中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区光环境变化研究

李 元，张 勇，胡丽琴，陆其峰，卢乃锰

（中国气象局 国家卫星气象中心 中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室，北京 100081）

1 引 言

自20世纪80年代以来，卫星遥感逐渐向定量化方向发展。卫星图像不只用于目视解译，还用来定量反演大气、陆地和海洋等地球物理参数。为了确保在轨卫星观测的准确性，各航天大国着手选择辐射特性均匀稳定的地面目标，将其作为“标准”，通过卫星过境时的地面同步观测和辐射传输规律，对在轨卫星遥感器进行标定，从而实现辐射校正。辐射校正已经成为遥感领域的重大基础研究课题，得到了国际遥感界的高度重视。我国在20世纪90年代启动了“中国遥感卫星辐射校正场”项目的科研和建设工作，开启了我国遥感卫星定量化技术系统性攻关。中国遥感卫星辐射校正技术以辐射校正场为基础，围绕我国全系列国产遥感卫星发展和定量化应用需求，在辐射校正技术指标体系、理论与方法、标准与测量技术、观测与系统集成技术等方面开展研究，建立了由敦煌戈壁、青海湖水体、思茅雨林组成的全球第一个多尺度、全谱段辐射校正场。发展了遥感卫星辐射校正理论与方法，建立了高绝对精度、高空间分辨率和全谱段在轨辐射校正模型。突破了高精度辐射标准传递技术，实现了具有国际先进水平的场地和大气光谱辐射观测。建立了国际先进的辐射校正业务运行系统，形成了辐射校正质量保障体系[1-4]。

经过近20年的运行，中国遥感卫星辐射校正系统针对我国各系列遥感卫星在轨辐射校正需求，开展了近50多次大规模在轨遥感卫星辐射校正试验，完成了30多颗国产卫星和10余颗国外卫星的辐射校正观测，解决了我国遥感卫星因缺少稳定的星上定标系统而产生的定量应用问题，在我国现代卫星遥感系统发展和应用方面发挥了不可替代的重大作用。中国遥感卫星辐射校正系统极大地推动了我国遥感卫星定量化应用水平的提高，确保了遥感卫星效益的发挥，使我国在这一领域进入国际先进行列[5-10]。

中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区位于敦煌市以西30 km的戈壁滩上（纬度N40.00°~40.33°，经度E94.00°~94.50°），自2002年通过国家验收并转入业务运行以来，先后为我国所有对地观测遥感卫星提供了在轨辐射定标支撑。作为国际对地观测组织辐射定标与真实性检验的有地面仪器支撑的重要场地之一，敦煌场同时为国外对地观测卫星的辐射定标和真实性检验提供地面场地同步测量数据[11-15]，在国内外遥感定量化应用领域具有不可替代的作用。

2015年12月国家卫星气象中心完成了敦煌场自动化观测基地建设，实现了敦煌场地表反射波段辐射特性参数（包括表面双向反射分布函数（BRDF）、辐亮度）与大气状态参数（包括大气辐照度、透过率、气溶胶光学厚度、水汽总量、全天空云量、臭氧总量、温度、湿度、压强等）的全天候自动观测。所有过境遥感卫星反射波段均可利用自动观测数据实现连续自动辐射定标[16-18]。

敦煌场因其得天独厚的表面均匀、气候干燥等特性而被选作遥感辐射校正场，同时也具有丰富的太阳能、风能资源。2016年12月，位于敦煌场外围南侧的10 MW熔盐塔式光热发电项目（小电站）建成并投入使用[19]。2018年12月100 MW熔盐塔式光热发电项目（大电站）投入使用[20]。

然而，光热电站集热塔的散射辐射对敦煌场区光环境变化带来的影响需要开展深入细致的研究。本文着重研究集热塔顶吸热器的散射辐射，使用模型评估与实测分析相结合的方案对其影响进行定量分析。

