葉罕霖，鄧 玉，劉 廣，郭華東,

（1.中國(guó)空間技術(shù)研究院 錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871；3.中國(guó)科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094）

引 言

目前，大氣層頂部輻射能量的觀測(cè)資料來自低軌衛(wèi)星與靜止軌道衛(wèi)星，對(duì)于地球大氣層頂整體輻射通量估計(jì)不確定性較大，尚不能為全球氣候變化提供結(jié)論性支持?，F(xiàn)有衛(wèi)星的觀測(cè)幾何主要存在以下問題：①極軌衛(wèi)星軌道低，只能對(duì)地球表面的有限區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，幅寬窄并且觀測(cè)角度單一，這樣的觀測(cè)幾何無(wú)疑會(huì)由于時(shí)空采樣不一致而引入誤差[1]；②靜止軌道衛(wèi)星軌道較高，與地面相對(duì)位置關(guān)系固定，因而只能觀測(cè)固定方向的輻射能量且無(wú)法有效觀測(cè)兩極的輻射，這種觀測(cè)幾何雖有利于描述地球向外輻射能量日周期變化規(guī)律，但無(wú)法反演地球整體向外輻射能量，而區(qū)域地物觀測(cè)角度單一會(huì)引入由地物各向異性輻射引起的觀測(cè)誤差[2]；③日地L1點(diǎn)衛(wèi)星可以觀測(cè)到幾乎整個(gè)地球的太陽(yáng)光照面[3-4]，對(duì)于夜晚部分和日夜交替線附近的觀測(cè)角度采樣不足同樣也會(huì)引入估算誤差。

與人造衛(wèi)星觀測(cè)地球大氣層頂輻射不同，使用月基輻射計(jì)將地球當(dāng)作“類點(diǎn)狀”輻射源進(jìn)行觀測(cè)是遙感領(lǐng)域中的新方法。首先，其軌道高度達(dá)到38萬(wàn)km，月基傳感器可以將地球當(dāng)作類點(diǎn)狀輻射源，對(duì)幾乎整個(gè)地球半球的向外輻射能量進(jìn)行空間一致、角度連續(xù)的整體觀測(cè)[5-6]，由此，月基平臺(tái)可以滿足其盡可能小的時(shí)空采樣誤差需求；其次，變化的月球赤緯角使得月基平臺(tái)具備觀測(cè)角度可變的特點(diǎn)，而變化的“日-地-月”位置關(guān)系將會(huì)給予傳感器視場(chǎng)中地物的多樣觀測(cè)角度組合[7]，由此，月基平臺(tái)可以滿足其多樣化角度采樣需求；最后，月面具有廣袤傳感器布設(shè)空間，壽命也遠(yuǎn)超于普通人造衛(wèi)星，因此月基傳感器能夠提供長(zhǎng)期、一致的時(shí)間序列觀測(cè)數(shù)據(jù)，這也將有利于揭示地球向外輻射能量的長(zhǎng)期變化規(guī)律[8]。

本文首先基于地球大氣層頂輻射能量的月基“類點(diǎn)狀”觀測(cè)方法，闡述了月基對(duì)其整體觀測(cè)能力，并針對(duì)月基觀測(cè)地球大氣層頂輻射特性進(jìn)行研究，著重分析了月面不同位置特性、傳感器觀測(cè)能量受觀測(cè)幾何影響特性與月基觀測(cè)地球大氣層頂輻射能量的時(shí)間采樣特性。

1 地球大氣層頂輻射能量的月基觀測(cè)方法

月基觀測(cè)視場(chǎng)接近整個(gè)地球半球，使用月基傳感器的觀測(cè)方式可以將地球當(dāng)作一個(gè)“類點(diǎn)狀”輻射源進(jìn)行觀測(cè)。由這樣一種特殊的觀測(cè)幾何所獲得的數(shù)據(jù)，可望發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)星載平臺(tái)觀測(cè)視角所難以發(fā)現(xiàn)的規(guī)律。地球大氣層頂輻射能量觀測(cè)研究不僅具有精細(xì)的、小尺度觀測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)也提供整體觀測(cè)的數(shù)據(jù)。利用這兩種數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而助力大氣層頂輻射能量的精確反演。

