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AMS百年评述论文译介

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地球大气的卫星观测 发布日期 :2021-05-13  
   地球大气的卫星观测
  作者: S. A. Ackerman 1, S. Platnick 2, P. K. Bhartia 2, B. Duncan 2, T. L’Ecuyer 1, A. Heidinger 3, G. Skofronick-Jackson 2, N. Loeb 2, T. Schmit 3 and N. Smith 4(1. 威斯康星大学麦迪逊分校; 2. NASA; 3. NOAA/NESDIS/STAR/CoRP; 4. 科技公司(STC)) 
  编译:侯美亭 李婧华
  摘要:卫星气象学是大气科学中的一个相对较新的分支。该领域出现在 20 世纪 50 年代末的冷战时期,它建立在二战后火箭技术发展的基础上。在不到 70 年的时间里,卫星观测改变了科学家观察和研究地球的方式。本文将讨论我们在理解卫星观测能量和水循环、天气预报和大气成分方面的一些关键进展。虽然卫星气象学的发展离不开世界各国的推动,但在有限篇幅的一本美国百年气象学会纪念专著上,本文的重点是介绍美国在这方面的成就。
  1.引言
  卫星观测从根本上改变了我们观察和理解地球的方式。从早期的卫星观测开始,其数据就被用来对地球大气进行定量测量。现代卫星大气数据涵盖了温度和湿度探测、风场、痕量气体浓度、云和气溶胶特性、降水格局和辐射收支。本章重点介绍了过去 60 年来大气卫星观测取得的一些关键进展,并列举了一些例子来说明目前空间设备对于了解大气的重要性。
  在美国气象学会诞生之前,人们就已经很好地构建了从高空观看地球的概念。 1891年,Ludwig Rohrmann发明了火箭助推照相机的第一项专利,其原理是在载荷返回地球时拍摄照片。 1896年, Alfred Nobel申请了一个改进版本的专利,称为“一种获得摄影地图的改进方” 。1928年, Herman Potočnik发表了“太空旅行的关键——火箭发动机” 一文,定义了地球静止轨道,并可将其用作通信平台。 1945年, Arthur C. Clarke发表了“地外转播——火箭发射台可以提供全球无线电覆盖吗? ” 一文,普及了轨道的概念。第二次世界大战后,火箭将摄像机发送到大气层高处来拍摄天气系统,并展示了地球轨道卫星观测天气的潜力(Wexler 1954) 。Wexler委托艺术家创作的卫星观测模拟图见图1。
  气象卫星时代开始于 20 世纪 50 年代的“太空竞赛” 。 1957—1958 年,国际地球物理年(IGY)间,全球有 68 个国家在研究我们的星球。 1957 年 10 月,苏联发射了世界第一颗人造地球卫星。在 1959 年,人类第一颗用于气象观测的人造卫星——探险者 7 号(Explorer-7),被用于监测地球的热量收支,这是第一次成功地从空间观测地球。它改变了未来科学家研究地球的方式。从那时起,仪器、数据技术、卫星和观测策略便逐渐有了巨大的改善。
  观测策略始于定义一个合适的卫星轨道。具体科学目标的完成依赖于各种各样的卫星轨道。低地球轨道( LEO)卫星(300~1500 km)为遥感仪器提供了几个方面的优势,包括高空间分辨率观测、特定时间和空间上的采样。轨道倾角描述了轨道平面和赤道的夹角。极地轨道卫星的倾角约为±90°, 能提供全球范围内的采样,该轨道的一个亚类是太阳同步轨道,在该轨道上, 卫星轨道平面和太阳始终保持固定取向。太阳同步轨道卫星通过赤道的时刻基本保持固定的地方时。例如,美国最新业务极轨卫星系列(JPSS)的高度、倾角、轨道周期和白天通过赤道时刻分别为 824 km、 98.8°、101 min 和局地时间 13:30。对于低轨轨道,需要对轨道进行定期调整,以调整由于大气阻力引起的扰动。地球静止(GEO)轨道卫星在赤道上方约 35800 km 的高度飞行,轨道周期与地球自转相匹配,因此卫星大致固定在特定经度的赤道上空。