中國遙感衛星輻射校正場敦煌戈壁場區光環境變化研究

李 元，張 勇，胡麗琴，陸其峰，盧乃錳

（中國氣象局 國家衛星氣象中心 中國遙感衛星輻射測量和定標重點開放實驗室，北京 100081）

1 引 言

自20世紀80年代以來，衛星遙感逐漸向定量化方向發展。衛星圖像不只用于目視解譯，還用來定量反演大氣、陸地和海洋等地球物理參數。為了確保在軌衛星觀測的準確性，各航天大國著手選擇輻射特性均勻穩定的地面目標，將其作為“標準”，通過衛星過境時的地面同步觀測和輻射傳輸規律，對在軌衛星遙感器進行標定，從而實現輻射校正。輻射校正已經成為遙感領域的重大基礎研究課題，得到了國際遙感界的高度重視。我國在20世紀90年代啟動了“中國遙感衛星輻射校正場”項目的科研和建設工作，開啟了我國遙感衛星定量化技術系統性攻關。中國遙感衛星輻射校正技術以輻射校正場為基礎，圍繞我國全系列國產遙感衛星發展和定量化應用需求，在輻射校正技術指標體系、理論與方法、標準與測量技術、觀測與系統集成技術等方面開展研究，建立了由敦煌戈壁、青海湖水體、思茅雨林組成的全球第一個多尺度、全譜段輻射校正場。發展了遙感衛星輻射校正理論與方法，建立了高絕對精度、高空間分辨率和全譜段在軌輻射校正模型。突破了高精度輻射標準傳遞技術，實現了具有國際先進水平的場地和大氣光譜輻射觀測。建立了國際先進的輻射校正業務運行系統，形成了輻射校正質量保障體系[1-4]。

經過近20年的運行，中國遙感衛星輻射校正系統針對我國各系列遙感衛星在軌輻射校正需求，開展了近50多次大規模在軌遙感衛星輻射校正試驗，完成了30多顆國產衛星和10余顆國外衛星的輻射校正觀測，解決了我國遙感衛星因缺少穩定的星上定標系統而產生的定量應用問題，在我國現代衛星遙感系統發展和應用方面發揮了不可替代的重大作用。中國遙感衛星輻射校正系統極大地推動了我國遙感衛星定量化應用水平的提高，確保了遙感衛星效益的發揮，使我國在這一領域進入國際先進行列[5-10]。

中國遙感衛星輻射校正場敦煌戈壁場區位于敦煌市以西30 km的戈壁灘上（緯度N40.00°~40.33°，經度E94.00°~94.50°），自2002年通過國家驗收并轉入業務運行以來，先后為我國所有對地觀測遙感衛星提供了在軌輻射定標支撐。作為國際對地觀測組織輻射定標與真實性檢驗的有地面儀器支撐的重要場地之一，敦煌場同時為國外對地觀測衛星的輻射定標和真實性檢驗提供地面場地同步測量數據[11-15]，在國內外遙感定量化應用領域具有不可替代的作用。

2015年12月國家衛星氣象中心完成了敦煌場自動化觀測基地建設，實現了敦煌場地表反射波段輻射特性參數（包括表面雙向反射分布函數（BRDF）、輻亮度）與大氣狀態參數（包括大氣輻照度、透過率、氣溶膠光學厚度、水汽總量、全天空云量、臭氧總量、溫度、濕度、壓強等）的全天候自動觀測。所有過境遙感衛星反射波段均可利用自動觀測數據實現連續自動輻射定標[16-18]。

敦煌場因其得天獨厚的表面均勻、氣候干燥等特性而被選作遙感輻射校正場，同時也具有豐富的太陽能、風能資源。2016年12月，位于敦煌場外圍南側的10 MW熔鹽塔式光熱發電項目（小電站）建成并投入使用[19]。2018年12月100 MW熔鹽塔式光熱發電項目（大電站）投入使用[20]。

然而，光熱電站集熱塔的散射輻射對敦煌場區光環境變化帶來的影響需要開展深入細致的研究。本文著重研究集熱塔頂吸熱器的散射輻射，使用模型評估與實測分析相結合的方案對其影響進行定量分析。

