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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

李元, 张勇, 胡丽琴, 陆其峰, 卢乃锰. 中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区光环境变化研究[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0129
引用本文: 李元, 张勇, 胡丽琴, 陆其峰, 卢乃锰. 中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区光环境变化研究[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0129
LI Yuan, ZHANG Yong, HU Li-qin, LU Qi-feng, LU Nai-meng. Investigations of optical environment changes in the dunhuang gobi site of the chinese radiometric calibration sites[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0129
Citation: LI Yuan, ZHANG Yong, HU Li-qin, LU Qi-feng, LU Nai-meng. Investigations of optical environment changes in the dunhuang gobi site of the chinese radiometric calibration sites[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0129

中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区光环境变化研究

doi: 10.37188/CO.2020-0129
基金项目: 国家重点研发计划课题(No. 2018YFB0504601);国家自然基金委员会面上项目(No. 41271373);民用航天“十三五”技术预先研究项目(No. D040401)
详细信息
    作者简介:

    李 元(1978—),女,北京丰台人,工学博士,国家卫星气象中心副研究员,主要从事在轨遥感器定标与产品反演等方面的研究。E-mail:liyuan@cma.gov.cn

    张 勇(1977—),男,陕西镇巴人,理学博士,国家卫星气象中心研究员,主要从事卫星遥感器辐射定标与真实性检验方面的研究。E-mail:zhangyong@cma.gov.cn

  • 中图分类号: O432.1; P422.1

Investigations of optical environment changes in the dunhuang gobi site of the chinese radiometric calibration sites

Funds: National Key Research and Development Project (No. 2018YFB0504601); National Natural Science Foundation of China General Project (No. 41271373); Civil Aerospace “Thirteenth Five-Year” Technology Pre-research Project (No. D040401)
More Information
  • 摘要: 中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区在国内外遥感卫星在轨辐射定标与定量化应用领域具有不可替代的作用。随着2016年敦煌场区外围南侧熔盐塔式光热发电项目的建成并投入使用,集热塔散射辐射对场区光环境的影响程度有待开展详细的分析评估。本文开发了使用Monte Carlo三维辐射传输模型模拟与CE318多通道光度计等高线实测分析相结合的定量分析方法,解决了散射辐射交融于背景辐射中难以定量评估的问题。通过使用新型的ASC200云量自动观测仪,提高了晴空判识精度。通过开发CE318四象限定位修正算法,有效提高了观测数据质量。2020年1−3月收集到的有效数据显示除了550 nm通道,集热塔未对天空漫射辐射带来明显影响。对于500 nm通道,在有效数据对应的观测几何下(距离0.87−3.07 km,观测天顶角77.30−51.32°),集热塔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公里时大电站散射辐射带来的天空漫射辐射相对变化<1.62%,大于等于3公里时相对变化<0.93%的结论。本项研究成果对利用敦煌场开展遥感定量化应用,准确评估发电站引进的不确定度因素具有积极意义。
  • 图  1  在自动观测基地附近观察到的工作状态的集热塔

    Figure  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

    Figure  2.  Schematic diagram of the almucantar measurement angle

    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

    Figure  3.  An example of the radiant energy level distribution of the light reflected by the heat collection tower observed by the satellite

    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

    Figure  4.  ASC200 cloud cover automatic observer infrared cloud image at 7:00:05 UTC on March 2, 2020

    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

    Figure  5.  Normalized full sky diffuse irradiance and CE318 spectral response function

    图  6  440 nm相对偏差RdevBr最小值−2.07%(03−09 09:59)

    Figure  6.  Relative deviation RdevBr of 440 nm, whose minimum value is −2.07% (03−09 09:59)

    图  7  500 nm相对偏差RdevBr最小值−3.65%(03−03 08:03)

    Figure  7.  Relative deviation RdevBr of 500 nm minimum −3.65% (03−03 08:03)

    图  8  500 nm相对偏差RdevBr最大值0.93%(01−25 09:04)

