FY-3C微波湿温探测仪辐射测量特性

2013年9月发射的FY-3C是我国第2代极轨气象卫星的第3颗星,其上装载的微波湿温探测仪在118 GHz氧气吸收线和183 GHz水汽吸收线设计了两组大气探测通道,在大气窗区设置了89 GHz和150 GHz探测通道。为保证微波湿温探测仪在轨定量应用,卫星发射前完成了地面热真空试验。该文介绍了热真空定标试验原理,并对FY-3C微波湿温探测仪正样产品真空试验数据进行了定量分析。数据分析结果表明:FY-3C微波湿温探测仪正样产品15个探测通道的灵敏度均满足设计指标要求,各通道观测亮温间相对独立,定标准确度优于1.6 K,真空试验过程中微波湿温探测仪定标结果稳定。FY-3C微波湿温探测仪发射前热真空定标特性分析结果为仪器在轨定量应用奠定了基础。     

FY-3B/MWHS性能参数在轨实时监测

2010年11月5日发射的风云三号B星 (FY-3B) 是我国第2代极轨气象卫星的第2颗星。其上装载的微波湿度计 (MWHS) 在183 GHz水汽吸收线设计了3个大气探测通道,在大气窗区150 GHz设置了双极化通道。该文主要对FY-3B微波湿度计系统进行介绍,分析其在轨5年的性能,对仪器在轨关键性能参数进行了长时间序列分析,结果表明:仪器各通道灵敏度均优于0.4 K,其中通道1,2,4,5的灵敏度优于0.3 K,定标精度稳定在0.3~0.55 K,未出现恶化现象, 同类型在轨载荷星下点处匹配数据交叉比对,相关系数优于96%。分析表明,该仪器在轨性能和数据质量均优于FY-3A微波湿度计。同时,利用微波湿度计实测数据,着重分析2015年6—7月若干台风的生成、演化、增强和消亡的整个过程,并对台风区域强降雨监测进行分析。     

FY-3A/MWHS冷空测值受月球影响分析及修正

为解决月球对风云三号卫星微波湿度计在轨实时辐射定标的影响问题,该文根据风云三号卫星微波湿度计在轨实时观测数据分析,通过多项式拟合分析技术,建立修正模型,消除月球影响,得到合理的辐射定标结果。风云三号卫星微波湿度计在轨实测数据分析表明:月球对风云三号卫星微波湿度计在轨辐射定标结果影响最严重时一天内可干扰4~5条轨道,每条轨道有近100个扫描周期受到污染。月球影响致使冷空定标观测数据跳升1000个计数值,如果不进行污染滤除会造成对地观测亮温下降约20 K,导致辐射资料无法同化进入数值天气预报模式。通过与同类载荷的交叉比对分析,修正月球影响后,风云三号卫星微波湿度计在轨实时辐射定标结果精度与在轨测试结果相当。     

风云三号C星微波大气探测载荷性能分析

风云三号C星是我国第二代极轨气象卫星的首发业务星,星上装载了3个被动微波遥感载荷(微波成像仪、微波温度计Ⅱ型和微波湿温探测仪),其中微波成像仪完全延续了风云三号A/B星的设计,两个微波大气探测载荷微波温度计Ⅱ型和微波湿温探测仪是在风云三号A/B星微波温度计和微波湿度计成功在轨运行和应用的基础上,根据应用需求在功能和性能两个方面从设计层面实现了大幅提升。本文重点介绍风云三号C星微波温度计Ⅱ型和微波湿温探测仪的功能、性能和设计指标,综述风云三号C星星载微波大气探测能力。风云三号C星星载微波大气探测系统,通过通道细分、探测频点增加和空间采样技术优化,突破了我国星载微波探测载荷技术瓶颈,提升了大气温湿度廓线的综合探测能力。     

风云三号 (02) 批卫星微波氧气吸收通道降水特性

我国新一代极轨业务气象卫星风云三号 (02) 批计划2012年发射。该文利用UWNMS模拟2005年Katrina飓风的结果作为基础数据集,借助VDISORT微波辐射传输模式对风云三号 (02) 批计划装载的微波探测仪器中50~60 GHz和新增的118.75 GHz频点的降水特性进行初步研究。首先通过晴空权重函数匹配,选择出50~60 GHz与118.75 GHz频点匹配关系较好的4对通道。敏感性分析表明:各通道对各种水凝物粒子均很敏感,可用于改进现有业务降水反演算法。分别选取50~60 GHz 4个通道、118.75 GHz 4个通道、50~60 GHz及118.75 GHz全部通道3种不同的通道组合进行反演试验。结果表明:将50~60 GHz及118.75 GHz通道联合起来进行降水反演可提高降水反演的精度,并可以更好地区分降水区与非降水区。     