月基輻射計(jì)被用于獲取地球在月球方向整體的輻射亮度，以一定的采樣間隔形成數(shù)據(jù)的時(shí)間序列。從波段上說，月基輻射計(jì)需含有4個(gè)波段：①紫外到遠(yuǎn)紅外（0.2～100 μm）通道，用來測(cè)量地球總的輻射能量，包括紫外、可見光和紅外波段等；②太陽(yáng)光（0.2～4 μm）通道，用來測(cè)量紫外、可見光和近紅外等波段反射的太陽(yáng)光輻射；③近紅外（0.7～1.1 μm）通道用來測(cè)量反射的紅外波段太陽(yáng)光輻射；④光敏（0.2～1.1 μm）通道，用來監(jiān)測(cè)輻射計(jì)濾波單元（用作校正參考）。從科學(xué)應(yīng)用上說，月基輻射計(jì)可以用于多個(gè)方面[9]：

1）對(duì)大氣層頂輻射能量進(jìn)行整體的測(cè)量；

2）估算地球整體反照率；

3）計(jì)算近紅外和可見光波段反照率；

4）從整體的角度檢驗(yàn)CERES傳感器角度各向異性方向因子；

小學(xué)語(yǔ)文，尤其是小學(xué)作文教學(xué)是孩童語(yǔ)言學(xué)習(xí)中的重要組成部分，也是為青少年發(fā)展打下良好語(yǔ)言基礎(chǔ)的關(guān)鍵。從經(jīng)驗(yàn)可知，小時(shí)候作文寫得好，語(yǔ)文學(xué)得好，興趣就可能更廣泛，知識(shí)也就更豐富，寫作時(shí)容易有感而發(fā)、真情流露。但農(nóng)村小學(xué)生作文內(nèi)容普遍較為平淡無(wú)物、空洞且模仿痕跡明顯，難有真實(shí)情感，甚至有的學(xué)生無(wú)法下筆寫，這個(gè)問題必將是農(nóng)村小學(xué)語(yǔ)文教師需要探討的共同課題。怎樣才能使農(nóng)村學(xué)校的學(xué)生寫作水平有所提高呢？對(duì)此，我淺談下個(gè)人看法。

5）從整體的角度檢驗(yàn)地氣系統(tǒng)中的輻射傳輸過程。

2 地球大氣層頂輻射能量月基整體觀測(cè)能力

由于運(yùn)用了不同于傳統(tǒng)低軌、靜止軌道衛(wèi)星的整體觀測(cè)方式，使用月基觀測(cè)地球大氣層頂輻射能量需要明確月基對(duì)地球的整體觀測(cè)能力。事實(shí)上，在前期研究中，月基整體觀測(cè)能力也成為了一個(gè)廣泛討論的話題[9-15]。本節(jié)將在綜述前人研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步總結(jié)與歸納月基整體觀測(cè)能力。

對(duì)于月基星下點(diǎn)和觀測(cè)視場(chǎng)變化規(guī)律的討論，Guo等[16]認(rèn)為在月球軌道上分別有4個(gè)關(guān)鍵的位置點(diǎn)，分別是近地點(diǎn)位置、遠(yuǎn)地點(diǎn)位置、最大正軌道傾角位置和最大負(fù)軌道傾角位置（圖1）。這4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)會(huì)將一個(gè)軌道周期分成4個(gè)不同的階段，涉及到幾何的相關(guān)觀測(cè)參數(shù)，諸如視場(chǎng)角、觀測(cè)角度、空間分辨率、視線向量等，這些參數(shù)都會(huì)在每一個(gè)階段呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。從星下點(diǎn)的變化來看，星下點(diǎn)受到地月夾角的影響呈現(xiàn)出相應(yīng)的波動(dòng)。Ren等[13]提出了星下點(diǎn)緯度變化范圍在±18°～±28°之間，并且變化周期為18.6 a，這是由太陽(yáng)引力的影響所導(dǎo)致的。

