GNSS辅助风云三号卫星MERSI近红外通道的大气可降水量反演方法

大气水汽是对流层中的重要参数之一,已被广泛应用于短临天气预警和长期气候监测等领域。我国风云三号(FY-3)系列卫星搭载的中分辨率光谱成像仪可用于大气水汽监测,但反演大气可降水量(PWV)时存在大气透过率参数低估、水汽与大气透过率回归系数经验选取的缺陷,无法满足在短临降雨监测、数值同化等高精度PWV应用方面的需求。针对该问题,本文提出一种GNSS辅助FY-3卫星的高精度PWV反演方法。本文方法引入高精度实测GNSS PWV作为大气透过率计算模型的回归拟合参数,辅助FY-3 L1级数据精确估计PWV和大气透过率的模型回归系数;同时,该方法顾及季节和高程因素对FY-3-L1 PWV反演的影响,分季节反演PWV并引入数字高程模型修正由于部分大气透过率参数低估导致的FY-3 L1 PWV相对不准确的现象。选取中国区域2013—2014年FY-3A卫星的L1数据和中国地壳运动观测网络的260个GNSS测站数据进行试验。结果表明,本文提出的GNSS辅助FY-3系列卫星PWV反演方法优于传统方法(FY-3A-L2 PWV),其整体精度改善率为74.5%,可得到更加可靠、稳健性更强的PWV格网产品,对于其在短临降雨监测和数值同化等方面具有重要意义。

风云三号卫星紫外臭氧垂直廓线反演算法及对比反演试验

从正演模型和反演计算两个方面,介绍风云三号卫星紫外臭氧垂直廓线反演算法FY-V1.0,并比较了与美国NOAA目前两种业务反演算法V6和V8的差异.利用美国NOAA/SBUV(/2)的L1b观测数据,开展FY-V1.0与V8的对比反演试验.对比反演试验结果表明:在全球低(纬度数<30°)、中(30°≤纬度数<60°)、高(60°≤纬度数<90°)3个纬度带,FY-V1.0反演廓线都与V8产品很好地吻合,FY-V1算法相对反演精度在±2以内.初步分析表明,卫星紫外臭氧垂直廓线反演算法的误差主要有3个来源:一是下垫面理想化假设,二是多次散射和反射辐射的辐射查算表插值计算,三是先验臭氧廓线X0缺乏对中国区域的代表性.分析认为,未来FY-V1.0算法反演精度改进主要在二个方面:一是利用TOMRAD模式开展多次散射和反射辐射的直接计算,代替目前的辐射查算表插值计算方法;二是通过增加臭氧廓线气候数据库中国区域廓线,或者改进中国区域先验臭氧廓线X0生成方法,改进其对中国区域的代表性.

风云三号卫星有效载荷与地面应用系统概述

风云系列卫星搭载的有效载荷对地球进行了重要的观测。观测数据由相应的地面应用系统处理并分发给用户。介绍了风云三号卫星的有效载荷、地面系统以及未来的发展计划,同时也讨论了风云三号卫星仪器的主要特点与仪器面对主要应用的要求。风云三号卫星搭载有9个新仪器,包括微波温度探测仪(MWTS),微波湿度探测仪(MWHS),大气红外探测仪(IRAS),中分辨率光谱成像仪(MERSI),微波辐射成像仪(MWRI),太阳散射紫外线探测仪(SBUS),臭氧总量探测装置(TOU),太阳辐射监测仪(SIM)和地球辐射测量仪(ERM)。经验证,IRAS、MWTS、MWHS和MWRI等仪器获取的数据质量良好,根据在欧洲中期天气预报中心(ECMWF)所做的评估,这些数据有着很高的可用性。MERSI有20个可见光与红外通道,其中有3个空间分辨率为250m的可见光通道,一个空间分辨率为250m的近红外通道和一个空间分辨率为250m的长波红外通道。空间分辨率为250m的全球数据在天气、灾害和环境监测方面的应用十分广泛。与地面观测相比,来自风云三号卫星的臭氧产品精度更高。这些仪器和大部分产品的校准与验证工作已经完成。

风云三号卫星多星组网数据传输与接收分析

风云三号多颗星在轨组网观测与数据传输,受限于频带、极化及地面天线资源,数据接收可能存在潜在干扰风险。重点阐述了风云三号卫星数传频点、带宽以及天线极化方式等信道设计,建立双星信号干扰仿真模型,分析了多星在轨组网观测对数据接收的影响,分析结果表明,多星数传信号特性和信道参数设计合理可行。在多星同时与地面站可见的情况下,通过对多颗星的轨道进行优化调整,可避免多星同时与国内外数传地面站可见,从而确保数据的正常传输与接收。