襄樊特大暴雨FY-3A微波资料分析

搭载在中国新一代极轨卫星FY-3A上的微波湿度计对于大气湿度以及云雨分布特征具有较好的探测能力。利用其150 GHz极化波段亮温和183.31 GHz附近的水汽吸收波段亮温及其反演产品,对2008年7月22日襄樊特大暴雨中10：00—11：00强降水成因进行了分析。结果表明：襄樊10：00—11：00强降水产生时,微波湿度计5个波段亮温均处于低值区的大梯度带;极化比、极化差出现明显的大、小值分裂;微波湿度计的高频通道资料表明,襄樊处于深对流中心地带,正是这种深厚的对流系统导致了襄樊的强降水。     

一次极端短时强降水过程中FY-3微波湿度计观测特征分析

利用FY-3微波湿度计资料和常规观测资料,对2016年贵州至湖北一次强降水事件中极端短时强降水站点、一般性短时强降水站点上空对流云的微波观测特征进行了对比分析。结果表明:(1)极端短时强降水站点上空150 GHz附近窗区探测通道亮温低于一般性短时降水站点。(2)极端短时强降水站点上空水汽通道亮温垂直分布呈现漏斗状,对干侵入有一定指示作用,亮温最低值出现在183.31±7 GHz附近,主要为暖云降水;一般性短时强降水站点上空水汽通道亮温垂直分布则呈竖条形,亮温最低值出现在183.31±3 GHz和183.31±7 GHz探测通道附近,为冷云暖云混合降水。(3)极端短时强降水站点上空未出现冲顶对流,但低层对流发展旺盛;一般性短时强降水站点上空出现冲顶对流,但低层对流发展强度偏弱。     

FY-1C遥感器可见近红外各通道在轨辐射定标

文中通过 1999年 7月利用敦煌辐射定标场和反射率基法对FY -1C气象卫星遥感器可见 -近红外通道进行的第一次在轨辐射定标试验 ,研究和试验了卫星遥感器的在轨辐射定标方法、同步观测方法和辐射传输计算算法及其软件开发 ,有 7个通道的绝对辐射定标系数 (或称为增益和偏离量 )被获得。经过误差分析 ,认为本次定标的不确定度小于 7%。定标获得的 7个通道定标系数与该卫星发射前定标结果比较 ,其中 5个通道 (通道 1,2 ,7,8,10 )结果比较接近 ,另两个通道 (通道 6,9)由于发射前定标误差较大致使二者有一定差别。另外 ,通过 2 0 0 0年 9月份对FY -1C卫星进行的第二次辐射定标试验 ,使该卫星在轨 1a多来的运行状态得到了定量监测 ,本次定标与1999年 7月的定标结果比较 ,发现可见 -近红外各通道性能均有程度不同的衰减 ,尤其是通道 1,7,8性能衰减分别为 35% ,2 8% ,2 2 % ,而通道 2 ,6,9,10性能衰减较小 (为 10 %左右 )。     

基于机载微波辐射计探测大气水汽通道饱和问题研究

183.31 GHz微波辐射计在探测低含量水汽时具有优势,但也存在通道饱和问题,定量研究该问题对明确该类型仪器探测水汽能力和适用范围具有重要意义。基于天津市人工影响天气办公室增雨飞机运-12搭载的183.31 GHz微波辐射计GVR（G-band water Vapor Radiometer）,采用探空资料对该辐射计4个通道进行饱和问题研究,定量计算其饱和阈值及探测灵敏度,分析各通道水汽探测能力及适用范围。结果表明:机载微波辐射计4个通道水汽探测灵敏度及饱和阈值与观测高度有关,当水汽含量较低时,通道1（（183±1）GHz）观测高度越高灵敏度越高,通道3（（183±7）GHz）和通道4（（183±14）GHz）观测高度越高灵敏度越低,通道2（（183±3）GHz）灵敏度几乎不受观测高度影响,通道1和通道4观测高度越高积分水汽探测饱和阈值越小,观测高度越低饱和阈值越大,通道2和通道3饱和阈值几乎不受观测高度影响。晴空条件下选择水汽探测能力最强的单通道对积分水汽含量进行反演,当积分水汽含量处于0—1.3、1.3—4.0和4.0—9.8 mm时,分别选择通道1、通道2、通道3作为反演通道,不同观测高度的积分水汽含量反演均适用。云的发射作用使辐射计各通道亮温升高,亮温升高幅度与云液态水含量、云与观测高度的距离及云厚有关,云液态水含量越大,各通道水汽探测灵敏度及饱和阈值越小;云天条件下选择水汽探测能力最强的双通道对积分水汽含量进行反演,以液态水路径区间来选择合适的水汽探测通道,液态水含量越高,积分水汽可探测范围越小。要探测到0.1 mm的积分水汽含量变化,机载微波辐射计（GVR）在晴空条件下的水汽探测适用范围为0—9.8 mm,其探测能力在云天条件下减弱,水汽探测适用范围因云液态水含量不同而不同。      