2 散射輻射引起的光環境變化分析

2.1 模型模擬

利用Monte Carlo三維輻射傳輸模擬方法[21]，模擬計算集熱塔頂吸熱器反射光經大氣多次散射后被衛星觀測到的輻射能量分布情況。

由于集熱塔頂吸熱器的反射光不同于太陽等自然平行光源，而是非平行光源（圖1）；同時，探求反射光對鄰近像元的影響本質上是一個三維輻射傳輸問題，因此，大氣科學領域常用的許多針對太陽和地球輻射的平面平行輻射傳輸求解方法，并不適用于集熱塔反射光的輻射傳輸模擬研究。在非平行穩態光源問題和三維輻射傳輸問題方面，Monte Carlo方法是一種常用的理論模擬工具。

圖 1 在自動觀測基地附近觀察到的工作狀態的集熱塔Fig. 1 Heat collection tower in working condition observed from the automatic observation base

圖 2 等高線測量角度示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the almucantar measurement angle

Monte Carlo方法是一種隨機模擬方法，它并不求解輻射傳輸方程，而是對輻射傳輸的實際過程進行直接模擬。在應用Monte Carlo方法模擬集熱塔反射光的輻射傳輸過程時，模擬程序從光源處連續釋放具有初始能量權重的光子，并且在大氣介質中逐個跟蹤這些光子的運動路徑。由光源發出的光子在大氣介質中將被散射和吸收。結合計算機產生的在適當區間上均勻分布的隨機數以及構建的與散射過程有關的概率分布函數，可以確定光子每一次散射后的行進路程和方向。光子若被介質吸收，Monte Carlo方法根據介質的單次散射吸收比的數值來調整該光子的能量權重值，然后光子以新的能量權重在新的方向上繼續前進。追蹤過程一直重復下去，直到所用的光子達到一定數目，符合預期的精度，則結束此次隨機模擬過程，并統計最終的大氣頂出射能量分布，其用出射的光子數表示。根據上述過程，可以模擬得到衛星觀測到的由集熱塔光源發出并經大氣多次散射后到達衛星入瞳處的輻射能量分布情況，所需要的相關參數如表1定義。

表 1 模擬的相關參數定義Tab. 1 Definitions of parameters in the simulation

2.2 實測分析

集熱塔頂吸熱器的表面材料為白色，經陽光匯聚后目視明亮。但與太陽相比，吸熱器所造成的漫射光較為微弱，如何將其與原有的天空漫射輻射相剝離是測量的關鍵。如果與早期集熱塔未建成，不存在光源的時候進行對比，即使在相同的觀測幾何下，由于大氣狀態的差異，也很難保證天空漫射輻射不發生變化。

敦煌場區自身的漫射輻射近似滿足以太陽到觀測點連線為中心的旋轉對稱分布[22]。所以當大氣足夠穩定、晴空無云、氣溶膠與下墊面分布均勻時，可以用靠近塔頂吸熱器的漫射輻射減去遠離吸熱器、相對于太陽對稱位置的漫射輻射，以二者的差值代表單純由吸熱器漫射輻射產生的影響。

上述方法可利用CE318等高線觀測模式獲取的數據進行驗證。CE318可實現在不同太陽高度位置，360°旋轉測量等高線上的天空漫射輻射。這樣的觀測模式為實際測量吸熱器漫射輻射提供了可能。為了排除云的影響，需要使用云量自動觀測儀輻射選取晴空數據參與計算驗證。

2.2.1 觀測儀器

法國Cimel公司生產的CE318太陽光度計[23]相關參數如表2、表3所示。表2 中S代表對太陽觀測，A代表對太陽周邊光暈觀測，K代表對天空光觀測。

表 2 CE318通道設置Tab. 2 CE318 channel specifications

表 3 CE318性能參數Tab. 3 CE318 performance parameters

表3 說明CE318的動態范圍增益可調，量化等級達15位，觀測天空漫射輻射的輸出計數值在103量級，可以滿足定量分析吸熱器散射輻射的需求。

為了確保天空漫射光觀測數據中沒有云底輻射的干擾，使用安徽云能天智能科技有限責任公司生產的ASC200云量自動觀測儀對觀測時刻的云量進行監控。儀器相關參數如表4所示[24]。