基于VC+ +的风云三号卫星实时遥感数据提取方法

分析了HDF5文件和风云三号卫星实时遥感数据结构和特点,采用HDF5文件最新的C++Classes开发包、VC++程序设计语言,开发一种实用性较强的风云三号卫星实时遥感数据提取方法,并介绍合成风云三号卫星中分辨率真彩色图像的方法。

基于风云三号卫星微波资料反演我国地表土壤湿度及其对比

土壤湿度是联系陆地水循环和能量循环的纽带,是地表最重要的水资源,也是一个重要的气象预报因子。基于风云三号卫星微波资料,采用能量辐射传输模型反演了我国逐日地表土壤湿度(FY-3B),并估算了其系统误差;然后,与中国气象局农业气象站观测资料和ERA-Interim、NCEP再分析资料进行了对比分析。研究结果表明,FY-3B土壤湿度呈由西北地区向东北和东南地区逐渐增加的空间分布特征,与农气站观测资料和两套再分析资料基本一致;其系统误差与植被覆盖度密切相关,我国西南部植被茂密的地区系统误差较大。FY-3B土壤湿度的季节性变化与农气站观测资料在全国范围有较好的一致性,总体表现为冬季土壤湿度较高,随着春季气温升高蒸散发增加,土壤湿度逐渐降低;夏天雨季来临,土壤湿度回升。然而,FY-3B土壤湿度与ERA-Interim和NCEP再分析资料在东北部分地区和长江流域以南呈很强的负相关,这主要是由于季节性干湿变化的不一致性所致;这表明,ERA-Interim和NCEP土壤湿度再分析资料在这些地区存在较大的不确定性。

风云三号卫星先进微波大气探测仪系统设计与研制

先进微波大气探测仪(AMAS)是安装在风云三号卫星(C/D星)上的新一代微波湿度计,是风云三号卫星(A/B星)微波湿度计的继承和发展。在150 GHz(水平极化和垂直极化)和183.31 GHz(水平极化,三通道)的基础上,探测频率和通道设置为89 GHz(垂直极化)、118.75 GHz(水平极化,八通道)、150 GHz(垂直极化)、183.31 GHz(水平极化,五通道),仍采用垂直于飞行方向的交轨扫描方式,科学目标是探测全球大气温度和湿度的垂直分布、降雨等。本文介绍了微波湿度计-II的系统设计与构成,描述了微波湿度计-II的性能指标要求。测试结果表明,性能指标满足设计要求。

风云三号卫星跃上新高度

5月27日,长征四号丙火箭成功护送风云三号卫星精确入轨,掀开了我国气象卫星史上的新篇章。消息传来,太原卫星发射中心沸腾了,八院沸腾了,这是对参与研制的10家单位以及科研人员8年多艰苦努力的最好回报。

风云三号卫星接收天线过顶盲区跟踪实现

采用12 m A-E天线座架的气象卫星接收系统在跟踪运行于太阳同步轨道的风云三号气象卫星时,方位角误差随着俯仰角的增大而不断增大,到天顶区域已无法满足跟踪要求。为了解决卫星站过顶盲区问题,在接收天线上增加机械倾斜第三轴,通过分析计算,提出了实用的软件处理方法。实际运行情况表明,此方法较好地解决了过顶跟踪的目标丢失问题。

风云三号卫星太原升空

9月23日11点07分，长征四号丙运载火箭在太原卫星发射中心成功将第三颗风云三号气象卫星送入预定轨道。 总装备部政委王洪尧，副部长张育林、牛红光，国家国防科工局副局长胡亚枫、中央纪委驻局纪检组组长王双林，中国气象局副局长许小峰、宇如聪，中国航天科技集团公司总经理雷凡培、副总经理袁洁分别在发射现场和北京航天飞行控制中心指导发射。

基于风云三号气象卫星数据的太湖水体表层蓝藻水华特征研究

用卫星遥感技术监测太湖蓝藻水华具重要价值。利用风云三号卫星中分辨率光谱成像仪数据计算了归一化植被指数、增强型植被指数等,以提取蓝藻水华分布,并基于太湖东山气象站的气象资料分析水华暴发的驱动因素。结果显示:风云三号具备监测太湖蓝藻水华的能力,2017年太湖不同季节蓝藻分布情况不同,最大叶绿素指数监测效果更好,温度、光照会促进蓝藻水华的暴发,对拓展气象卫星数据应用范围、强化湖泊水体蓝藻监测具有重要参考价值。

