团队CARE产品新成果：地表下行太阳辐射组分近实时遥感监测系统及产品发布
2023-11-03
团队研制的云遥感、大气辐射与再生能源（CARE，http://www.slrss.cn/care/）及模拟器又新增了地表下行太阳辐射组分近实时遥感监测系统（http://www.slrss.cn/care_zh/cp/jcxt/swr/）及产品。近日，中国科学院空天信息创新研究院胡斯勒图研究员、石崇研究员等联合国家卫星气象中心、中国科学院国家空间科学中心、中山大学、中国气象科学研究院、日本东海大学、日本宇航局、日本国立环境研究所、英国气象局等国内外研究机构在美国气象学会旗舰期刊BAMS（Bulletin of the American Meteorological Society）杂志上发表了题为“Surface solar radiation compositions observed from Himawari-8/-9 and Fengyun-4 series”的论文，系统介绍了团队在地表下行太阳辐射组分近实时遥感监测系统及产品研制的工作。这篇论文是研究团队继发表于2021年的BAMS论文（Letu et al., BAMS, 2021; ESI高被引、热点）之后，关于太阳辐射遥感的第二篇研究文章。该研究同时得到了中国气象局国家卫星气象中心的大力支持。
地表下行太阳辐射是计算地表辐射收支的重要参数，是驱动地球大气圈、水圈、生物圈等多圈层过程变化的基本能量来源。传统的太阳辐射遥感数据，因其时空分辨率不足以及缺少太阳辐射组分及直射、散射信息，难以满足太阳辐射在农业、生态、气候等领域的精细化监测与应用需求。近年来，随着卫星探测技术的快速发展，尤其是以国产FY-4和日本Himawari-8等为代表的新一代静止卫星，因其多光谱、高时空分辨率的观测优势，为地表太阳辐射的多组分、近实时监测提供了新的契机。
云及气溶胶是影响地表下行太阳辐射的重要因素，本研究基于FY-4和Himawari-8卫星观测光谱信息，结合团队前期研制的高精度云及气溶胶遥感数据，通过联合考虑气体吸收、地表反射等参数影响，创新性地构建辐射传输模型与机器学习的融合技术，开发了亚太地区太阳辐射组分近实时遥感监测系统及时空分辨率为5km、10min的高精度遥感产品。该监测系统及遥感产品共提供8种太阳辐射组分信息，包括太阳短波辐射（SWR）、光合有效辐射（PAR）、紫外线A辐射（UVA）、紫外线B辐射（UVB）以及每个辐射量的直射、散射分量（图1），相比国际同类卫星遥感产品或再分析资料（如美国CERES、欧洲ERA5数据），该产品时空分辨率及精度均得到显著提升，尤其是对于监测快速变化的云下太阳辐射（如青藏高原地区）优势明显（图2）。
基于上述遥感产品，研究团队对COVID-19疫情前后（2019年至2022年，每年2月份）大气气体、气溶胶以及云对太阳辐射组分的影响进行了定量评估。相较于疫情爆发前，2020年，随着我国防控政策的实施，我国中东部地区的气溶胶排放同期减少了约32.3%，而印度东北部和老挝北部的气溶胶排放则有所增加；与此同时，我国中东部地区的云光学厚度明显减少，这两个因素的共同作用加剧了该地区地表短波辐射的显著增加（图3）。统计结果进一步显示，在疫情爆发前后，我国中东部地区气溶胶排放减少的约83.11%归因于人为排放的硫酸盐气溶胶。到了2022年，气溶胶排放已经恢复到了2019年同期的水平。此外，由于人为排放的细气溶胶粒子具有较强的后向散射作用，气溶胶对直射太阳辐射的影响要大于对散射辐射的影响（图4）。总的来说，臭氧对UVB辐射产生显著影响，而云是影响SWR、PAR和UVA的最重要因素。
该论文的重要创新性在于突破了地表太阳辐射组分近实时遥感监测的技术难题，使得卫星对地表太阳辐射的监测达到了多组分、高精度、高频次、精细化、近实时的水平。这对于评估区域尺度的太阳能资源分布、植被光合作用过程、紫外辐射的健康效应等具有重要的科学和应用价值。团队通过联合使用中日新一代静止气象卫星数据，并与国家卫星气象中心、日本宇航局等卫星业务部门合作，进一步推动了静止卫星在太阳辐射监测的联合应用（图5）。太阳辐射组分监测系统（http://www.slrss.cn/care_zh/cp/jcxt/swr/）及遥感产品已在团队搭建的CARE网站在线发布（http://www.slrss.cn/care_zh/）。
