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地气系统能量收支是地球系统的基本过程之一，其描述地气系统吸收太阳辐射（能量收入）与向外辐射（能量支出）的平衡关系，其差值称为辐射差额，是认识和理解全球气候环境变化的重要因子。作为地气系统能量收支的核心组成部分，大气层顶向外辐射能量是决定地气系统能量平衡的关键量，其精准观测至关重要。长期以来，人类主要依赖近地轨道卫星（如Terra、Aqua）和地球同步轨道卫星开展观测，但前者视场有限、观测角度固定、随着时间推移轨道会发生偏移，后者难以覆盖极地地区，均存在明显局限。而如何拓展对地观测手段，实现对大气层顶向外辐射能量的整体观测与精准估算，始终是全球气候变化观测领域的一大难题。
图1 地气系统辐射差额示意图
来自中国科学院大气物理研究所、空天信息创新研究院和中国科学院大学的研究人员，在大气层顶向外辐射能量的整体性观测方面取得新进展。联合团队最新研究基于月球这一自然卫星平台，解析了月基观测地球圆盘积分辐射特征，为理解大气层顶向外辐射能量变化规律提供了全新视角。研究成果以“Spherical harmonic fingerprints characterize Moon-based disk-integrated Earth's emitted radiation signatures”为题发表于《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》。
超远距离平台是对地观测特殊的“制高点”
该研究成果利用超远距离平台，对地球半球尺度空间一致、时间连续的观测，从而获得大气层顶向外辐射能量整体变化信息。
图2 超远距离对地观测平台与低轨、静止轨道卫星观测示意图
月球作为地球唯一的自然卫星，提供了独特的观测特性：其半球级视场可一次性覆盖地球近一半区域（含南北极），全相位角观测（0°-180°）能捕捉不同地方时的辐射变化，且轨道稳定、平台寿命长久，星下点纬度始终在南北纬28°之间循环。月球堪称太阳系中环绕地球运行的天然超远距离对地观测平台，可以从行星尺度捕捉大气层顶向外辐射能量变化特征，这是现有低轨卫星与地球静止轨道卫星难以企及的。
研究团队模拟超远距离观测场景，依托传感器接收整体地球圆盘大气层顶向外辐射能量所形成的点源积分信号特性，通过球谐函数分解，分析了地球圆盘积分辐射能量随观测几何的变化，阐述了两大核心发现：
其一，月基观测到的地球圆盘积分辐射能量变化主要由一阶和二阶球谐函数主导，其贡献占总方差的约90%。这意味着这种观测方式能有效平滑天气尺度的小波动（如局部天气变化），精准捕捉行星尺度的辐射特征，类似给辐射能量“去噪”，让核心规律清晰显现；
图3 一阶、二阶球谐函数主导了地球圆盘积分向外辐射能量
其二，地月系统的几何关系塑造了辐射变化的独特周期：朔望月（约29天）、恒星月（约27天）及其半周期信号尤为显著。其中，朔望月周期由扇形球谐分量主导，与地球相位变化相关；恒星月及半周期则源于带谐分量，受月球轨道导致的观测点纬度周期性偏移影响。此外，观测数据还呈现出3小时、6小时、12小时等日内周期，反映了地球自转带来的视场动态变化。这一规律的揭示，为后续利用观测能量进行地球整体向外辐射能量反演方案的优化选择奠定了重要的理论基础。
图4 观测时间序列呈现出3小时、6小时、12小时等日内变化周期
未来展望：月球与深空探测的新方向，推动模拟到实测的跨越
随着全球月球探测任务的推进，建立月球基地已成为世界各国、国际组织月球探索计划的重要内容。目前我国探月工程四期任务中已经启动对地观测载荷的研制工作，嫦娥七号、八号均将对地观测纳入核心任务。本研究建立的分析框架，为未来载荷的关键参数设计、数据解读提供重要理论支撑。下一步，团队将结合探月工程任务实践，持续优化观测方案，推动月基对地辐射观测载荷的建设，为全球气候变化研究和深空探索搭建更坚实的桥梁。
系列研究得到国家重大科技专项、科技部国家重点研发计划（2020YFE0202100）、国家自然科学基金重点（W2412136）和青年基金项目（42101413）、博士后面上项目的支持。
论文信息：
Ye, H., Guo, H., Liang, D., et al. (2025). Spherical harmonic fingerprints characterize Moon-based disk-integrated Earth's emitted radiation signatures. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 130, e2025JD044758. https://doi.org/10.1029/2025JD044758
Ye, H., Guo, H., Liang, D., et al. (2025). On the Observational Solid Angle in Estimating the Moon-based Disk-integrated Earth Outgoing Longwave Radiation. The Astronomical Journal 169(3). https://doi.org/10.3847/1538-3881/ada4b4
Ye, H., Guo, H., Liu, G., et al. (2024). Disk-integrated Earth’s Outgoing Longwave Radiation viewed from a Moon-based Platform: Model Simulations. Journal of Geophysical Research: Atmospheres 129(5). https://doi.org/10.1029/2023jd038908 | 
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