风云三号(03)批降水测量卫星探测能力及应用

风云三号(03)批是我国第二代极轨业务气象卫星的第三个批次,由上午、下午、晨昏和降水测量四颗业务卫星组成。其中,我国首发的降水测量卫星计划装载双频降水测量雷达、微波成像仪、GNSS掩星探测仪和光学成像仪。通过仿真技术,分析风云三号降水测量卫星的功能、性能和设计指标,探讨其降水探测能力。分析表明,风云三号降水测量卫星装载的降水测量雷达从设计层面分析,与美日第二代降水测量卫星GPM搭载的降水雷达DPR性能相当;风云三号降水测量卫星的轨道设计覆盖了南、北纬50°范围内的热带和中纬地区,对影响我国区域的台风系统结构具有三维探测能力;风云三号降水测量卫星上装载的被动微波辐射计相比GPM搭载的微波成像仪增加了50~60和118GHz双氧吸收通道,对陆地弱降水反演等具有应用潜力。总之,风云三号降水测量卫星加上同星配置的其他载荷,整星的降水探测能力优于美日第二代降水测量卫星GPM。     

利用AMSU分析热带气旋结构特征

搭载在美国新一代极轨业务系列气象卫星上的先进的微波探测器 (Advanced Microwave Sounding Unit , AMSU) 提供了对于大气中温度、湿度以及云雨分布特征的探测能力。 研究选择 2003 年发生在西北太平洋上的多个热带气旋个例, 利用 NOAA16/17 卫星的 AMSU 数据分析热带气旋热力及云雨结构特征, 结果显示: 热带气旋中心的增暖在 AMSU-A 微波温度观测表现显著, 特别是在对流层上层通道尤其明显; AMSU 观测热带气旋中心增暖与强度相关性统计分析显示, 两者相关性达 0.778; AMSU-B 高频通道可以揭示热带气旋的云雨结构分布和对流发展旺盛情况, 分析显示热带气旋云雨结构变化与气旋强度密切相关, 气旋强度滞后于系统对流过程的发展 。     

Retrieval of Oceanic Total Precipitable Water Vapor and Cloud Liquid Water from Fengyun-3D Microwave Sounding Instruments

Fengyun-3 D(FY-3 D) satellite is the latest polar-orbiting meteorological satellite launched by China and carries 10 instruments onboard. Its microwave temperature sounder(MWTS) and microwave humidity sounder(MWHS) can acquire a total of 28 channels of brightness temperatures, providing rich information for profiling atmospheric temperature and moisture. However, due to a lack of two important frequencies at 23.8 and 31.4 GHz, it is difficult to retrieve the total precipitable water vapor(TPW) and cloud liquid water path(CLW) from FY-3 D microwave sounder data as commonly done for other microwave sounding instruments. Using the channel similarity between Suomi National Polar-orbiting Partnership(NPP) advanced technology microwave sounder(ATMS) and FY-3 D microwave sounding instruments, a machine learning(ML) technique is used to generate the two missing low-frequency channels of MWTS and MWHS. Then, a new dataset named as combined microwave sounder(CMWS) is obtained,which has the same channel setting as ATMS but the spatial resolution is consistent with MWTS. A statistical inversion method is adopted to retrieve TPW and CLW over oceans from the FY-3 D CMWS. The intercomparison between different satellites shows that the inversion products of FY-3 D CMWS and Suomi NPP ATMS have good consistency in magnitude and distribution. The correlation coefficients of retrieved TPW and CLW between CMWS and ATMS can reach 0.95 and 0.85, respectively.     

Assimilation of Feng-Yun-3B Satellite Microwave Humidity Sounder Data over Land

The ECMWF has been assimilating Feng-Yun-3B(FY-3B) satellite microwave humidity sounder(MWHS) data over ocean in an operational forecasting system since 24 September 2014. It is more difficult, however, to assimilate microwave observations over land and sea ice than over the open ocean due to higher uncertainties in land surface temperature, surface emissivity and less effective cloud screening. We compare approaches in which the emissivity is retrieved dynamically from MWHS channel 1 [150 GHz(vertical polarization)] with the use of an evolving emissivity atlas from 89 GHz observations from the MWHS onboard NOAA and EUMETSAT satellites. The assimilation of the additional data over land improves the fit of short-range forecasts to other observations, notably ATMS(Advanced Technology Microwave Sounder) humidity channels, and the forecast impacts are mainly neutral to slightly positive over the first five days. The forecast impacts are better in boreal summer and the Southern Hemisphere. These results suggest that the techniques tested allow for effective assimilation of MWHS/FY-3B data over land.     

