风云三号C星微波湿温探测仪的定标和验证

风云三号C星（FY-3C）已经于2013年9月23日发射升空,其上装载的微波湿温探测仪（MWHTS）已于9月30日开机正常工作.MWHTS具有对大气温度和湿度垂直分布进行同步探测的能力.MWHTS为跨轨扫描式微波辐射计,在89-191GHz毫米波段内设置了十五个探测通道,其中包括118.75GHz氧气吸收线附近的8个大气温度探测通道,183.31GHz水汽吸收线附近的5个大气湿度探测通道,以及89GHz和150GHz两个窗区通道.设置在118.75GHz的一组毫米波探测通道是国际上业务卫星首次使用的大气探测通道,这组通道和183.31GHz通道对大气进行联合探测,将获得更加精细的大气温湿度垂直分布数据,为数值预报和气候研究提供丰富信息.为保证MWHTS观测资料的定量应用,对仪器性能和定标精度进行了在轨测试.利用MWHTS在轨正常工作后的三个月数据,对仪器在轨定标的基础数据：冷空和黑体计数值,黑体和仪器温度进行监测分析和质量检验,经过质量检验的在轨定标基础数据,结合发射前真空试验得到的非线性订正项在轨定标生成MWHTS观测亮温数据.评估MWHTS在轨辐射定标结果的精度和偏差特性使用了三种方法：1通过场地定标试验获取大气温湿廓线和地面温度等大气参数信息,结合微波逐线正演辐射传输模式MonoRTM（Monochromatic Radiative Transfer Model）模拟MWHTS的上行微波辐射亮温,与MWHTS实际观测结果进行对比分析;2两个通道特性一致的同类星载被动微波载荷同时观测同一目标,观测亮温的差异主要取决于两个载荷的定标系统偏差.选取美国SNPP上搭载的微波探测仪器ATMS作为MWHTS的参考载荷,基于SNO（simultaneous nadir overpass）技术,对两个仪器的观测亮温进行交叉比对,观测亮温时空匹配及均匀性检验的条件为：观测时间差异小于20min,观测像元中心距离小于3km,观测角度在星下点附近差异小于5°,观测像元周围3×3像元内的亮温标准差小于1K;3基于美国国家环境预测中心的全球数据同化系统GDAS（Global Data Assimilation System）数据,利用快速辐射传输模式CRTM（Community Radiative Transfer Model）对MWHTS各通道亮温进行正演模拟,模拟结果（O）和仪器实际观测的亮温（B）之间的差异记为＂O-B＂,对偏差值＂O-B＂进行统计特征分析.仪器中心频率的变化、正演模式模拟精度和模式输入廓线自身的误差都会对＂O-B＂产生影响.但是对于首次使用的探测频点而言（如118.75GHz通道）,由于国际上没有同类载荷可以进行交叉比对,借助于正演辐射传输模式计算得到＂O-B＂偏差的分析结果可以在一定程度上反映仪器整体定标情况.外场地定标试验结果显示除通道14外,其他14个通道的亮温差都在1.3K以内;与同类载荷ATMS的在轨观测进行直接交叉比对表明通道14与ATMS的亮温偏差最大,但中心频点一致的5个水汽探测通道的标准差都小于1K;将MWHTS观测结果和正演辐射传输模式模拟结果即＂O-B＂进行偏差分析显示,靠近118.75GHz吸收线中心的通道2—6＂O-B＂标准差小于0.5K,其他通道＂O-B＂标准差和ATMS相应通道的结果相当;MWHTS观测和模拟偏差随角度变化的研究表明通道1,7-13和15观测结果对角度有一定依赖性.

