海洋區域大氣CO2衛星遙感觀測模型及仿真研究

姜 通，曹 瓊，溫 淵

（上海衛星工程研究所，上海 200240）

0 引言

因大氣CO2約占了溫室氣體排放量的80%，通常被認為是導致全球氣候變暖的最主要因素之一［1］。用衛星平臺進行CO2監測，可提供更多全球范圍內的高分辨率測量結果，能幫助科學家們更好地理解大氣CO2及其在碳循環中的地位，對提高預測CO2等溫室氣體在大氣中的濃度上升對氣候的影響有重要意義［2－3］。對衛星遙感探測 CO2來說，海洋區域占了絕大部分觀測下墊面。因CO2吸收光譜帶內的太陽輻射經海水反射后進入載荷入瞳能量較低，故載荷在海洋區域的觀測模式不能采用陸地情況下的天底觀測，需用平靜水面的鏡面反射特征尋找海洋耀斑點進行觀測。采用衛星遙感技術監測全球范圍、高精度大氣CO2需解決不同觀測下墊面的觀測模式問題。目前，還未有相關天基耀斑觀測模式完整詳細報道，部分文獻僅闡述了耀斑觀測的必要性和原理，并未涉及具體的計算模型及觀測流程控制等核心內容［4－5］。本文對海洋耀斑觀測模型進行了研究，并進行了仿真模擬分析。

1 耀斑觀測模式及區域分布

用衛星平臺進行全球大氣CO2監測主要使用光學遙感探測手段，由大氣分子對太陽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域，其中近紅外吸收帶對底層CO2較敏感，而中紅外吸收帶與對流層中上層關系密切。目前，衛星遙感CO2混合比的主流譜段為1.6μm，該波段內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的吸收線強度不大，吸收線不會因CO2含量的變化達到飽和，故吸收的強度隨CO2含量增加近似于線性變化。日本的GOSAT與美國的OCO（發射失敗）衛星均將1.6μm光譜吸收帶作為探測CO2主通道［9－10］。

對采用近紅外1.6μm作為CO2探測通道的衛星載荷來說，在地球表面為陸地時的觀測模式為天底觀測（Nadir），通過衛星平臺的推掃或載荷掃描鏡的擺掃獲取不同經緯區域的大氣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離水輻射，若采用陸地的天底觀測方式，則會因無法獲取有效下墊面輻射信號而使海洋上方CO2無法反演。

針對海洋條件的下墊面反射特性，一種有效的探測方式是測量水體鏡面反射即太陽耀斑。依據光學原理，有效探測應保證載荷觀測方位與太陽在同一個平面即主平面內進行觀測，同時應保證觀測天頂角θi與耀斑位置的太陽天頂角θr相等，如圖1所示。設地球球心為O，太陽矢量為RSUN，衛星矢量為RSAT，耀斑位置矢量為RM。根據耀斑觀測成立的條件，矢量RSAT－M與RSUN－M應在同一主平面內，且θi，θr相等。

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

衛星觀測時，全球陸海分布以及南北極附近的海洋區域太陽天頂角較大，輻射能量不能滿足探測CO2信噪比要求等條件，因此耀斑觀測有效范圍主要位于中、低緯度（－35°，35°）區域，如圖2所示。圖中陰影區域為耀斑觀測區域［4］。

對大氣CO2衛星遙感探測，衛星軌道一般選太陽同步軌道，可覆蓋全球大部分范圍。此外，針對我國的地理經緯度分布特點，衛星軌道升交點一般取為下午（13：30附近）時刻，滿足衛星在我國上空區域時，達到載荷入瞳處的輻射能量值為最大。因此，根據大氣CO2衛星遙感的軌道參數特點，耀斑點始終出現在衛星星下點的某一側：軌道為順時針方向，耀斑出現在衛星飛行方向的右側方位；軌道為逆時針方向，耀斑出現在衛星飛行方向的左側方位，如圖3所示。黑色圓點為星下點，黑色菱形點為耀斑點出現方位。

