FY-3微波成像仪地表参数反演研究

风云3号卫星FY-3是实现全球、全天候、三维、定量、多光谱遥感的我国第2代极轨气象卫星系列。风云3号气象卫星资料中含有丰富的生态环境变化信息,既可以用于对水、火、冰、雪等灾害的监测,也可以用于对植被、土地利用、气溶胶参量的分析。这些结果将会对农业、林业、环境、市政、交通以及政府决策部门提供有效的决策服务。其中搭载的微波成像仪为我国第一个星载微波遥感仪器,其设计频率为10.65 GHz、18.7 GHz、23.8 GHz、36.5 GHz、89 GHz,每个频率有V、H两种不同极化模式,相应的星下点空间分辨率分别为51 km×85 km、30 km×50 km、27 km×45 km、18 km×30 km、9 km×15 km根据FY-3微波成像仪传感器参数特性,利用微波地表辐射传输方程,在10.65、18.7 GHz频段上模拟了地表微波辐射特性,在此基础上建立了地表参数反演算法, 可以同时得到地表土壤水分和地表温度参数。     

FY-3B微波成像仪图像质量评价

2010年11月5日发射升空的我国新一代极轨气象卫星FY-3B (“风云三号”B星)携带的微波成像仪,可以全天候获取来自地球表面和大气的电磁辐射信息。针对在轨测试期间微波成像仪1.7 s和1.8 s两种扫描周期,详细比较了二者图像质量的差异。在图像质量评价研究中,使用统计方法比较了图像的动态范围;通过功率谱计算,对比了图像的空间纹理特征;通过信息熵计算,分析了图像信息量的不同;此外,还研究了图像的对比度以及通道间配准的情况。结果表明:1.7 s图像的空间纹理结构、高频图像的对比度以及通道间配准明显优于1.8 s,表明1.7 s扫描周期下的图像质量优于1.8 s,该结论可以作为微波成像仪仪器指标设计的参考。     

星载全极化微波辐射计海面风向反演仿真研究

全极化微波辐射计是一种可以测量海面辐射全部4个Stokes参数的新型被动遥感仪器,是测量海面风场、尤其是海面风向的新手段。介绍了国际首台全极化微波辐射计WindSat的海面风向信号谐波特征,在分析风向反演180°模糊度现象的成因基础之上,提出了利用WindSat能够进行前-后向双视扫描的优势去除风向反演180°模糊度问题的思路;通过构建海面风场仿真场景,在WindSat模拟亮温数据中加入高斯白噪声后,使用最大似然估计法和中值滤波技术开展了海面风向反演。比较和分析了使用WindSat前向刈幅和WindSat前-后向刈幅观测数据的风向反演结果。结果表明:由于能够有效去除风向反演180°模糊度,使用前-后向刈幅观测数据的风向反演精度要明显优于仅仅使用前向刈幅的反演结果。     

全极化微波信号海面风场反演技术现状与发展趋势

全极化微波辐射计是一种新型的被动微波遥感仪器,可以测量海面辐射的全部4个Stokes参数,提供了测量海面风场的一种新方法。首先介绍了国内外先进微波辐射计的技术特点及其海洋遥感应用情况,然后描述了海面微波发射信号的变化机理,以及海面全极化信号的风向谐波特征及其反演海面风场的优势,归纳了全极化微波信号海面风场反演的总体技术思路和产品精度,最后分析了全极化微波辐射计风场反演的关键技术和难点,并对该项技术的发展进行了展望。     

基于GNSS-R的反演海面风速技术的研究

对利用全球导航定位系统的海洋反射信号(GNSS-R)反演海面风速的方法进行了研究。GNSS-R技术作为一种新型的、低成本的海洋微波遥感测风技术,与其他测风技术相辅相成,弥补了某些测风手段的不足。文中还讨论了散射信号相关功率模型中的散射截面、多普勒区、等延时区、天线覆盖区四部分函数的定义和性质。使用Elfouhaily海浪谱模型,数值模拟了机载高度下散射信号相关功率的理论波形,在此基础上,又结合机载高度下获得的实测数据反演得到海面风速,反演得到的风速的均值与试验时浮标数据所对应的风速的均值比较相差1.4 m/s,误差在可接受的范围内,反演得到的风速与浮标数据相一致。     

