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-3C/MWHTS资料反演陆地晴空大气温湿廓线

针对风云三号C星微波湿温探测仪(FY-3C/MWHTS)的陆地晴空观测资料,建立了一维变分反演系统,对大气的温湿廓线进行反演。为了更好地描述温湿廓线的相关性,同时减小温度和湿度在反演过程中相互之间的误差传递,提出了使用背景协方差矩阵的联合矩阵和单独矩阵进行组合反演的方法。对于MWHTS模拟亮温和观测亮温之间的偏差,使用逐扫描点的统计回归方法进行校正。选择中国部分陆地区域的晴空观测亮温进行温湿廓线的反演,并利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析数据、美国国家环境预报中心(NCEP)分析数据以及无线电探空观测(RAOB)数据对反演结果进行验证,温湿廓线的反演结果与ECMWF再分析数据验证的最大均方根误差分别是2.59 K和11.87%,与NCEP分析数据验证的最大均方根误差分别是1.88 K和21.50%,与RAOB数据验证的最大均方根误差分别是3.43 K和25.48%,验证结果表明了反演结果的可靠性。另外与国外同类载荷AMSU观测亮温的物理方法和统计方法反演精度进行了对比,结果表明:MWHTS具有较强的湿度廓线以及高空温度廓线的探测能力,且针对MWHTS的观测亮温建立的一维变分反演系统具有较高的反演精度。与NCEP 6小时预报廓线的验证结果表明:反演的湿度廓线可以提高预报廓线的精度。     

FY-3D星微波湿温探测仪通道响应函数的影响分析

微波湿温探测仪（MWHTS）的通道响应函数（SRF）一般被认为近似于矩形函数，然而从实际SRF的测试数据来看，MWHTS各个频段不同通道的SRF存在一定的带内波动。本文利用大气辐射传输模拟器（ARTS）模拟了MWHTS中118 GHz各通道不同场景的亮温谱，并输入至前期建立的MWHTS系统仿真模型中，通过定标得到了仪器的输出亮温，进而评估实测SRF对亮温测量及其反演的大气温度廓线的影响，并利用卫星实测数据进行了对比验证。结果表明，亮温偏差与实际SRF的带内波动呈现线性正相关的关系，当带内波动大于3 dB时，亮温偏差可以达到0.2—0.5 K。SRF的带内波动会造成大气温度廓线反演误差，特别是在高度为1.8 km时，误差最大可以达到0.8—0.9 K，该仿真结果与卫星实测数据结果一致。因此在使用数据同化方法对数值天气预报（NWP）进行模拟时，需要特别注意具有较大SRF带内波动的通道所引起的亮温偏差，这对于未来卫星数据的应用具有重要的研究价值。     

风云三号卫星被动微波反演海洋上空云液态水含量

云液态水含量是气候和水循环研究的重要云微物理参数，也是目前气候变化研究中的最不确定因素之一。通过极轨气象卫星被动微波观测的光谱和极化特征能够实现对云液态水含量的直接测量，本文介绍了一种基于风云三号卫星微波成像仪（MWRI）观测亮温的全天候云液态水含量反演算法，利用快速辐射传输模式、云模型和大气廓线库建立MWRI模拟亮温库并训练反演系数的宽气候态物理算法可以保证算法系数在不同季节和不同地区的适应性。同时提出了一种基于观测增量（O-B）筛选晴空像元并对算法系数及比例因子进行订正的方法。利用统计直方图方法和卫星间交叉比对方法对反演产品精度进行了检验，统计直方图方法检验结果表明，FY-3C云水反演误差为0.028 mm，FY-3D为0.025 mm，与国外同类产品的精度相当；与低轨卫星微波辐射计GMI云水产品的交叉比对结果表明，两者具有较高一致性，均方根误差为0.0325 mm。FY-3C/3D CLW产品目前已经投入业务应用，上下午星组网能够一天内基本覆盖全球，实现全球云水分布监测。     

