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。

FY-3C的掩星探测特点和初步结果

全球导航卫星掩星接收机（GNOS-Global Navigation Satellite System Occultation Sounder）是风云卫星首次尝试掩星探测技术的仪器,它能够同时兼容GPS（Global Positioning System）和我国自主研制的北斗BDS（Bei Dou navigation satellite）信号。简要介绍了国际上掩星探测技术的发展情况,以及我国的首个民用掩星接收机GNOS的仪器概况,对其数据的主要处理过程进行了描述,并利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）再分析资料进行对比分析,结果显示GNOS-GPS掩星中性大气折射率在5～25km有最优的探测精度,标准偏差在1%以内,中高纬度的精度好于低纬度地区。掩星探测的精度与国外同类掩星数据类似,体现了GNOS掩星探测的价值,但对于30km以上的高度,精度还有待进一步提高。

基于FY-3C掩星数据偶发E层的研究

利用FY-3C极轨卫星提供的2014年6月至2015年5月的GPS无线电掩星数据,统计分析了全球范围内抽样频率为50 Hz的C/A码SNR扰动情况,进而对偶发E层进行了研究.结果表明:偶发E层在夏季半球中纬地区的扰动强度远远大于冬季半球同一纬度地区的扰动强度,偶发E层在纬度40°附近扰动明显增强;在E层100 km高度附近,Es层在10:00 LT和22:00 LT达到峰值;Es层在夏季半球的出现率明显高于冬季半球;FY-3C卫星的掩星观测结果与COSMIC系统的观测结果较一致,可以利用FY-3C卫星的掩星数据研究电离层偶发E层等的变化.

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。

COSMIC与FY-3C掩星电离层反演的比较

利用基于TEC的电子密度廓线反演方法,对2014年12月31日的COSMIC和FY-3C掩星任务的电离层掩星相位数据进行处理,将反演的电子密度廓线及电离层峰值参数分别与两个掩星任务的官方产品进行比较,发现两个掩星任务的反演结果与官方产品均具有较好的一致性.其中COSMIC反演结果与CDAAC官方产品的一致性略好于FY-3C反演结果与NSMC官方产品的一致性,且两个任务的NmF2的反演质量均优于hmF2的反演质量.但与COSMIC不同,FY-3C掩星电离层相位数据进行反演处理之前有必要进行滤波平滑预处理,且由于FY-3C非掩星时段的相位数据量太少,反演过程中不建议对TEC进行改正.

利用FY-3C气象卫星GNSS掩星估计全球重力波变化与分析

大气重力波是地球大气层中广泛存在的重要大气动力学扰动,研究其分布和变化规律对理解大气物理、大气结构以及大气动力学等具有重要意义.传统大气重力波探测手段,如雷达和探空气球等,均存在探测时间短、有效探测高度低等缺点,全球卫星导航系统(GNSS)掩星观测具有全天候、低成本、高精度等优点,被广泛应用于地球大气探测和研究,为研究区域或全球重力波变化和活动特征提供了新的观测手段.本文利用中国第一颗搭载GNSS掩星设备气象卫星——风云3C(FY-3C)获得的掩星数据,反演得到2014年8月—2016年12月大气温度轮廓线,并首次估计重力波参数分布,分析了重力波参数的时空变化分布特征.结果表明,海陆季节性对流导致冬夏两季的重力波势能强于春秋两季,赤道对流作用导致赤道区域重力波强于两极,夏季南半球中低纬度地区重力波活动频繁,冬季北半球中低纬度区域重力波活动频繁.重力波随着高度的上升,势能逐渐下降.另外,地形是低层大气重力波的主要来源.

利用FY-3C卫星GNSS掩星数据分析中国区域对流层顶参数变化

使用FY-3C气象卫星GNSS掩星数据反演得到2017-03-01~2018-02-28大气温度廓线,并估计对流层顶高度变化;然后利用探空气球数据和ERA5模型数据进行验证;最后以2°×2°的空间分辨率将中国区域划分为608个网格,针对每一个单元格,分别计算对流层顶参数,建立格网模型,分析中国区域对流层顶参数的时空分布特征。结果表明,对流层顶参数随纬度具有明显的分带特征,在经度上变化并不明显,表现为南北区域不对称、东西区域较为对称的现象;对流层顶参数具有明显的季节性变化特征。

利用机器学习方法改进风云3C星载GNSS掩星温度廓线

本文使用BP神经网络、随机森林回归算法,对2017年全年风云三号C星(FY-3C)GNSS掩星温度廓线数据进行修正和评估.结果表明:在全球范围内,两种方法均可以修正GNSS掩星温度数据,随机森林回归算法的修正效果优于神经网络方法,随机森林回归算法和神经网络方法修正后的结果与再分析数据的平均绝对误差分别为0.03 K与0.32 K,均方误差分别为0.09 K~2与1.02 K~2.将全球按照10°×10°划分为324个网格后,随机森林回归算法对平均绝对误差与均方误差修正的正向收益分别为97.53%与92.9%,神经网络方法对平均绝对误差与均方误差修正的正向收益分别为75.61%与67.9%.