胡斯勒图研究员为论文第一作者，石崇研究员为通讯作者，合作作者包括国家卫星气象中心的张鹏研究员、李俊研究员、日本东海大学Takashi Y. Nakajima教授、日本宇航局M. Hashimoto博士、日本国立环境研究所Teruyuki Nakajima教授、英国气象局Anthony J. Baran教授、中国科学院国家空间科学中心施建成研究员、许健研究员、中国科学院空天信息创新研究院陈良富研究员、姬大彬副研究员、尚华哲助理研究员、中山大学王天星教授、中国气象科学研究院李雷副研究员等。该研究同时得到第二次青藏高原综合科学考察及国家自然科学基金项目的联合支持。
原文连接：
Letu, H., Ma, R., Nakajima, T.Y., Shi, C., Hashimoto, M., Nagao, T.M., Baran, A.J., Nakajima, T., Xu, J., Wang, T., et al., Surface Solar Radiation Compositions Observed from Himawari-8/9 and Fengyun-4 Series. Bulletin of the American Meteorological Society, 104, E1772-E1789, 2023.
前期基础：
Letu, H., Nakajima, T. Y., Wang, T.X., Shang, H.Z., Ma, R., Yang, K., Baran, A.J., Riedi, J., Ishimoto, H., Yoshida, M., Shi, C., Khatri, P., Du, Y.H., Chen, L.F., Shi, J.C., A new benchmark for surface radiation products over the East Asia–Pacific region retrieved from the Himawari-8/AHI next-generation geostationary satellite. Bulletin of the American Meteorological Society, 103, E873-E888,2022. (ESI高被引、热点)
图1. 2019年8月1日03:00地表太阳辐射组分（短波辐射、光合有效辐射、紫外线A辐射、紫外线B辐射）的总辐射、直射及散射分量的空间分布
图2. 2019年9月27日青藏高原纳木错区域太阳短波辐射（SWR）遥感监测; (a)当地时间15:00的卫星真彩图，(b, c, d) 基于Himawari-8、CERES和ERA5太阳短波辐射的空间分布，(e) 青藏高原纳木错区域的地理位置，(f) 太阳短波辐射的日变化，(g) Himawari-8、CERES、ERA5和地面观测之间的日均SWR比较。
图3. 2019年2月份及2020年2月份月均气溶胶光学厚度AOT(a, b)、云光学厚度COT(d, e) 、地表下行短波辐射SWR(g, h)的时空分布特征及差异。 (a)图中的红色和蓝色方框分别描绘了中国中东部区域以及日本东部海域。
图4. 2019~2022年每年2月份总气溶胶（Total）及硫酸盐气溶胶（Sulfate）的月均地表辐射强迫（DSRF）变化。红色和蓝色分别代表中国中东部区域以及日本东部海域的区域平均值。SWR、PAR、UVA、UVB分别表示太阳短波辐射、光合有效辐射、紫外A辐射、紫外B辐射，direct、diffuse表示各辐射组分的直射、散射分量。
图5. 2019年8月1日03:00时刻太阳短波辐射空间分布（a：葵花8卫星，b：FY-4A卫星）以及卫星观测重合区的散点对比（c）
附件下载：