地球辐射收支卫星观测和气候应用

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一、引言

地球通过吸收太阳辐射并向外射出长波辐射与外界进行能量交换，卫星可直接观测地气系统能量变化，即地球辐射收支（ERB）。其观测基本量包括直接入射太阳辐射、地气系统反射的短波辐射及发射的长波辐射。辐射收支的卫星观测用来定量研究地球与太空之间的能量交换，是研究驱动地球天气气候机制最基本的观测之一。

地球辐射收支观测的历史与航天发展几乎平行，被称为“卫星气象之父”的美国著名科学家Suomi于1958年首次提出卫星地球辐射收支观测概念[1]，并在1959年发射的探索者6号（Explorer-6）卫星上第一次成功实现，开启了卫星气象的新纪元。同年10月，Explorer-7搭载了地球辐射收支观测仪器，持续观测7个月得到了很多开创性成果[2]。1964—1970年是7颗雨云（Nimbus）系列卫星的时代，它验证了大气科学试验的一些概念。Smith等提出了检验地球辐射收支的方法，改进的仪器搭载在Nimbus-6和Nimbus-7卫星上，包括了宽波段非扫描和两轴扫描辐射计[3]。雨云卫星数据在气候研究中起到了重要的作用，如起始于1978年太阳常数的连续准确观测、太阳能量的年平均变化特征、地球辐射收支的年平均特征及云的辐射作用、能量传输和年际变化等[4]。1980年代科学家们提出了地球辐射收支试验（ERBE）计划[5]，连续三颗业务卫星ERBS、诺阿9号（NOAA-9）和NOAA-10同时搭载了ERBE的宽波段非扫描和扫描仪器，实现了十余年的地球辐射收支长期观测。1990年代云和地球辐射能量系统（CERES）的发展是地球辐射收支观测的一个飞跃[6]，不仅延续了ERBE算法，更进一步关注云和辐射的相互作用，发展了更先进的仪器和科学算法。2011年发射的Soumi NPP和2017年发射的NOAA-20卫星都携带了CERES载荷，至今已连续积累二十多年观测数据。欧洲于2002年第一个将地球辐射宽波段仪器（GERB）[7]搭载在静止卫星Metersat上，可获取更高时空分辨率卫星观测。我国2008年发射的风云三号A星（FY-3A）搭载了地球辐射探测仪（ERM）和太阳辐照度监测仪（SIM），是我国首次进行的地球辐射收支观测[8]。除了辐射观测仪器外，NOAA等卫星虽然没有专门的辐射收支仪器，但通过多波段的观测可以从窄波段转换成辐射通量。但由于宽窄波段转换的辐射通量并不是真实的量，具有一定的误差，因此发展专门观测辐射收支的仪器成为一个方向，本文主要针对星载辐射收支仪器的发展及应用进行回顾。

二、星载辐射收支观测国内外的发展

1. 地球辐射收支探测仪（ERB）

地球辐射收支探测仪是第一台专门设计用于探测地球辐射收支的仪器，分别于1975年和1978年搭载在Nimbus-6和Nimbus-7卫星上，利用扫描式辐射计的观测可以确定反射太阳辐射和地球射出辐射的方向性以及区域的辐射平衡。考虑早期的辐射收支仪器衰减问题，在扫描辐射计中配有在轨定标装置，但在非扫描仪器中没有该装置。虽然利用黑体定标和其它的验证技术，对仪器出现的严重衰减进行了订正，但因为漫反射板的衰减，无法进行太阳定标，所以扫描式辐射计只工作了19个月，而宽视场非扫描辐射计和太阳监视仪连续提供了高质量数据，直到1993年停止观测。

2. 地球辐射收支试验（ERBE）

1984年10月15日，地球辐射收支卫星发射升空。卫星上搭载的ERBE由两个独立但互相补充的仪器组成：窄视场扫描辐射计和宽视场非扫描辐射计。其中，窄视场扫描辐射计包括三个通道：短波（0.2～5μm）、长波（5～20μm）和全波（0.2～＞100μm）；宽视场非扫描仪器由中视场（视场角大约5°）和临边视场（视场角大约120°）对地观测通道以及太阳观测通道组成，对地观测包括短波和全波两个通道，太阳观测只有一个全波通道。

对于卫星轨道覆盖的研究表明，单颗低轨卫星的观测不能提供用户区分天气、季节和昼夜变化所需的足够观测，一颗太阳同步轨道卫星的观测不能区分天气和季节的变化，如果与之配合一颗倾角为57°的卫星，可在两个月的时间内提供在各地观测地球南北纬57°之间所有地区的数据。有了两颗卫星的数据，就可以通过日变化分析天气和季节变化。如果在NOAA-TIROS系列业务卫星上搭载ERBE，不仅可借助其轨道，而且搭载的其他仪器，如AVHRR的数据还可作为ERBE数据分析的辅助。但在57°到极地的区域，没有中倾角卫星数据。为了保证足够的昼夜覆盖，还需要在另外一颗太阳同步轨道卫星上搭载仪器。对于卫星时间采样覆盖率的研究表明，满足充分采样需要三颗卫星组成观测系统。于是，ERBE分别搭载在ERBS、NOAA-9和NOAA-10三颗卫星上于1984～1986年发射升空，组成ERBE全球观测系统。ERBS位于倾角57°的轨道上，NOAA-9和NOAA-10则位于太阳同步轨道上。从1984年11月到1990年2月，三颗卫星对大气顶辐射进行成功观测，美国国家航空航天局（NASA）辐射收支研究工作研制的ERBE算法成为ERBE以后的辐射收支仪器ERBE-LIKE产品的算法基础。

