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。     

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。     

基于FY-3B/MWRI数据的裸土区土壤湿度反演

使用高级积分方程模型,模拟多个地表参数条件下的风云三号B星微波成像仪(FY-3B/MWRI)资料。基于模拟数据,分析地表微波辐射特性,利用粗糙地表发射率Qp模型,建立我国西部地区裸露地表土壤湿度反演模型。将该模型用于我国西部地区4个日期(2011年10月8日、10月18日、10月28日和11月8日)的土壤湿度反演,并将反演结果用实测数据进行交叉验证。结果表明:反演土壤湿度与实测土壤湿度的决策系数R2为0.604,均方根误差为0.030 5 cm3/cm3,反演模型具有较高的反演精度。     

基于FY-3C/MWRI的湖南省地表温度遥感反演评价

遥感反演陆表温度在气候、水文、生态等领域发挥着重要作用,微波遥感具有范围大、全天候的优势,在大尺度上验证国产卫星地温产品的可靠性意义重大.基于风云3C(FY-3C)微波地温产品,结合湖南省97个地面观测站地温数据,探究微波反演地温精度及其影响因素.结果显示:湖南省遥感地温产品与实测间平均绝对误差、均方根误差、决定系数、...     

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-3C无线电掩星折射率廓线的反演及验证

2013年,中国发射了首颗进行全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)无线电掩星观测的气象卫星FY-3C,其掩星数据产品已由国家卫星气象中心(national satellite meteorological center,NSMC)发布。基于FY-3C附加相位数据,通过几何光学反演和全谱反演相结合的方法自主反演获取大气折射率廓线,并利用NSMC提供的折射率产品和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的气候再分析数据集(ECMWF reanalysis-interim,ERA-Interim)对反演结果进行验证。2017年全年FY-3C掩星折射率自主反演的成功率为82%,与NSMC 83.5%的反演成功率基本一致。以ERA-Interim再分析资料为参考,自主反演折射率相对偏差绝对值在25 km以下,小于1.5%,略优于NSMC产品,但偏差标准差比NSMC产品略大,达到了3.6%。自主反演和NSMC的折射率廓线在高纬地区的相对偏差...     

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     

FY-4A AGRI陆地气溶胶光学厚度反演

风云四号A星（FY-4A）是中国第二代静止气象卫星的首颗星,多通道扫描成像辐射计AGRI (Advanced Geosynchronous Radiation Imager)是搭载在FY-4A上的主要光学载荷之一。AGRI具有高频率观测特点（每天观测205次）,在大气气溶胶的遥感高频监测方面具有良好应用潜力,但目前官方还未发布相应的气溶胶数据集。本文旨在针对AGRI数据的特点开发基于地表反射率比值库的反演算法以生产高精度的AGRI气溶胶数据集。本文首先基于再分析数据对去云后的AGRI L1级数据进行气体吸收订正;然后利用背景气溶胶光学厚度AOD(Aerosol Optical Depth)对一个月内的“次暗像元”进行大气校正以获取AGRI 0.65μm和0.83μm通道的地表反射率,进而获取这两个通道的地表反射率的比值,完成每个月的地表反射率比值库的构建;最后便可以基于已构建的地表反射率比值库实现地气解耦,完成气溶胶的遥感反演。该算法已被应用于2019年5—10月京津冀地区的气溶胶反演,AGRI AOD反演结果与美国国家航天局发布的MODIS (Moderate-resolution ...     

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。     

FY-3C微波成像仪电视信号干扰识别和分析

由于卫星微波成像仪频率的非保护性,微波成像仪资料受到相近频率的无线电信号干扰影响,主要干扰源于洋面反射的静止电视卫星信号。为提高微波成像仪资料的准确性,尤其是洋面资料的可用性,对电视卫星信号干扰的检测和特征分析尤为重要。中国风云3号C星(FY-3C)上搭载了微波成像仪。本文使用标准化主成分分析法来识别FY-3C微波成像仪的电视卫星干扰信号,并分析电视卫星信号干扰的主要空间特征。研究表明,FY-3C微波成像仪中心频率为10.65 GHz和18.7 GHz的4个低频通道受到卫星信号干扰。10.65 GHz通道在欧洲海域英吉利海峡和地中海西部希腊沿岸地区受到电视卫星信号干扰,并且干扰信号位置和强度与FY-3C卫星和欧洲静止电视卫星相对空间位置有关;18.7 GHz通道主要受到美国电视卫星的干扰,在北美东、西沿岸海域都存在干扰信号。FY-3C微波成像仪在中国海域不受电信号干扰影响,主要因为中国静止电视卫星频率与微波成像仪各通道频率不一样。     

风云3号卫星微波湿度计的系统设计与研制

微波湿度计(MWHS)是风云3号卫星的主要有效载荷之一,其频率为150GHz(双极化)和183.31GHz(三通道),采用垂直于飞行方向的交轨扫描方式,科学目标是探测大气湿度的垂直分布.本文简要介绍微波大气湿度探测的基本原理,阐述了微波湿度计的系统构成及工作原理;描述了微波湿度计的性能指标要求.测试结果表明,微波湿度计性能指标满足设计要求.     