    Figure  8.  Relative deviation RdevBr of 500 nm, whose maximum value is 0.93%(01−25 09:04)

    表  1  模拟的相关参数定义

    Table  1.   Definitions of parameters in the simulation

    相关参数取值范围
    模拟区域范围11 km*11 km
    (设定集热塔位于模拟区域中心像元的中央)
    水平空间分辨率1 km
    反射光源性质离地面高度260米;向上各角度随机发射
    计算波段0.55微米
    大气背景中纬夏季大气考虑H2O、O2、O3气体吸收和
    大气分子瑞利散射
    气溶胶特性光学厚度0.1;单次散射反照率0.938;
    不对称因子0.764
    地表特性地表反照率0.2
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    表  2  CE318通道设置

    Table  2.   CE318 channel specifications

    编号中心波长带宽观测模式
    11020 nm10 nmS、A、K
    21640 nm25 nmS、A、K
    3870 nm10 nmS、A、K
    4675 nm10 nmS、A、K
    5440 nm10 nmS、A、K
    6500 nm10 nmS、A、K
    71020i nm10 nmS
    8936 nm10 nmS
    9380 nm2 nmS
    10340 nm2 nmS
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    表  3  CE318性能参数

    Table  3.   CE318 performance parameters

    项目内容
    视场1.2°
    探测器铟镓砷(InGasn)探测器:1020i nm,1640 nm硅探测器:其它
    工作温度−30至+ 60 °C
    太阳追踪方法四象限探测器主动跟踪
    跟踪精度优于0.1°
    天空漫射辐射
    观测频率
    固定时刻与大气质量数
    动态范围增益可调
    量化等级15
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    表  4  ASC200性能参数

    Table  4.   ASC200 performance parameters

    项目内容
    观测指标可见光云量、红外云量、综合云量
    红外波长8−14微米
    视场角可见光180°,红外160°
    采样周期10分钟
    工作温度−45 °C至55 °C
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    表  5  HIM性能参数

    Table  5.   HIM performance parameters

    项目内容
    观察内容总天空辐照度,天空漫射辐照度,漫射/总漫射比
    波长400−2400 nm
    半高宽4 nm @ 400−950 nm,15 nm @ 950−1700 nm,
    20 nm @ 1700−2400 nm
    采样期6分钟
    工作温度−30 °C至60 °C
    信噪比≥600@ 400−1000 nm,≥300@ 1000−1700 nm,
    ≥200@ 1700−2400 nm(M = 2,非吸收通道)
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    表  6  观测数据的质量控制阈值

    Table  6.   Observation data quality control threshold

    项目数值
    云量0
    光学厚度<0.2
    ALL与ALR相对偏差的标准差<1%
    相对偏差计算点与大小电站的投影距离>5 km
    太阳与大小电站的投影距离>2.5 km
    ALL与ALR观测时间差异<1 min
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    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

    Table  7.   The relative distribution of the radiant energy of the light reflected by the heat collection tower observed by the satellite

    距离0度10度20度30度40度50度
    0 km1.0000.7800.5490.3810.2770.202
    1 km0.4340.3690.2850.1940.1790.162
    2 km0.0350.0330.0330.0320.0370.047
    3 km0.0200.0190.0200.0210.0230.027
    4 km0.0160.0160.0160.0170.0200.023
    5 km0.0150.0150.0150.0160.0180.021
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    表  8  各级筛选后有效观测数据量值统计(组)

    Table  8.   Statistics of effective observation data after being selected at different levels (group)

    筛选项目1020 nm1640 nm870 nm576 nm440 nm500 nm合计
    a)8047786114667875654011
    b)135132815413570607
    c)457747444344300
    d)0316272259
    e)0212221643
    f)020114926
    g)020114926
    h)020114926
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    表  9  吸热器散射辐射带来的相对偏差(440 nm)

    Table  9.   Relative deviation due to scattered radiation from the heat absorber (440 nm)