表 4 ASC200性能參數Tab. 4 ASC200 performance parameters

CE318是目前國際上非常通用的一款自動太陽光度計，它采用濾光片分光的通道式設計。與光柵或棱鏡分光的高光譜儀器相比可獲得更可靠的觀測數據，但無法實現全波長范圍的觀測。由于現階段缺少整個太陽反射波段高光譜等高線觀測設備，使用半球天空漫射輻射高光譜數據描述天空漫射光的譜形特征。所使用的自動觀測儀器為由安徽光學精密機械研究所開發的漫射/總輻射比測量設備HIM。HIM的相關參數如表5所示。

表 5 HIM性能參數Tab. 5 HIM performance parameters

2.2.2 等高線測量數據篩選依據

利用CE318自帶的等高線測量模式[23]，在每天的固定時刻與大氣質量數下，收集等高線測量數據。測量角度間隔如圖2(彩圖見期刊電子版)所示。圖2中Φ表示角度間隔，CE318等高線測量模式首先從太陽位置開始，保持高度角不變，方位角從0°掃描至+180°（almucantar right，ALR）。然后回到太陽位置，保持高度角不變，方位角從0°掃描至?180°（almucantar left，ALL）。其中方位角是太陽方位角與觀測方位角的差值。ALR方位角的變化間隔為0°S、3.0°A、3.5°A、4.0°A、5.0°A、6.0°A、6.0°K、7.0°K、8.0°K、10.0°K、12.0°K、14.0°K、16.0°K、18.0°K、20.0°K、25.0°K、30.0°K、35.0°K、40.0°K、45.0°K、50.0°K、60.0°K、70.0°K、80.0°K、90.0°K、100.0°K、120.0°K、140.0°K、160.0°K、180.0°K。ALL方位角變化間隔與其互為相反數。

觀測數據的質量控制閾值如表6所示。為保證天空漫射輻射符合對稱分布，僅選擇云量為零的觀測數據參與計算。利用CE318的觀測數據計算氣溶膠光學厚度[25]，刪除光學厚度大于0.2的點。同時要求ALL與ALR的觀測時間差異在1 min以內。當距離集熱塔的投影大于5 km時，要求ALL與ALR觀測數據相對偏差的標準差要小于1%。這一限制不適用于距離小于等于5 km的數據，這是為了保留塔頂吸熱器輻射帶來的偏差。但仍需要通過人工判讀的方式剔除5 km內與電站無關的明顯抖動數據。當太陽與吸熱器的夾角過小時，與吸熱器對稱的太陽位置也可能會受到影響，所以要求太陽與吸熱器的地面投影距離大于2.5 km。同時要求大小電站位于太陽的同側，以避免大小電站彼此出現在對稱位置或離對方的對稱位置過近的情況。

表 6 觀測數據的質量控制閾值Tab. 6 Quality control threshold of observation data

為了盡可能地利用有效數據，未設置電站在等高線上的投影角度與觀測節點角度的差異閾值。但是需要明確的是投影角度越接近節點角度，所得結果越接近真實情況。

2.2.3 四象限定位誤差的修正

由于存在四象限定位誤差，晴空時ALL與ALR測量得到的光暈輻射差異較大。如表3所示CE318四象限定位精度為0.1°，對應光暈觀測值的相對差異達10%，這將嚴重影響對天空漫射輻射對稱性的判斷。

本文提出了對四象限定位誤差進行修正的算法。在敦煌天空漫射輻射符合旋轉對稱分布的前提下，設計如下定位修正公式。

式（1）中x=[?6 ?5 ?4 ?3.5 ?3 3 3.5 4 5 6]，其為ALL與ALR觀測太陽光暈時的相對方位角，單位是“°”。之所以不使用更大的角度參與計算是因為電站相對方位角一般大于50°，如果將電站附近的數據納入回歸將減小電站可能存在的影響。v(x)是光暈模式下與x對應的輸出計數值，v0a是定標系數，單位是W·m?2·sr?1·μm?1。a1、a2、a3是最小二乘回歸系數，其中a2的數值代表了四象限定位誤差。

2.3 模型模擬與實測分析相結合的定量分析方法

模型模擬是以中心點（衛星觀測天頂角為0°，距離塔頂為0 km）為基準值1求取相對衰減分布，無法計算得到絕對的輻射量值。實測方法可以得到真實的漫射輻射量值，但僅在某幾個位置有實測數據的觀測幾何，無法遍及每個觀測天頂角與距離。特別是極端靠近或遠離塔頂時無法獲取有效的實測數據。

