海洋区域大气CO2卫星遥感观测模型及仿真研究

姜 通，曹 琼，温 渊

（上海卫星工程研究所，上海 200240）

0 引言

因大气CO2约占了温室气体排放量的80%，通常被认为是导致全球气候变暖的最主要因素之一［1］。用卫星平台进行CO2监测，可提供更多全球范围内的高分辨率测量结果，能帮助科学家们更好地理解大气CO2及其在碳循环中的地位，对提高预测CO2等温室气体在大气中的浓度上升对气候的影响有重要意义［2－3］。对卫星遥感探测 CO2来说，海洋区域占了绝大部分观测下垫面。因CO2吸收光谱带内的太阳辐射经海水反射后进入载荷入瞳能量较低，故载荷在海洋区域的观测模式不能采用陆地情况下的天底观测，需用平静水面的镜面反射特征寻找海洋耀斑点进行观测。采用卫星遥感技术监测全球范围、高精度大气CO2需解决不同观测下垫面的观测模式问题。目前，还未有相关天基耀斑观测模式完整详细报道，部分文献仅阐述了耀斑观测的必要性和原理，并未涉及具体的计算模型及观测流程控制等核心内容［4－5］。本文对海洋耀斑观测模型进行了研究，并进行了仿真模拟分析。

1 耀斑观测模式及区域分布

用卫星平台进行全球大气CO2监测主要使用光学遥感探测手段，由大气分子对太阳光谱特定波段的吸收信息反演出CO2柱浓度含量。大气CO2吸收谱段主要位于近红外与中红外区域，其中近红外吸收带对底层CO2较敏感，而中红外吸收带与对流层中上层关系密切。目前，卫星遥感CO2混合比的主流谱段为1.6μm，该波段内其他气体的吸收线很少，只有少量的水汽吸收［6－8］。另外，在该波段 CO2的吸收线强度不大，吸收线不会因CO2含量的变化达到饱和，故吸收的强度随CO2含量增加近似于线性变化。日本的GOSAT与美国的OCO（发射失败）卫星均将1.6μm光谱吸收带作为探测CO2主通道［9－10］。

对采用近红外1.6μm作为CO2探测通道的卫星载荷来说，在地球表面为陆地时的观测模式为天底观测（Nadir），通过卫星平台的推扫或载荷扫描镜的摆扫获取不同经纬区域的大气CO2含量信息。与陆地表面漫反射方式不同，海洋水体在该波段除镜面反射外无离水辐射，若采用陆地的天底观测方式，则会因无法获取有效下垫面辐射信号而使海洋上方CO2无法反演。

针对海洋条件的下垫面反射特性，一种有效的探测方式是测量水体镜面反射即太阳耀斑。依据光学原理，有效探测应保证载荷观测方位与太阳在同一个平面即主平面内进行观测，同时应保证观测天顶角θi与耀斑位置的太阳天顶角θr相等，如图1所示。设地球球心为O，太阳矢量为RSUN，卫星矢量为RSAT，耀斑位置矢量为RM。根据耀斑观测成立的条件，矢量RSAT－M与RSUN－M应在同一主平面内，且θi，θr相等。

图1 海洋耀斑观测Fig.1 Sunglint observation mode

卫星观测时，全球陆海分布以及南北极附近的海洋区域太阳天顶角较大，辐射能量不能满足探测CO2信噪比要求等条件，因此耀斑观测有效范围主要位于中、低纬度（－35°，35°）区域，如图2所示。图中阴影区域为耀斑观测区域［4］。

对大气CO2卫星遥感探测，卫星轨道一般选太阳同步轨道，可覆盖全球大部分范围。此外，针对我国的地理经纬度分布特点，卫星轨道升交点一般取为下午（13：30附近）时刻，满足卫星在我国上空区域时，达到载荷入瞳处的辐射能量值为最大。因此，根据大气CO2卫星遥感的轨道参数特点，耀斑点始终出现在卫星星下点的某一侧：轨道为顺时针方向，耀斑出现在卫星飞行方向的右侧方位；轨道为逆时针方向，耀斑出现在卫星飞行方向的左侧方位，如图3所示。黑色圆点为星下点，黑色菱形点为耀斑点出现方位。