2 散射辐射引起的光环境变化分析

2.1 模型模拟

利用Monte Carlo三维辐射传输模拟方法[21]，模拟计算集热塔顶吸热器反射光经大气多次散射后被卫星观测到的辐射能量分布情况。

由于集热塔顶吸热器的反射光不同于太阳等自然平行光源，而是非平行光源（图1）；同时，探求反射光对邻近像元的影响本质上是一个三维辐射传输问题，因此，大气科学领域常用的许多针对太阳和地球辐射的平面平行辐射传输求解方法，并不适用于集热塔反射光的辐射传输模拟研究。在非平行稳态光源问题和三维辐射传输问题方面，Monte Carlo方法是一种常用的理论模拟工具。

图 1 在自动观测基地附近观察到的工作状态的集热塔Fig. 1 Heat collection tower in working condition observed from the automatic observation base

图 2 等高线测量角度示意图Fig. 2 Schematic diagram of the almucantar measurement angle

Monte Carlo方法是一种随机模拟方法，它并不求解辐射传输方程，而是对辐射传输的实际过程进行直接模拟。在应用Monte Carlo方法模拟集热塔反射光的辐射传输过程时，模拟程序从光源处连续释放具有初始能量权重的光子，并且在大气介质中逐个跟踪这些光子的运动路径。由光源发出的光子在大气介质中将被散射和吸收。结合计算机产生的在适当区间上均匀分布的随机数以及构建的与散射过程有关的概率分布函数，可以确定光子每一次散射后的行进路程和方向。光子若被介质吸收，Monte Carlo方法根据介质的单次散射吸收比的数值来调整该光子的能量权重值，然后光子以新的能量权重在新的方向上继续前进。追踪过程一直重复下去，直到所用的光子达到一定数目，符合预期的精度，则结束此次随机模拟过程，并统计最终的大气顶出射能量分布，其用出射的光子数表示。根据上述过程，可以模拟得到卫星观测到的由集热塔光源发出并经大气多次散射后到达卫星入瞳处的辐射能量分布情况，所需要的相关参数如表1定义。

表 1 模拟的相关参数定义Tab. 1 Definitions of parameters in the simulation

2.2 实测分析

集热塔顶吸热器的表面材料为白色，经阳光汇聚后目视明亮。但与太阳相比，吸热器所造成的漫射光较为微弱，如何将其与原有的天空漫射辐射相剥离是测量的关键。如果与早期集热塔未建成，不存在光源的时候进行对比，即使在相同的观测几何下，由于大气状态的差异，也很难保证天空漫射辐射不发生变化。

敦煌场区自身的漫射辐射近似满足以太阳到观测点连线为中心的旋转对称分布[22]。所以当大气足够稳定、晴空无云、气溶胶与下垫面分布均匀时，可以用靠近塔顶吸热器的漫射辐射减去远离吸热器、相对于太阳对称位置的漫射辐射，以二者的差值代表单纯由吸热器漫射辐射产生的影响。

上述方法可利用CE318等高线观测模式获取的数据进行验证。CE318可实现在不同太阳高度位置，360°旋转测量等高线上的天空漫射辐射。这样的观测模式为实际测量吸热器漫射辐射提供了可能。为了排除云的影响，需要使用云量自动观测仪辐射选取晴空数据参与计算验证。

2.2.1 观测仪器

法国Cimel公司生产的CE318太阳光度计[23]相关参数如表2、表3所示。表2 中S代表对太阳观测，A代表对太阳周边光晕观测，K代表对天空光观测。

表 2 CE318通道设置Tab. 2 CE318 channel specifications

表 3 CE318性能参数Tab. 3 CE318 performance parameters

表3 说明CE318的动态范围增益可调，量化等级达15位，观测天空漫射辐射的输出计数值在103量级，可以满足定量分析吸热器散射辐射的需求。

为了确保天空漫射光观测数据中没有云底辐射的干扰，使用安徽云能天智能科技有限责任公司生产的ASC200云量自动观测仪对观测时刻的云量进行监控。仪器相关参数如表4所示[24]。