风云气象卫星主要技术进展

近20年来,中国风云气象卫星完成了从试验应用型向业务服务型、从第一代到第二代、从单一探测到综合探测、从定性到定量的转变,实现了业务化、系列化、定量化的发展目标,风云卫星数据预处理、产品生成、数据应用技术取得全面进步。在地理定位方面,通过发展自主的地理定位算法,持续优化算法精度,业务定位精度提高到1个像素。在辐射定标方面,发展了基于月球订正的星上内黑体定标算法、深对流云定标、月亮定标和交叉定标等算法,建立了综合定标系统,太阳反射波段平均定标偏差小于5%,红外通道平均定标偏差小于0.5 K。建立了风云气象卫星产品生产及质量控制体系,具备数十种大气、陆地、海洋、空间天气定量遥感产品生产能力,部分产品质量达到或接近国际同类产品先进水平。风云气象卫星资料在天气、气候、生态、环境等领域得到广泛应用,特别是通过ECMWF(欧洲中期天气预报中心)的严格测试评估,在国际顶级数值预报模式中得到同化应用,标志着风云气象卫星部分仪器数据质量达到或接近国际先进水平。虽然中国风云气象卫星观测体系基本形成、观测精度不断提高、业务服务能力日趋增强,但仍存在仪器稳定性差、探测能力有限、探测精度有待进一步提高等问题。风云气象卫星未来发展需着重考虑以下几个方面:(1)建立合理的多星综合观测体系,重点是优化高中、低气象卫星轨道配置方案,建立多星联合组网观测体系,增强全球监测能力,提高时空分辨率;(2)提高探测精度,包括发展高精度星上定标系统,提高观测仪器的精度和稳定性,发展先进的卫星数据处理和产品反演算法等;(3)增强探测能力,重点是加强新型探测方法、探测技术研究,逐步实现对气象全要素的遥感探测,(4)增强应急响应能力,提高短时强对流等灾害天气监测能力;(5)提高卫星观测的连续性和稳定性,满足气候变化研究的需求;(6)增强多源数据综合应用能力,提高气象卫星的应用效益。     

FY-2静止卫星红外通道的高光谱交叉定标

介绍利用高光谱探测器IASI和AIRS对FY-2静止气象卫星VISSR红外通道进行绝对交叉定标的方法,并且基于FY-2E业务运行以来的历史数据对该方案进行可靠性检验和误差分析。结果表明,基于两个独立仪器得到的高光谱定标结果间具有很好的一致性;高光谱定标的亮温偏差基本上呈正态随机分布没有明显的系统偏差,平均亮温偏差小于0.07K,标准差约1.4K,其中亮温大于290K时,平均偏差小于0.2K,亮温大于220K时,平均偏差小于1K,低温端平均偏差约为3K;本文方法与目前FY-2EL1文件中提供的定标结果相比有明显改善,精度平均提高大于1K,低温端2—3K。长时间统计分析结果证明文中采用高光谱交叉定标方案稳定可靠,精度能够满足定量应用需求。     

利用IGRA2探空数据和COSMIC掩星资料对FY-3C掩星中性大气产品进行质量分析

根据IGRA2无线电探空数据和气象、电离层和气候卫星联合观测系统(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate, COSMIC)掩星资料,对2015—2017年包含折射率、温度和比湿廓线在内的FY-3C掩星中性大气产品进行质量分析。结果表明:FY-3C掩星折射率廓线25 km以下整体无系统偏差,相对偏差标准差≤5%;温度廓线存在系统负偏差,标准差≥1.5 K;比湿廓线越趋地表质量越低,5 km下标准差≤1.2 g/kg。总体而言,FY-3C掩星数据质量较好,在2015—2017年间逐年提高,但在近地面和25km以上有待进一步提高。对2017年产品的进一步分析表明:就季节而言,折射率廓线和温度廓线质量均在冬季最差,比湿廓线质量在夏季最差;就纬度带而言,折射率廓线在低纬度带质量最差,温度廓线质量的分纬度带比较结果在不同高度范围存在差异,比湿廓线在低纬度带质量明显低于中高纬度带;此外,FY-3C掩星大气产品数据质量随昼夜和海陆变化也存在一定差异。     

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。     

FY-3C积雪产品在同化中对微波资料质量控制的影响分析

T639-GSI全球系统同化AMSU-A资料的过程中,目前使用的月平均积雪产品并不能反映中高纬度大陆上快速地降雪/融雪过程,而FY-3C日积雪产品在时间精度上要高于GSI月平均积雪覆盖数据。由于同化系统对AMSU-A较低通道辐射率资料的质量控制需要依据更准确的地表积雪信息,所以本文结合冬春季节的FY-3C日积雪产品和NCEP再分析资料,研究了北半球中高纬度地区不同积雪覆盖率初值对分析场不同高度层温度场的影响,以及在同化过程中对预报结果的影响。结果表明,在对AMSU-A辐射率资料的质量控制中,月平均积雪数据和日积雪产品对温度场影响较大的区域与两者积雪覆盖差异区域有明显的对应;冬春季节,使用FY-3C日积雪产品代替GSI月平均积雪数据作为背景场中积雪下垫面数据,对进入同化系统的AMSU-A辐射率资料质量控制时,120 h之内1000—600 h Pa的中低层温度场的预报效果得到改善。     