图2 天底与耀斑观测分布Fig.2 Distribution of nadir and sunglint observation mode

图3 耀斑观测方位Fig.3 Observation azimuth of sunglint mode

2 耀斑位置计算

卫星飞行到海洋区域上空，星上程序实时寻找耀斑点，控制载荷扫描镜的二维转动角度指向该点进行数据采集，上述功能的实现需提前在地面确定在轨耀斑计算模型。

设卫星工作模式切换到耀斑观测时，卫星星下点位置为P；太阳直射点为S；t为点S，P间的经度差，称为时角；δ为太阳直射点的纬度（太阳赤纬）；φ为星下点纬度，如图4所示。其中：点P的地理经纬度（λ，φ）由卫星平台实时提供获得，可作为已知量。

图4 耀斑点位置Fig.4 Position of sunglint point

设耀斑位置在点M，可认为太阳光束平行入射到地球表面，图4中BM为耀斑点太阳入射光线，QP为星下点太阳入射光线，BM∥QP，因此星下点太阳天顶角与耀斑点太阳天顶角差别仅是由地球表面曲率引起。考虑大气CO2遥感卫星的地面轨间距大小以及地球数据的全覆盖，二维扫描镜在穿轨方向扫描范围一般在0～500km附近。在此范围区域内，可忽略地球区域对角度的影响，认为星下点的太阳天顶角极为耀斑点的天顶角。因此，只需计算星下点P的太阳天顶角及方位角，就可确定耀斑点位置。

a）太阳天顶角

点P位置的太阳天顶角度

其中，太阳赤纬δ与t可由λ，φ精确求解，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。此处：J为Julian日期。

对已知经度λ，当地时间TMST可表示为

式中：TGMT为格林尼治平时。对TMST进行校正，以求得精确的当地时间

式中：TET为校正时，且

此处：B＝2πJ／365；α1＝0.000 075；α2＝0.001 868；α3＝0.032 077；α4＝0.014 615；α5＝0.040 849。则有

b）太阳方位角

可用球面三角正弦公式计算星下点太阳方位角χ（从正南方向顺时针旋转），有

χ是太阳方位角。则有

3 在轨耀斑位置数据模拟

用STK软件对大气CO2遥感卫星进行耀斑观测模拟［11－12］。设卫星运行于太阳同步轨道，轨道高度700km，升交点13：30。设置软件可获取卫星星下点的实时经纬度及观测时间等数据，与卫星未来在轨耀斑工作实际较一致。卫星飞行一轨的轨迹分布如图5所示。粗实线为太阳光照区，模拟耀斑观测区域在其中选取。因耀斑主要分布于中低纬度区域，取模拟耀斑观测起始点经纬度为（－40.674°，－127.006°），对应的观测时间为2011－07－02 22：26：10（UTGG）；耀斑观测结束点经纬度为（40.545°，－146.674°），对应的观测时间为2011－07－02 22：48：40（UTGG）。用本文耀斑位置计算方法所得耀斑观测区域太阳天底角和方位角如图6所示。模拟时间为7月份，太阳直射北半球，天顶角变化曲线显示星下点的太阳天顶角在南半球高于北半球，与实际情况吻合。图中太阳方位角均大于180°，说明耀斑位置均在同一侧方向。

图5 STK模拟耀斑观测区域Fig.5 Sunglint observing area by STK simulation

耀斑观测时要求耀斑点、太阳与卫星在一个主平面内，且卫星观测天顶角与耀斑点的太阳天顶角相等，根据星下点的太阳方位角和天顶角数据分别转动载荷扫描镜长轴（穿轨方向）与短轴（沿轨方向），就可使指向镜指向耀斑点，从而获取海洋区域大气CO2的数据。扫描镜转动过程如图7所示。

图6 太阳天顶角与方位角Fig.6 Sun zenith and azimuth

图7 载荷扫描镜寻找耀斑转动角度Fig.7 Running angle sketch map of pointing mechanism

4 结束语

本文对低反射率海洋地表的耀斑观测模式进行了研究，给出了耀斑位置计算及载荷扫描镜在轨耀斑点寻找方式。STK软件模拟结果表明，用本文方法可获取寻找耀斑点位置的关键参数，实现海洋区域耀斑观测要求。

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