利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料对FY-2C红外分裂窗通道的绝对辐射定标

介绍利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料对FY-2C红外分裂窗通道进行在轨绝对辐射定标的方法,并选择了2006年10个时次的卫星数据进行辐射定标试验.将利用这种方法获得的定标结果与FY-2C卫星数据产品中提供的定标查找表进行比较分析,结果表明两套不同的定标系数反演的大气层顶(TOA)亮度温度的主要差别集中在云顶、冰雪覆盖区域等低温像元;而在常温区的陆表和海表像元定标结果差别较小,反演的TOA亮温差在2K左右.提出的替代定标方法可以极大地提高定标频次,为实现FY-2C红外分裂窗通道的实时绝对辐射定标提供了重要的方法基础.

利用NOAA卫星的AVHRR资料试分析云和雾顶部粒子的尺度特征

该文利用ＮＯＡＡ卫星的ＡＶＨＲＲ资料的通道３（３．５５～３．９３μｍ）数据中所包含的太阳反射光信息，分析了云和雾中粒子的大小分布状况．把分析结果与地面观测资料相对比，发现具有ＣＨ３反射率小值的云中大粒子区与降水区间存在一定的关系，ＣＨ３反射率大值区与大雾覆盖区之间具有良好对应性．

我国气象卫星的发展与应用

本文介绍了风云系列气象卫星的现状,从观测内容、技术水平、业务运行、数据共享、应用等多个方面比较了国际和中国气象卫星的发展状况,并且提出了我国为提高气象卫星应用水平应该做的工作。经过四十多年的努力,我国已经成功地发展了风云一号、三号极轨和风云二号静止两个系列的气象卫星,并实现了业务化。从气象卫星获取的大气和地表信息,已被广泛应用于天气预报、气候预报、环境和自然灾害监测、农业等多个国民经济领域,为国家经济发展、社会进步做出了贡献。风云气象卫星不仅提供数据直接分发广播,而且通过Internet网络与用户广泛共享;不仅提供云图和观测数据,还提供大量的定量产品。但是风云气象卫星的定量产品精度不够高,影响了使用效果,我国气象卫星资料和产品进入数值预报模式的工作进展缓慢,基层台站预报人员对风云气象卫星云图的判读和应用水平不够高。提高卫星观测仪器的研发水平,做好数据预处理、处理、同化方面所涉及的基础理论研究工作,从根本上提高数据应用的水平是当务之急。

GMS－5水汽图象所揭示的青藏高原地区对流层上部水汽分布特征

该文利用１９９５年６月中旬至７月初ＧＭＳ－５水汽图象，对青藏高原地区对流层上部水汽分布进行了初步分析．发现高原地区对流层上部水汽的汇集主要通过以下４种方式进行：①水汽从高原东南方的雅鲁藏布江河谷等地进入高原，是主要路径；②从西南方越过喜马拉雅山进入高原；③从帕米尔及其以北地区漂过塔里木盆地后进入高原；④对流活动可以引起水汽在高原上空积聚．从多时相平均水汽图象上反映出高原上西北干、东南湿的水汽分布特征，并初步讨论了水汽图象所揭示的在高原生成的系统对我国东部天气的影响．

中国气象卫星和卫星气象研究的回顾和发展

气象卫星和卫星气象是大气科学中发展最迅速、成就最显著的一项大气探测技术和新兴的分支学科。目前 ,气象卫星已经成为地球大气探测系统中的主要成员 ,而卫星气象学则正在覆盖地球系统科学中的主要方面。文中从 3个方面综述自 2 0世纪 70年代以来的 30多年时间内 ,中国在这一领域内取得的主要成就 :(1)中国气象卫星的发展历史和现状 ,重点介绍了中国的极轨和地球静止气象卫星的发射、运行状况和主要技术指标及发展史。 (2 )气象卫星遥感原理和方法等方面的主要成果 ,重点评述了大气温湿廓线遥感反演、云特性反演、气溶胶特性反演、降水反演和云迹风生成等 5个方面的主要成果。 (3)气象卫星资料应用研究成果 ,主要包括气象卫星资料在天气分析和预报中的应用、在数值预报中的应用和在气候监测和短期气候预测中的应用。此外还包括同化和气候监测与预测研究的最新成果。

