地球輻射收支衛星觀測和氣候應用

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一、引言

地球通過吸收太陽輻射并向外射出長波輻射與外界進行能量交換，衛星可直接觀測地氣系統能量變化，即地球輻射收支（ERB）。其觀測基本量包括直接入射太陽輻射、地氣系統反射的短波輻射及發射的長波輻射。輻射收支的衛星觀測用來定量研究地球與太空之間的能量交換，是研究驅動地球天氣氣候機制最基本的觀測之一。

地球輻射收支觀測的歷史與航天發展幾乎平行，被稱為“衛星氣象之父”的美國著名科學家Suomi于1958年首次提出衛星地球輻射收支觀測概念[1]，并在1959年發射的探索者6號（Explorer-6）衛星上第一次成功實現，開啟了衛星氣象的新紀元。同年10月，Explorer-7搭載了地球輻射收支觀測儀器，持續觀測7個月得到了很多開創性成果[2]。1964—1970年是7顆雨云（Nimbus）系列衛星的時代，它驗證了大氣科學試驗的一些概念。Smith等提出了檢驗地球輻射收支的方法，改進的儀器搭載在Nimbus-6和Nimbus-7衛星上，包括了寬波段非掃描和兩軸掃描輻射計[3]。雨云衛星數據在氣候研究中起到了重要的作用，如起始于1978年太陽常數的連續準確觀測、太陽能量的年平均變化特征、地球輻射收支的年平均特征及云的輻射作用、能量傳輸和年際變化等[4]。1980年代科學家們提出了地球輻射收支試驗（ERBE）計劃[5]，連續三顆業務衛星ERBS、諾阿9號（NOAA-9）和NOAA-10同時搭載了ERBE的寬波段非掃描和掃描儀器，實現了十余年的地球輻射收支長期觀測。1990年代云和地球輻射能量系統（CERES）的發展是地球輻射收支觀測的一個飛躍[6]，不僅延續了ERBE算法，更進一步關注云和輻射的相互作用，發展了更先進的儀器和科學算法。2011年發射的Soumi NPP和2017年發射的NOAA-20衛星都攜帶了CERES載荷，至今已連續積累二十多年觀測數據。歐洲于2002年第一個將地球輻射寬波段儀器（GERB）[7]搭載在靜止衛星Metersat上，可獲取更高時空分辨率衛星觀測。我國2008年發射的風云三號A星（FY-3A）搭載了地球輻射探測儀（ERM）和太陽輻照度監測儀（SIM），是我國首次進行的地球輻射收支觀測[8]。除了輻射觀測儀器外，NOAA等衛星雖然沒有專門的輻射收支儀器，但通過多波段的觀測可以從窄波段轉換成輻射通量。但由于寬窄波段轉換的輻射通量并不是真實的量，具有一定的誤差，因此發展專門觀測輻射收支的儀器成為一個方向，本文主要針對星載輻射收支儀器的發展及應用進行回顧。

二、星載輻射收支觀測國內外的發展

1. 地球輻射收支探測儀（ERB）

地球輻射收支探測儀是第一臺專門設計用于探測地球輻射收支的儀器，分別于1975年和1978年搭載在Nimbus-6和Nimbus-7衛星上，利用掃描式輻射計的觀測可以確定反射太陽輻射和地球射出輻射的方向性以及區域的輻射平衡。考慮早期的輻射收支儀器衰減問題，在掃描輻射計中配有在軌定標裝置，但在非掃描儀器中沒有該裝置。雖然利用黑體定標和其它的驗證技術，對儀器出現的嚴重衰減進行了訂正，但因為漫反射板的衰減，無法進行太陽定標，所以掃描式輻射計只工作了19個月，而寬視場非掃描輻射計和太陽監視儀連續提供了高質量數據，直到1993年停止觀測。