圖1 月球軌道近地點(diǎn)、遠(yuǎn)地點(diǎn)、最大正軌道傾角和最大負(fù)軌道傾角對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)[16]Fig.1 The perigee,apogee,maximum positive and maximum negative orbital inclination corresponding to the position points of the lunar orbit[16]

在此基礎(chǔ)上，Huang等[17]討論了月基對(duì)地觀測(cè)采樣的時(shí)空分布特征；Ye等[14]討論了觀測(cè)視場(chǎng)的變化規(guī)律與整體觀測(cè)能力。圖2展示了當(dāng)傳感器搭載在月表（0°，0°）時(shí)，其分別在近地點(diǎn)與遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)的觀測(cè)視場(chǎng)，通過計(jì)算近地點(diǎn)與遠(yuǎn)地點(diǎn)觀測(cè)視場(chǎng)面積比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)地點(diǎn)的觀測(cè)范圍僅占近地點(diǎn)的88%。月球軌道傾角不會(huì)直接影響觀測(cè)視場(chǎng)面積的大小，但是會(huì)影響所觀測(cè)視場(chǎng)的緯度范圍。

圖2 月基輻射計(jì)在近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)的觀測(cè)視場(chǎng)Fig.2 Observational scope of a Moon-based sensor when the Moon is at perigee and apogee

圖3展示了一個(gè)月球公轉(zhuǎn)軌道周期的采樣分布。以最大與最小星下點(diǎn)緯度變化區(qū)間周期為區(qū)分，選取了兩個(gè)軌道周期。十分明確的是，不論是何種星下點(diǎn)緯度變化的極限情況，在一個(gè)軌道周期中，地球上所有區(qū)域都將被充分采樣，即使是處于極區(qū)，采樣次數(shù)仍然能夠超過1 700次。第二個(gè)特征是，從時(shí)空采樣的均勻度看，低緯度地區(qū)與中高緯度地區(qū)的采樣差異約在400次，在星下點(diǎn)緯度變化區(qū)間處于最小的周期時(shí)，采樣次數(shù)差異較為明顯。

圖3 一個(gè)軌道周期的采樣分布Fig.3 The sampling distribution of an orbital period

更進(jìn)一步地，Deng等[18]提出了使用時(shí)空采樣均勻度的指標(biāo)去描述月基平臺(tái)對(duì)地時(shí)空采樣的均勻性，以便于評(píng)估月基整體觀測(cè)的能力。對(duì)于大氣層頂輻射觀測(cè)而言，理想情況是能夠建立一個(gè)時(shí)空一致、全向且均勻采樣的觀測(cè)系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)這一觀測(cè)，無(wú)異于要提供一個(gè)無(wú)縫包裹地球的觀測(cè)系統(tǒng)，這是任何衛(wèi)星任務(wù)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于月基觀測(cè)而言也是一樣。然而這并不意味著束手無(wú)策，我們可以通過調(diào)整采樣周期來逼近理想狀態(tài)。圖4為累積采樣均勻度變化圖。將時(shí)間累積周期設(shè)置為1 d、10 d和一個(gè)軌道周期。值得注意的是，在達(dá)到累積周期后，該周期的時(shí)空采樣被清零。根據(jù)不同的全球時(shí)空采樣，分別計(jì)算1 d、10 d和一個(gè)軌道周期下的累計(jì)采樣均勻度的變化。如圖4所示，1 d累積周期不合適，因?yàn)? d累積周期甚至不能完成全球采樣；10 d的周期也不適合，相鄰周期的均勻度變化規(guī)律不同，且采樣均勻性較低。當(dāng)累積周期設(shè)定在一個(gè)軌道周期（27.3 d）時(shí)，時(shí)空采樣均勻度顯示出了較強(qiáng)的周期性，是合適的累積采樣周期。