另一种轨道类型是高椭圆轨道(HEO),具有低空近地点(通常在 1000 km 以下)和高空远地点(通常在 35000 km 以上)的特点。一个例子是苏联/俄罗斯的卫星从 20 世纪 60 年代开始使用的 Molniya 轨道,能为地球观测通常覆盖不到的极地区域提供有利的覆盖。虽然 HEO 轨道尚未用于地球科学观测,但此类轨道的实用性仍在探讨中(Kidder and Vonder Haar 1990; Trishchenko et al. 2015) 。最后,位于第一 Lagrange 点(L1)的卫星提供了一个独特的视角,它在距离地球(朝向太阳)约 160万 km 的地方。从这个相对稳定的轨道上,地球观测仪器可以不断地观测到被白昼照亮的地球半球。一个例子是 2015 年发射的 NOAA-NASA DSCOVR 卫星。虽然它的任务是太阳物理和空间气象观测,但 DSCOVR 是第一个包括地球成像(EPIC)和宽带辐射测量(Nistar)仪器的平台。利用一种新的后向散射太阳视图几何结构,科学家正在研究该轨道对痕量气体、云和气溶胶观测的潜力(Marshak et al. 2018) 。卫星的最佳轨道部分取决于研究目标。
  美国环境卫星中两个特别值得注意的研究项目包括 Nimbus 和地球观测系统(EOS)。这两个项目都在极地轨道上执行了几次卫星任务。 Nimbus 是一个在 1964—1978 年启动的 7-卫星计划(Shapiro et al. 2014; Ward 2015) ,在 NASA、 NOAA 和 USGS 的传感器开发中发挥了关键作用,这些将在“天气监测和预报” 一节作进一步讨论。 EOS 开始于 20 世纪 80 年代,部分原因是认识到需要一个更加综合的、多学科的观测项目,以便更好地推进地球系统过程和气候科学研究。虽然多年来研究方案发生了相当大的变化,但最终共发射了 10 个不同的卫星,包括著名的 Terra(1999 年)、 Aqua(2002 年)和 Aura(2004 年)卫星。关于 EOS 的全面回顾,可以参考 King and Platnick(2018) 以及 EOS 项目科学办公室的 12 篇文章,见 EarthObserver newsletter(eospso.nasa.gov/earthobserver/new-perspectives-eos) 。 当然,其他项目和个别任务也为地球的天气和气候研究做出了重要贡献。卫星气象学的历史可以沿多种视角进行讨论(例如, Purdom and Menzel 1996; Smith et al. 1986) ,包括按时间顺序讨论卫星任务。这里所采取的方法是按照卫星测量对天气和气候科学进步的贡献。虽然过去几十年中,基于卫星的科学进展是相互关联的,但我们将本章分为四个广泛的科学领域: 辐射能量收支、水文循环、天气系统和预报,以及大气成分。卫星任务的观测需要我们增进对这些广泛领域的了解。
  辐射能量收支: 大气层顶(TOA)能量收支是最基本的测量地球气候的方法。 TOA 地球辐射收支(ERB)囊括了太阳能量输入地球系统、辐射损失和热辐射发射三方面。根据太阳、大气和地球表面之间能量流动的地理变化,建立了平均大气和海洋温度模式,它是全球风和洋流模式的驱动力,并通过蒸发和降水过程控制着水文循环。量化地球的能量平衡对于了解气候系统和预测全球气候变化的影响至关重要。自从第一颗气象卫星发射以来,它们在增进对全球能量收支的认识方面发挥了关键作用。
  水文循环: 水文循环即整个地球系统的水循环。大气水汽的主要来源是海洋的蒸发;地表和植物的蒸发蒸腾也是大气水汽的一个关键组成部分。水汽只占大气的 1%~4%(按体积百分比),但它在天气和地球能量平衡中起着关键作用。水汽吸收和辐射电磁辐射的光谱范围很广,为对流层和平流层各水相的遥感提供了基础。云至关重要,它不仅在大气循环过程中将水输送到全球,而且通过与太阳和红外辐射的相互作用来调节地球的辐射能量收支。降水是淡水的重要来源,了解世界各地何时、何地、下多少雨或雪对科学和社会都很重要。降水也代表着地球大气的重要能量(潜热)和水文交换,卫星可以量化和监测云、降水和大气水汽的全球分布(Peters-Lidard et al. 2019) 。