2. 地球輻射收支試驗（ERBE）

1984年10月15日，地球輻射收支衛星發射升空。衛星上搭載的ERBE由兩個獨立但互相補充的儀器組成：窄視場掃描輻射計和寬視場非掃描輻射計。其中，窄視場掃描輻射計包括三個通道：短波（0.2～5μm）、長波（5～20μm）和全波（0.2～＞100μm）；寬視場非掃描儀器由中視場（視場角大約5°）和臨邊視場（視場角大約120°）對地觀測通道以及太陽觀測通道組成，對地觀測包括短波和全波兩個通道，太陽觀測只有一個全波通道。

對于衛星軌道覆蓋的研究表明，單顆低軌衛星的觀測不能提供用戶區分天氣、季節和晝夜變化所需的足夠觀測，一顆太陽同步軌道衛星的觀測不能區分天氣和季節的變化，如果與之配合一顆傾角為57°的衛星，可在兩個月的時間內提供在各地觀測地球南北緯57°之間所有地區的數據。有了兩顆衛星的數據，就可以通過日變化分析天氣和季節變化。如果在NOAA-TIROS系列業務衛星上搭載ERBE，不僅可借助其軌道，而且搭載的其他儀器，如AVHRR的數據還可作為ERBE數據分析的輔助。但在57°到極地的區域，沒有中傾角衛星數據。為了保證足夠的晝夜覆蓋，還需要在另外一顆太陽同步軌道衛星上搭載儀器。對于衛星時間采樣覆蓋率的研究表明，滿足充分采樣需要三顆衛星組成觀測系統。于是，ERBE分別搭載在ERBS、NOAA-9和NOAA-10三顆衛星上于1984～1986年發射升空，組成ERBE全球觀測系統。ERBS位于傾角57°的軌道上，NOAA-9和NOAA-10則位于太陽同步軌道上。從1984年11月到1990年2月，三顆衛星對大氣頂輻射進行成功觀測，美國國家航空航天局（NASA）輻射收支研究工作研制的ERBE算法成為ERBE以后的輻射收支儀器ERBE-LIKE產品的算法基礎。

3. 云和地球輻射能量系統（CERES）

進入1990年代，受到ERBE掃描輻射計在軌穩定且長期成功運行的鼓舞，掃描式輻射能量收支觀測成為主流。CERES就是繼承了ERBE掃描式輻射計和在軌定標系統的成功經驗，并對其進行了改進。

CERES是高精度的熱敏輻射計，有三個通道，短波和全波通道與ERBE相近，以8～12μm窗區通道替代5～20μm的長波通道。利用星上定標可以將輻射標定精度較ERBE提高一倍。改進的熱敏探測器響應時間減小了探測視場角，將空間分辨率提高到20km。電子設計上的改進使CERES儀器使用壽命更長，且測量噪聲更低。1997年11月27日日本熱帶降雨觀測衛星（TRMM）發射升空，開始了CERES觀測時代。1999年和2002年美國地球觀測系統（EOS）計劃中的“土”（Terra）和“水”（Aqua）衛星發射升空，其上均搭載兩臺CERES，與TRMM衛星組成新的三星觀測系統。

在EOS的兩顆衛星上同時搭載兩臺CERES，一臺橫跨軌道掃描，實現正常對地觀測；另一臺進行方位掃描，用于建立輻射通量換算的角度分布模型。對于CERES觀測數據處理除采用ERBE處理算法生成ERBE-LIKE產品，還采用一種新的綜合算法，即將CERES與其同時搭載的成像儀器如MODIS、VIRS數據綜合分析，利用高分辨率成像儀器觀測數據進行像元判識，獲取云量、云高、光學厚度等參數，并利用靜止衛星數據進行時間采樣插值，這些信息的引入能夠將輻射通量計算精度提高一倍。利用CERES新的算法生成的產品包括表面產品和大氣產品，表面產品包括提高精度的大氣頂輻射通量，和直接利用地面輻射通量與大氣頂輻射通量相關性計算地面輻射通量的產品；大氣產品則包括利用成像儀觀測反演的云參數、大氣溫度和濕度場、衛星觀測的臭氧、氣溶膠數據、地表輻射參數和寬波段輻射傳輸模式計算的地面、大氣特征層向上和向下輻射通量。可見，CERES強調云對地球輻射收支和氣候系統的反饋作用。