FY-3C/可见光红外扫描辐射计中红外通道太阳污染的识别和修正

基于风云-3C/可见光红外扫描辐射计（FY-3/CVIRR）的中红外通道（3.7μm）的太阳污染现象和发生规律,分析了太阳污染出现的时空特征,提出了初步判识并修正北半球太阳污染数据的方法,并就太阳污染对定标系数和黑体亮温的影响做了定量的评估。结果表明,对于FY-3C/VIRR的中红外通道,太阳光线照射到定标黑体时所形成的北半球高纬度太阳污染主要出现在太阳天顶角在85°~118°之间的位置时;由太阳污染导致的该区域地球观测亮温日平均偏差为4.5K左右,最大偏差达到15K左右。通过对逐日太阳污染数据进行识别,并采用污染前后定标系数进行线性求差值,可以初步修正太阳污染对定标系数带来的异常影响。

基于机器学习模型FY⁃3D MWRI海面风速反演

风云三号D星(FY-3D)微波成像仪(MWRI)L1级亮温数据可用于全球海面风速反演,本文讨论了在晴空区和云区使用多元线性统计回归模型和机器学习模型反演海面风速的情况,在晴空区将4 d测试集分别放入多元线性统计回归模型,采用随机森林(RF),支持向量回归(SVR),卷积神经网络(CNN)和Stacking融合(SF)模型对海面风速进行反演,最优的均方根误差(RMSE)分别为1.56、1.31、1.24、1.29和1.27 m/s;在云区2 d测试集上的最优RMSE分别为2.12、1.98、1.87、1.89和1.89 m/s。为了进一步验证晴空区海面风速反演的可靠性,选取美国国家浮标数据中心(NDBC)实测的浮标风速对海面反演风速进行验证,CNN反演风速与NDBC实测风速的RMSE为0.74 m/s,决定系数(R^(2))为0.80;SF反演风速与NDBC实测风速的RMSE为0.85 m/s,R^(2)为0.74。结果证实了通过机器学习模型能够很好地完成FY-3D MWRI亮温反演全球海面风速的任务。

地面站FY-3C网络存储系统搬迁的规划与实施

1引言 随着风云三号卫星不断的向前发展以及地面接收系统接收设备不断增加,现有风云三号业务机房,无论是从面积还是基础配套设施等方面都不能满足业务发展的需求,考虑到未来业务工作发展,将FY-3C网络与存储系统进行搬迁。

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。

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均低于中低纬地区,且自主反演折射率的相对偏差总体上在夏季高于冬季。

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。

利用FY-3C折射率对大气边界层高度的反演与分析

2013年中国发射了首颗进行全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)掩星观测的气象卫星风云3号C星(Fengyun-3C,FY-3C),且已发布自2014年6月以来的FY-3C掩星大气产品,但目前还未见将其应用于大气边界层的相关研究。首次尝试利用FY-3C折射率产品确定边界层高度并进一步进行空间分布分析。结果表明,在小波协方差变换法基础上,进行尖锐度约束,能够确定FY-3C掩星低层大气折射率廓线中可能存在的突变,反演边界层高度。所得到的2015―2018年各年边界层高度全球分布在不同纬度及海洋和陆地上的差异基本体现了边界层与地表气候及地形的关系,但FY-3C折射率产品在低层大气的精度和垂直分辨率相对较低。因此,反演成功率总体上较低,反演结果对边界层高度空间分布细节特征的呈现仍有待提升。

基于静止气象卫星的河北平原实际蒸散量遥感估算

本文提出利用中国第1颗可操作性静止气象卫星风云2号C星(FY-2C)数据结合中等分辨率航天成像光谱仪MODIS产品估算河北灌溉农田实际蒸散量(ET)的方法,其中FY-2C的第1、2波段用于反演区域地表温度,再结合16 d MODIS合成的植被指数产品(MOD13),得到地表温度与植被指数的三角空间分布图(Ts-NDVI)。通过Ts-NDVI空间分布的关系,利用改良三角算法得到区域的蒸发比(EF)。最后结合MODIS地表反射率产品MCD43估算得到的日净辐射量,根据能量平衡计算得到该地区的日实际蒸散量。模型结果与地表Lysimeter观测数据比较,显示该模型估算得到的蒸发比和日蒸散量结果较为合理,误差在可接受范围。此外,FY-2C用于估算地表ET,其时间分辨率具有较强的优势,从而为获得多幅无云蒸散图提供了有利条件。

水成物对GNOS掩星弯曲角同化的影响评估

本文在无线电掩星弯曲角射线追踪正演算子中引入水成物的影响,针对台风个例,利用FY-3c GNOS弯曲角资料的同化展开研究.通过分析水成物对掩星弯曲角正演精度的影响,指出当掩星剖面跨越一定厚度的台风区云雨大气时,多相态水成物对GNOS弯曲角正演精度的影响不可忽略.进而提出一种考虑云雨影响的掩星折射率正演算法,将掩星折射率的正演分别在晴空区和云雨区进行,在云雨区正演算子中增加多相态水成物含量对正演掩星折射率的贡献,改进了FY-3c GNOS弯曲角资料在云雨大气环境的同化方案.针对2018年24号台风个例,进行了同化的参照试验、未考虑和考虑水成物影响时GNOS弯曲角的3DVAR同化试验,考量云雨环境下的GNOS弯曲角资料同化对台风模拟的影响差异.试验结果表明,两种同化方案皆能改善台风路径预报,台风中心海平面气压模拟都能接近实际观测,台风最大风速也不同程度增大.而考虑水成物含量的影响后,资料同化能更有效缩小观测空间与背景场空间之间的偏差,同化后观测与分析的偏差更接近高斯分布,台风外围动力场和热力场环境能够得到更优的调整,使得96 h的台风路径模拟平均距离误差较不考虑水成物影响的情形减小了约14%.