圖4 累積采樣均勻度隨累積周期的變化Fig.4 Variation of cumulative sampling uniformity with cumulative period

綜上，月球軌道是一個(gè)變軌道傾角、變距離的大橢圓軌道，一個(gè)軌道周期內(nèi)可以完成對(duì)地球的充分采樣，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球大氣層頂輻射能量整體觀測(cè)，且一個(gè)軌道周期（27.3 d）為合適的采樣周期。

3 地球大氣層頂輻射月基觀測(cè)特性

3.1 月面不同位置觀測(cè)特性

圖5顯示了一個(gè)軌道周期中，在月面不同位置觀測(cè)大氣層頂輻射能量的差異的模擬結(jié)果，其采用的是GEOS-5 FP大氣數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)。圖5（a）、（c）顯示了月基輻射計(jì)在一個(gè)軌道周期中的遠(yuǎn)地點(diǎn)與近地點(diǎn)的觀測(cè)能量分布情況。如圖5（a）所示，在月面中心觀測(cè)時(shí)，由于觀測(cè)距離相較于其它位置較近，顯示出較高的數(shù)值，約為6.21×10?2W/m2。觀測(cè)能量在月面呈現(xiàn)同心圓狀，觀測(cè)能量隨著距離月面中心距離的增大而降低，在月球邊緣區(qū)域觀測(cè)值降至最小，約為6.15×10?2W/m2。在此時(shí)，在月面不同位置觀測(cè)的最大差異達(dá)到了6.00×10?4W/m2。如圖5（c）所示，此時(shí)觀測(cè)距離達(dá)到一個(gè)軌道周期中最小，因此，此時(shí)觀測(cè)能量要大于其它時(shí)刻。月面不同位置觀測(cè)能量的差異為8.00×10?4W/m2，也略小于其它時(shí)刻。圖5（b）、（d）顯示了月基輻射計(jì)星下點(diǎn)在該周期最南、最北端時(shí)刻的分布。星下點(diǎn)在最南、最北端意味著此時(shí)白赤交角達(dá)到該周期的最大，由于此時(shí)觀測(cè)距離小于遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)刻，因此相較于圖5（a），該點(diǎn)觀測(cè)能量較大，但是觀測(cè)能量是受制于觀測(cè)距離的，實(shí)際上與觀測(cè)角度沒有關(guān)系。在月面不同位置（月表不同的經(jīng)緯度位置）觀測(cè)的最大差異達(dá)到了6.00×10?4W/m2（最南端）、8.00×10?4W/m2（最北端），與遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)刻的情形相差較小。

圖5 月面不同位置觀測(cè)大氣層頂輻射能量的影響Fig.5 The influence of different positions on the lunar surface on the observation of outgoing radiation at the top of the atmosphere

由此可知，月面不同位置觀測(cè)能量主要受到觀測(cè)距離的影響，在月面中心位置觀測(cè)能量較大，而觀測(cè)角度對(duì)于月基輻射計(jì)觀測(cè)能量影響較小。

3.2 月基觀測(cè)幾何特性

月球軌道是一個(gè)大橢圓軌道，偏心率約為0.054 9，其近地點(diǎn)與遠(yuǎn)地點(diǎn)到地球的距離差異約為4萬(wàn)km。由此，不同軌道位置處觀測(cè)地球大氣層頂輻射將隨著觀測(cè)幾何變化而呈現(xiàn)出不同的數(shù)值，對(duì)于觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析則需要消除觀測(cè)幾何的影響。本節(jié)首先介紹地球大氣層頂輻射的月基觀測(cè)幾何特性，在此基礎(chǔ)上，提供一個(gè)可供解決的消除方案。