毫米/亚毫米波探测大气温度和湿度的通道选择

利用热带大气温湿廓线计算了热带地区毫米/亚毫米波段微波大气透过率权重函数。对权重函数峰值高度的分析结果显示:对流层低层的大气温度可以选择118 GHz通道的远翼频率来探测,而对高层大气温度进行探测时,选择425 GHz通道的远翼频率较为合适;在大气湿度探测方面,183 GHz通道组合适合探测对流层中层大气的湿度,高层大气湿度探测应该首先考虑380 GHz通道组合来实现。根据大气温度探测通道和大气湿度探测通道的权重函数分布,鉴于国内现有遥感仪器的制造水平,建议选择118 GHz 3个通道与425 GHz 8个通道共11个大气温度探测通道和183 GHz 3个通道与380 GHz 5个通道共8个大气湿度探测通道作为未来静止轨道微波探测的候选通道。     

风云三号降水卫星多角度偏振成像仪的观测特点和应用潜力

准确测量大气中云和气溶胶的辐射特性对数值天气预报和气候变化具有重要意义。搭载在风云三号降水卫星上的偏振载荷是国内首个具有短波红外通道的多角度偏振成像仪(Polarization and Multi-Angle Imager, PMAI),计划于2023年年初发射,为气溶胶-云-降水观测链条提供重要支撑。该仪器运行在非太阳同步的倾斜轨道,可提供3 km(星下点)空间分辨率和700 km幅宽的图像。PMAI的观测通道包括1030 nm、1370 nm、1640 nm的偏振通道和相应的非偏振通道,可提供14个角度的观测信息。PMAI将利用自然目标的在轨替代定标和同平台仪器的交叉定标,实现5%的辐射测量精度。观测和仿真数据表明PMAI拥有描述云和气溶胶特性的独特优势。全新的短波红外通道的多角度偏振测量可以优化云相态识别和云微物理参数反演、气溶胶的地气解耦以及地表方向反射特征的表述。处于非太阳同步轨道的PMAI具有独特观测几何,可以获得大气粒子辐射更宽的散射角分布信息。此外,PMAI可联合同平台中分辨率光谱成像仪的可见近红外和热红外通道的观测信息,进行云和气溶胶的协同反演。     

0-10 KM TEMPERATURE AND HUMIDITY PROFILES RETRIEVAL FROM GROUND-BASED MICROWAVE RADIOMETER

Deviation exists between measured and simulated microwave radiometer sounding data. The bias results in low-accuracy atmospheric temperature and humidity profiles simulated by Back Propagation artificial neural network models. This paper evaluated a retrieving atmospheric temperature and humidity profiles method by adopting an input data adjustment-based Back Propagation artificial neural networks model. First, the sounding data acquired at a Nanjing meteorological site in June 2014 are inputted into the MonoRTM Radiative transfer model to simulate atmospheric downwelling radiance at the 22 spectral channels from 22.234GHz to 58.8GHz, and we performed a comparison and analysis of the real observed data; an adjustment model for the measured microwave radiometer sounding data was built. Second, we simulated the sounding data of the 22 channels using the sounding data acquired at the site from 2011 to 2013. Based on the simulated rightness temperature data and the sounding data, BP neural network-based models were trained for the retrieval of atmospheric temperature, water vapor density and relative humidity profiles. Finally, we applied the adjustment model to the microwave radiometer sounding data collected in July 2014, generating the corrected data. After that, we inputted the corrected data into the BP neural network regression model to predict the atmospheric temperature, vapor density and relative humidity profile at 58 high levels from 0 to 10 km. We evaluated our model’s effect by comparing its output with the real measured data and the microwave radiometer’s own second-level product. The experiments showed that the inversion model improves atmospheric temperature and humidity profile retrieval accuracy; the atmospheric temperature RMS error is between 1K and 2.0K; the water vapor density’s RMS error is between 0.2 g/m3 and 1.93g/m3; and the relative humidity’s RMS error is between 2.5% and 18.6%.     

利用敦煌辐射校正场对FY-2B静止气象卫星进行可见光通道的在轨辐射定标

FY-2B由于杂散光的影响，其可见光通道的发射前定标存在较大误差。利用敦煌戈壁滩辐射校正场可进行FY-2B可见光通道的在轨绝对定标。由于FY-2B对于敦煌场区的卫星天顶角接近50°，需要进行场地的方向特性BRDF修正。2002年7月对FY-2B进行了场地地表反射率、大气消光、探空等项同步测量，并对场地的方向特性进行了测量。资料处理结果表明，FY-2B可见光通道杂散光可影响定标精度达20%。长期监视表明FY-2B可见光通道探测器输出十分稳定。该文将4个可见光通道探测器场地定标得出的定标查找表列出，供用户参考使用。