FY-3A星MWHS反演中纬度和热带大气水汽

风云三号A星(FY-3A)搭载的微波湿度(MWHS)计采用双边带接收机体制,选择主要受水汽影响的(183.31±1) GHz,(183.31±3) GHz,(183.31±7) GHz和窗区150 GHz作为通道频率。本文首先分析了观测亮温值与利用辐射传输方程仿真的亮温值之间的关系,二者相比具有较好的一致性。其次利用神经网络方法反演大气相对湿度,并与线性回归方法进行对比,本文选用的区域内,神经网络方法优于线性回归法。最后,利用本文创建的神经网络模型与正在业务使用的AMSU-B反演模型进行反演均方差和稳定度对比,结果表明,本文创建的神经网络模型在所选区域,大气相对湿度反演精度与AMSU-B神经网络模型相当(反演均方差为15%-25%);水汽密度反演均方差除地面未知因素影响外,与探空观测相比,整体均方差小于1 g/m³;不论在中纬度地区还是热带地区,都能较好地反演大气湿度的垂直分布廓线。同时,本文初次尝试在神经网络反演湿度廓线中引入墨西哥帽小波函数,结果表明,运用墨西哥帽小波函数在保证反演性能的同时,能有效减小迭代时间,避免陷入局部迭代。     

FY-3气象卫星微波水汽三维可视化及其在强天气监测中的应用

基于风云三号(FY-3)气象卫星上的可见光红外扫描辐射计(visible and infrared radiometer,VIRR)和微波湿度计(microwave humidity sounder,MWHS)数据,通过IDL语言开发设计了"FY-3微波水汽三维显示软件"。该软件可根据白天或夜晚监测时次的不同,自动生成由VIRR的3个通道(B6,B2,B1)合成且叠加4个高度(地表、850hPa,500 hPa和300 hPa)的微波水汽分布图(白天)或由VIRR热红外通道(B5)的云顶亮温图叠加微波水汽分布图(夜晚)。在热带气旋和梅雨监测预警中的应用表明:微波水汽三维可视化的结果综合了FY-3可见光红外数据在空间分辨率上和微波湿度数据在不同大气高度层垂直探测能力上各自的优势,其表达形式简洁、直观。该方法可以作为强天气监测预警的有效补充手段,具有一定的推广应用价值。     

利用TRMM／TMI资料提取地表层湿度信息试验

模拟分析了地表层湿度反演过程中地表及大气各种因素(卫星扫描角、地表粗糙度、地表植被覆盖和大气)对反演结果的影响情况;应用正演模拟技术得到了利用TMI低频10GHz通道微波极化比反演地表层湿度信息时,斜率和截距随像元植被覆盖度可调的反演方程;确定了反演方程中斜率、截距系数随像元植被覆盖度变化的对数关系和线性关系;反演技术中综合应用了多种途径获取到的被动微波像元中动态的植被覆盖信息;尝试了将这些因子用于地表层湿度反演的可行性;对于反演结果,研究工作中利用地表HUBEX外场观测资料进行了对比分析,得到了空间分布特征和时间演变趋势比较一致的对比分析结果。     

基于AMSR-E数据的中国地区微波湿度指数研究

土壤中的水分是地球生态系统的重要组成部分,在全球水循环中发挥着重要的作用。基于被动微波数据提取的湿度指数因其具有全天候、高时间分辨率和数据处理简单等优点,大大推进了大范围地区土壤湿度的重复观测。基于AMSR-E(advanced microwave scanning radiometer-earth observing system)数据提取了8种微波湿度指数,利用密云和汉中气象台站的数据,分别对各个微波湿度指数进行时间序列分析,通过比较得到与降水量相关性较好的垂直极化多时相微波湿度指数PIV,6.9和比值指数DIV,10.7;在此基础上,分析该2种微波湿度指数在密云和汉中10像元×12像元矩形区域随降水量的变化;同时,与10.7 GHz的微波极化差异指数(microwave polarization difference index,MPDI)进行比较,评价3种指数对土壤湿度的监测优劣;在全国范围内,分别对3种微波湿度指数与降水量进行相关分析,得到全国土壤湿度监测的最优指数。结果表明:PIV,6.9作为一种新的微波湿度指数效果最优,可以用于全国范围的土壤湿度监测研究。     

TMI被动微波遥感资料用于地表洪涝特征分析试验

星载被动微波遥感资料为云天条件下地表洪涝特征分析提供了可能。微波极化比 (PR)可以有效刻画地表洪涝特征 ,宏观反映地表湿度信息。正演模拟分析结果表明地表粗糙度、地表植被覆盖状况和地表湿度对上行微波亮温有影响 ;TRMM/TMI低频微波通道微波极化比能减弱大气因素的影响 ,清晰反映地表的洪涝特征。合理确定分类阈值 ,对 1 998年长江流域洪涝区进行地表洪涝特征分析 ,可以在TMI像元尺度 ,将洪涝区分类为不同等级。洪涝区分类结果与经过天 -地校验过的机载和星载SAR资料地表洪涝分类实况对比 ,TRMM/TMI低频微波通道微波极化比 1 0GHz的PR1 0和 1 9GHz的PR1 9的分类正确率不低于 75 %。     