风云三号卫星微波载荷历史数据再定标

本文在综述国际上星载微波辐射计历史数据再定标技术基础上,介绍了风云三号卫星微波载荷特点,综述业务辐射定标和历史数据再定标共性技术,阐述风云三号卫星微波载荷通过仪器系统全链路辐射传递仿真构建在轨特殊工况辐射修正模型后,以国际参考载荷为参考消除代际间辐射差异的历史数据再定标技术路线;简介了风云三号卫星微波载荷在轨基本业务状态以及历史数据再定标研究成果,再定标生成的风云三号微波长时序L1科学数据集,经与国际同类载荷交叉比对表明氧气吸收通道长时间序列亮温数据RMSE为0.77 K,标准差为0.28 K;水汽吸收通道再定标后长时间序列数据的RMSE最优达到0.80 K,标准差为0.20 K;窗区通道以23.8 GHz的V极化通道为例再定标后长时间序列数据的RMSE最优达到1.29 K,标准差为0.15 K;在定标后最大RMSE不超过1.5 K。风云卫星微波载荷与参考载荷之间具有非常好的辐射一致性。风云三号卫星微波载荷历史数据再定标结果为后续建立风云卫星微波载荷基础气候数据集(FCDR)、和包含关键气候变量的网格化气候数据集(CDR)提供了基础性支撑。

基于风云三号卫星的全球沙尘遥感方法

新一代风云三号卫星的成功发射,使面向全球沙尘发生、发展和传输的监测分析成为可能。本文利用风云三号卫星可见光红外扫描辐射计(VIRR)数据,深入阐述了沙尘遥感的物理原理,完成了多通道沙尘光谱特性分析,提出了综合沙尘遥感识别方法。结果表明:(1)近红外1.6μm通道对沙尘存在明显的直方图峰值区,适合沙尘的动态识别;(2)中红外3.7μm通道的反射和辐射融合特性,可以明显地区分沙尘与其他景观物;(3)红外分裂窗通道对干燥沙尘有不同的吸收衰减,这个差异对于弱沙尘的识别有重要意义。同时,本文给出了基于1.6μm通道e指数和红外分裂窗通道比值指数的沙尘强度指数计算方法,可以定量地获得全球沙尘的强度分布。本文给出的全球4大沙尘暴多发区同一天出现沙尘天气的实例,体现了风云三号卫星极强的全球观测能力。

风云三号卫星紫外臭氧垂直廓线产品反演试验

新一代极地轨道气象卫星风云三号携带的紫外臭氧垂直探测仪SBUS,是我国第一次自主研制的卫星臭氧探测仪,目前正处于在轨测试阶段.利用现阶段观测数据,开展臭氧垂直廓线反演试验,并将观测数据和反演廓线与美国NOAA卫星同类仪器SBUV/2进行了初步对比.通过太阳辐照度观测、5个短波长通道N-值,以及反演廓线的比较和分析,表明我国首次自主研制的风云三号卫星紫外臭氧垂直探测仪SBUS观测数据和反演产品均达到较高精度,反演廓线与SBUV/2的相对偏差百分率大约为±7%.

风云三号气象卫星红外分光计探测大气CO_2浓度的通道敏感性分析

依据红外分光计(InfraRed At mospheric Sounder,IRAS)光谱通道特征,发展了基于IRAS的大气辐射传输计算模式。以大气分子吸收光谱数据集(HIgh resolution TRANsmission,HITRAN)2004为初始谱线输入资料,利用该模式模拟计算IRAS在CO2吸收带的10个通道辐射率测值对CO2浓度变化的响应,并对比了其与大气温度和水汽、O3等气体浓度误差对辐射率测值的影响,探讨了利用风云三号气象卫星探测大气CO2浓度的可行性。结果表明,IRAS的通道4最适于用来监测大气CO2浓度的变化,当CO2体积混合比浓度变化在10×10-6时,对应的辐射率变化同仪器等效噪声辐射率相当,所以IRAS在理想状态下,最高可分辨的大气CO2浓度变化约为10×10-6。