风云三号温度植被指数反演土壤湿度研究

为了研究利用我国自主产权极轨卫星风云三号(FY-3)的MERSI数据反演区域土壤水分的效果,该文利用MERSI数据分别提取归一化植被指数(NDVI)和陆地表面温度并构建NDVI-Ts特征空间;依据该特征空间计算温度植被干旱指数(TVDI)作为土壤湿度监测指标,反演了2012年乌昌地区4—9月的土壤湿度。从反演结果看乌昌地区2012年4—5月土壤湿度较低,造成农区农作物不同程度的缺水,这与实际旱情监测相一致。研究结果表明:基于MERSI数据的TVDI指数能够较好地反映区域土壤湿度的变化情况,为今后应用风云三号数据进行干旱监测提供参考。     

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-3A/MERSI海上沙尘天气气溶胶光学厚度反演

利用FY-3A/MERSI资料,结合MODIS C005算法的海上气溶胶模型,研究了中国渤海、黄海以及东海海域沙尘天气气溶胶光学厚度反演方法。通过MERSI反演的气溶胶光学厚度与MODIS C005气溶胶光学厚度产品(MOD04)对比,发现MERSI气溶胶光学厚度反演结果存在较大偏差。分析认为,这种偏差是由MODIS C005算法的海上气溶胶模型对MERSI气溶胶光学厚度反演不完全适用造成的。鉴于此,本文研究引进了一种沙尘气溶胶模型,并将其与MODIS C005算法的粗粒子气溶胶模型按照一定比例混合,形成了改进的气溶胶模型。利用改进气溶胶模型再次反演海上沙尘天气气溶胶光学厚度,反演结果与MOD04一致性较好,说明改进气溶胶模型能有效地提高MERSI定量反演沙尘气溶胶的能力。     

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。     

风云三号D星MERSI-II陆地气溶胶反演定量能力评估

风云三号卫星搭载的中分辨率光谱成像仪MERSI（MEdium-Resolution Spectral Imager）与NASA的MODIS属于同类型传感器,大多数通道设计相似,具备气溶胶反演的能力,但目前还没有精度可靠、稳定且全球适用的业务化气溶胶产品可供使用。本文借鉴MODIS暗目标DT（Dark target）算法思想,针对新发射的风云三号D星搭载的升级版MERSI-II传感器,构建全球适用的陆地气溶胶反演算法。为测试MERSI-II传感器气溶胶反演的定量能力,并与MODIS气溶胶产品具有可对比性,本文算法设计尽可能与DT算法在各方面处理相一致,主要在两个方面进行了改进与优化：（1）考虑到传感器波段设置差异,给出了针对MERSI-II的地表反射率估计模型;（2）改进内陆水体判别方法,解决DT算法雾霾漏反演的缺陷。通过将单景反演结果与MODIS气溶胶产品对比,反演结果的空间分布和值域大小均具有较好的一致性,相关系数达到0.9以上;有效地实现雾霾高值区反演,而MODIS产品在该区域漏反演。通过对3个月份全球数据反演试验,利用AERONET地基站网观测数据对结果进行验证,落入期望误差EE=±（0.05+0.15τ）范围的点数达到65.14%,接近2/3的要求,相关系数达到0.866,整体具有较高的验证精度;MERSI幅宽大于MODIS,加之本文像元掩膜的改进,使得MERSI反演像元数增加更多,匹配的验证点比例较MODIS高出20%左右。进一步将月平均结果与MODIS进行对比,空间分布一致性较好,反演结果大小对比相关性较好,相关系数达到0.93左右。表明本文针对MERSI-II气溶胶反演算法结果已接近国际同类型产品的精度要求,将为全球长时间序列气溶胶观测有提供重要补充。从而印证了MERSI观测数据已具有较好的定量应用能力,传感器性能、定标等正在逐渐走向成熟。     

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。     

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。     

FY-3D MERSI-II地表温度遥感反演与验证

地表温度是是决定地表辐射能量收支的重要变量,在岩石圈、水圈、生物圈和大气圈的能量平衡和水量平衡研究中起着重要作用。利用热红外遥感技术可实现区域和全球尺度地表温度的快速获取,其受到了研究者的广泛关注。目前,FY-3D是国内光谱分辨率最高的对地观测卫星,极大的提高了对地观测能力,其搭载的中分辨率光谱成像仪（MERSI-II）经过大幅升级改进,性能有了显著提升,热红外数据的空间分辨率达到了250 m。本文使用大气辐射传输模型MODTRAN 5模拟了MERSI-II传感器热红外通道星上观测数据。在此基础上,构建了通用劈窗地表温度反演模型,结合ASTER GED全球地表发射率产品以及MERSI-II自身大气水汽反演算法,发展了地表温度遥感反演方法。最后,利用2019-08内蒙古乌海沙漠地区及美国SURFRAD多个站点的实测地表温度数据对本文提出的方法进行了验证。研究结果表明,相较地表实测数据,构建的劈窗算法反演的地表温度RMSE在1.6—2.6 K,反演精度达到了预期目标,还具有较高的空间分辨率,可以用于业务化的地表温度的反演,同时也说明其辐射定标精度有了一定保证,有效满足了区域和全球尺度地表温度遥感监测应用需求。