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3号气象卫星资料在暴雨预报中的应用

介绍了风云3号(FY-3A)气象卫星资料应用示范项目《卫星资料在暴雨监测预报中的应用》的研究成果。讨论了以FY-3A资料为主,结合风云气象卫星系列其他资料和数值预报产品等,在云团识别的基础上计算云团特征量作为预报因子建立预报方程并计算云团最大降水量的暴雨临近预报方法,以及使用FY-3A资料作为"配料法"配料之一的暴雨6 h落区预报方法。结果表明,该方法对于暴雨的临近和短时预报有一定的指导作用。

风云3号计算机系统备份方案介绍

介绍风云3号计算机系统的3种备份方案:双机热备份、双机冷备份和软件克隆备份,通过实践证明,这些方案的实施保证了风云3号计算机系统快速从故障中恢复正常业务状态,减少了设备故障对接收卫星数据造成的影响,大大提高了卫星数据的接收成功率。

利用风云3号气象卫星接收系统实现NPP卫星数据的接收

广州气象卫星地面站拥有风云3号气象卫星接收系统,可利用该系统实现接收NPP卫星的HDR数据。以广州站为例,具体地解析NPP的HDR的接收方法:主要是利用气象卫星接收系统中的天线子系统、变频解调子系统、网络存储子系统、站管理子系统,并新建进机分包子系统,从而构成NPP数据接收系统;分别从获取NPP卫星的HDR信号频谱、测试取得解调模式参数、开发数据采集软件、建立存储与分发网络、系统自动化接收处理、制定数据接口协议等方面进行叙述。按照该方法,可推广至各卫星地面站,以构建全国的NPP的HDR数据接收网络。

风云三号微波成像仪积雪参数反演算法初步研究

选择新疆地区作为实验区,为风云三号(FY-3)微波成像仪(MWRI)发展中国区域的积雪参数半经验反演算法。使用2003年4个月的新疆地区的台站观测资料和AMSR-E 18.7 GHz,36.5GHz和89 GHz水平和垂直极化亮温作为FY-3 MWRI的模拟数据,在Chang建立的半经验模型的基础上,采用多元线性回归分析,建立一个新算法。用已有方法去除水体、降雨、湿雪、冻土的像元后,用新算法反演了新疆地区的2004年1月的积雪参数,并分别与AMSR-E雪水当量产品和台站观测值进行比较,结果表明新算法在新疆地区优于AMSR-E的反演算法。

风云三号B星红外分光计的定标和验证

搭载于风云三号A星和B星上的红外分光计(IRAS)分别于2008年5月27日和2010年11月5日成功发射。该仪器主要提供从可见光到红外波长范围内多通道的辐射观测,并可应用于资料同化、全球大气温度和水汽廓线反演等领域。搭载于风云三号A星上的IRAS由于滤光轮转速不稳定,导致仪器观测不连续。风云三号B星上的IRAS运行正常,处于稳定的业务模式。利用仪器在轨3个月期间的资料,进行了一系列的在轨定标和验证试验,对IRAS仪器的性能进行了一系列的验证,包括冷空和暖黑体定标计数值的长期趋势、噪音等效辐射率等。利用IRAS和红外大气探测干涉仪(IASI)同时观察到的地球场景进行比较,证明了两种观测非常相似。另外,将FY3B/IRAS红外通道的观测与NOAA-19/HIRS对应的通道的辐射传输模式模拟进行了对比。对比结果显示相对于HIRS,部分IRAS红外通道,尤其是通道1到10,15,19和20偏差很小。但是少数通道,如通道13,16和18有较大的偏差。造成这些偏差的原因仍需要进一步的研究。