神舟4号”飞船微波辐射计亮温反演海面温度、风速和大气水汽含量

“神舟4号”飞船微波辐射计是我国自行研制的第一个星载被动微波遥感器。自从“神舟4号”飞船发射以后,RAD获得了大量的地球表面南北纬40°以内的不同通道的微波辐射电压数据。通过定标调整,得到地球表面的微波辐射亮温。利用同步的RAD和TMI产品数据,建立了海面温度、风速和大气水汽含量的反演算法。然后利用TMI数据产品对反演算法进行了检验。结果表明二者具有很好的一致性,在无雨的情况下,海面温度、风速和大气水汽含量的均方根误差分别为1.40℃、0.35ms和2.71mm。     

修正安装矩阵提高FY-3B/MERSI的地理定位精度

遥感数据的地理定位精度是影响其定量化应用的重要因素,为了提高FY-3B中分辨率光谱成像仪(MERSI)L1级数据的定位精度,分析了地理定位算法模型中安装矩阵与实际定位偏差之间的关系,通过修正风云三号卫星地面应用系统预处理模块中参数——安装矩阵,提高了地理定位精度。当仪器坐标系分别绕X轴、Y轴和Z轴旋转一个小角度后,遥感图像的定位结果会分别产生左右平移、前后平移和旋转变形。分析并建立旋转角度与变形之间的数量关系,根据海陆掩码与遥感图像的偏差程度估算安装矩阵的误差。修正安装矩阵后,计算出的定位结果准确性得到明显提高,精度达到1个像元左右。通过一段时间的业务系统测试,地理定位结果的质量稳定可靠。     

基于FY-3C MWHTS的台风降水反演算法研究

为估测台风带来的地表瞬时降雨率，利用FY-3C上搭载的微波湿温探测仪（Microwave Humidity and Temperature Sounder，MWHTS)的L1级在轨观测亮度温度数据与多卫星降水分析TMPA（Tropical Rainfall Measuring Mission（TRMM）Multi-Satellite Precipitation Analysis）3B42降水产品数据，通过多元线性回归和BP神经网络两种算法对台风区的降水情况进行了反演研究。结果表明，由这两种算法反演的降水分布图可以清晰地看到台风中心、云墙以及螺旋雨带等台风的位置、分布及结构信息，这与TMPA 3B42降水产品数据估测到的台风降水分布图相一致。此外，从定量的角度来看，TMPA 3B42降水数据与这两种反演算法反演的地表瞬时降水量（mm/hr）都具有较高的相关性和较小的偏差和均方根误差，反演的精度较高。故这两种算法都可以用来反演台风区的降水量，同时也表明FY-3C MWHTS微波在轨观测资料在台风区监测及降水研究中能发挥出较高的应用价值。     

星载微波成像仪接收通道的仿真研究

星载微波成像仪接收通道即微波辐射计,是星载微波成像仪的核心部分。对其进行仿真研究的关键和基础是信号处理方法。给出了接收通道各环节的数学模型;采用快速离散富里叶变换处理信号;分析并缓解了由于离散富里叶变换带来的频率分辨率与样本点数之间的矛盾;以全功率微波辐射计为例进行了仿真研究并给出了结果。为进一步实现系统仿真调试和环境仿真调试奠定了基础,并为其它类型微波辐射计的仿真研究提供了借鉴。     

基于星载微波辐射计的海面风场对海表盐度反演影响研究

为了研究海面风场对海表盐度反演结果的影响,需要构建准确的海面风场影响下的海表亮温模型。将不同海面粗糙度模型计算的结果与Aquarius盐度计卫星产品中的海面粗糙度数据进行了比较,结果表明双尺度模型结合海面泡沫模型的计算结果与Aquarius卫星产品粗糙度数据一致性最好。基于此构建了海面风场影响下的海面亮温仿真模型以及双极化通道的盐度反演模型,研究了海面风场对L波段海面微波辐射特性的影响以及风场资料误差对盐度反演精度的影响。仿真结果表明,2m/s的风速误差对盐度反演结果的影响较大。在低温和大风速条件下达到1psu以上,尚不能满足目前盐度遥感的精度要求。20°的风向误差对在中小入射角条件下对盐度反演结果影响较小,对盐度遥感的月平均要求影响不大。     