    UTC TimeAODSz (°)Sa (°)Beta (°)HB (km)onDegB (°)DdegB (°)RdevB (%)RdevBr (%)HS (km)onDegS (°)DdegS (°)RdevS (%)RdevSr (%)
    03-10 08:590.1561.83235.340.072.06185.374.63−1.18−1.081.540124.874.87−0.29−0.31
    03-10 07:590.1453.28220.750.112.86170.770.77−1.14−0.922.140110.279.73−1.57−1.49
    03-10 06:590.1547.20202.900.133.55152.922.92−0.04 0.312.65092.422.42−1.37−1.18
    03-09 10:270.1777.14252.070.090.881102.092.09−0.70−0.720.660141.591.59 0.24 0.14
    03-09 09:590.1572.12247.040.121.24197.062.94−2.11−2.070.930136.563.44−0.63−0.74
    03-02 09:020.1564.41233.460.061.84183.483.48−0.51−0.421.381122.982.98−1.23−1.24
    03-02 07:020.1850.22202.090.133.19152.122.12−0.20 0.192.390 91.621.62−1.47−1.28
    02-27 10:140.1477.10246.640.090.88196.663.34−0.89−0.870.660136.163.84−0.75−0.84
    02-27 09:020.1665.23232.610.161.77182.632.63−1.47−1.231.330122.132.130.47 0.39
    02-27 08:020.1957.00218.410.092.49168.431.57 0.09 0.301.860107.937.93 1.33 1.38
    02-27 07:020.1851.24201.490.083.08151.511.51−0.51−0.292.300 91.021.02−0.61−0.50
    01-25 09:240.1676.61230.440.110.92180.460.46−0.18 0.000.690119.970.03−0.81−0.91
    01-25 09:030.1773.56226.290.061.13176.323.68−0.14−0.030.850115.824.18−0.60−0.64
    01-10 07:560.1968.63211.650.041.50061.671.67−1.02−0.891.121101.171.17−0.44−0.43
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    表  10  吸热器散射辐射带来的相对偏差(500 nm)

    Table  10.   Relative deviation due to scattered radiation from the heat absorber (500 nm)

    UTC TimeAODSz (°)Sa (°)Beta (°)HB (km)onDegB (°)DdegB (°)RdevB (%)RdevBr (%)HS (km)onDegS (°)DdegS (°)RdevS (%)RdevSr (%)
    03-10 09:000.1462.01235.590.122.04185.614.39−0.85−0.631.530125.115.11 0.88 0.87
    03-10 08:000.1453.42221.040.252.85171.061.06−0.74−0.142.130110.569.44−1.19−0.97
    03-03 08:030.1555.92219.770.142.60169.800.20−4.01−3.651.940109.309.30−1.21−1.10
    02-27 10:160.1477.30246.840.080.87196.863.14 0.29 0.320.650136.363.64−0.10−0.18
    02-27 07:030.1651.32201.840.143.07151.861.86−2.24−1.812.290 91.361.36−0.46−0.22
    01-25 09:250.1576.80230.690.170.90180.710.71 0.57 0.880.680120.210.21−0.09−0.21
    01-25 09:040.1673.72226.510.111.12176.543.46 0.68 0.930.840116.043.96−0.20−0.25
    01-10 08:580.1775.87224.520.080.97074.544.54 0.49 0.710.721114.045.96 0.31 0.28
    01-10 07:570.1768.75211.920.071.49061.94 1.94−0.50−0.251.121101.441.44−0.02 0.01
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    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(%)

    Table  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 (%)

    距离0度10度20度30度40度50度
    0 km34.4426.8718.9113.129.546.96
    1 km14.9512.719.826.686.175.58
    2 km1.211.141.141.101.271.62
    3 km0.690.650.690.720.790.93
    4 km0.550.550.550.590.690.79
    5 km0.520.520.520.550.620.72
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出版历程