海洋初级生产力的卫星探测

讨论了海洋初级生产力的卫星探测技术,内容包括卫星探测的技术要求、卫星数据的处理、海洋初级生产力的估计、大气辐射校正以及水色卫星探测器的现状和发展等。     

地基GNSS大气水汽探测遥感研究进展和展望

大气水汽是表征极端天气事件和气候变化的重要参数,准确监测与分析水汽含量对于精准预测各类灾害性天气事件与研究气候变化具有显著意义。作为新兴的大气水汽探测方法,GNSS大气水汽探测技术得到了广泛的关注与应用研究,随着多频多模GNSS系统的发展,全球服务能力的逐步完备和地面基础设施的不断加强,地基GNSS大气水汽探测遥感技术水平得到显著提升,为基于空间大数据揭示气候变化、极端天气过程提供了强有力的数据支撑和发展契机。本文首先系统阐述了GNSS大气水汽探测遥感技术及其应用的发展过程;然后介绍了近年来包括对流层延迟、大气可降水量等多类型GNSS大气参数高精度反演的研究进展,特别是对GNSS大气反演在极端天气短临预报及气候变化现象解释两个方向的研究工作进行了科学探析;最后,阐明了GNSS大气水汽探测遥感技术面临的主要挑战及未来研究展望。     

多光谱卫星图像反演云空湿度场方法的改进

利用1998年6～8月GMS图像和分析区内近70个台站的地面和探空资料,在过去工作的基础上,通过引入地面实测湿度场相关资料作新的分析参量,建立了各标准等压面相对湿度统计分析新模型,改进了应用多光谱卫星图像反演三维湿度场的方法.通过比较和检验,证实新模型可有效改进大气湿度场的反演精度,特别是低层湿度场的反演精度.     

风云三号 MWTS/MWHS 大气温度与水汽廓线反演 ——2008 年凤凰台风个例试验

本文结合中国国家标准大气(GB l920-80)与1976 年美国标准大气, 利用MPM (Millimeter Propagation Model, 毫米波传播模型)、ROS(Rosenkranz)模型和本文提出的改进混合模型(MIX, Mixed)计算大气吸收系数。采用 西北太平洋地区中国与日本16 个无线电高空探测仪836 组大气实测数据(海拔高度、气压、大气温度和湿度), 通 过大气辐射传输模型, 按MWTS/MWHS 的工作参数(中心频率、带宽和波段数目), 模拟大气辐射亮度温度, 用以验 证F     

多频段微波辐射计对土壤湿度的遥感和理论计算

本文采用多频段(1.4,5.4,9.2,36GHz)微波辐射计测量了不同湿度土壤的微波辐射亮度温度。应用非均匀温度湿度廓线的耗散介质的起伏逸散定理和WKB法,进行了理论模式的数值计算,并和实验结果取得了很好的一致。还对极重函数、非均匀廓线和其它参数作了定量的灵敏度分析。     

FY-3B微波成像仪资料的地理定位误差与订正

风云3号B星(FY-3B)上的微波成像仪(MWRI)通过10.65 GHz,18.7 GHz,23.8GHz,36.5 GHz和189.0 GHz5个频率的双极化通道对地球表面进行监测。自卫星发射至今,MWRI资料的地理定位误差还未进行深入研究。为了提高FY-3B MWRI L1级数据地理定位精度,基于海、陆响应的升、降轨亮温差理论NDM(Node Differential Method),通过卫星位置和速度矢量建立卫星姿态模型、采用非线性最优化方法估计卫星姿态偏差,进而对MWRI 89 GHz通道的地理定位误差进行分析与订正。结果表明,2015年1—9月份俯仰、滚动和偏航角度的平均偏差分别为-0.220°,0.068°和0.062°,对应沿轨误差大约3—4 km,跨轨误差小于1 km。定位误差订正后,地中海、澳大利亚区域海岸线附近的升降轨亮温差明显减小;观测亮温在红海和南美洲东南部区域的分布和海岸线更加吻合,定位精度得到明显提高。     