3. 云和地球辐射能量系统（CERES）

进入1990年代，受到ERBE扫描辐射计在轨稳定且长期成功运行的鼓舞，扫描式辐射能量收支观测成为主流。CERES就是继承了ERBE扫描式辐射计和在轨定标系统的成功经验，并对其进行了改进。

CERES是高精度的热敏辐射计，有三个通道，短波和全波通道与ERBE相近，以8～12μm窗区通道替代5～20μm的长波通道。利用星上定标可以将辐射标定精度较ERBE提高一倍。改进的热敏探测器响应时间减小了探测视场角，将空间分辨率提高到20km。电子设计上的改进使CERES仪器使用寿命更长，且测量噪声更低。1997年11月27日日本热带降雨观测卫星（TRMM）发射升空，开始了CERES观测时代。1999年和2002年美国地球观测系统（EOS）计划中的“土”（Terra）和“水”（Aqua）卫星发射升空，其上均搭载两台CERES，与TRMM卫星组成新的三星观测系统。

在EOS的两颗卫星上同时搭载两台CERES，一台横跨轨道扫描，实现正常对地观测；另一台进行方位扫描，用于建立辐射通量换算的角度分布模型。对于CERES观测数据处理除采用ERBE处理算法生成ERBE-LIKE产品，还采用一种新的综合算法，即将CERES与其同时搭载的成像仪器如MODIS、VIRS数据综合分析，利用高分辨率成像仪器观测数据进行像元判识，获取云量、云高、光学厚度等参数，并利用静止卫星数据进行时间采样插值，这些信息的引入能够将辐射通量计算精度提高一倍。利用CERES新的算法生成的产品包括表面产品和大气产品，表面产品包括提高精度的大气顶辐射通量，和直接利用地面辐射通量与大气顶辐射通量相关性计算地面辐射通量的产品；大气产品则包括利用成像仪观测反演的云参数、大气温度和湿度场、卫星观测的臭氧、气溶胶数据、地表辐射参数和宽波段辐射传输模式计算的地面、大气特征层向上和向下辐射通量。可见，CERES强调云对地球辐射收支和气候系统的反馈作用。

4. 风云卫星辐射收支观测（FY-3 ERM/SIM）

我国FY-3系列气象卫星搭载了地球辐射收支仪，这是我国自行研制的第一代地球辐射收支观测仪器，由两台仪器组成，太阳辐照度监测仪（SIM）和地球辐射探测仪（ERM）。太阳辐照度监测仪观测0.2～50μm太阳辐射通量，定标的精度为0.5%；地球辐射探测仪包括宽视场非扫描辐射计和窄视场扫描辐射计，各有两个探测通道：短波0.2～＞3.8μm通道和全波0.2～50μm通道，非扫描视场宽度为120°，扫描视场宽度为2°×2°；对于定标精度，短波为1%，全波通道为0.5%。FY-3系列卫星将包括5颗卫星，预计可以提供15～20年的地球辐射收支观测数据，经过地面数据处理，可以提供大气顶短波、长波辐射通量、地面及大气中各层辐射收支产品以及相关云产品等。

目前FY-3辐射收支轨道产品包括以下参数：大气顶太阳向下辐射通量、大气顶向上短波辐射通量、大气顶向上长波辐射通量、扫描视场云量、扫描视场地表类型、扫描视场类型、长波和短波角度方向模式。其处理流程是利用卫星观测数据经过辐射定标处理、太阳高度角订正、光谱订正和角度方向订正等过程计算辐射通量。算法包括ERM扫描视场大气顶向下太阳辐照度计算、云和地表类型处理、扫描视场类型识别、辐亮度光谱订正处理和大气顶的辐射通量计算。

5. 其他观测仪器（ScaRAB）

扫描辐射收支仪（ScaRAB）由法国、德国、俄罗斯三国研制而成，1994年搭载在俄罗斯的METER-3极轨气象卫星上发射升空，该仪器有四个通道，除两个宽波段通道外，还包括一个可见光和一个红外窗区通道。ScaRAB在工作一年后因故障而停止观测，未能提供长期的辐射收支观测；第二台 ScaRAB 1998年搭载俄罗斯的RESURS 01-4卫星发射升空，在轨工作五个月后因转发器失灵停止观测。尽管ScaRAB在轨工作时间很短，但其提供的数据填补了从ERBE停止到CERES开始工作期间没有地球辐射观测的空隙。