表 4 ASC200性能参数Tab. 4 ASC200 performance parameters

CE318是目前国际上非常通用的一款自动太阳光度计，它采用滤光片分光的通道式设计。与光栅或棱镜分光的高光谱仪器相比可获得更可靠的观测数据，但无法实现全波长范围的观测。由于现阶段缺少整个太阳反射波段高光谱等高线观测设备，使用半球天空漫射辐射高光谱数据描述天空漫射光的谱形特征。所使用的自动观测仪器为由安徽光学精密机械研究所开发的漫射/总辐射比测量设备HIM。HIM的相关参数如表5所示。

表 5 HIM性能参数Tab. 5 HIM performance parameters

2.2.2 等高线测量数据筛选依据

利用CE318自带的等高线测量模式[23]，在每天的固定时刻与大气质量数下，收集等高线测量数据。测量角度间隔如图2(彩图见期刊电子版)所示。图2中Φ表示角度间隔，CE318等高线测量模式首先从太阳位置开始，保持高度角不变，方位角从0°扫描至+180°（almucantar right，ALR）。然后回到太阳位置，保持高度角不变，方位角从0°扫描至−180°（almucantar left，ALL）。其中方位角是太阳方位角与观测方位角的差值。ALR方位角的变化间隔为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方位角变化间隔与其互为相反数。

观测数据的质量控制阈值如表6所示。为保证天空漫射辐射符合对称分布，仅选择云量为零的观测数据参与计算。利用CE318的观测数据计算气溶胶光学厚度[25]，删除光学厚度大于0.2的点。同时要求ALL与ALR的观测时间差异在1 min以内。当距离集热塔的投影大于5 km时，要求ALL与ALR观测数据相对偏差的标准差要小于1%。这一限制不适用于距离小于等于5 km的数据，这是为了保留塔顶吸热器辐射带来的偏差。但仍需要通过人工判读的方式剔除5 km内与电站无关的明显抖动数据。当太阳与吸热器的夹角过小时，与吸热器对称的太阳位置也可能会受到影响，所以要求太阳与吸热器的地面投影距离大于2.5 km。同时要求大小电站位于太阳的同侧，以避免大小电站彼此出现在对称位置或离对方的对称位置过近的情况。

表 6 观测数据的质量控制阈值Tab. 6 Quality control threshold of observation data

为了尽可能地利用有效数据，未设置电站在等高线上的投影角度与观测节点角度的差异阈值。但是需要明确的是投影角度越接近节点角度，所得结果越接近真实情况。

2.2.3 四象限定位误差的修正

由于存在四象限定位误差，晴空时ALL与ALR测量得到的光晕辐射差异较大。如表3所示CE318四象限定位精度为0.1°，对应光晕观测值的相对差异达10%，这将严重影响对天空漫射辐射对称性的判断。

本文提出了对四象限定位误差进行修正的算法。在敦煌天空漫射辐射符合旋转对称分布的前提下，设计如下定位修正公式。

式（1）中x=[−6 −5 −4 −3.5 −3 3 3.5 4 5 6]，其为ALL与ALR观测太阳光晕时的相对方位角，单位是“°”。之所以不使用更大的角度参与计算是因为电站相对方位角一般大于50°，如果将电站附近的数据纳入回归将减小电站可能存在的影响。v(x)是光晕模式下与x对应的输出计数值，v0a是定标系数，单位是W·m−2·sr−1·μm−1。a1、a2、a3是最小二乘回归系数，其中a2的数值代表了四象限定位误差。

2.3 模型模拟与实测分析相结合的定量分析方法

模型模拟是以中心点（卫星观测天顶角为0°，距离塔顶为0 km）为基准值1求取相对衰减分布，无法计算得到绝对的辐射量值。实测方法可以得到真实的漫射辐射量值，但仅在某几个位置有实测数据的观测几何，无法遍及每个观测天顶角与距离。特别是极端靠近或远离塔顶时无法获取有效的实测数据。