FY-3B MWRI在轨辐射校准及其对旱涝灾害监测应用

根据中国风云气象卫星FY-3B MWRI与近年在轨业务运行的Aqua卫星AMSR-E的技术参数,基于晴空大气辐射传输模型的模拟,分析了技术参数入射角等对辐射亮度温度Tb(Brightness temperature)的影响。以此依据,对AMSR-E原始多通道Tb数据进行入射角修正。采用二次多项式拟合方法,用入射角修正后的AMSR-ETb数据对FY-3B MWRITb数据进行各通道的辐射校准,并进行了数据对比。基于辐射校准后的FY-3BMWRI各通道Tb特征,用极化与散射特征指数,对2011年长江流域两湖地区的连续发生的干旱、降雨、水涝灾害等进行了评估与分析,并与AMSR-E的对应结果及地面观测站的记录结果进行了一致性的比较。研究表明,这些分析结果与地面观测记录比对的结果是一致的,FY-3B MWRI可以有效地监测旱涝灾害。     

Precise orbit determination of the Fengyun-3C satellite using onboard GPS and BDS observations

The GNSS Occultation Sounder instrument onboard the Chinese meteorological satellite Fengyun-3C (FY-3C) tracks both GPS and BDS signals for orbit determination. One month’s worth of the onboard dual-frequency GPS and BDS data during March 2015 from the FY-3C satellite is analyzed in this study. The onboard BDS and GPS measurement quality is evaluated in terms of data quantity as well as code multipath error. Severe multipath errors for BDS code ranges are observed especially for high elevations for BDS medium earth orbit satellites (MEOs). The code multipath errors are estimated as piecewise linear model in \(2{^{\circ }}\times 2{^{\circ }}\) grid and applied in precise orbit determination (POD) calculations. POD of FY-3C is firstly performed with GPS data, which shows orbit consistency of approximate 2.7 cm in 3D RMS (root mean square) by overlap comparisons; the estimated orbits are then used as reference orbits for evaluating the orbit precision of GPS and BDS combined POD as well as BDS-based POD. It is indicated that inclusion of BDS geosynchronous orbit satellites (GEOs) could degrade POD precision seriously. The precisions of orbit estimates by combined POD and BDS-based POD are 3.4 and 30.1 cm in 3D RMS when GEOs are involved, respectively. However, if BDS GEOs are excluded, the combined POD can reach similar precision with respect to GPS POD, showing orbit differences about 0.8 cm, while the orbit precision of BDS-based POD can be improved to 8.4 cm. These results indicate that the POD performance with onboard BDS data alone can reach precision better than 10 cm with only five BDS inclined geosynchronous satellite orbit satellites and three MEOs. As the GNOS receiver can only track six BDS satellites for orbit positioning at its maximum channel, it can be expected that the performance of POD with onboard BDS data can be further improved if more observations are generated without such restrictions.     

风云三号卫星微波成像仪在轨性能稳定性分析

利用地球冷目标观测亮温的稳定性和遥感数据统计直方图方法,是评价微波成像仪等类似微波成像辐射计在轨性能稳定性的有效方法。在此基础上,本文用2011年2月—7月风云三号02星微波成像仪在轨观测的亮温数据,对微波成像仪在轨运行的性能稳定性进行了分析。结果表明:风云三号02星微波成像仪在轨性能稳定,所有通道最低亮温参考值波动范围不超过1.8K。     

月球目标监测风云二号静止气象卫星可见光辐射响应变化

月球的光度具有纪年级的稳定性,其辐照度可作为可见—近红外光谱辐射基准,基于此的月球辐射定标方法有望成为辐射定标的新方法之一。本文介绍一种利用月球目标作为稳定辐射定标源,结合月球辐照度模型,跟踪风云二号静止气象卫星遥感仪器可见光通道辐射响应变化的方法。通过轨道预报遴选出风云二号E星(FY-2E)的扫描辐射计2010年1月—2014年10月的对月观测数据,经过月球图像提取和筛选、月球照度模型计算、卫星观测月球照度模型计算、星—月—日距离校正等环节处理后,获取了FY-2E扫描辐射计可见光通道的辐射响应变化,并且与深对流云辐射定标方法进行了对比验证。主要结果:(1)利用月球辐射作为基准可有效监测遥感仪器可见光通道的辐射响应变化情况,通过线性回归分析发现FY-2E可见光通道的辐射响应总衰减率是9.2%,年衰减率为1.96%,95%置信区间的不确定度和稳定性指标分别为±0.79%和2.66,其结果与基于深对流云目标监测的仪器辐射响应结果相近;(2)FY-2E可见光通道较低的量化等级(6 bit)、杂散光影响等因素对利用月球进行辐射响应定标和跟踪监测有一定的影响;(3)FY-2E辐射响应除了衰减趋势,还存在周期性震荡的特点。基于月球目标的辐射定标方法能够有效监测卫星的辐射响应衰减,可作为星载遥感仪器辐射响应定标和检验的一种可靠手段,特别是针对卫星全生命周期的历史数据再定标,从而提高辐射定标精度。     

Precise orbit determination of the Sentinel-3A altimetry satellite using ambiguity-fixed GPS carrier phase observations