6. 静止平台（GERB）

由于TRMM卫星是覆盖中低纬地区的低轨道卫星，具有较高的时间覆盖率，目前与Terra 和Aqua同时在轨运行，可提供较高时间覆盖率的辐射收支观测。但要进一步提高辐射观测的时间分辨率，将辐射收支仪搭载在地球同步卫星轨道上则是另外一种途径。云是地气系统辐射收支平衡主要的影响因子之一，高时间分辨率的卫星观测可以捕捉云的变化，是提高辐射产品精度的基础。1989年NASA提出静止卫星地球观测系统，曾经提出在静止轨道搭载地球辐射收支探测仪器——静止地球气候探测器（GECS）。在2002年发射的MSG-1静止气象卫星上搭载GERB正是为达到这一目的。GERB有两个探测通道，即短波和全波通道，通过相减获得地球长波辐射。GERB极大提高了空间辐射收支观测时间分辨率，15min可以对地观测一次。同CERES相比，GERB空间分辨率较低，约为50km，因此在GERB资料处理过程中增加分辨率增强功能，目的是提供高空间分辨率辐射产品。但一颗静止卫星只能覆盖地球上的局部区域，要真正获得高时间覆盖的全球辐射收支观测需要多颗静止卫星同时观测，并与极地轨道卫星观测相结合。

三、地球辐射收支应用

卫星观测积累的长时间数据有助于认识辐射收支的气候特征以及理解地球辐射收支在气候中的作用。观测地球辐射收支的科学目标是理解驱动天气气候系统的太阳能量变化、地气系统的辐射能量平衡、建立准确长期的基础数据和用于研究气候系统变化等几个方面。地球辐射收支观测提供了认识地球能量变化的依据，Kyle等[4]利用8年的Nimbus宽视场数据给出净辐射和吸收的短波辐射平均特征，地球净辐射能量的零线位于南北纬36°附近，表明36°S～36°N区域获得的能量大于损失，结合吸收的短波辐射通量计算了热带地区的吸收能量（347W/m2）约为极地区域（80W/m2）的4倍，所以该区域表现为净吸收。净辐射有显著的季节变化，零度线冬季位于15°，而夏季移至70°附近，热带、副热带与极地之间的能量梯度引起经向能量的传输，能量传输驱动了大气环流的变化，地球辐射收支的观测事实论证了一些气候的基本理论。

云辐射强迫是研究云对地球辐射平衡影响的重要信息，Ramanathan等[9]利用1985年4月ERBE数据估算全球短波云辐射强迫为-44.5W/m2，而长波云辐射强迫为31.3 W/m2，表明云对地球有净的冷却作用。在热带对流区，月平均长波云辐射强迫可达最大值为50～100 W/m2，但却被短波辐射抵消。因为气候反馈机制，即使小的云辐射强迫变化也能对气候变化起显著作用。在过去的冰河期，很强的负云辐射强迫向赤道地区移动，它是对冷水移动的响应，对海洋的变冷和持续冰期有显著的放大作用。Moore等[10]利用六年ERBE产品云辐射强迫和能量沿经向传播在1984—1990年之间的年际变化，发现云的冷却作用在1986/1987年厄尔尼诺期间降低，在1988/1989 年拉尼娜期间升高，并指明这种变化与ENSO现象有关。除了云辐射强迫外，大气气溶胶作为人类活动直接后果，对气候影响很不确定。Loeb等[11]利用CERES辐射产品研究气溶胶的直接辐射强迫，发现卫星反演的气溶胶光学厚度与直接辐射强迫具有很好的相关性（0.96），并计算了在热带海洋上平均的气溶胶辐射强迫为-4.6W/m2。

利用辐射收支产品开展的应用研究表明，卫星观测有助于让我们了解气候系统中各种参数与辐射平衡之间的关系和各种物理过程的实质，评估各种因子对气候变化的影响程度，对进一步分析气候变化原因具有重要作用。

四、结语

人类活动可以改变辐射强迫，通过地球辐射收支变化造成了气候强迫和气候响应。大气中云对地气系统起加热和冷却的补偿作用，是气候系统中最大的不确定因素。评估人类活动对气候变化的影响，揭示气候过程中物理机制是气候研究的主要目的之一。地气系统的辐射收支能量变化，是气候变化的主要指示因子。空间观测是地气系统的辐射收支能量观测的最准确和直接的手段，可以监测地球辐射能量系统的变化，为研究人类活动对气候变化的影响、云对气候系统的反馈作用、水汽的温室效应等提供数据和检验。发展探测地球辐射收支的卫星仪器和技术具有重要的意义。

基于人们对气候变化的关注，星载地球辐射收支观测作为起步最早的空间观测，已历经了几十年的发展，形成了全球极轨观测和地球静止辐射收支观测的卫星观测系统。辐射收支探测的精度不断提高，利用全球观测系统提供的地球辐射收支能量数据不仅可用于云辐射强迫计算，还可以研究大气气溶胶和水汽对地球辐射收支的影响，并检验气候模式和数值天气预报精度。利用长期的地球辐射收支观测和全球气候模拟，使我们对气候变化中的关键问题，如云和辐射的相互作用的动态过程等，以及大气动力学有更清楚的认识，能够更准确地预测气候变化。