FY-3D MWRI在轨交叉辐射定标和海表温度反演

海表温度(sea surface temperature,SST)在气候监测、海洋学研究、渔业经济研究和污染监测等多个方面起着重要作用。本文利用风云三号D星(FY-3D)微波成像仪(Microwave Radiation Imager,MWRI)数据对海表温度进行了反演。首先,以全球降水测量(Global Precipitation Measurement,GPM)卫星微波成像仪(GPM Microwave Imager,GMI)作为参考传感器,采用基于海洋微波辐射传输模型(radiative transfer model,RTM)的双差异方法对FY-3D MWRI进行交叉辐射定标,消除了其在轨辐射定标偏差,为精确反演海表温度奠定了基础;然后,在波段选择的基础上提出耦合微波海表发射率的海表温度多波段反演新算法,与传统的多波段反演算法相比,新反演算法的均方根误差从0.74 K减少至0.69 K;最后,用新反演算法从2020年的FY-3D MWRI数据反演得到全球的海表温度,并用时空匹配的iQuam浮标数据和GMI海表温度产品对反演结果进行精度验证,误差分别为0.04±1.13 K和−0.07±1.18 K。另外,在相同的条件下,用传统多波段算法反演得到的海表温度的误差分别为0.30±1.17 K和0.10±1.17 K。新算法的理论精度和实际反演精度均优于传统的多波段算法,说明本文发展的耦合微波海表发射率的多通道反演新算法是有效和精确的。

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。

风云三号卫星微波温度计的在轨性能长期稳定性分析

中国风云三号(FY-3)A星于2008年5月27日成功发射,其上装载的微波温度计(Microwave Temperature Sounder,MWTS)有4个通道,频率分别为50.3,53.596,54.94和57.29GHz,可提供地面至平流层下部的大气温度廓线信息。介绍了MWTS的仪器特征和定标方法,对FY-3A发射后MWTS的仪器性能相关参数的长序列特征进行了监测分析,这些参数主要包括灵敏度、冷空和内部暖黑体的计数值、仪器温度和通道增益。通过再分析资料和微波辐射传输模拟,比较了FY-3A卫星MWTS与NOAA-18卫星先进微波温度探测器(Advanced Microwave Sounder Unit-A,AMSU-A)的观测和模拟的亮温偏差。结果表明,MWTS所有通道的灵敏度值优于其指标;通道1和3的亮温偏差与AMSU-A接近;通道2和4的偏差比AMSU-A要大一些。

运用主成分分析方法诊断和消除风云三号B星微波湿度计观测数据中的噪音

风云三号A星和B星上的微波湿度计（MWHS）在183GHz附近有3个水汽探测通道（通道3～5）。搭载在MetOp和NOAA卫星上的微波湿度计（MHS）在相同频率上也有3个水汽探测通道。MWHS和MHS都是跨轨扫描仪器。通过对比MWHS观测亮温和用辐射传输模式模拟得到的亮温，发现在这3个通道的观测中都存在着沿轨道方向、随扫描角变化的直线形噪音。即使对足够长时间里的大量资料进行平均分析，该噪音也没有消除，说明噪音并不是由大气或地表的自然变化引起的。通道3～5噪音的大小分别是0.3，0.2和0.2K。用主成分分析方法（PCA）对MWHS一个月的资料进行研究，发现MWHS的直线形噪音主要存在于第一模态中，MWHS的直线形噪音叠加在该模态所主要描述的观测亮温随扫描角变化特征，即跨轨仪器的主要特性。对于这3个水汽探测通道，第一主成分解释了超过99.91%的总方差。将第一主成分进行5点平滑再对原观测数据重构可以有效地去除MWHS资料中的噪音。重构后的资料随扫描角的变化变得比较平滑，与MHS偏差随扫描角的变化特征一致。

基于敦煌场地定标的FY-3MERSI反射太阳波段在轨响应变化分析

鉴于中分辨率光谱成像仪不能实现反射太阳波段的星上绝对辐射定标,提出了基于地表方向模型、矢量辐射传输模型6SV并联合MODTRAN吸收透过率校正的敦煌场替代定标新方法,4年的同步定标结果表明,除了水汽吸收中心波段之外,定标不确定度小于5%,而多数波段优于3%。以Aqua MODIS为辐射基准的大气顶辐射计算试验表明,正演与卫星观测间的平均偏差在波长<1μm的窗区波段小于3%,波长>1μm的小于5%(除了2.1μm波段);此外,经场地定标的MERSI表观反射率与MODIS具有很好的一致性。基于多年的场地定标结果发现:可采用二次多项式拟合定标系数的时间变化,进而实现逐天的定标更新;波长<0.6μm的波段衰变较大,波段8(0.41μm)入轨第一年的衰变率约为14%;在轨初期衰变最大,一年后趋缓,两年后部分波长>0.6μm的波段出现响应增加现象。