為了實現對集熱塔散射輻射的定量分析，采用模型模擬與實測分析相結合的方法，即先借助模型模擬得到散射輻射相對于中心點的相對分布，再利用實測數據得到這個相對分布上某個點的實際散射輻射量值；繼而推算出其他位置上的實際量值。

3 結果與分析

3.1 集 熱 塔 頂 吸 熱 器 散 射 輻 射 模 型 模 擬 結 果

使用Monte Carlo方法開展輻射傳輸模擬計算，對集熱塔周圍大氣的影響開展定量分析。

圖3 ( 彩圖見期刊電子版)為衛星觀測到的集熱塔反射光的輻射能量水平分布示意圖（衛星觀測天頂角為0°，觀測方位為正北方向）。模擬結果如表7所示。

圖 3 衛星觀測到的集熱塔反射光的輻射能量水平分布示例Fig. 3 An example of the radiant energy level distribution of the light reflected by the heat collection tower observed by the satellite

表 7 衛星觀測到的集熱塔反射光的輻射能量相對分布情況Tab. 7 The relative distribution of the radiant energy of the light reflected by the heat collection tower observed by the satellite

結果顯示集熱塔對大氣輻亮度的貢獻與距離及衛星觀測天頂角相關。設集熱塔所在像元在衛星觀測天頂角為0°時的觀測輻射為基準值1，距離集熱塔3 km時，垂直觀測時對大氣的影響為1.97%，觀測天頂角為50°時對大氣的影響可達2.69%。

3.2 對集熱塔頂吸熱器散射輻射的實測結果

圖4 為2020年3月2日協調世界時（UTC）7:00:05時刻ASC200云量自動觀測儀拍攝到的一幅云量為零時的紅外云圖。

圖 4 2020年3月2日UTC 7:00:05時刻ASC200云量自動觀測儀紅外云圖Fig. 4 Infrared cloud image obtained from ASC200 cloud cover automatic observer at 7:00:05 UTC on March 2, 2020

與傳統的可見光成像儀相比，紅外成像儀云圖太陽周圍沒有光暈，邊界清晰，可避免光暈被誤判為云的情況。圖4左下角邊緣處的兩個亮點中，稍亮的為工作中的大電站，稍暗的為待機中的小電站。

為了保證天空漫射輻射的絕對測量精度，于2019年12月11日至20日在中國氣象科學研究院頂層平臺對所使用的CE318進行了標定。采用基準儀器MASTER傳遞溯源方式[26]，使用標準機#746對儀器進行了定標。定標后，反演的光學厚度與MASTER的相對差異在2%以內。

完成定標后，將CE318安裝于敦煌自動觀測基地，開展了為期3個月的自動觀測。對2020年1月8日—3月31日收集到的CE318等高線觀測數據進行質量控制。共采集等高線觀測數據4 011組（觀測間隔小于1 min的ALL與ALR組合）。按照表6對觀測數據進行篩選后，獲得有效數據26組，如表8所示。

表 8 各級篩選后有效觀測數據量值統計（組）Tab. 8 Statistics of effective observation data after being selected at different levels (group)

其中篩選項目分別為：

(a)觀測間隔小于1 min的ALL與ALR組合；(b)云 量<0；(c)光 學 厚 度<0.2；(d)ALL與ALR相對偏差的標準差<1%（與大電站的投影距離>5 km)；(e)ALL與ALR相 對 偏 差 的 標 準 差<1%（與小電站的投影距離>5 km)；(f)太陽與大電站的投影距離>2.5 km；(g)太陽與小電站的投影距離>2.5 km；(h)大小電站在太陽的同側。

CE318在1 020、1 640、870、675、440 nm和500 nm這6個通道開展等高線觀測。比較CE318測量的6個通道天空漫射輻射數據，發現波長越長，通過（d）和（e)篩選的有效數據組數越少。這由該波段漫射輻射抖動的劇烈程度與儀器的靈敏程度共同決定。1 640 nm有效數據多于1 020 nm的原因是1 640 nm采用的是銦鎵砷探測器，符合所設定的質控標準且有效數據大于3組的通道只有440 nm和500 nm。因此針對這兩個通道展開具體的分析，統計結果如表9和表10所示。其中小電站相對于場地自動觀測基地距離2.86 km，方位角為110.48°。大電站相對于場地自動觀測基地距離3.83 km，方位角為149.98°。

