风云三号C星微波成像仪升降轨偏差问题分析及订正

风云三号(FY-3)的微波成像仪(MWRI)能够全天候获取全球大气水汽含量、云雨参数及海面温度等的空间分布,并可为数值天气预报提供初始场信息进而提高天气预报的准确性。但FY-3C MWRI O-B(O是卫星观测亮温,B是数值天气预报模式模拟亮温)偏差结果存在较大升降轨差异,严重制约了遥感信息的正确提取以及在数值天气预报模式中的业务同化应用。本文通过分析定标方程各参数:定标黑体物理温度、热反射镜背瓣亮温、热反射镜物理温度、冷空反射镜物理温度、接收通道温度、黑体观测计数值、冷空观测计数值、定标斜率、定标截距,并对定标方程各项进行敏感性分析,找出了引起MWRI升降轨偏差的主要原因是热反射镜的发射率异常增大引起的。经过不断调整MWRI的热反射镜发射率,使升轨O-B与降轨O-B的概率分布逐渐重合,初步估算了热反射镜发射率。本文的订正方法可指导未来仪器的发展,并为直接同化MWRI辐射数据提供了条件。     

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。     

利用嫦娥二号微波辐射计数据的全月亮温制图

中国嫦娥绕月卫星在世界上首次搭载了微波辐射计,用于获取不同深度月壤的微波辐射亮温,而这正是月壤厚度研究和月壤表层参数信息反演的基础。基于嫦娥二号的微波辐射计2C级数据,建立4个频率通道(3.0、7.8、19.35、37.0GHz)在不同纬度下的亮温日变化模型,并通过该模型对亮温数据进行时角校正,得到了正午时刻的全月微波亮温图。结合CCD影像和DEM数据比较的结果表明,处理后的亮温数据很好地反映了月球的地形特征及月表的反射率信息。基于高频的亮温数据对月球亮温异常区域进行了分析,发现其都是哥白尼纪的新鲜撞击坑。     

城市目标方向亮温观测的视场效应分析

基于简化的城市目标三维结构模型,利用计算机图形学中辐射度方法,对城市目标的热辐射方向性规律进行模拟。在传感器分别位于近地面和卫星轨道时,研究了城市目标各组分在视场内的权重随观测天顶角、方位角和观测距离改变的变化规律。结果表明:城市目标方向亮温地面辐射测量存在显著视场效应。当传感器位于近地面时,在垂直太阳主平面附近,视场效应达到最大。方向亮温随观测距离的改变有明显变化。随着观测距离的增加,视场效应急剧减小。将近地面测量得到的方向亮温与卫星影像计算所得的方向亮温对比时,视场效应是一个必须考虑的因素。     

利用最冷目标地物替代法计算Jason-2微波辐射计的年度漂移

本文研究最冷目标地物替代法计算Jason-2微波辐射计JMR年度漂移。针对Jason-2卫星微波辐射计(JMR),利用微波辐射计传输模型,建立JMR 3个通道的全球最低亮温观测值的理论计算模型,模拟其3通道全球地物观测最冷亮温;基于2008年—2012年Jason-2地球物理数据(GDR)产品中全球对地观测亮温序列和模型计算的最冷亮温,建立亮温序列的最小观测亮温统计模型,查找全球地物观测最冷亮温序列;根据地物年度变化特性,建立光谱分析模型,去除最冷亮温序列的年度谐波;去除年度谐波后,采用线性拟合的方法外推最冷亮温序列的理论最小值,并据此计算Jason-2微波辐射计仪器的年度漂移量。     