中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区光环境变化研究

doi: 10.37188/CO.2020-0129
    基金项目:  国家重点研发计划课题(No. 2018YFB0504601);国家自然基金委员会面上项目(No. 41271373);民用航天“十三五”技术预先研究项目(No. D040401)
    作者简介:

    李 元(1978—),女,北京丰台人,工学博士,国家卫星气象中心副研究员,主要从事在轨遥感器定标与产品反演等方面的研究。E-mail:liyuan@cma.gov.cn

    张 勇(1977—),男,陕西镇巴人,理学博士,国家卫星气象中心研究员,主要从事卫星遥感器辐射定标与真实性检验方面的研究。E-mail:zhangyong@cma.gov.cn

  • 中图分类号: O432.1; P422.1

摘要: 中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区在国内外遥感卫星在轨辐射定标与定量化应用领域具有不可替代的作用。随着2016年敦煌场区外围南侧熔盐塔式光热发电项目的建成并投入使用,集热塔散射辐射对场区光环境的影响程度有待开展详细的分析评估。本文开发了使用Monte Carlo三维辐射传输模型模拟与CE318多通道光度计等高线实测分析相结合的定量分析方法,解决了散射辐射交融于背景辐射中难以定量评估的问题。通过使用新型的ASC200云量自动观测仪,提高了晴空判识精度。通过开发CE318四象限定位修正算法,有效提高了观测数据质量。2020年1−3月收集到的有效数据显示除了550 nm通道,集热塔未对天空漫射辐射带来明显影响。对于500 nm通道,在有效数据对应的观测几何下(距离0.87−3.07 km,观测天顶角77.30−51.32°),集热塔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公里时大电站散射辐射带来的天空漫射辐射相对变化<1.62%,大于等于3公里时相对变化<0.93%的结论。本项研究成果对利用敦煌场开展遥感定量化应用,准确评估发电站引进的不确定度因素具有积极意义。

English Abstract

李元, 张勇, 胡丽琴, 陆其峰, 卢乃锰. 中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区光环境变化研究[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0129
引用本文: 李元, 张勇, 胡丽琴, 陆其峰, 卢乃锰. 中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区光环境变化研究[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0129
LI Yuan, ZHANG Yong, HU Li-qin, LU Qi-feng, LU Nai-meng. Investigations of optical environment changes in the dunhuang gobi site of the chinese radiometric calibration sites[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0129
Citation: LI Yuan, ZHANG Yong, HU Li-qin, LU Qi-feng, LU Nai-meng. Investigations of optical environment changes in the dunhuang gobi site of the chinese radiometric calibration sites[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0129
    • 自上世纪80年代开始,卫星遥感逐渐向定量化方向发展。卫星图像不再只是用于目视解译,而是用来定量反演大气、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计算,对在轨卫星遥感器进行标定,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。我国自上世纪90年代启动“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系统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]

      经过近二十年的运行,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公里的戈壁滩上(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。

      自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]

      2016年12月,位于敦煌场外围南侧的10兆瓦熔盐塔式光热发电项目(小电站)建成并投入使用[19],该项目定日镜数量1525面,占地面积120公顷,塔高138米,经度E94.43°,纬度N40.08°,相对于场地自动观测基地距离2.86公里,方位角110.48°。2018年12月100兆瓦熔盐塔式光热发电项目(大电站)投入使用[20]。该项目定日镜数量11000面,占地面积800公顷,塔高260米,经度E94.42°,纬度N40.06°,相对于场地自动观测基地距离3.83公里,方位角149.98°。熔盐塔式光热电站利用定日镜将太阳光汇聚至集热塔顶的吸热器上。定日镜角度独立可控,在需要发电时将太阳光汇聚向集热塔顶。高达百米的集热塔塔顶汇聚上千面定日镜反射的太阳辐射,形成一个耀眼的光源。远在数公里外的自动观测基地也可轻松观察到。