4. 風云衛星輻射收支觀測（FY-3 ERM/SIM）

我國FY-3系列氣象衛星搭載了地球輻射收支儀，這是我國自行研制的第一代地球輻射收支觀測儀器，由兩臺儀器組成，太陽輻照度監測儀（SIM）和地球輻射探測儀（ERM）。太陽輻照度監測儀觀測0.2～50μm太陽輻射通量，定標的精度為0.5%；地球輻射探測儀包括寬視場非掃描輻射計和窄視場掃描輻射計，各有兩個探測通道：短波0.2～＞3.8μm通道和全波0.2～50μm通道，非掃描視場寬度為120°，掃描視場寬度為2°×2°；對于定標精度，短波為1%，全波通道為0.5%。FY-3系列衛星將包括5顆衛星，預計可以提供15～20年的地球輻射收支觀測數據，經過地面數據處理，可以提供大氣頂短波、長波輻射通量、地面及大氣中各層輻射收支產品以及相關云產品等。

目前FY-3輻射收支軌道產品包括以下參數：大氣頂太陽向下輻射通量、大氣頂向上短波輻射通量、大氣頂向上長波輻射通量、掃描視場云量、掃描視場地表類型、掃描視場類型、長波和短波角度方向模式。其處理流程是利用衛星觀測數據經過輻射定標處理、太陽高度角訂正、光譜訂正和角度方向訂正等過程計算輻射通量。算法包括ERM掃描視場大氣頂向下太陽輻照度計算、云和地表類型處理、掃描視場類型識別、輻亮度光譜訂正處理和大氣頂的輻射通量計算。

5. 其他觀測儀器（ScaRAB）

掃描輻射收支儀（ScaRAB）由法國、德國、俄羅斯三國研制而成，1994年搭載在俄羅斯的METER-3極軌氣象衛星上發射升空，該儀器有四個通道，除兩個寬波段通道外，還包括一個可見光和一個紅外窗區通道。ScaRAB在工作一年后因故障而停止觀測，未能提供長期的輻射收支觀測；第二臺 ScaRAB 1998年搭載俄羅斯的RESURS 01-4衛星發射升空，在軌工作五個月后因轉發器失靈停止觀測。盡管ScaRAB在軌工作時間很短，但其提供的數據填補了從ERBE停止到CERES開始工作期間沒有地球輻射觀測的空隙。

6. 靜止平臺（GERB）

由于TRMM衛星是覆蓋中低緯地區的低軌道衛星，具有較高的時間覆蓋率，目前與Terra 和Aqua同時在軌運行，可提供較高時間覆蓋率的輻射收支觀測。但要進一步提高輻射觀測的時間分辨率，將輻射收支儀搭載在地球同步衛星軌道上則是另外一種途徑。云是地氣系統輻射收支平衡主要的影響因子之一，高時間分辨率的衛星觀測可以捕捉云的變化，是提高輻射產品精度的基礎。1989年NASA提出靜止衛星地球觀測系統，曾經提出在靜止軌道搭載地球輻射收支探測儀器——靜止地球氣候探測器（GECS）。在2002年發射的MSG-1靜止氣象衛星上搭載GERB正是為達到這一目的。GERB有兩個探測通道，即短波和全波通道，通過相減獲得地球長波輻射。GERB極大提高了空間輻射收支觀測時間分辨率，15min可以對地觀測一次。同CERES相比，GERB空間分辨率較低，約為50km，因此在GERB資料處理過程中增加分辨率增強功能，目的是提供高空間分辨率輻射產品。但一顆靜止衛星只能覆蓋地球上的局部區域，要真正獲得高時間覆蓋的全球輻射收支觀測需要多顆靜止衛星同時觀測，并與極地軌道衛星觀測相結合。

