(shù)據(jù)應(yīng)用的研究現(xiàn)狀，介紹了在云宏觀結(jié)構(gòu)及全球分布、云微物理特征、氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)及云與氣溶膠相互作用等方面取得的突破性進展，并對CloudSat 與CALIPSO 在協(xié)同觀測層面取得的成果及發(fā)展需求進行了分析，指出其在載荷性能、協(xié)同觀測模式及多源數(shù)據(jù)反演和融合等方面仍待提升。結(jié)合國際上未來星載主動遙感測云的觀測計劃，探討了太赫茲雷達、高光譜激光雷達、多波長和多普勒等測云新技術(shù)的應(yīng)用前景，并簡要分析了多星系統(tǒng)及單星平臺協(xié)同觀測新模式和軌道高度對探測性能的影響。基于國際主動遙感在測云方面所取得的成果、三維測云的需求以及國內(nèi)測云技術(shù)所取得的先進水平，建議星載測云的發(fā)展在以下方面進一步加強：提升單個測云載荷的性能，如毫米波雷達空間分辨率的提高、探測靈敏度的提升等；充分利用最新的先進技術(shù)，如多波長技術(shù)、多普勒技術(shù)、太赫茲雷達等，從而得到更精確的微物理反演、速度測量等參數(shù)；發(fā)展微波雷達和激光雷達以及其他探測儀器的多傳感器共平臺協(xié)同觀測，實現(xiàn)多傳感器的高度時空匹配；發(fā)展多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，如人工智能技術(shù)和方法的應(yīng)用，使得不同平臺、不同體制和不同原理的探測資料有效融合，為氣象和氣候監(jiān)測和預(yù)報提供更加完善可靠的參考數(shù)據(jù)。