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。     

FY-3D微波成像仪非线性特征及计算方法优化

风云三号D星(FY-3D)微波成像仪采用10.65 GHz、18.7 GHz、23.8 GHz、36.5 GHz和89.0 GHz双极化通道对地表辐射信息进行测量,定标精度会直接影响遥感数据的准确性。影响定标精度的主要因素之一是成像仪系统的非线性特征,用物理参数-非线性系数表示。所以准确计算非线性系数是地面热真空定标试验的主要目的之一,在95-298 K范围内设置不同变温源温度点,每一个温度点对应一个非线性系数,这些非线性系数的平均值即是系统最终的非线性系数值。受系统原理和试验条件的限制,计算平均值时需要确定变温源温度的有效范围,目前使用的范围确定方法是设计师首先依据经验提出几组可能的温度范围,然后对比每个范围的定标结果,选出最优的温度范围。显然,这种方法很容易受到人为因素的影响,而且由于不具备遍历所有温度范围的试验条件,无法确定每个变温源温度点的有效性。为了准确获得非线性系数值,首先通过分析热真空定标试验数据证明非线性系数与场景亮温无关,然后提出了一种优化计算方法,采用t准则确定有效范围得到非线性系数值。对比优化前后两种方法的结果表明,新方法的非线性亮温拟合残差的平均值和标准差值以及非线性亮温的最大拟合值都减小了。由此可见,新方法在计算非线性系数时可以获得更准确的变温源温度范围,可以优化非线性亮温的拟合效果,并且将定标精度提高0.04 K,优化效果在10 GHz接收机以及环境温度较高时尤为明显。     

多通道地基微波辐射计大气遥感

本文主要介绍了自主研发的多通道地基微波辐射计观测亮温和数据反演方法,并与探空观测值进行对比,分析了辐射计观测亮温、反演的温度和水汽廓线的精度。结果表明,该仪器亮温观测误差小且利用神经网络反演的大气温度及水汽等廓线参数准确可靠,具有实际应用价值。     

HJ-1B B08 在轨星上定标有效波段宽度计算的查找表法

通过构建适用于HJ-1B 热红外通道(IRSB08)特性的有效波段宽度计算方法, 提高HJ-1B B08 在轨星上绝 对辐射定标的精度。根据HJ-1B 星上定标原理、利用卫星发射前地面实验数据和Planck 方程, 建立基于定标黑体 温度的有效波段宽度计算的查找表法, 结果表明查找表法得到的有效波段宽度为2.01 ?m 左右, 介于半高宽法 1.940 ?m 和矩方法2.394 ?m 之间, 且与定标黑体温度的关联性很小, 在低温点和高温点之间的相对差异在0.3%以 内。半高宽法和矩方法分别低估和高估有效     

基于月球反射的遥感器定标跟踪监测

月亮辐照度是可见近红外波段一种稳定的辐射参考基准,对月观测已成为星载遥感仪器辐射定标和验证的一种新方法。风云三号03星(FY-3C)中分辨率光谱成像仪(Moderate Resolution Spectral Imager,MERSI)增加了对月观测功能,改进了太阳反射波段的在轨辐射定标。本文收集分析了MERSI在轨工作以来的全部11组对月观测数据,利用通道间辐照度比值方法移除月相角,日—月—星相对距离等因素对月亮辐照度观测值的影响,开展了可见光近红外波段的辐射定标工作,实现了MERSI太阳反射通道的辐射定标系数动态跟踪和评估。通过线性回归及统计发现,通道8辐射响应的年衰减率达到了14.55%,通道9达到了8.42%,通道1、6、10、11、16和19的年衰减率为1.15%—4.72%,其余通道未检测到衰减。研究结果可以用于订正MERSI数据的辐射定标系统性偏差,提高MERSI全寿命期的辐射定标精度。     

星载微波成像仪灵敏度稳定性分析

微波成像仪是中国第二代极轨气象卫星风云三号卫星的主要载荷之一,灵敏度是评价成像仪系统性能的关键参数之一,可以衡量辐射探测精度,因此该参数的准确计算及其长期稳定性会直接影响遥感数据业务应用效果。经过地面及在轨数据验证,与传统均方根标准差方法相比,利用Allan标准差方法计算星载微波成像仪的在轨灵敏度,首先获得每条扫描线的遥感电压数据,然后分析相邻扫描线之间的电压偏差,最后再结合微波成像仪系统增益,即可获得在轨灵敏度参数。利用Allan方法分析灵敏度,可以有效去除环境噪声的影响,有助于反应星载微波成像仪在轨灵敏度的长期稳定性,更加真实地反映仪器本身的在轨性能演变。分析结果表明：3台微波成像仪在轨性能稳定,长时间观测过程中,FY-3 C\D星成像仪在轨灵敏度的标准差≤0.01 K,FY-3 B星成像仪灵敏度标准差≤0.012 K;3台仪器在10.65 GHz、18.7 GHz、23.8 GHz及36.5 GHz频点8个通道的灵敏度均优于0.5 K;对于89 GHz频点的两个接收通道,FY-3 C\D星微波成像仪的灵敏度优于0.5 K,B星微波成像仪优于0.6 K。本文利用Allan方法获得了风云三号微波成像仪的在轨灵敏度参数,证明该方法适用于微波辐射计在轨灵敏度的计算,同时针对微波成像仪的相关分析结果为国产星载微波成像仪在轨定量应用奠定了基础。     