FY-3C微波成像仪海面温度产品算法及精度检验

海洋表面温度(SST)是海洋学和气候学一个十分重要的物理因子,而卫星被动微波遥感能够穿透云层,实现全天候、大范围观测,因此利用中国FY-3C微波成像仪(MWRI)反演SST具有重要意义。FY-3C MWRI SST产品采用统计算法,首先利用MWRI降水和海冰产品剔除含降水和海冰的像元,之后选择时空间隔0.2 h和0.2°离海岸100 km以外的FY-3C MWRI观测亮温与浮标观测值进行匹配,再将全球在空间上分为4个纬度带,时间上分为12个月,并分升轨和降轨,分别建立浮标海温观测结果和MWRI亮温之间的统计关系,实现对SST的估算。将|估算海温-30年月平均海温|≥2.5 K的像元标识为51,发现这些像元基本分布在陆地边缘地区及大风速地区,剔除标识为51的像元后的精度验证结果表明:与全球浮标资料相比,FY-3C MWRI SST轨道产品升轨精度为–0.02±1.22 K,降轨精度为–0.15±1.28 K;与全球分析场日平均海温OISST相比,FY-3C MWRI SST日产品升轨精度为0.00±1.03 K,降轨精度为–0.09±1.08 K。微波辐射计的性能及其定位定标精度、上游卫星产品(降水检测和海冰检测)的精度、陆地的干扰及高风速对微波信号的影响均会造成SST估算误差,如何改进算法中风速大于12 m/s时的估算精度是下一步的工作重点。     

基于被动微波遥感数据的冰间水道提取及验证

采用Aqua卫星搭载的微波扫描辐射计AMSR 2以及FY-3D卫星搭载的微波成像仪MWRI 89 GHz单通道被动微波亮温数据,利用空间滤波增强冰间水道的线状特征,结合系点线性插值的方法提取波弗特海和弗拉姆海峡的冰间水道,最后对提取结果形态学特征进行研究,并分析海冰密集度和冰间水道的关系,结果表明被动微波对尺度较大的冰间水道具有较好的提取效果.在形态学特征上,被动微波亮温数据具有提取宽度大于1/3像元分辨率的冰间水道的可能性,但提取水道总面积略小于热红外遥感提取结果.通过LSD算法得到的冰间水道长度被动微波数据源整体上是MODIS数据的2倍.利用最小外接矩形统计从AMSR 2、MWRI提取出来的冰间水道其宽度分布均服从幂律分布的规律.冰间水道面积占比与海冰密集度呈现负相关的关系.     

FY-3B微波成像仪海洋数据无线电干扰识别

中国风云3号B星(FY-3B)上的微波成像仪MWRI通过5个频率(10.65 GHz,18.7 GHz,23.8 GHz,36.5 GHz和89.0 GHz)的双极化通道对地球表面进行监测。研究表明,MWRI资料的低频波段数据中存在着无线电频率干扰(RFI)现象,这些污染信号对遥感数据和反演产品质量产生极大的影响。本文尝试使用多通道回归方法和双主成分分析(DPCA)方法识别MWRI的10.65 GHz水平通道亮温海洋区域中的RFI信号。结果表明,双主成分分析法可以有效地识别出海洋上的RFI信号。微波成像仪10.65 GHz水平通道亮温数据中的RFI信号主要分布在地中海等欧洲附近海域,也存在于美国、日本、澳大利亚等近岸地区。     

星载微波辐射计交叉定标中陆面目标辐射亮温计算模型

从被动微波辐射计在轨辐射定标的角度出发, 选取亚马逊雨林作为高温地面目标, 利用DMSPF13-SSM/I数据和NCEP数据对研究区19—89GHz辐射特性进行分析。研究发现, 利用辐射亮温稳定的热带雨林作为地面目标, 对19—89GHz的频段, 微波辐射亮温计算精度可以达到1K以内; 对于6和10GHz这样的低频通道, 撒哈拉沙漠是一个可供选择的地面目标, 根据所建立的亮温计算模型, 利用数值预报分析场NCEP数据作为输入, 其亮温计算精度在2K以内。     

基于被动微波遥感技术的玉米冠层叶面积指数反演

基于玉米冠层结构参数实测数据和Matrix-Doubling(MD)模型构建了玉米出苗期至抽穗期的冠层多波段、双极化微波辐射特性模拟数据库;通过对模拟数据的回归分析得到了玉米冠层在各波段的微波发射率及其与透过率之间的经验关系,并将经验关系应用于0阶微波辐射传输模型;结合土壤发射率模型构建了玉米冠层覆盖地表的微波辐射亮温参数化计算模型,并基于该参数化模型、利用玉米样地微波亮温观测试验数据,采用迭代方法进行了玉米叶面积指数(LAI)的反演.研究表明,LAI反演值与实测值的相关系数r＞0.9,说明多波段被动微波遥感数据在植被冠层LAI反演方面具有较大的应用潜力.     