表 9 吸熱器散射輻射帶來的相對偏差（440 nm）Tab. 9 Relative deviation due to scattered radiation from the heat absorber (440 nm)

表 10 吸熱器散射輻射帶來的相對偏差（500 nm）Tab. 10 Relative deviation due to scattered radiation from the heat absorber (500 nm)

在表9和表10中，AOD表示氣溶膠光學厚度，Sz與Sa分別是太陽天頂角與方位角，Beta=a_2是四象限定位修正角。HB與HS分別代表等高線處于大小電站上方的距離，on表示電站的工作情況，1為正常工作，0為待機。DegB與DegS表示太陽方位角與大小電站方位角的差值。DdegB與DdegS表示大小電站與等高線觀測節點角度差。RdevB與RdevS表示四象限定位修正前大小電站與太陽軸對稱位置處的輻亮度的相對偏差，RdevBr與RdevSr則表示四象限定位修正后大小電站相對偏差。

圖5 給出表9與表10中有效數據對應時刻的全天空漫射輻射相對光譜分布圖，并與CE318不同通道光譜響應函數進行了對比。由于HIM在2020年2月27日出現故障，所以缺少這天的數據。從圖中可以發現在440 nm和500 nm這兩個通道天空散射輻射能量的分布是最強的，相對而言，信噪比高，受大氣波動影響小。這樣可以從譜形分布角度說明僅440 nm和500 nm通道滿足篩選要求是合理的。

圖 5 歸一化的全天空漫射輻射光譜與CE318不同通道光譜響應函數Fig. 5 Normalized full sky diffuse irradiance and CE318 spectral response function

太陽的天頂角越大，等高線距離塔頂的距離也就越近，但很難獲得等高線離吸熱器距離非常近的點。已知大電站集熱塔高度為260 m，太陽在這個高度時已經接近傍晚，吸熱器的亮度有限，所造成的散射輻射與天空漫射輻射都淹沒在觀測噪聲中無法測量。在表9和表10中，觀測距離范圍是0.65~3.55 km。可以發現滿足質量控制的數據中，小電站正常工作的數據較少，僅有4條。下面僅以大電站正常工作時的數據進行分析。

疊加吸熱器輻射的天空漫射輻射理論上應該大于沒有疊加的那一邊。但是440 nm和500 nm通道的RdevBr有為負的情況，最小值分別為?2.07%（03?09 09:59）和?3.65%（03?03 08:03）。負值的存在說明雖然制定了嚴格的質量控制標準，但所確定的有效觀測中，等高線上的天空漫射輻射還是存在小范圍的波動。具體比較上述兩個通道相對偏差RdevBr最小的情況如圖6與圖7(彩圖見期刊電子版)所示。

圖 6 440 nm通道RdevBr為最小值（?2.07%）時對應時刻（03?09 09:59）的輻亮度(a)與相對偏差(b)Fig. 6 Radiance (a) and relative deviation (b) at the corresponding time (03?09 09:59) when the 440nm channel RdevBr is the minimum (?2.07%)

圖6 與圖7中圖例RdB、RdBr、RdS、RdSr、Rd、Rdr分別代表RdevB、RdevBr、RdevS、RdevSr和修正前后電站所在半等高線與對稱半等高線天空漫射輻射的相對偏差Rdev和Rdevr。Std是1 min內ALL與ALR觀測天空漫射輻射相對偏差的標準差。StdB與StdS分別是距離大、小電站投影距離大于5 km的ALL與ALR的標準差。圖6的Rdr明顯存在一個獨立于電站影響的波動，圖7的Rdr波動則更為明顯。電站對漫射輻射的增益無法抵消波動帶來的減小，因此對應的RdevBr為負值。為了保留吸熱器輻射帶來的偏差，未對方差過大的距電站投影距離≤5 km的數據進行篩除，因此需要進一步通過人工判讀的方式剔除5 km內與電站無關的明顯抖動數據。據此人工剔 除440 nm 03?09 09:59時 刻，500 nm 03?03 08:03、02?27 07:03時刻的數據。