风云三号气象卫星红外分光计在轨交叉定标精度监测系统

为了满足定量遥感对红外探测仪器定标精度监测的需求，采用风云三号气象卫星红外分光计（IRAS）与国际基准红外高光谱探测仪器进行交叉比对的方法，建立了FY-3C气象卫星红外分光计与高光谱仪器IASI的在轨交叉定标精度监测系统．通过对2014年一年的IRAS观测数据的定标精度监测和分析，结果显示，IRAS与IASI的相关系数均在O．98以上，通道1和18的定标偏差最大，分别为-3．7K和2．1K，通道9和16也有超过1K的偏差，其他通道的平均偏差均在1K以内．地表观测通道8、9、18、19、20由于受卫星观测时空变化频繁的影响偏差标准差较大，在1．5～3K左右，其他通道观测误差稳定性较好，均在1．5K以内．通道2、3、4，1O～13的定标偏差随目标亮温变化趋势不明显，通道14～20定标偏差随目标亮温变化趋势最强，最低和最高目标亮温对应的定标偏差之间的差别最大可达到5K．定标偏差的时间序列分析表明大部分通道的定标偏差在一年的时间内保持稳定，变化幅度不超过O．3K；通道15、19、20的定标偏差变化幅度约为1K，通道1、14、16、17、18定标偏差一年的变化范围达到2～4K．总之，在轨交叉定标精度监测系统为实时监测定标精度的变化提供了有效工具，为诊断仪器性能和改进定标方案提供了参考依据．

风云三号气象卫星地面数据接收远程故障诊断系统设计及应用

以风云三号气象卫星国内外多家地面站数据接收故障排查需求为背景,基于Java 1.6,在Eclipse 3.6平台上开发了风云三号气象卫星数据接收远程故障诊断系统,分析了总体框架、构建了故障诊断规则库、阐述了工作流程。该系统可实现对分布式地面站数据接收设备运行状态的远程集中监视、通过解析设备状态报告文件触发自动故障诊断和基于规则的故障诊断,生成故障报告并导入专家经验库,支持文本和图形两种查看方式。经过业务实践检验,该系统界面友好,能够帮助知识工程师远程精准定位故障单元,有效提高了排故效率,增强了集成运行控制中心对各地面站数据接收业务的远程监管能力,对提高风云三号气象卫星及同类卫星数据接收的质量具有一定的实际意义。

基于风云三号气象卫星微波亮温资料反演东北地区土壤湿度及其对比分析

土壤湿度在陆面过程中发挥着重要作用,是联系陆地水循环和能量循环的纽带和关键环节。遥感技术可以实时地对土壤湿度进行长期、大区域动态监测,已成为监测土壤湿度的有效手段。本文基于风云三号气象卫星(FY3B)微波亮温资料,利用基于微波能量辐射传输方程的陆面参数反演模型(LPRM)反演了中国东北地区的土壤湿度(FY3BLPRM)。把反演获得的FY3BLRPM土壤湿度与中国气象局农业气象站土壤湿度观测资料、NCEP和ERA-Interim土壤湿度再分析资料、欧洲空间局多卫星融合ECV(Essential Climate Variable)土壤湿度产品和国家卫星气象中心FY3B官方土壤湿度产品(FY3Boffical)进行了对比分析。结果表明:(1)本文反演的FY3B土壤湿度与农业气象站观测资料有较高的一致性;卫星土壤湿度整体上呈现自西向东逐渐增加的空间变化,与农业气象站观测资料较为一致;在季节变化上,两者高度相关,在大部分地区的相关系数都达到0.7以上。(2)在大兴安岭和东北三省东部等地表相对湿润的地区,FY3BLPRM土壤湿度与NCEP、ERA-Interim和FY3Boffical土壤湿度呈现较强的负相关;再分析资料和FY3Boffical土壤湿度均无法反映该地区土壤干湿状况的季节性变化,甚至与观测资料呈反位相变化特征。FY3BLPRM土壤湿度与欧洲空间局研发的多卫星融合ECV土壤湿度产品在绝大多数地区有较好的一致性。本文基于风云三号极轨气象卫星微波亮温反演的土壤湿度资料,可用于干旱监测、数值同化与天气预报、水文水资源等领域。

风云三号气象卫星热控系统地面健康管理研究

热控系统是风云三号气象卫星重要的组成部分,直接影响到卫星工作状态和使用寿命。卫星入轨后,在地面对该系统进行长期状态监视、异常检测与分析对于整星及各个有效载荷的安全运行具有重大指示意义。在对风云三号气象卫星热控系统热平衡原理、功能、组成等详细分析的基础上,对其地面健康管理机制及技术进行了系统研究,设计了相应的健康管理综合应用平台。以遥测数据为输入,构建了异常场景定性模型,实现了对风云三号气象卫星热控系统在轨状态的监视和健康管理,对卫星平台及各个载荷不同场景下的状态变化引起的温度波动事件进行关联分析及可视化表达,能够为卫星在轨安全运行提供有效预警和辅助保障,并具有推广价值。