  天气监测和预报: 卫星观测提供了对天气预报至关重要的常规大气全球评估。通过跟踪天气系统和提供从其他平台不可能获得的时空尺度上的大气动力学信息,卫星观测改变了气象学。卫星观测对于模式配置和资料同化也至关重要,有助于解决天气系统的动力学问题,从而改进预报。今天的卫星系统定期监测全球的天气格局,是日常天气预报和公众气象意识的重要组成部分。
  大气成分: 气溶胶和微量气体在许多方面影响着地球的天气、空气质量和气候。气溶胶对气候的直接冷却效应在概念上已经很清楚了,但是气溶胶光学参数的全球分布在气候模式评估中需要更好的限定。云凝结核(CCN)和冰核(IN)形式的气溶胶也可以通过改变云的光学特性间接影响气候,从而影响包括辐射特性在内的一系列云特性。需要长期气溶胶数据来帮助区分人为气溶胶效应与自然气溶胶效应。专门的卫星传感器能够反演多种痕量气体信息,为了解空气质量及平流层臭氧状态提供基本数据。
  各种各样的卫星携带着不同仪器,产生了大量的数据。这些传感器使用主动或被动的校准和定标技术来观测能量。在某些情况下,观测到的辐射会形成图像。天气预报利用卫星动态图像监测大气状况。辐射也可以直接同化在数值天气预报模式中。对于许多其他应用,观测到的辐射通过计算机算法转换为地球物理参数(例如能量通量、温度分布、气溶胶光学厚度)。这些算法是以物理和统计框架为基础的。算法产品的验证是通过地面观测网络(例如,Holben et al. 2001; De Mazière et al. 2018) 、 探空仪(例如, Nalli et al. 2018a, b) 、机载观测(例如, Cox et al. 1987) 和独立的卫星方法(例如, Ackerman et al. 2008) 的一些结合进行的。通过对已知误差源使用特定的协方差方法,可将反演不确定度作为一个数据集和反演结果一起生成(例如, Austin et al. 2009; Poulsen et al. 2012; Platnick et al. 2017) 。
  从卫星平台观测地球,使地球系统科学研究得到了迅速发展,并带来了巨大的社会效益,例如天气预报和空气质量监测的改善。
  2.辐射能量收支
  空基观测为我们对地球辐射平衡的理解带来了革命性的变化,它首次提供了对太阳净辐射和 TOA 射出热辐射空间分布的真正全球估计(例如, Weinstein and Suomi 1961; Raschke andBandeen 1970; Harrison et al. 1990) 。最早的人造卫星任务之一就是观测地球的辐射收支(ERB)。
  1959 年发射了搭载 Verner Suomi 和 Robert Parent 开发的平板辐射计的“探险家七号”(House et al. 1986) ,其首次成功地从太空测量了 ERB。在早期的航天器中,尽可能避免移动部件; Suomi 和 Parent 创造了一个简单的设计,由两对平板组成,平板安装在旋转的航天器的对面。一对漆成黑色,另一对漆成白色。这对黑色的平板可以吸收光线,包括直接来自太阳的,以及地球反射和地球辐射的。这对白色的平板反射了大多数光线,但可以吸收地球辐射。通过测量这些平板的温度,并用热平衡方程计算了太阳和地球发出的辐射量。这项试验首次提供了地球辐射平衡的粗略测量,并确立了云在辐射能量收支中的重要作用。在随后的几年里,我们了解到地球比地面仪器所测量的要更暗、更热,热带和中纬度之间吸收太阳 能 的 梯 度 比 以 前 想 象 的 要 大 得 多(Vonder Haar 1994) 。环境科学服务管理局(ESSA) 5~9 号航天器(于 1967—1969 年发射)携带了与“探险家七号” 上的类似的辐射计。
  1964 年,设计了极地轨道 Nimbus 计划,通过同步测量入射太阳辐射和射出地球反射及地球辐射,来确定 ERB。 Raschke et al.(1973) 利用 Nimbus 3 观测估算了地球每年的全球辐射收支,包括全球、半球和纬向平均的行星反照率、吸收太阳辐射和射出红外辐射损失。他们也提供了近天气尺度空间分辨率的全球图像。 1969 年,对 Nimbus 3 号卫星上扫描辐射计收集的数据进行分析后发现,地球的行星发射温度约为 254 K,并且反射了约 29%的入射阳光(Vonder Haar and Suomi 1969; Vonder Haar et al. 1972) 。