用双通道动态阈值对GMS-5图像进行自动云检测

该文用双通道动态阈值法对GMS-5图像进行自动的云检测。在红外通道和可见光通道,分别对每32×32个像元组成的像元阵进行直方图统计,求出区别云和地物值域的阈值,然后对每个像元阵内的逐个像元进行云判识。讨论了在进行直方图分析以求取阈值的过程中,像元阵大小的选取和动态平滑间距的选取对云检测结果的影响。分析结果表明:像元阵大小取32×32时,像元阵所占的地域空间尺度足够小,像元阵内的观测像元样本数足够多,保证了在直方图聚类分析时,每一类含有足够多的样本;GMS-5观测图像的红外通道对原始直方图进行二次平滑时小平滑间距取1.6K,可见光通道小平滑间距取1.2%,使得确定动态阈值时步长相对小,保证了分析的精度。用目视图像对分析结果进行真实性检验,在中低纬度地区,可见光和红外两个通道都有资料时,该算法的云判识精度较好。在高纬度地区,由于地表温度低,积雪覆盖多,太阳光照角低,该算法的云判识精度较差。

风云气象卫星数据处理算法的若干创新

在图像定位、辐射定标、数据同化三个方面各选择一项工作,简述风云气象卫星(FY)数据处理算法的创新。在自旋稳定静止气象卫星观测图像上,地球圆盘中心行序号的时间序列里,存在关于卫星自旋轴指向的信息,用其可以求解出卫星的姿态参数,并确定地球圆盘中心的南北位置。卫星每自旋一周,可以看到太阳和地球各一次。只要卫星的位置和姿态已知,在卫星上看太阳与地球的夹角即可精确求出并预报,可确定地球圆盘中心的东西位置。在此基础上推出风云二号(FY-2)图像定位方程和算法。用这种算法,风云二号气象卫星图像定位的精度达到了像元级。工作在地球静止轨道上的风云二号气象卫星,接收到的太阳辐射存在显著的日变化和年变化,这就决定了其3.5μm以上热发射波段的辐射响应,必然存在从小时到年际等不同时间尺度的周期性变化,需要精确标定。一方面,利用星载内黑体观测结果,在精确修正前光路辐射贡献的基础上,可以得到小时级辐射定标参数的变化特征;另一方面.利用在轨观测到的月表辐射为基准,可以修正内黑体定标结果在数日至年际尺度上的系统性偏差。采用这些定标算法后,风云二号气象卫星红外辐射定标精度优于1K。卫星遥感仪器在轨性能参数对数据质量起着重要作用,这些参数可能受实验室条件所限测不准,也有可能上星后受空间环境影响发生了改变。建立了一个极轨气象卫星遥感仪器在轨性能参数变分优化模型(SIPOn-Opt模型),通过观测约束优化获得更真实的仪器特征参数。将该模型应用于风云三号气象卫星(FY-3)大气探测仪器后,使其卫星数据与欧美同类先进遥感仪器数据质量相当,并对数值天气预报准确度有改进。

用红外和水汽两个通道的卫星测值指定云迹风的高度

提出了一种改进的用红外和水汽两个通道的测值指定云迹风高度的算法。利用红外水汽散点图和云迹风本身自动地将有低云的目标区、有半透明卷云的目标区、有密蔽高云的目标区分开。在有低云的目标区和有密蔽高云的目标区用红外一个通道指定云高。在有半透明卷云的目标区用红外和水汽两个通道指定云高。在用两个通道的测值指定云高时，假定卷云高度以上不存在水汽。