圖 7 500 nm通道RdevBr為最小值（?3.65%）時對應時刻（03?03 08:03）的輻亮度(a)與相對偏差(b)Fig. 7 Radiance (a) and relative deviation (b) at the corresponding time (03?03 08:03) when the 500 nm channel RdevBr is the minimum (?3.65%)

對篩選后的數據進行統計對比，440 nm大電站工作時的RdevBr均值為?0.57%，方差為0.51%，小電站待機時的RdevSr均值為?0.59%，方差為0.82%。說明大電站附近的天空漫射輻射平均值略小于太陽對稱位置的輻射值，疊加吸熱器的輻射也未能改變。待機狀態小電站的RdevSr反映的是自然情況下天空漫射輻射的差異。小電站附近天空漫射輻射與對稱位置輻射的差異以0.82%的方差略有波動。在440 nm工作狀態大電站未對天空漫射輻射帶來明顯影響。

500 nm大電站工作時的RdevBr均值為0.27%，方差為0.67%。小電站待機時的RdevSr均值為?0.15%，方差為0.66%。說明500 nm工作狀態大電站會對天空漫射輻射帶來微小影響。對應的RdevBr最大值為0.93%（01?25 09:04），如圖8（彩圖見期刊電子版）所示。說明在有效數據對應的觀測幾何下（距離HB 0.87~3.07 km，觀測天頂角Sz 77.30°~51.32°）吸熱器對天空漫射輻射的影響不超過0.93%。

圖 8 500 nm通道RdevBr為最大值（0.93%）時對應時刻（01?25 09:04）的輻亮度(a)與相對偏差(b)Fig. 8 Radiance (a) and relative deviation (b) at the corresponding time (01?25 09:04) when the 500 nm channel RdevBr is the maximum (0.93%)

3.3 模型模擬與實測分析相結合分析

表10 說明RdevBr隨距離的變化規律不明顯。為了進一步分析大電站吸熱器散射輻射的影響，下面與模型模擬的結果結合起來分析。

以500 nm為例，實測有效數據中觀測天頂角最小為51.32°，對應與大電站的距離為3.07 km，最接近于表7中3 km、50°時的情況（0.027）。觀測天頂角最大為77.30°，與大電站的距離0.87 km，對表7數據開展二維插值外推，可計算得到相應值為0.10。根據實測結果吸熱器對天空漫射輻射的影響不超過0.93%，與0.027等比例換算后可得到大電站漫射輻射與太陽對稱位置的相對偏差隨距離與觀測角度變化情況，如表11所示。與0.10等比例換算時表11的數值還要再減小3.7倍，保守起見以對漫射輻射影響最大的數據作為分析依據。

表 11 大電站散射輻射帶來的天空漫射輻射相對變化隨距離與觀測角度變化(%)Tab. 11 The relative change of the sky diffuse radiation caused by the scattered radiation from the large power station changes with distance and the observation angle (%)

4 結 論

文中定位修正對均勻性判斷結果的影響是明顯的。有效數據中四象限定位修正角平均值為0.11°，接近儀器官方標稱精度（0.1°）。修正前后數據對的相對偏差在方位角小于50°時較為明顯。以3°光暈處電站所在半等高線與無干擾半等高線相對偏差為例，修正前的平均相對偏差達?9.18%，修正后僅為?1.34%。如果不使用修正，有效數據個數將從26組降低為5組。此方法對CE318天空漫射測量數據的準確使用具有借鑒意義。

收集2020年1至3月滿足設定閾值的CE318數據顯示對于440 nm通道，工作狀態大電站未對天空漫射輻射帶來明顯影響。除了500 nm通道，在有效數據對應的觀測幾何下（距離HB 0.87~3.07 km，觀測天頂角Sz 77.30°~51.32°）吸熱器對天空漫射輻射的影響不超過0.93%。與模型模擬的結果結合起來分析后，可以得出當距離電站2 km時大電站散射輻射帶來的天空漫射輻射相對變化<2%，大于等于3 km時相對變化<1%的結論。

綜上，中國遙感衛星輻射場敦煌場區周邊的光電項目建設和運行對場區光環境變化影響極為有限，不會對已有的場區地表、大氣觀測設施和觀測數據造成影響。

致謝：感謝敦煌市氣象局和敦煌光電產業園的各位同仁在收集相關信息資料時給予的大力幫助。