风云三号A星微波湿度计主探测通道辐射特性

微波湿度计装载在2008年5月27日发射升空的我国新一代极轨气象卫星风云三号A星上,完成全天候大气湿度信息的被动微波遥感探测。主探测通道中心频点位于183.31 GHz,设置有3个双边带探测通道。为保证风云三号微波湿度计在轨定量应用,研制过程中完成了地面真空试验。该文对风云三号A星微波湿度计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:风云三号A星微波湿度计正样产品主探测频点183.31 GHz附近的3个探测通道等效噪声温差小于等于0.91 K;定标准确度优于1.05 K;真空试验过程中微波湿度计辐射定标结果稳定。风云三号A星微波湿度计发射前辐射定标特性分析结果,为仪器在轨定量应用奠定了基础。     

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。     

利用卫星微波观测亮温与云辐射模拟亮温的台风定位分析

极轨气象卫星S-NPP、MetOp-A和FY-3B上搭载的微波湿度计观测资料可以反映出台风周围水汽和云雨结构。本文使用权重函数峰值在800 hPa附近的微波湿度计通道观测资料和ERA5再分析资料全天空模拟亮温,以飓风Sandy和Isaac为例,对用方位谱台风中心位置定位方法得到的观测和模拟中心位置进行了比较。利用下午星S-NPP搭载的先进技术微波探测仪(Advanced Technology Microwave Sounder, ATMS)和上午星MetOp-A搭载的微波湿度计(Microwave Humidity Sounder, MHS)观测亮温得到的飓风Sandy(Isaac)中心位置与最佳路径平均相差35.8 km(32.9 km),但用ERA5全天空模拟亮温得到的飓风Sandy(Isaac)中心位置与最佳路径平均相差73.3 km(82.1 km)。若按照热带风暴和台风等级来划分,ATMS和MHS观测和模拟亮温得到的台风中心位置与最佳路径的平均距离对热带风暴分别是36.5 km和105.9 km,对台风分别是25.8 km和56.4 km。若用FY-3B搭载的微波湿度计(以M...     

利用FY-3星载微波资料对热带气旋云系和暖核特征的分析

介绍了中国FY-3系列卫星搭载的微波遥感仪器性能特点,以“1109”超强台风“梅花”为研究个例.通过微波湿度计单通道微波图像和微波成像仪双极化通道散点图,分析了台风云系中云雨粒子对遥感通道辐射的吸收和散射效应,揭示了台风在微波图像上表现形式的内在物理原因.利用微波向量辐射传输模式的模拟表明:微波温度计各氧气吸收通道对热带气旋系统水汽和水凝物含量变化的敏感性不大.因此,可利用权重函数峰值位于对流层中上层的通道3,探测出台风暖核辐射信息.根据两者相匹配的5个较理想时次数据,选取距“梅花”中心400 km范围为研究区域,并提出用于修正扫描点分辨率不均匀所带来取样偏差的方法,分别计算出订正临边效应后的暖核强度,发现它同表征台风强度的中心海平面气压变化趋势相一致.     

FY-3微波成像仪10.6 GHz通道超分辨率图像重建

为改善风云三号 (FY-3) 微波成像仪10.6 GHz通道空间分辨率,提出利用超分辨率图像重建算法进行图像重建。分析并指出FY-3微波成像仪10.6 GHz通道具有过采样特征,具备重建得到高于瞬时视场图像的潜力;基于超分辨率图像重建理论,根据FY-3气象卫星轨道、姿态,微波成像仪性能参数以及工作模式等物理约束,建立微波成像仪的超分辨率成像模型,并推导计算出超分辨率成像模型参数;采用POCS算法重建得到10.6 GHz通道的超分辨率图像,采用目视比较分析、图像统计分析对重建图像进行质量评价:重建图像像元平均梯度提高26.5%,功率谱分量和提高5.7%,重建图像具有更高的空间分辨率;台风亮温分析应用显示了从重建图像可发现更微小的景物细节目标。采用超分辨率图像重建算法对FY-3微波成像仪10.6 GHz通道进行重建处理,结果有效且正确,可为数据用户提供更多可用的遥感数据,对微波遥感数据应用具有提升作用。     

FY-3气象卫星降水探测能力分析与展望

降水是全球能量/水循环中的重要过程。本文着重分析 FY-3 气象卫星降水探测能力,展望风云卫星后续规划中降水探测技术的发展前景。分析表明,以 FY-3 降水星为主星,与其他 FY-3 极轨卫星组成的 FY-3 气象卫星降水探测体系,在设计层面上,从载荷类型、数量、通道设置等方面均优于由美国发起并已在轨运行的全球降水测量(Global Precipitation Measurement,GPM)计划核心星的设计性能。FY-3 降水星设计装载 Ka / Ku 双频降水测量雷达,卫星轨道设计覆盖南北纬 50°范围内的中低纬地区,对影响我国区域的台风暴雨等强对流天气系统结构具有三维探测能力。FY-3 气象卫星星座的降水探测能力为气象防灾减灾提供了基础支撑。     

采用双权重算法进行FY-3A微波湿度计资料质量控制试验

针对FY-3A卫星微波湿度计MWHS(Microwave Humidity Sounder)资料的质量控制进行研究.选用2010年冬季1月17-23日FY-3A微波湿度计MWHS LlC格式的全球观测资料作为研究对象,采用双权重算法对观测增量O-B进行质量控制,其中O是Fy-3A微波湿度计观测的亮度温度,B是基于NCEP GFS全球预报系统6h预报场用辐射传输模式RTTOV模拟的亮度温度值,目的是剔除受地表发射率或云影响的离群资料.结果表明,通过双权重的质量控制后,FY-3AMWHS3、4、5通道O-B的标准差明显减小了2～3K,同时,质量控制后O-B偏差和标准差随时间窗变化也很稳定,可见该方法除去异常资料的效果较为理想,能够应用到卫星资料的质量控制中.     