为了实现对集热塔散射辐射的定量分析，采用模型模拟与实测分析相结合的方法，即先借助模型模拟得到散射辐射相对于中心点的相对分布，再利用实测数据得到这个相对分布上某个点的实际散射辐射量值；继而推算出其他位置上的实际量值。

3 结果与分析

3.1 集 热 塔 顶 吸 热 器 散 射 辐 射 模 型 模 拟 结 果

使用Monte Carlo方法开展辐射传输模拟计算，对集热塔周围大气的影响开展定量分析。

图3 ( 彩图见期刊电子版)为卫星观测到的集热塔反射光的辐射能量水平分布示意图（卫星观测天顶角为0°，观测方位为正北方向）。模拟结果如表7所示。

图 3 卫星观测到的集热塔反射光的辐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 卫星观测到的集热塔反射光的辐射能量相对分布情况Tab. 7 The relative distribution of the radiant energy of the light reflected by the heat collection tower observed by the satellite

结果显示集热塔对大气辐亮度的贡献与距离及卫星观测天顶角相关。设集热塔所在像元在卫星观测天顶角为0°时的观测辐射为基准值1，距离集热塔3 km时，垂直观测时对大气的影响为1.97%，观测天顶角为50°时对大气的影响可达2.69%。

3.2 对集热塔顶吸热器散射辐射的实测结果

图4 为2020年3月2日协调世界时（UTC）7:00:05时刻ASC200云量自动观测仪拍摄到的一幅云量为零时的红外云图。

图 4 2020年3月2日UTC 7:00:05时刻ASC200云量自动观测仪红外云图Fig. 4 Infrared cloud image obtained from ASC200 cloud cover automatic observer at 7:00:05 UTC on March 2, 2020

与传统的可见光成像仪相比，红外成像仪云图太阳周围没有光晕，边界清晰，可避免光晕被误判为云的情况。图4左下角边缘处的两个亮点中，稍亮的为工作中的大电站，稍暗的为待机中的小电站。

为了保证天空漫射辐射的绝对测量精度，于2019年12月11日至20日在中国气象科学研究院顶层平台对所使用的CE318进行了标定。采用基准仪器MASTER传递溯源方式[26]，使用标准机#746对仪器进行了定标。定标后，反演的光学厚度与MASTER的相对差异在2%以内。

完成定标后，将CE318安装于敦煌自动观测基地，开展了为期3个月的自动观测。对2020年1月8日—3月31日收集到的CE318等高线观测数据进行质量控制。共采集等高线观测数据4 011组（观测间隔小于1 min的ALL与ALR组合）。按照表6对观测数据进行筛选后，获得有效数据26组，如表8所示。

表 8 各级筛选后有效观测数据量值统计（组）Tab. 8 Statistics of effective observation data after being selected at different levels (group)

其中筛选项目分别为：

(a)观测间隔小于1 min的ALL与ALR组合；(b)云 量<0；(c)光 学 厚 度<0.2；(d)ALL与ALR相对偏差的标准差<1%（与大电站的投影距离>5 km)；(e)ALL与ALR相 对 偏 差 的 标 准 差<1%（与小电站的投影距离>5 km)；(f)太阳与大电站的投影距离>2.5 km；(g)太阳与小电站的投影距离>2.5 km；(h)大小电站在太阳的同侧。

CE318在1 020、1 640、870、675、440 nm和500 nm这6个通道开展等高线观测。比较CE318测量的6个通道天空漫射辐射数据，发现波长越长，通过（d）和（e)筛选的有效数据组数越少。这由该波段漫射辐射抖动的剧烈程度与仪器的灵敏程度共同决定。1 640 nm有效数据多于1 020 nm的原因是1 640 nm采用的是铟镓砷探测器，符合所设定的质控标准且有效数据大于3组的通道只有440 nm和500 nm。因此针对这两个通道展开具体的分析，统计结果如表9和表10所示。其中小电站相对于场地自动观测基地距离2.86 km，方位角为110.48°。大电站相对于场地自动观测基地距离3.83 km，方位角为149.98°。