      敦煌场因其得天独厚的表面均匀、气候干燥特性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。然而,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。本文着重面向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了定量分析。

    • 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方法是常用的一种理论模拟工具。

      图  1  在自动观测基地附近观察到的工作状态的集热塔

      Figure 1.  Heat collection tower in working condition observed from the automatic observation base

      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地释放具有初始能量权重的光子,并且在大气介质中逐个地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,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,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的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

      Table 1.  Definitions of parameters in the simulation

      相关参数取值范围
      模拟区域范围11 km*11 km
      (设定集热塔位于模拟区域中心像元的中央)
      水平空间分辨率1 km
      反射光源性质离地面高度260米;向上各角度随机发射
      计算波段0.55微米
      大气背景中纬夏季大气考虑H2O、O2、O3气体吸收和
      大气分子瑞利散射
      气溶胶特性光学厚度0.1;单次散射反照率0.938;
      不对称因子0.764
      地表特性地表反照率0.2
    • 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计算验证。CE318可实现在不同太阳的高度位置,360度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。

    • 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  CE318通道设置

      Table 2.  CE318 channel specifications

      编号中心波长带宽观测模式
      11020 nm10 nmS、A、K
      21640 nm25 nmS、A、K
      3870 nm10 nmS、A、K
      4675 nm10 nmS、A、K
      5440 nm10 nmS、A、K
      6500 nm10 nmS、A、K
      71020i nm10 nmS
      8936 nm10 nmS
      9380 nm2 nmS
      10340 nm2 nmS

      表 3  CE318性能参数

      Table 3.  CE318 performance parameters

      项目内容
      视场1.2°
      探测器铟镓砷(InGasn)探测器:1020i nm,1640 nm硅探测器:其它
      工作温度−30至+ 60 °C
      太阳追踪方法四象限探测器主动跟踪
      跟踪精度优于0.1°
      天空漫射辐射
      观测频率
      固定时刻与大气质量数
      动态范围增益可调
      量化等级15

      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

      Table 4.  ASC200 performance parameters

      项目内容
      观测指标可见光云量、红外云量、综合云量
      红外波长8−14微米
      视场角可见光180°,红外160°
      采样周期10分钟
      工作温度−45 °C至55 °C

      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

      Table 5.  HIM performance parameters

      项目内容
      观察内容总天空辐照度,天空漫射辐照度,漫射/总漫射比
      波长400−2400 nm
      半高宽4 nm @ 400−950 nm,15 nm @ 950−1700 nm,
      20 nm @ 1700−2400 nm
      采样期6分钟
      工作温度−30 °C至60 °C
      信噪比≥600@ 400−1000 nm,≥300@ 1000−1700 nm,
      ≥200@ 1700−2400 nm(M = 2,非吸收通道)
    • 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所示。

      图  2  等高线测量角度示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of the almucantar measurement angle

      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起始,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观测的时间差异在1分钟以内。当距离集热塔的投影距离大于5 km时,要求ALL与ALR观测数据的相对偏差的标准差小于1%。这一限制不适用于距离小于等于5 km的数据,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公里。同时要求大小电站位于太阳的同侧,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

      Table 6.  Observation data quality control threshold

      项目数值
      云量0
      光学厚度<0.2
      ALL与ALR相对偏差的标准差<1%
      相对偏差计算点与大小电站的投影距离>5 km
      太阳与大小电站的投影距离>2.5 km
      ALL与ALR观测时间差异<1 min

      为了尽可能的利用有效数据,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。

    • 由于存在四相限定位误差,晴空时ALL与ALR测量得到的光晕辐射的差异较大。如表3所示CE318四象限定位精度为0.1度,对应光晕观测值的相对差异可以达到10%。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,所设计的定位修正公式如下。

      $${\rm{log}}\left( {{\rm{v}}\left( {\rm{x}} \right) \times {\rm{v}}{0_{\rm{a}}}} \right) = {{\rm{a}}_1} \times {\rm{log}}\left( {\left| {{\rm{x}} + {{\rm{a}}_2}} \right|} \right) + {{\rm{a}}_3}$$ (1)