SSM/I的云南思茅微波发射率的稳定性分析

利用装载于美国国防卫星上的特种微波成像仪SSM/I资料和相应的气象台站观测地面和探空资料, 在微波辐射传输模拟分析的基础上, 对云南思茅的微波发射率特性的稳定性进行定量分析。分析结果表明, 中国云南思茅地区地表植被覆盖度较好, 地表微波发射率稳定。地表微波发射率有弱的正弦季节变化(变化幅度很小, 最大不超过0.02), 在1—4月有很小的年际变化(发射率最大差异约0.008), 这些在有地面和探空观测的情况下, 可以通过模式模拟得到跟踪订正。     

基于ASTER GED产品的地表发射率估算

地表发射率是地表温度反演的重要输入参数,为了解决现有地表发射率估算方法在裸露地表精度较差的问题,本文基于最新的ASTER全球地表发射率产品(ASTER GED)和基于植被覆盖度的方法(VCM),提出了一个改进的地表发射率估算方法。首先,利用ASTER GED产品求解裸土发射率,然后,利用ASTER波谱库中的植被发射率和植被覆盖度结合VCM方法计算地表发射率。利用张掖地区2012年11景ASTER TES算法反演的地表发射率产品和实测地表发射率数据进行了验证,同时利用一景Landsat 8 TIRS数据分析了对地表温度反演精度的影响。结果表明该方法估算的地表发射率整体精度较高,可以有效改进裸露地表的发射率估算精度,用于支持利用多种热红外传感器数据生产高精度的地表温度产品。     

SSM／I微波辐射计数据中国陆地覆盖特征季节变化分析

利用星载微波辐射计SSM／I多通道、多时相亮温数据开展了中国陆地覆盖特征的季节变化研究。通过对国内外星载微波辐射应用研究分析，提出了归一化极化指数(NDPI)的概念。处理了1997年4月、7月、10月和1998年1月的(每月的20、24日各两天)多通道SSM／I数据，在此基础上计算形成了第一幅中国陆地区域的归一化微波极化指数图，开展了中国陆地区域覆盖特征随季节变化的研究。研究结果表明，不同的陆地覆盖特征有特征的NDPI值，NDPI随季节而变化，植被、水分是引起NDPI变化的主要因子。     

光学与微波数据协同反演农田区土壤水分

光学和微波协同遥感反演对于提高农田土壤水分遥感反演精度十分重要。本文采用SMEX02数据集,研究了L波段土壤发射率与地表土壤水分之间的关系,分析了地面植被覆盖对L波段土壤发射率与地表水分之关系的影响规律,推导了以L波段土壤发射率和归一化植被指数NDVI为自变量的土壤水分反演模型。研究表明:L波段土壤发射率与地表土壤水分之间的相关性随NDVI的增加而下降。验证结果表明,本文算法相对常规经验算法,土壤水分反演精度明显提高,H极化条件下,土壤水分的反演精度RMSE由0.0553提高到0.0407,相关系数R2由0.70提高到0.81;V极化条件下,反演精度RMSE由0.0452提高到0.0348,相关系数R2由0.79提高到0.86。     

Atmospheric correction of AMSR-E brightness temperatures for dry snow cover mapping

Differences between the brightness temperatures (spectral gradient) collected by the Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS (AMSR-E) at 18.7 and 36.5 GHz are used to map the snow-covered area (SCA) over a region including the western U.S. The brightness temperatures are corrected to take into account for atmospheric effects by means of a simplified radiative transfer equation whose parameters are stratified using rawinsonde data collected from a few stations. The surface emissivity is estimated from the model, and the brightness temperatures at the surface are computed as the product of the surface temperature and the computed emissivity. The SCA derived from microwave data is compared with that obtained from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer for both cases of corrected and noncorrected brightness temperatures. The improvement to the SCA retrievals based on the corrected brightness temperatures shows an average value around 7%.     