表 9 吸热器散射辐射带来的相对偏差（440 nm）Tab. 9 Relative deviation due to scattered radiation from the heat absorber (440 nm)

表 10 吸热器散射辐射带来的相对偏差（500 nm）Tab. 10 Relative deviation due to scattered radiation from the heat absorber (500 nm)

在表9和表10中，AOD表示气溶胶光学厚度，Sz与Sa分别是太阳天顶角与方位角，Beta=a_2是四象限定位修正角。HB与HS分别代表等高线处于大小电站上方的距离，on表示电站的工作情况，1为正常工作，0为待机。DegB与DegS表示太阳方位角与大小电站方位角的差值。DdegB与DdegS表示大小电站与等高线观测节点角度差。RdevB与RdevS表示四象限定位修正前大小电站与太阳轴对称位置处的辐亮度的相对偏差，RdevBr与RdevSr则表示四象限定位修正后大小电站相对偏差。

图5 给出表9与表10中有效数据对应时刻的全天空漫射辐射相对光谱分布图，并与CE318不同通道光谱响应函数进行了对比。由于HIM在2020年2月27日出现故障，所以缺少这天的数据。从图中可以发现在440 nm和500 nm这两个通道天空散射辐射能量的分布是最强的，相对而言，信噪比高，受大气波动影响小。这样可以从谱形分布角度说明仅440 nm和500 nm通道满足筛选要求是合理的。

图 5 归一化的全天空漫射辐射光谱与CE318不同通道光谱响应函数Fig. 5 Normalized full sky diffuse irradiance and CE318 spectral response function

太阳的天顶角越大，等高线距离塔顶的距离也就越近，但很难获得等高线离吸热器距离非常近的点。已知大电站集热塔高度为260 m，太阳在这个高度时已经接近傍晚，吸热器的亮度有限，所造成的散射辐射与天空漫射辐射都淹没在观测噪声中无法测量。在表9和表10中，观测距离范围是0.65~3.55 km。可以发现满足质量控制的数据中，小电站正常工作的数据较少，仅有4条。下面仅以大电站正常工作时的数据进行分析。

叠加吸热器辐射的天空漫射辐射理论上应该大于没有叠加的那一边。但是440 nm和500 nm通道的RdevBr有为负的情况，最小值分别为−2.07%（03−09 09:59）和−3.65%（03−03 08:03）。负值的存在说明虽然制定了严格的质量控制标准，但所确定的有效观测中，等高线上的天空漫射辐射还是存在小范围的波动。具体比较上述两个通道相对偏差RdevBr最小的情况如图6与图7(彩图见期刊电子版)所示。

图 6 440 nm通道RdevBr为最小值（−2.07%）时对应时刻（03−09 09:59）的辐亮度(a)与相对偏差(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%)

图6 与图7中图例RdB、RdBr、RdS、RdSr、Rd、Rdr分别代表RdevB、RdevBr、RdevS、RdevSr和修正前后电站所在半等高线与对称半等高线天空漫射辐射的相对偏差Rdev和Rdevr。Std是1 min内ALL与ALR观测天空漫射辐射相对偏差的标准差。StdB与StdS分别是距离大、小电站投影距离大于5 km的ALL与ALR的标准差。图6的Rdr明显存在一个独立于电站影响的波动，图7的Rdr波动则更为明显。电站对漫射辐射的增益无法抵消波动带来的减小，因此对应的RdevBr为负值。为了保留吸热器辐射带来的偏差，未对方差过大的距电站投影距离≤5 km的数据进行筛除，因此需要进一步通过人工判读的方式剔除5 km内与电站无关的明显抖动数据。据此人工剔 除440 nm 03−09 09:59时 刻，500 nm 03−03 08:03、02−27 07:03时刻的数据。