      式(1)中x=[−6 −5 −4 −3.5 −3 3 3.5 4 5 6],为ALL与ALR观测太阳光晕时的相对方位角,单位是度。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度,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的数值代表了四相限定位误差。

    • 模型模拟是以中心点(卫星观测天顶角为0度,距离塔顶为0公里)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;继而推算出其它位置上的实际量值。

    • 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度,观测方位角为正北方向)。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

      Figure 3.  An example of the radiant energy level distribution 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。以集热塔所在像元在卫星观测天顶角为0度时的观测辐射为基准值1,距离集热塔3公里时,垂直观测时对大气的影响为1.97%,观测天顶角为50度时对大气的影响可达2.69%。

      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

      Table 7.  The relative distribution of the radiant energy of the light reflected by the heat collection tower observed by the satellite

      距离0度10度20度30度40度50度
      0 km1.0000.7800.5490.3810.2770.202
      1 km0.4340.3690.2850.1940.1790.162
      2 km0.0350.0330.0330.0320.0370.047
      3 km0.0200.0190.0200.0210.0230.027
      4 km0.0160.0160.0160.0170.0200.023
      5 km0.0150.0150.0150.0160.0180.021
    • 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

      Figure 4.  ASC200 cloud cover automatic observer infrared cloud image 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绝对测量精度,于2019年12月11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,开展了为期三个月的自动观测。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分钟的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)

      Table 8.  Statistics of effective observation data after being selected at different levels (group)

      筛选项目1020 nm1640 nm870 nm576 nm440 nm500 nm合计
      a)8047786114667875654011
      b)135132815413570607
      c)457747444344300
      d)0316272259
      e)0212221643
      f)020114926
      g)020114926
      h)020114926

      其中筛选项目分别为:

      a)观测间隔小于1分钟的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1020 nm、1640 nm、870 nm、675 nm、440 nm和500 nm这六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)、e)筛选的有效数据组数越少,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。1640 nm有效数据多于1020 nm的原因是1640 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和500 nm通道。因此针对这两个通道展开具体的分析,统计结果如表9表10所示。其中小电站相对于场地自动观测基地距离2.86公里,方位角110.48°。大电站相对于场地自动观测基地距离3.83公里,方位角149.98°。

      表 9  吸热器散射辐射带来的相对偏差(440 nm)

      Table 9.  Relative deviation due to scattered radiation from the heat absorber (440 nm)

      UTC TimeAODSz (°)Sa (°)Beta (°)HB (km)onDegB (°)DdegB (°)RdevB (%)RdevBr (%)HS (km)onDegS (°)DdegS (°)RdevS (%)RdevSr (%)
      03-10 08:590.1561.83235.340.072.06185.374.63−1.18−1.081.540124.874.87−0.29−0.31
      03-10 07:590.1453.28220.750.112.86170.770.77−1.14−0.922.140110.279.73−1.57−1.49
      03-10 06:590.1547.20202.900.133.55152.922.92−0.04 0.312.65092.422.42−1.37−1.18
      03-09 10:270.1777.14252.070.090.881102.092.09−0.70−0.720.660141.591.59 0.24 0.14
      03-09 09:590.1572.12247.040.121.24197.062.94−2.11−2.070.930136.563.44−0.63−0.74
      03-02 09:020.1564.41233.460.061.84183.483.48−0.51−0.421.381122.982.98−1.23−1.24
      03-02 07:020.1850.22202.090.133.19152.122.12−0.20 0.192.390 91.621.62−1.47−1.28
      02-27 10:140.1477.10246.640.090.88196.663.34−0.89−0.870.660136.163.84−0.75−0.84
      02-27 09:020.1665.23232.610.161.77182.632.63−1.47−1.231.330122.132.130.47 0.39
      02-27 08:020.1957.00218.410.092.49168.431.57 0.09 0.301.860107.937.93 1.33 1.38
      02-27 07:020.1851.24201.490.083.08151.511.51−0.51−0.292.300 91.021.02−0.61−0.50
      01-25 09:240.1676.61230.440.110.92180.460.46−0.18 0.000.690119.970.03−0.81−0.91
      01-25 09:030.1773.56226.290.061.13176.323.68−0.14−0.030.850115.824.18−0.60−0.64
      01-10 07:560.1968.63211.650.041.50061.671.67−1.02−0.891.121101.171.17−0.44−0.43