地表温度日变化模型偏差系数解算的地表温度降尺度

地表温度LST（Land Surface Temperature）是全球气候变化研究的关键参数,遥感是获取全球和区域尺度地表温度的一种切实可行手段,但现有的单一传感器无法提供高时空分辨率的LST数据,限制了遥感地表温度数据的深入广泛应用。现有的降尺度方法难以生成无缝高时空分辨率的地表温度数据,且降尺度效果易受高空间分辨率LST数据缺失及有效时刻分布影响。本文提出了一种基于地表温度日变化模型DTC（Diurnal Temperature Cycle）偏差系数解算的地表温度降尺度方法,采用FY-4A、MODIS和Landsat 8的LST数据生成晴空及多云条件下逐小时100 m的无缝LST数据。方法主要包含4部分：（1）利用空值重建方法获取无缝的FY-4A的LST数据;（2）建立FY-4A LST数据的DTC模型;（3）采用时空融合模型对MODIS的LST数据进行空间降尺度;（4）解算DTC模型偏差系数,获取逐小时100 m分辨率的无缝LST数据。实验结果表明,本文提出的方法具有较高的降尺度精度,可获得晴空及多云条件下无缝高时空地表温度数据,且高空间分辨率的地表温度数据缺失和有效时刻分布对本文方法降尺度结果影响较小。     

光学有效载荷高精度绝对辐射定标技术研究

随着多波段、多平台、高光谱分辨率遥感仪器的迅速发展,要求光谱辐射定标技术具有前所未有的高精度和长期测量稳定性。目前,传统辐射定标方法的精度已逐渐难以满足定量遥感应用的需求。本文提出了一种新型基于辐亮度标准探测器的高精度光谱辐射定标先进方法和技术,由于该方法可直接溯源至低温绝对辐射计,其绝对精度和长期稳定性优于传统的基于标准光源法,是提高中国目前光学遥感器实验室、星上和场地替代定标精度的有效途径。该方法已两次成功应用于中国“FY-2”气象卫星04和05星发射前外场定标,实际应用效果表明,它能够有效提高中国卫星遥感器的外场定标精度,对改善中国当前卫星遥感器各阶段定标精度,具有潜在的应用价值。     

无线电频率干扰对MWRI资料反演地表温度的影响

星载微波资料受到地面无线电频率干扰(radio-frequency interference,RFI)的现象正越来越明确地被形成共识,RFI显著增大了受干扰区域地表、大气参数的反演误差。采用一维变分反演法,利用风云三号B星(FY-3B)上的MWRI(microwave radiation imager)一级数据分析了欧洲大陆RFI的分布,提出了针对MWRI亮温数据的RFI订正算法;并采用一维变分反演法反演了研究区域的地表温度,比较了RFI订正前、后的地表温度反演精度。结果表明,一维变分反演法对于RFI识别是有效的; RFI信号对微波资料反演地表温度的影响显著,使其所在区域的地表温度反演结果出现异常,误差较大,甚至导致反演失败。因此,所提出的回归方程可以有效地订正陆地上的微波观测数据,提高资料利用率。     

青藏高原FY-3C卫星积雪产品评估

选取2018年10月1日—2019年4月30日作为积雪研究期,利用青藏高原地区118个气象台站的积雪观测数据,对风云三号C星(FY-3C)多仪器融合的雪盖(multi-sensor synergy snow cover,MULSS_SNC)和微波成像仪的雪水当量(microwave radiation imager s...     

FY-3C/VIRR中红外图像太阳光污染订正

风云三号C星(FY-3C)上搭载的可见光红外扫描辐射计VIRR (Visible and Infra-Red Radiometer)是继承风云一号卫星光学成像仪器,它在高纬度昼夜交替区域附近由于地平线附近太阳光照射,导致仪器扫描镜和其他部件产生杂散光,导致对地观测图像被污染,尤其VIRR中红外第3通道(3.7 μm)图...