图 7 500 nm通道RdevBr为最小值（−3.65%）时对应时刻（03−03 08:03）的辐亮度(a)与相对偏差(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%)

对筛选后的数据进行统计对比，440 nm大电站工作时的RdevBr均值为−0.57%，方差为0.51%，小电站待机时的RdevSr均值为−0.59%，方差为0.82%。说明大电站附近的天空漫射辐射平均值略小于太阳对称位置的辐射值，叠加吸热器的辐射也未能改变。待机状态小电站的RdevSr反映的是自然情况下天空漫射辐射的差异。小电站附近天空漫射辐射与对称位置辐射的差异以0.82%的方差略有波动。在440 nm工作状态大电站未对天空漫射辐射带来明显影响。

500 nm大电站工作时的RdevBr均值为0.27%，方差为0.67%。小电站待机时的RdevSr均值为−0.15%，方差为0.66%。说明500 nm工作状态大电站会对天空漫射辐射带来微小影响。对应的RdevBr最大值为0.93%（01−25 09:04），如图8（彩图见期刊电子版）所示。说明在有效数据对应的观测几何下（距离HB 0.87~3.07 km，观测天顶角Sz 77.30°~51.32°）吸热器对天空漫射辐射的影响不超过0.93%。

图 8 500 nm通道RdevBr为最大值（0.93%）时对应时刻（01−25 09:04）的辐亮度(a)与相对偏差(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 模型模拟与实测分析相结合分析

表10 说明RdevBr随距离的变化规律不明显。为了进一步分析大电站吸热器散射辐射的影响，下面与模型模拟的结果结合起来分析。

以500 nm为例，实测有效数据中观测天顶角最小为51.32°，对应与大电站的距离为3.07 km，最接近于表7中3 km、50°时的情况（0.027）。观测天顶角最大为77.30°，与大电站的距离0.87 km，对表7数据开展二维插值外推，可计算得到相应值为0.10。根据实测结果吸热器对天空漫射辐射的影响不超过0.93%，与0.027等比例换算后可得到大电站漫射辐射与太阳对称位置的相对偏差随距离与观测角度变化情况，如表11所示。与0.10等比例换算时表11的数值还要再减小3.7倍，保守起见以对漫射辐射影响最大的数据作为分析依据。

表 11 大电站散射辐射带来的天空漫射辐射相对变化随距离与观测角度变化(%)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 结 论

文中定位修正对均匀性判断结果的影响是明显的。有效数据中四象限定位修正角平均值为0.11°，接近仪器官方标称精度（0.1°）。修正前后数据对的相对偏差在方位角小于50°时较为明显。以3°光晕处电站所在半等高线与无干扰半等高线相对偏差为例，修正前的平均相对偏差达−9.18%，修正后仅为−1.34%。如果不使用修正，有效数据个数将从26组降低为5组。此方法对CE318天空漫射测量数据的准确使用具有借鉴意义。

收集2020年1至3月满足设定阈值的CE318数据显示对于440 nm通道，工作状态大电站未对天空漫射辐射带来明显影响。除了500 nm通道，在有效数据对应的观测几何下（距离HB 0.87~3.07 km，观测天顶角Sz 77.30°~51.32°）吸热器对天空漫射辐射的影响不超过0.93%。与模型模拟的结果结合起来分析后，可以得出当距离电站2 km时大电站散射辐射带来的天空漫射辐射相对变化<2%，大于等于3 km时相对变化<1%的结论。

综上，中国遥感卫星辐射场敦煌场区周边的光电项目建设和运行对场区光环境变化影响极为有限，不会对已有的场区地表、大气观测设施和观测数据造成影响。

致谢：感谢敦煌市气象局和敦煌光电产业园的各位同仁在收集相关信息资料时给予的大力帮助。