多普勒雷达探测“艾利”台风风场不对称结构

2004年8月25日,“艾利”台风在靠近我国台湾东北部海域后不同于正常路径,先后发生两次左折,先是西北转偏西,再偏西转西南,这种路径在历史上极为罕见。通过“艾利”台风的雷达观测事实,从单多普勒雷达和双多普勒雷达均发现在台风前进方向的右前方,即西北象限风速极值大于其他象限,进一步证明了“艾利”台风的风场分布遵循波数为1的非对称性,从位于台风不同象限的福州长乐和厦门两站雷达资料,以及常规的地面观测、高空探测资料和NCEP数值预报再分析资料都得到证实。研究表明,“艾利”台风处在大陆高压东南侧,台风外围存在一支7 m/s左右的环境风场引导气流。因此,西北象限风速极值大于其他象限的不对称分布可能是由环境风场和台风本身两方面共同造成的,这种不对称分布有利于维持“艾利”台风向西南方向移动。在我国东南沿海地区,由于单部多普勒雷达不可能同时探测到台风的西北、东北和西南3个象限的风速极值,而双多普勒雷达或多多普勒雷达联合探测台风,则可以同时探测到3个象限的风速极值,根据风速极值可能存在的不对称分布情况来预测台风的路径转折趋势,因此重视双多普勒雷达或多多普勒雷达联合探测对于提高监测预报水平具有重要的意义。

风云气象卫星的地面应用系统

我国从20世纪70年代开始实施自己的气象卫星计划,经过30多年的工作,已经建立起风云1号极轨和风云2号静止两个系列的气象卫星。地面应用系统是风云气象卫星大系统中的一个重要组成部分。文章就地面应用系统的规划工作、关键技术问题的解决以及业务运行成功率的提高等三个方面做了回顾;风云气象卫星已成为我国现代化气象业务系统中不可或缺的重要组成部分,并被世界气象组织正式列为世界天气监视网全球观测系统的一个组成部分;从气象卫星获取的大气和地表信息,已被广泛应用于天气预报、气候预测、环境和自然灾害监测、农业等多个国民经济领域;讨论了风云气象卫星地面应用系统成功的经验。

夏季青藏高原水汽输送特征

使用ＧＭＳ—５的６．７μｍ水汽图、云图及天气图等资料，综合分析了１９９５年６月中旬至７月上旬青藏高原上空的水汽输送过程，总结出中、高层水汽输送的三种环流型特征（脊东型、脊西型和反相型）；并初步分析了它们与降雨的关系。

云迹风计算中的两个几何问题

文章分析了云迹风计算工作中所遇到的两个几何问题，即图像匹配问题和风矢量计算问题．图像匹配问题是指用于计算云迹风的两幅图像如果定位网格不一致，如何通过图像匹配来减少云迹风的计算误差．风矢量计算问题是指在已得到示踪云位置时，如何准确地求出风向风速．云迹风的计算在本质上是一个几何问题。

FY-2B与NOAA卫星红外通道的相对定标

FY-2是自旋扫描静止气象卫星,其红外通道的在轨定标是将黑体从后光路插入目标光路中进行的,此种定标不是全光路定标,存在较大的误差。为了获得较好的红外通道在轨定标系数,用定标精度较高的NOAA(16,17)卫星通道4观测数据与FY-2B红外通道观测数据进行了相对定标试验。相对定标的工作主要是两种卫星观测仪器响应函数之间的光谱匹配和观测图像之间的几何匹配。拟合匹配后两种卫星的观测数据,利用NOAA卫星较高精度的定标系数可得到改进的FY-2B定标系数。FY-2B相对定标系数的精度比原定标系数有较大的提高。

利用NOAA卫星AVHRR资料分析云的性质

文章利用ＮＯＡＡ卫星ＡＶＨＲＲ的通道３（３．５５～３．９３μｍ）、通道４（１０．３～１１．３μｍ）和通道５（１１．５～１２．５μｍ）所在波长上的亮温（ＢＴ３，ＢＴ４，ＢＴ５）以及它们之间的亮温差（ＢＴＤ３４，ＢＴＤ４５），分析云的性质．分析表明：对于密蔽的云和无云区，通道间亮温差有极小值，在密实的云区ＢＴＤ３４可出现负值；当存在半透明云时，通道间亮温差大；云与背景地面之间温差点聚图的振幅越大。