如圖6所示，觀測(cè)距離會(huì)對(duì)大氣層頂輻射觀測(cè)造成較大影響。在每一個(gè)軌道周期的遠(yuǎn)地點(diǎn)，月基輻射計(jì)接收能量約為5.80×10?2～6.00×10?2W /m2，而在近地點(diǎn)，月基輻射計(jì)接收能量約為7.50×10?2～8.30×10?2W/m2。模擬觀測(cè)曲線隨著觀測(cè)幾何變化呈現(xiàn)出軌道周期變化特征，而觀測(cè)幾何對(duì)月基輻射計(jì)接收能量的影響也大于地球大氣層頂輻射能量的變化。由此可知，月基輻射計(jì)接收能量將著重受到觀測(cè)距離的影響。

圖6 月基輻射計(jì)觀測(cè)大氣層頂輻射能量變化趨勢(shì)Fig.6 Variation of Moon-based Earth’s outgoing radiation measurements.

利用模擬的5年時(shí)間跨度月基輻射計(jì)接收能量數(shù)據(jù)建立觀測(cè)時(shí)間序列與觀測(cè)距離的關(guān)聯(lián)。如圖7所示，5年以來，月地之間的距離范圍約為3.5×105～4.0×105km。隨著觀測(cè)距離的增加，月基輻射計(jì)接收能量有著較為明顯的減小。根據(jù)能量守恒中能量與距離平方的反比定律，采用二次方程對(duì)月基輻射計(jì)觀測(cè)能量隨觀測(cè)距離的變化進(jìn)行擬合，方程表達(dá)為

圖7 月基輻射計(jì)觀測(cè)能量與地月距離的關(guān)系Fig.7 The relationship between the outgoing radiation observed by the moon-based radiometer and the distance between the Earth and the Moon

其中：x表示距離，單位為km。

圖8 去除距離影響的大氣層頂輻射能量的變化Fig.8 Variations in outgoing radiation at the top of the atmosphere without the effect of distance

3.3 月基觀測(cè)時(shí)間采樣特性

月基平臺(tái)以其近月面地球半球尺度完全覆蓋的幾何特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)把地球當(dāng)作一個(gè)“類點(diǎn)狀”輻射源的測(cè)量。然而，這種創(chuàng)新性的觀測(cè)方法引申出了一個(gè)新問題：觀測(cè)時(shí)間間隔將如何影響大氣層頂輻射能量的采樣?

基于傳統(tǒng)人造衛(wèi)星平臺(tái)的觀測(cè)時(shí)間采樣特性研究方法將無(wú)法直接回答這一問題。以低軌和靜止衛(wèi)星為代表的人造衛(wèi)星平臺(tái)由于沿著預(yù)先設(shè)定的軌道對(duì)地球進(jìn)行觀測(cè)，其時(shí)空覆蓋特性主要取決于軌道高度和軌道性質(zhì)。譬如，太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星的軌道平面始終和太陽(yáng)保持相對(duì)固定的角度，這樣可以保證衛(wèi)星每次經(jīng)過同一地物的時(shí)間大致相同，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)特定區(qū)域的周期性觀測(cè)。在這樣的情況下，觀測(cè)時(shí)間間隔主要取決于衛(wèi)星軌道以及對(duì)特定地物觀測(cè)的特殊要求。而在月面上布設(shè)傳感器對(duì)地觀測(cè)，其時(shí)空覆蓋特性與低軌衛(wèi)星截然不同，也與靜止衛(wèi)星的時(shí)空覆蓋特性有天壤之別，它是一種由星下點(diǎn)決定的、半球尺度視場(chǎng)的類凝視觀測(cè)。在這樣的觀測(cè)幾何下，地球上的地物可以被凝視多角度觀測(cè)平均8 h，觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)短視地物緯度高低而定。然而，傳感器不能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地球永久不間斷的觀測(cè)，也就是說，在這種特定的觀測(cè)幾何下，觀測(cè)時(shí)間間隔將會(huì)引起測(cè)量的不確定性。因此，在制定采樣策略時(shí)需充分考慮采樣時(shí)間間隔所引起的測(cè)量不確定性問題。