三、地球輻射收支應用

衛星觀測積累的長時間數據有助于認識輻射收支的氣候特征以及理解地球輻射收支在氣候中的作用。觀測地球輻射收支的科學目標是理解驅動天氣氣候系統的太陽能量變化、地氣系統的輻射能量平衡、建立準確長期的基礎數據和用于研究氣候系統變化等幾個方面。地球輻射收支觀測提供了認識地球能量變化的依據，Kyle等[4]利用8年的Nimbus寬視場數據給出凈輻射和吸收的短波輻射平均特征，地球凈輻射能量的零線位于南北緯36°附近，表明36°S～36°N區域獲得的能量大于損失，結合吸收的短波輻射通量計算了熱帶地區的吸收能量（347W/m2）約為極地區域（80W/m2）的4倍，所以該區域表現為凈吸收。凈輻射有顯著的季節變化，零度線冬季位于15°，而夏季移至70°附近，熱帶、副熱帶與極地之間的能量梯度引起經向能量的傳輸，能量傳輸驅動了大氣環流的變化，地球輻射收支的觀測事實論證了一些氣候的基本理論。

云輻射強迫是研究云對地球輻射平衡影響的重要信息，Ramanathan等[9]利用1985年4月ERBE數據估算全球短波云輻射強迫為-44.5W/m2，而長波云輻射強迫為31.3 W/m2，表明云對地球有凈的冷卻作用。在熱帶對流區，月平均長波云輻射強迫可達最大值為50～100 W/m2，但卻被短波輻射抵消。因為氣候反饋機制，即使小的云輻射強迫變化也能對氣候變化起顯著作用。在過去的冰河期，很強的負云輻射強迫向赤道地區移動，它是對冷水移動的響應，對海洋的變冷和持續冰期有顯著的放大作用。Moore等[10]利用六年ERBE產品云輻射強迫和能量沿經向傳播在1984—1990年之間的年際變化，發現云的冷卻作用在1986/1987年厄爾尼諾期間降低，在1988/1989 年拉尼娜期間升高，并指明這種變化與ENSO現象有關。除了云輻射強迫外，大氣氣溶膠作為人類活動直接后果，對氣候影響很不確定。Loeb等[11]利用CERES輻射產品研究氣溶膠的直接輻射強迫，發現衛星反演的氣溶膠光學厚度與直接輻射強迫具有很好的相關性（0.96），并計算了在熱帶海洋上平均的氣溶膠輻射強迫為-4.6W/m2。

利用輻射收支產品開展的應用研究表明，衛星觀測有助于讓我們了解氣候系統中各種參數與輻射平衡之間的關系和各種物理過程的實質，評估各種因子對氣候變化的影響程度，對進一步分析氣候變化原因具有重要作用。

四、結語

人類活動可以改變輻射強迫，通過地球輻射收支變化造成了氣候強迫和氣候響應。大氣中云對地氣系統起加熱和冷卻的補償作用，是氣候系統中最大的不確定因素。評估人類活動對氣候變化的影響，揭示氣候過程中物理機制是氣候研究的主要目的之一。地氣系統的輻射收支能量變化，是氣候變化的主要指示因子。空間觀測是地氣系統的輻射收支能量觀測的最準確和直接的手段，可以監測地球輻射能量系統的變化，為研究人類活動對氣候變化的影響、云對氣候系統的反饋作用、水汽的溫室效應等提供數據和檢驗。發展探測地球輻射收支的衛星儀器和技術具有重要的意義。

基于人們對氣候變化的關注，星載地球輻射收支觀測作為起步最早的空間觀測，已歷經了幾十年的發展，形成了全球極軌觀測和地球靜止輻射收支觀測的衛星觀測系統。輻射收支探測的精度不斷提高，利用全球觀測系統提供的地球輻射收支能量數據不僅可用于云輻射強迫計算，還可以研究大氣氣溶膠和水汽對地球輻射收支的影響，并檢驗氣候模式和數值天氣預報精度。利用長期的地球輻射收支觀測和全球氣候模擬，使我們對氣候變化中的關鍵問題，如云和輻射的相互作用的動態過程等，以及大氣動力學有更清楚的認識，能夠更準確地預測氣候變化。