北方稻田生态系统水量平衡及水分效率研究

１９９３～１９９５年研究了５种不同模式水稻田生态系统水量平衡及水分效率结果表明，不同水稻田模式其总耗水量之间有明显差异，其中节水模式和节水节肥模式较常规模式节省灌溉水达１５～２３％，水分生产效率增加３０％以上．各模式蒸发蒸腾耗水量在同一生长季内基本相同．田间结构及调控管理对其无明显影响实测水稻生育期田间蒸发蒸腾量与计算的可能蒸发蒸腾量相差不过５％。

高密度云导风资料所揭示的发展和不发展热带气旋的对流层上部环流特征

国家卫星气象中心建立了一套云导风计算的算法。自１９９７年以来，国家卫星气象中心使用该算法，利用ＧＭＳ－５卫星的数据计算出西北太平洋上的１．２５经纬度网格的卫星云导风。利用这套资料，对西北太平洋热带气旋发展的问题进行了研究。 通过研究发现，热带气旋通常是由对流层上层的西风急流引发的，那些西风急流可能是由深入到热带的中纬度槽所引起的，在盛夏季节，吹向热带对流层上部槽（ＴＵＴＴ）赤道一侧的西风也有可能引发台风。

风云二号气象卫星姿态和沿步进方向失配角参数对图像影响的模拟研究

用模拟的方法研究了卫星姿态、沿步进方向失配角参数对风云二号气象卫星图像定位影响及其随时间的变化规律。模拟结果表明 ,参数偏差对图像定位的影响有很强的规律性 ;参数的偏差将导致图像网格失真和图像定位不准 ;不同参数对卫星图像定位的影响不同。

三轴稳定平台下提高线列探测器光学遥感仪图像空间分辨率的方法研究

提出了通过改变线列探测器像元摆放方式并适当增加系统过采样率来提高三轴稳定平台下线列探测器光学遥感仪图像空间分辨率性能的技术实现方案.在建立系统工作模型的基础上,对基本递推算法和由此引入的误差扩散效应进行了定量化分析,并初步给出图像信噪比和图像空间分辨率之间的量化关系.该方案技术出发点的可行性已在SPOT 5HRG专利技术中得到证实.在现有条件下,该技术有望率先在极轨卫星平台下得到应用.

用FY-1C两个近红外太阳反射光通道的观测数据反演水汽总含量

FY 1C极轨气象卫星扫描辐射仪第 1 0通道的观测波长为 0 .90～ 0 .965 μm ,位于弱水汽吸收区 ,邻近的第 2通道观测波长为 0 .84～ 0 .89μm ,位于大气窗区。该文根据R .Frouin提出的算法 ,用FY 1C资料实现了近红外水汽吸收区和窗区两个通道联合反演水汽总含量。所用的反演关系式为r =exp(B -A m)。其中 ,水汽吸收区与窗区两个通道的反射率之比r可以从卫星测值中求出 ;在探空站所在的地方 ,沿光路的水汽总含量m为己知量 ,可以用统计方法求出系数A和B ;在没有探空站的地方 ,可以根据系数A和B ,用反演关系式求m。影响系数A的因素主要是大气的温、压、湿廓线和仪器的通道响应函数 ,影响系数B的因素是地表反射率。由于这些对反演关系式中的系数取值有影响的因素随时间和地点有变化 ,对不同地区和时段的探空站分别进行统计 ,得到不同的系数进行反演 ,取得了较好的效果。另外 ,还用质量控制手段控制了定位误差可能带来的影响。独立样本真实性检验表明 ,反演值和探空测值之间的偏差约为 1 5 %～ 2 0 % ,相关系数在 90 %以上。