為了方便對(duì)其進(jìn)行分析，本節(jié)選取大氣層頂日均輻射這一尺度，以GOES-5數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)為例，來衡量不同采樣對(duì)日均能量估算的不確定性。假定數(shù)據(jù)集的單位時(shí)間為1 h，對(duì)于一個(gè)2 h間隔的采樣，在一天中，由于起始時(shí)間的不同，采樣時(shí)間序列有兩種，分別是于0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22 h以及于1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23 h采樣。而后，3 h采樣時(shí)間序列有3種，4 h采樣時(shí)間序列有4種，以此類推。圖9展示了不同采樣時(shí)間間隔中，不同采樣時(shí)間序列所計(jì)算的平均值差異。紅色虛線表示原始時(shí)間序列所計(jì)算的平均值。由圖9可以看出，2 h時(shí)間間隔所產(chǎn)生的兩個(gè)不同的采樣序列差異較小，幾乎為原始時(shí)間序列所計(jì)算的平均值；隨著采樣時(shí)間間隔的增大，不同起始時(shí)間的采樣序列所計(jì)算的日均能量偏差逐漸增大；采樣時(shí)間間隔大于8 h，此時(shí)一天之中，月基輻射計(jì)只能拍攝兩次地球半球，不同起始時(shí)間的采樣序列所計(jì)算的日均能量偏差顯著。

圖9 時(shí)間采樣間隔對(duì)大氣層頂?shù)厍蜉椛淠芰坑^測(cè)的影響[13]Fig.9 The effect of time sampling interval on the observation of outgoing radiation at the top of the atmosphere[13]

圖10更進(jìn)一步展示了不同采樣時(shí)間間隔下采樣不確定性的變化趨勢(shì)，縱軸表示的是平均均方根誤差，分別對(duì)應(yīng)于日均、軌道周期平均以及年平均能量的不確定性。均方根誤差的大小直接體現(xiàn)了不同時(shí)間采樣間隔下能量觀測(cè)值與平均值的離散程度，體現(xiàn)了在不同時(shí)間采樣間隔下的不確定性。由圖10可見，隨著采樣時(shí)間間隔的增加，觀測(cè)不確定性逐漸增加，在2 h采樣時(shí)間間隔的狀況下，其采樣不確定性相對(duì)較小。當(dāng)間隔為2～4 h時(shí)，不確定性變化較小，大約為0.1～0.2 W/m2。當(dāng)采樣時(shí)間間隔為6～8 h時(shí)，不確定性增加到0.4 W/m2。而當(dāng)采樣時(shí)間間隔擴(kuò)大到12～24 h時(shí)，采樣不確定性陡然上升。

圖10 不同采樣時(shí)間間隔下采樣不確定性的變化Fig.10 Variation of sampling uncertainties at different sampling intervals

由此可知，觀測(cè)時(shí)間間隔將會(huì)顯著影響大氣層頂輻射能量的采樣，大于4 h時(shí)的采樣，其不確定性將會(huì)顯著增加。

4 結(jié) 論

本文研究了月基觀測(cè)大氣層頂?shù)厍蜉椛涮匦裕瑥脑禄鶎⒌厍虍?dāng)作“類點(diǎn)狀”的角度研究了月面不同位置觀測(cè)特性、觀測(cè)數(shù)據(jù)受觀測(cè)幾何影響以及觀測(cè)采樣特性。結(jié)果表明，月球軌道是一個(gè)變軌道傾角、變觀測(cè)距離的軌道，一個(gè)軌道周期內(nèi)可以完成對(duì)地球的充分采樣，滿足對(duì)地球進(jìn)行完全時(shí)空覆蓋觀測(cè)的條件；月基輻射計(jì)動(dòng)態(tài)范圍在5.50×10?2～8.50×10?2W/m2，采樣間隔小于4 h，采樣累積時(shí)間為一個(gè)軌道周期，可確保對(duì)地球大氣層頂輻射有較好的觀測(cè)性能。本文的研究為月基輻射計(jì)的儀器設(shè)計(jì)和觀測(cè)參數(shù)確定提供了重要依據(jù)。