FY-3A/MERSI热红外通道在轨辐射定标精度评估

卫星资料辐射定标精度是其定量应用的关键因素。以METOP-A/IASI的高光谱探测资料为传递基准,利用同时星下点观测的交叉定标方法,对FY-3A/MERSI热红外通道的在轨辐射定标精度进行了客观评估,并给出了亮温系统偏差的订正因子。从观测时间差异、卫星观测天顶角和方位角差异、以及目标均匀性四个方面,分析了交叉定标中所用主要匹配近似因子的不确定性。分析结果表明,目标均匀性是匹配误差的主要来源,偏差不确定性小于2%(当亮温偏差约为1K时,不确定性<0.02K),其他因素的影响可以忽略。一年多的样本统计及偏差分析结果显示,MERSI的观测亮温明显高于IASI,年平均亮温偏差约(3.18±0.34)K,月平均亮温偏差呈现季节波动特征,波动幅度约0.8K。与相近时期敦煌场和青海湖地同步观测评价结果有非常好的一致性。初步原因分析推断,造成MERSI亮温偏高的原因主要有两个,一是星上黑体发射率被高估,二是光谱响应函数向大气窗区漂移,后者可能为主导因素。

CSES/FY3C掩星与数字测高仪探测电离层特征参数比较分析

为了进一步提高当前风云三号系列卫星(FY3C)以及张衡一号电磁监测试验卫星(CSES)等具备北斗卫星导航系统(BDS)及全球定位系统(GPS)无线电掩星(RO)观测能力的低轨卫星所得电离层峰值参数的反演精度,提出一种以数字测高仪探测数据为参考,采用多种时空匹配窗口对掩星反演结果进行电离层特征参数验证分析的方法:实验结合2018-7-20—2018-8-20共计20551次掩星事件,及6094个数字测高仪观测电子密度廓线数据,从峰值密度、峰值高度及临界频率等多方面对FY3C与CSES卫星掩星观测进行对比分析;同时为避免由于不同观测数据时空不一致引入的差异,分析不同时空匹配窗口对掩星与数字测高仪观测结果比对的影响。结果表明:低轨卫星掩星所得峰值参数与数字测高仪观测资料在不同匹配准则下的比较结果存在差异;当空间(时间)窗口不变时,随着时间(空间)窗口增大,无论是低轨卫星掩星同数字测高仪探测数据的比较,还是低轨卫星自身之间的比较,其电离层峰值参数数据匹配的相关性(一致性)都将下降,进而导致相关系数与拟合精度的减小;在相同的时空匹配窗口中,CSES与FY3C掩星反演出的电离层峰值密度相关性较强,而电离层峰值高度相关性较弱;CSES卫星更适合于低纬地区低高度与中高纬地区低中高度的电离层掩星探测,而FY3C卫星则适合于低纬地区中高高度与中高纬地区高于CSES卫星轨道高度的电离层掩星探测。

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-3/MERSI数据的新疆融雪性洪水灾害监测

基于风云3号(FY-3)卫星中分辨率成像光谱仪(medium resolution spectral imager,MERSI)数据的归一化差异水体指数(normalized difference water index,NDWI)和基于蓝光波段的归一化差异水体指数(normalized difference water index based on blue light,NDWI-B),通过直方图分析获取了水体指数判识阈值,并对新疆北疆沿天山一带2009—2011年发生的融雪性洪水灾害天气进行了监测。对比基于环境1号卫星CCD数据的监测结果表明:利用FY-3/MERSI的250 m空间分辨率数据可实现对新疆融雪性洪水灾害的监测,其中利用FY-3/MERSI NDWI-BFY数据的判识效果最好。

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。

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。