The Sentinel-3 mission takes routine measurements of sea surface heights and depends crucially on accurate and precise knowledge of the spacecraft. Orbit determination with a targeted uncertainty of less than 2 cm in radial direction is supported through an onboard Global Positioning System (GPS) receiver, a Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite instrument, and a complementary laser retroreflector for satellite laser ranging. Within this study, the potential of ambiguity fixing for GPS-only precise orbit determination (POD) of the Sentinel-3 spacecraft is assessed. A refined strategy for carrier phase generation out of low-level measurements is employed to cope with half-cycle ambiguities in the tracking of the Sentinel-3 GPS receiver that have so far inhibited ambiguity-fixed POD solutions. Rather than explicitly fixing double-difference phase ambiguities with respect to a network of terrestrial reference stations, a single-receiver ambiguity resolution concept is employed that builds on dedicated GPS orbit, clock, and wide-lane bias products provided by the CNES/CLS (Centre National d’Études Spatiales/Collecte Localisation Satellites) analysis center of the International GNSS Service. Compared to float ambiguity solutions, a notably improved precision can be inferred from laser ranging residuals. These decrease from roughly 9 mm down to 5 mm standard deviation for high-grade stations on average over low and high elevations. Furthermore, the ambiguity-fixed orbits offer a substantially improved cross-track accuracy and help to identify lateral offsets in the GPS antenna or center-of-mass (CoM) location. With respect to altimetry, the improved orbit precision also benefits the global consistency of sea surface measurements. However, modeling of the absolute height continues to rely on proper dynamical models for the spacecraft motion as well as ground calibrations for the relative position of the altimeter reference point and the CoM.     

Snow Depth Inversion Using the Localized HUT Model Based on FY-3B MWRI Data in the Farmland of Heilongjiang Province,China

Snow depth parameter inversion in the farmland using passive microwave remote sensing is of great significance to the agricultural production in Northeast China. Firstly, the Helsinki University of Technology (HUT) snow emission model was validated in the farmland based on microwave radiation imager (MWRI) onboard FengYun-3B satellite (FY-3B). The results showed that there was a big difference between the brightness temperature of HUT model simulation and MWRI for 18.7 GHz horizontal polarization (18.7 H) and 36.5 GHz horizontal polarization (36.5 H). To improve HUT model, the empirical parameter in the model was localized. Then the localized HUT (LHUT) model was built, where the extinction coefficient was calculated by the new extinction coefficient formula. Next, LHUT model was validated based on MWRI data and compared with HUT model. The results showed that LHUT underestimates slightly the brightness temperature with 0.91 and 4.19 K for 18.7 and 36.5 H respectively, and LHUT is superior to HUT model. Finally, the genetic algorithm (GA) was used to invert snow depth based on LHUT. The results showed that snow depth was underestimated with 6.79 cm based on LHUT. The inverted snow depth based on LHUT model is in better agreement with the measured snow depth.     

微波辐射计的逆向辐射对定标及辐射测量的影响

微波辐射计是一种无源的微波遥感器,系统中存在逆向辐射,它通过无线向外辐射能量。逆向辐射温度的大小与接收机的噪声温度和前端器件有关,系统中的逆向辐射温度对微波辐射计的定标及陆基微波辐射计天底角附近的微波辐射测量都产生一定的影响。     

风云三号C星SEM高能粒子数据检验及应用

风云三号C星(FY-3C卫星)空间环境监测器(SEM)可监测轨道高度上的高能带电粒子(质子、电子和重离子)辐射环境及其引起的辐射剂量和表面充电等空间天气效应,是空间天气监测预警业务不可或缺的自主数据源之一。为验证FY-3C卫星高能粒子探测数据的有效性,需开展数据的定量检验工作。本文采用与同类卫星同类数据进行交叉比对的方式来进行检验。首先,根据一定的假设条件,对比对数据进行归一化处理,尽量消除不同卫星间观测时间、空间(星下点经、纬度和高度)、方向和能量范围等差异对高能粒子分布的影响,然后进行比对,最后计算比对数据间的相关系数、斜率和标准偏差等统计参数,并据此评价比对数据的一致性。通过空间天气平静期高能质子和高能电子与NOAA-18和FY-3B卫星数据的交叉比对可以看出,FY-3C卫星高能粒子数据与比对卫星数据具有较好的一致性。由于工作原理和技术指标相同,FY-3C与FY-3B卫星高能粒子数据的一致性更好,也证明了载荷技术状态的稳定性。通过对太阳质子事件和高能电子暴的观测实例证明,FY-3C卫星高能粒子数据能够准确地反映空间天气扰动事件的特征和强度。以上结果表明,FY-3C卫星高能粒子数据可信度较高,能够用于空间天气监测、预警以及研究工作。