欧日新对地观测卫星EarthCARE的重要软件

莱比锡。5 月底，新的地球观测卫星 EarthCARE(地球云气溶胶和辐射探测器)的发射准备工作正在如火如荼地进行。欧洲航天局 (ESA) 和日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 的联合任务将比以往更准确地测量云、气溶胶和辐射。这将通过连接四种最先进的仪器来实现。莱布尼茨对流层研究所 (TROPOS) 与合作伙伴共同开发的三种所谓的处理器正在为该任务做出重要贡献。这些算法现已在科学期刊《大气测量技术》的特别版中进行了详细描述。

新软件可以从被动光谱仪 (MSI) 中获取云属性，从主动高光谱分辨率激光雷达 (ATLID) 中获取气溶胶和云层，以及从两种仪器中获取协同云和气溶胶产品。气溶胶分类模型 (HETEAC) 是气溶胶分类的基础，以确保这些计算在不同设备上都能正常工作。EarthCARE

将是第一个将高光谱分辨率激光雷达和多普勒云雷达与无源传感器相结合的卫星，这使其成为有史以来发射到太空研究气溶胶、云及其辐射效应的最复杂的卫星任务。EarthCARE 的开发历时 15 年多，耗资约 8 亿欧元。这颗卫星为科学研究提供了巨大的机会：机载的先进技术提供了各种数据，将提高气候模型的准确性并支持数值天气预报。

EarthCARE卫星长17.2米、宽2.5米、高3.5米，重约2200公斤，由德国主承包商空中客车公司在腓特烈港组装，与欧空局共同进行全面测试，随后用飞机运抵范登堡(美国加利福尼亚州)，将于5月底由美国太空公司SpaceX的猎鹰9号火箭发射至393公里的目标轨道。

地球云气溶胶和辐射探测器 (EarthCARE) 配备了四种仪器：多普勒云雷达、高光谱分辨率激光雷达、成像光谱仪和具有三个不同观测方向的宽带辐射计。这些仪器将以前所未有的精度提供对气溶胶、云、辐射及其相互作用的协同观测。该任务的目标之一是协调大气顶部辐射通量的测量和计算，以获得 100 平方公里的快照，精度为每平方米 10 瓦，这将大大提高对全球辐射强迫的了解。

EarthCARE 数据是使用复杂的数据处理链几乎实时(接近实时)计算的。激光雷达提供垂直剖面，从而提供卫星飞行路径上的大气横截面。据此，TROPOS 开发的算法可以推导出云顶高度和气溶胶层高度，例如，气溶胶层可以由撒哈拉沙尘或大型森林火灾产生的雾组成(Wandinger 等人，2023b)。这些算法在技术术语中也称为处理器，是数据分析的软件核心。除了激光雷达之外，成像光谱仪还可以使用水平、150 公里宽的云和气溶胶特性图像来表征大气。微观和宏观物理云特性，例如云光学厚度、云滴半径和云顶高度，是使用 TROPOS 开发的另一个处理器确定的(Hünerbein 等人，2023、2024;Docter 等人，2024;Mason 等人，2024)。TROPOS 开发的第三个处理器将激光雷达的高度分辨信息与光谱仪的水平信息相结合，以获得沿地球轨道卫星飞行路径的大气的改进的三维图像(Haarig 等人，2023)。

所有 EarthCARE 算法中的气溶胶分类均基于 HETEAC 模型(混合端到端气溶胶分类)(Wandinger 等人，2023a)。“TROPOS 与合作伙伴共同开发的 HETEAC 气溶胶分类模型在数据处理中起着核心作用，因为它确保设备使用同一种语言，并且它们的数据提供统一的整体图像，”领导该模型开发的 TROPOS 的 Ulla Wandinger 博士解释说。但对激光雷达和光谱仪数据的分析还包括 TROPOS 在云和气溶胶观测方面数十年的专业知识：“我们处理器中开发的检索方法将确保云和气溶胶数据的质量显着提高，”在被动光谱仪软件开发中发挥关键作用的 Anja Hünerbein 博士报告说。

来自莱比锡 TROPOS 的研究人员不仅致力于软件开发，还将参与检查和校准数据。这是因为，为了实现 EarthCARE 任务雄心勃勃的科学目标，必须仔细验证测量结果。欧洲研究基础设施 ACTRIS(气溶胶、云和痕量气体研究基础设施)在验证过程中发挥着重要作用。ACTRIS 遥感站为此配备了理想的设备：标准设备包括用于气溶胶测量的高性能激光雷达和太阳光度计以及用于云测量的多普勒雷达和微波辐射计，再加上 ACTRIS 质量保证概念，可以详细审查所有 EarthCARE 气溶胶和云产品。“用于近实时观察、数据处理和提供数据的工作流程已经开发并进行了广泛测试。今年夏天，我们将组织一场有 40 多个站点参加的活动，持续数月，”负责协调该活动的 TROPOS 的 Holger Baars 博士说。除了位于莱比锡(德国)、明德卢(佛得角)和杜尚别(塔吉克斯坦)的 TROPOS 站外，欧洲各地的许多 ACTRIS 站也将参与其中。

TROPOS 和许多国际研究团队开展的广泛验证工作旨在精确检查所开发的处理器及其所确定的测量变量。只有这样，我们才能真正清楚地了解 EarthCARE 如何确定气溶胶和云的特性及其辐射效应，以及如何利用全球测量的数据来改善我们对大气的了解。借助地面站，欧洲新的太空“眼睛”将能够比以往更清晰、更准确地看到云、气溶胶和辐射之间的复杂相互作用。

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