  Nimbus 6 号和 7 号卫星携带了一个地球辐射收支(ERB)仪器,该仪器由一个宽视场(WFOV)仪器和一个扫描窄视场(NFOV)仪器组成,可以更高的空间分辨率(约 10~100 km)测量的地球辐射。 WFOV 辐射计的足迹长达几千千米,且不受晴空和多云场景的影响。这些仪器通过在不同的观测天顶角进行扫描,从根本上测量了辐射而不是通量。将辐射观测转换为通量需要一个角分布模型(ADM)。 Nimbus 测量显示了大陆对辐射收支和纬向变化的影响(Kubota and Imai 1986) ,同时也证实了 ERB 分量的纬向变化大于经向变化;而经向变化主要由陆海分布决定。
  2.1地球辐射收支试验(ERBE)
  地球辐射收支试验(ERBE)是对 Nimbus 辐射测量的后续改进(Barkstrom 1984; Barkstromand Smith 1986)。 ERBE 是围绕着三颗地球轨道卫星设计的: NASA 地球辐射收支卫星(ERBS)和两颗 NOAA 卫星。 ERBS 卫星处于 57°倾斜轨道上,而 NOAA 9 和 NOAA 10 上的 ERBE 扫描仪处于极地轨道上; ERBS 卫星的轨道允许测量白天地球辐射的变化。每个卫星都携带扫描(Kopia 1986) 和非扫描辐射计(Luther et al. 1986) 以及太阳辐射计。然后,将基于 Nimbus 7NFOV 发展的角分布模型应用于 ERBE 的 NFOV 仪器上(Suttles et al. 1988; Suttles et al. 1989),它能够测量晴空和多云地区的辐射收支。 ERBE 观测结果成为大气环流模式(GCMs)的重要参考(例如, Ramanathan et al. 1989) 。
  云调节着 TOA、大气和地表的辐射收支。云增加了地球的反照率,从而减少了地球吸收的太阳辐射量。云减少了地面红外辐射的损失。 ERBE 计划通过推断云辐射效应(CRE),量化了云对地球辐射能量收支的影响。它定义为在所有天空和无云条件下测得的反射太阳辐射和/或发射热辐射之间的差异, CRE 取决于云的宏观物理和微观物理性质。 ERBE 的一个重要成果是发现在全球范围内,短波 CRE 超过瞬时长波 CRE。负(正)净 CRE 通常被称为冷却(变暖)效应。其他 ERBE 成果包括:
  ∙ 为气候研究建立准确的长期数据集(Loeb et al. 2009; Loeb et al. 2015) 。
  ∙ 在区域尺度上(如海洋层积云区和热带辐合带)估算 CRE,从而能够测量云类型。
  ∙ 提供用于验证和改进气候敏感性研究的 GCM 的辐射标准(Cess and Potter 1988;Ramanathan et al. 1989) 。
  ∙ 首次反演出全球区域辐射参数的准确日变化(Harrison et al. 1988) 。
  ∙ 测量 1987 年厄尔尼诺期间的长波和短波辐射异常(Soden 1997) 。
  ∙ 测量皮纳图博火山喷发引起的短波和长波异常。 ERBE 测量了反射阳光的增加和向空间发射的热能的减少,这导致了轻微的全球冷却(Minnis et al. 1993) 。
  在 ERBE 计划实施后的几十年里,校准的改进、空间和时间分辨率的提高、地表和大气特性模型的更好建立,以及空基主动传感器的发展导致了地球能量收支观测的定期改进。例如,由于目前在太阳辐射和气候试验( SORCE)中的总辐照度监测器(TIM)非常精确的测量, TOA处的入射太阳通量密度(通常称为太阳常数)现在是已知的,为 1360.8±0.5 W·m-2(Kopp and Lean 2011) 。
  定义全球能量收支需要对 ERB 日循环进行恰当抽样。 ERBE 通过提供全球采样的三颗卫星解决了这一问题,但对于非极地区域的采样在时间上仍然有限。自 2003 年以来,欧洲第二代气象卫星(MSG)的地球物理辐射收支(GERB)仪器直接地解决了这个问题,尽管只覆盖了全球的部分区域(Harries et al. 2005; Schmetz et al. 2002) 。