Evaluation of Precipitation Features in High-Frequency SSM/I Measurements Over Indian Land and Oceanic Regions

Evaluation of the Special Sensor Microwave Imager (SSM/I) precipitation features is presented from various passes over Indian oceanic and land regions under the framework of radiative transfer simulations for both emission and scattering atmospheres. There is considerable uncertainty in the interpretation of the SSM/I high-frequency scattering features for development of rainfall algorithms. Specifically large areas of very low emissivity regimes showing false rain signatures due to the presence of low brightness temperatures (TBs) that are often present in the vicinity of colder sea surface areas in the 85-GHz TB from SSM/I. In this connection, the Polarization Corrected Temperature (PCT) defined by Spencer using the 85-GHz channels, vertical (V) and horizontal (H), has been studied to delineate these surface effects. These false scattering signatures, once corrected using PCT as a suitable parameter, significantly improve the quality of the SSM/I-derived precipitation areas. These results are also confirmed with the cloud optical depth data from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer sensor onboard the Aqua satellite and the standard merged rain product (geostationary infrared and Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) microwave data) 3B42 from TRMM. This letter is aimed for selecting PCT as one of the suitable predictor variables for the development of operational rainfall retrieval algorithm for the Indo-French Megha-Tropiques satellite's microwave radiometer at high frequencies.      

一个针对ASTER数据同时反演地表温度和比辐射率的四通道算法

本文利用对地观测卫星多传感器的特点，提出了针对ASTER数据同时反演地表温度和比辐射率的多通道算法。即利用ASTER数据的第11，12，13，14热红外波段建立热辐射传输方程，并通过对于地表比辐射率分析可知，ASTER4个热红外波段的比辐射率可以用近似线性方程表示，得到了6个方程6个未知数，从而形成了针对ASTER数据的同时反演地表温度和比辐射率的多通道算法。对于关键参数大气透过率，则是通过同一颗星的MODIS传感器的3个近红外波段反演大气水汽含量，然后用MODTRAN模拟大气水汽含量与ASTER热红外波段的统计关系，并进而根据这二关系来计算ASTER热红外波段的大气透过率。由于MODIS和ASTER是在同一颗星上。因此这种大气透过率估计方法保证了地表温度反演过程中所需大气参数的同步获取。     

Microwave response of seasonal snow-cover measured by using a ground-based radiometer at 6.93 and 18.7 ghz frequencies and at dual polarization

Snow cover is an important variable for climatic and hydrologic models due to its effects on surface albedo, energy, and moisture budgets. Passive microwave sensors can be used to monitor temporal and spatial variations in large-scale snow cover parameters, avoiding problems of cloud cover and polar nights. In the present study, brightness temperature values were estimated (using calibration curves) for moist snow on natural and blackbody/metal surface. T_B response on snow depth, density, SWE and angular variation from nadir were measured and found that T_B decreases with increase of snow depth and with increase of angle from nadir. Empirical relations were used to estimate emissivity, dielectric constant and dielectric loss factor. It was observed that emissivity decreases with the increase of dielectric constant. The dielectric constant and dielectric loss factor both increases with the increase of density. Experiments were performed during winter of year 2005 at Dhundi and Solang (H.P.), India, using ground based passive microwave radiometer having 6.9 and 18.7 GHz antenna frequencies at dual polarization.     

用被动微波AMSR数据反演地表温度及发射率的方法研究

 针对对地观测卫星多传感器的特点，提出了借助MODIS地表温度产品从被动微波数据中反演地表温度的方法。即利用MODIS地表温度产品和AMSR不同通道之间的亮度温度，建立地表温度的反演方程。该方法克服了以往需要测量同步数据的困难，为不同传感器之间的参数反演相互校正和综合利用多传感器的数据提供实际应用和理论依据。文中以MODIS地表温度产品作为评价标准，对方法进行检验，其平均误差为2~3℃。另外，微波的发射率是土壤水分反演的关键参数，在对微波地表温度反演的基础上，进一步对发射率进行了研究。