MWHS/FY-3资料同化在四川盆地暴雨预报中的应用研究

为了研究同化风云三号B星(FY-3B)和C星(FY-3C)的微波湿度计(MWHS及MWHS-2)观测资料在四川暴雨数值预报中的影响,本文基于Weather Research and Forecasting Model(WRF)及其三维变分同化系统Weather Research Forecast Variatinal Data Assimilation System(WRFDA),实现了对MWHS/FY-3B和MWHS-2/FY-3C观测资料的直接同化。针对2018年7月的一次四川盆地区域性暴雨过程的同化试验结果表明:同化风云三号系列卫星的微波湿度计观测资料对试验开始时刻均有改善,对相对湿度和矢量风场等物理量场有一定的正向调整作用,尤其是同化MWHS-2/FY-3C资料对风场的调整较为明显。同化试验对龙门山北部降水有较明显的改善作用,改善了降水的分布与落区,其中同化MWHS/FY-3B对盆地中部到东北部的降水量级的预报更接近实况,雨区更为连续。同化试验证明了同化风云三号系列卫星的微波湿度计观测资料对于四川盆地暴雨数值预报有一定的业务应用价值。      

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。     

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。     

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.     

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.     

风云三号卫星微波湿度计的扫描角偏差订正

首先统计分析了FY-3A卫星MWHS(Micro Wave Humidity Sounder,微波湿度计)2010年1月整月和8月28日—9月6日Level-1b全球观测亮度温度T_O和背景场(NCEP GFS 6 h预报场)用辐射传输模式(美国通用辐射传输模式CRTM 2.0版本)模拟的亮度温度T_B随扫描角的分布特征,发现通道3和4的观测随仪器扫描角有抖动、不连续现象。同时沿着仪器扫描线在星下点两测存在观测不对称现象,而且权重函数峰值越接近地面的通道该不对称现象越明显。在统计观测增量T_O-T_B随扫描角和纬度变化的基础上,定量给出了不同纬度带内(每隔5个纬度)MWHS通道3、4和5的扫描角偏差订正系数,该系数可直接提供给各种资料同化系统同化FY-3A MWHS资料时使用。     

评估FY-3A微波湿度计O-B对云的识别能力

应用FY-3A微波湿度计2010年1月份的Level-1c观测亮度温度O,NCEP GFS 6 h的预报场作为背景场,用RTTOV 9.3版本辐射传输模式模拟的亮度温度B以及美国NOAA-18 MHS业务微波地表和降水产品,研究了双权重质量控制算法对FY-3A MWHS 通道3至5云和降水视场的识别能力。研究表明双权重质量控制算法判断的负观测增量O-B的离群点中,大多数都受云和降水影响。通道3约占60%,通道4约80%,通道5超过80%。当降水率大于0.2 mm·h^-1时,通道3负离群点可识别超过60%降水云,随着降水率增大识别率超过80%。而通道4对大于0.2 mm·h^-1的降水的识别率超过90%。通道5负离群点几乎可以剔除100%的降水影响资料。在目前还没有MWHS自身云检测产品的条件下,双权重质量控制算法可剔除大部分云和降水影响视野。     

Insights into the Microwave Instruments Onboard the Fengyun 3DSatellite: Data Quality and Assimilation in theMet Office NWP System

正1Met Office, Exeter EX1 3PB, UK2National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China     

Estimating the Correlated Observation-Error Characteristics of the Chinese FengYun Microwave Temperature Sounder and Microwave Humidity Sounder

In operational data assimilation systems, observation-error covariance matrices are commonly assumed to be diagonal.However, inter-channel and spatial observation-error correlations are inevitable for satellite radiances. The observation errors of the Microwave Temperature Sounder(MWTS) and Microwave Humidity Sounder(MWHS) onboard the FengYun-3A(FY-3A) and FY-3B satellites are empirically assigned and considered to be uncorrelated when they are assimilated into the WRF model's Community Variational Data Assimilation System(WRFDA). To assimilate MWTS and MWHS measurements optimally, a good characterization of their observation errors is necessary. In this study, background and analysis residuals were used to diagnose the correlated observation-error characteristics of the MWTS and MWHS. It was found that the error standard deviations of the MWTS and MWHS were less than the values used in the WRFDA. MWTS had small inter-channel errors, while MWHS had significant inter-channel errors. The horizontal correlation length scales of MWTS and MWHS were about 120 and 60 km, respectively. A comparison between the diagnosis for instruments onboard the two satellites showed that the observation-error characteristics of the MWTS or MWHS were different when they were onboard different satellites. In addition, it was found that the error statistics were dependent on latitude and scan positions.The forecast experiments showed that using a modified thinning scheme based on diagnosed statistics can improve forecast accuracy.