      表 10  吸热器散射辐射带来的相对偏差(500 nm)

      Table 10.  Relative deviation due to scattered radiation from the heat absorber (500 nm)

      UTC TimeAODSz (°)Sa (°)Beta (°)HB (km)onDegB (°)DdegB (°)RdevB (%)RdevBr (%)HS (km)onDegS (°)DdegS (°)RdevS (%)RdevSr (%)
      03-10 09:000.1462.01235.590.122.04185.614.39−0.85−0.631.530125.115.11 0.88 0.87
      03-10 08:000.1453.42221.040.252.85171.061.06−0.74−0.142.130110.569.44−1.19−0.97
      03-03 08:030.1555.92219.770.142.60169.800.20−4.01−3.651.940109.309.30−1.21−1.10
      02-27 10:160.1477.30246.840.080.87196.863.14 0.29 0.320.650136.363.64−0.10−0.18
      02-27 07:030.1651.32201.840.143.07151.861.86−2.24−1.812.290 91.361.36−0.46−0.22
      01-25 09:250.1576.80230.690.170.90180.710.71 0.57 0.880.680120.210.21−0.09−0.21
      01-25 09:040.1673.72226.510.111.12176.543.46 0.68 0.930.840116.043.96−0.20−0.25
      01-10 08:580.1775.87224.520.080.97074.544.54 0.49 0.710.721114.045.96 0.31 0.28
      01-10 07:570.1768.75211.920.071.49061.94 1.94−0.50−0.251.121101.441.44−0.02 0.01

      表9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的大小电站相对偏差,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

      Figure 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260米,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表10中,观测距离范围是0.65到3.55公里。

      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我们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图7所示。

      图6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分钟内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则波动的更为明显。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小于等于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  6  440 nm相对偏差RdevBr最小值−2.07%(03−09 09:59)

      Figure 6.  Relative deviation RdevBr of 440 nm, whose minimum value is −2.07% (03−09 09:59)

      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−0.57%,方差0.51%,小电站待机时的RdevSr均值−0.59%,方差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0.67%。小电站待机时的RdevSr均值为−0.15%,方差0.66%。说明500 nm工作状态大电站会对天空漫射辐射带来略微影响。对应RdevBr最大值为0.93%(01−25 09:04),如图8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  7  500 nm相对偏差RdevBr最小值−3.65%(03−03 08:03)

      Figure 7.  Relative deviation RdevBr of 500 nm minimum −3.65% (03−03 08:03)

      图  8  500 nm相对偏差RdevBr最大值0.93%(01−25 09:04)

      Figure 8.  Relative deviation RdevBr of 500 nm, whose maximum value is 0.93%(01−25 09:04)

    • 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3.07 km,最接近于表7中3 km,50度时的情况(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,保守起见我们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(%)

      Table 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 (%)

      距离0度10度20度30度40度50度
      0 km34.4426.8718.9113.129.546.96
      1 km14.9512.719.826.686.175.58
      2 km1.211.141.141.101.271.62
      3 km0.690.650.690.720.790.93
      4 km0.550.550.550.590.690.79
      5 km0.520.520.520.550.620.72
    • 1)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°,接近仪器官方标称的精度(0.1°)。修正前后数据对的相对偏差在方位角小于50度时较为明显。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。

      2)收集到的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公里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公里时相对变化<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。

参考文献 (26)

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