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

圖3 耀斑觀測方位Fig.3 Observation azimuth of sunglint mode

2 耀斑位置計算

衛星飛行到海洋區域上空，星上程序實時尋找耀斑點，控制載荷掃描鏡的二維轉動角度指向該點進行數據采集，上述功能的實現需提前在地面確定在軌耀斑計算模型。

設衛星工作模式切換到耀斑觀測時，衛星星下點位置為P；太陽直射點為S；t為點S，P間的經度差，稱為時角；δ為太陽直射點的緯度（太陽赤緯）；φ為星下點緯度，如圖4所示。其中：點P的地理經緯度（λ，φ）由衛星平臺實時提供獲得，可作為已知量。

圖4 耀斑點位置Fig.4 Position of sunglint point

設耀斑位置在點M，可認為太陽光束平行入射到地球表面，圖4中BM為耀斑點太陽入射光線，QP為星下點太陽入射光線，BM∥QP，因此星下點太陽天頂角與耀斑點太陽天頂角差別僅是由地球表面曲率引起。考慮大氣CO2遙感衛星的地面軌間距大小以及地球數據的全覆蓋，二維掃描鏡在穿軌方向掃描范圍一般在0～500km附近。在此范圍區域內，可忽略地球區域對角度的影響，認為星下點的太陽天頂角極為耀斑點的天頂角。因此，只需計算星下點P的太陽天頂角及方位角，就可確定耀斑點位置。

a）太陽天頂角

點P位置的太陽天頂角度

其中，太陽赤緯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。

對已知經度λ，當地時間TMST可表示為

式中：TGMT為格林尼治平時。對TMST進行校正，以求得精確的當地時間

式中：TET為校正時，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）太陽方位角

可用球面三角正弦公式計算星下點太陽方位角χ（從正南方向順時針旋轉），有

χ是太陽方位角。則有

3 在軌耀斑位置數據模擬

用STK軟件對大氣CO2遙感衛星進行耀斑觀測模擬［11－12］。設衛星運行于太陽同步軌道，軌道高度700km，升交點13：30。設置軟件可獲取衛星星下點的實時經緯度及觀測時間等數據，與衛星未來在軌耀斑工作實際較一致。衛星飛行一軌的軌跡分布如圖5所示。粗實線為太陽光照區，模擬耀斑觀測區域在其中選取。因耀斑主要分布于中低緯度區域，取模擬耀斑觀測起始點經緯度為（－40.674°，－127.006°），對應的觀測時間為2011－07－02 22：26：10（UTGG）；耀斑觀測結束點經緯度為（40.545°，－146.674°），對應的觀測時間為2011－07－02 22：48：40（UTGG）。用本文耀斑位置計算方法所得耀斑觀測區域太陽天底角和方位角如圖6所示。模擬時間為7月份，太陽直射北半球，天頂角變化曲線顯示星下點的太陽天頂角在南半球高于北半球，與實際情況吻合。圖中太陽方位角均大于180°，說明耀斑位置均在同一側方向。

圖5 STK模擬耀斑觀測區域Fig.5 Sunglint observing area by STK simulation

耀斑觀測時要求耀斑點、太陽與衛星在一個主平面內，且衛星觀測天頂角與耀斑點的太陽天頂角相等，根據星下點的太陽方位角和天頂角數據分別轉動載荷掃描鏡長軸（穿軌方向）與短軸（沿軌方向），就可使指向鏡指向耀斑點，從而獲取海洋區域大氣CO2的數據。掃描鏡轉動過程如圖7所示。

圖6 太陽天頂角與方位角Fig.6 Sun zenith and azimuth

圖7 載荷掃描鏡尋找耀斑轉動角度Fig.7 Running angle sketch map of pointing mechanism

4 結束語

本文對低反射率海洋地表的耀斑觀測模式進行了研究，給出了耀斑位置計算及載荷掃描鏡在軌耀斑點尋找方式。STK軟件模擬結果表明，用本文方法可獲取尋找耀斑點位置的關鍵參數，實現海洋區域耀斑觀測要求。

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