非降水条件下微波辐射计海面风遥感产品性能分析

通过对5种微波辐射计SSM/I、SSM/IS、TMI、AMSR\|E和WINDSAT以及2种微波散射计ASCAT和QUIKSCAT多年的海面风产品同浮标同步的实测资料进行数据匹配处理,再对匹配后的数据进行数据分析和统计。研究结果表明:微波辐射计遥感海面风的性能在1 m/s左右,可以满足绝大多数应用的需求。微波辐射计的低频海面风产品性能优于中频产品,但是中频数据地面分辨率高,建议在近海应用中使用中频产品,在大洋应用中使用低频产品。就不同微波辐射计而言,AMSR\|E和WINDSAT性能较优,SSM/I和SSM/IS性能较差,TMI则处于中等水平。微波辐射计测量风速的性能与微波散射计相比处于同一水平,但在高风速段微波辐射计有一定优势。微波辐射计中仅全极化微波辐射计WINDSAT具有测量海面风向的能力,在低风速段,WINDSAT测量海面风向的性能远远不及微波散射计,只有风速超过6 m/s时,WINDSAT提供的海面风向数据才能符合应用的需求。当风速超过8 m/s后,WINDSAT遥感海面风向的能力就和微波散射计基本一致。在此基础上,提出了强风条件下深入研究的必要性,并对浮标测风存在的问题做出了初步的分析并指出了改进的方向。
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卫星遥感海面风场的进展

空间技术的发展使得卫星遥感成为获取海面风速信息的重要手段。对卫星微波遥感海面风场的各种传感器的性能、特点等作了较全面地评述,并指出了卫星微波遥感信息的复合分析和数值同化将是获取海面风场的两个主要方法。     

NCEP/QSCAT混合风向用于SAR图像反演高分辨率海面风速

SAR图像反演高分辨率海面风速在微波遥感领域具有重要的意义。利用 SAR图像和NCEP/QSCAT混合风向数据,对NCEP/QSCAT混合风向用于SAR图像反演高分辨率海面风速的方法进行了初步研究。以2005年12月6日一景ENVISat ASAR图像为例,反演了大范围、高分辨率海面风速。海面风速的反演结果与NCEP/QSCAT混合风速、日平均散射计风速的比较结果显示,其均方根误差分别为1.9 m/s、1.6 m/s,二者符合较好,显示了SAR反演高分辨率海面风速的能力与SAR海面风场业务化应用的前景。     

星载微波遥感观测海表温度的研究进展

随着卫星遥感技术的快速发展,星载微波遥感作为观测海温的手段之一,受到越来越多的关注。总结了国内外星载微波遥感观测海温的发展历程和微波遥感反演海温的理论基础,归纳了多元线性回归算法和非线性迭代算法两种主要的算法类型,在此基础上介绍了国外的TMI和AMSR-E以及国内FY-3和HY-2等卫星上搭载的先进微波传感器仪器的运行参数、通道特征及其相应的反演算法,最后分析了微波遥感反演海温的影响因素,指出了目前研究中存在的问题,并对今后的研究方向进行了展望。     

利用SMOS卫星数据反演海洋盐度方法研究

以星载微波遥感的辐射传输方程为基础,利用 SMOS(土壤湿度海洋盐度)卫星的L1C级亮温数据,通过与辐射传输模型模拟的亮温进行对比,评估及验证亮温的数据质量,建立了海洋盐度反演算法。通过分析2012年7月东南太平洋区域(45°~5°S,140°~90°W)的下降轨道数据,发现MIRAS亮温与模型模拟亮温之间总是存在几K的系统偏差,即OTT,因此提出了两种反演盐度的方法:一种是修正OTT偏差,使用入射角0°~55°的数据反演盐度;另一种是不修正OTT偏差,使用大入射角范围35°~55°的数据进行盐度反演。再通过利用MIRAS多角度信息,对亮温作二阶多项式拟合,减少随机噪声对反演的影响。最后采用最小二乘法,使得MIRAS的二阶拟合亮温与模型仿真亮温最接近,迭代反演盐度值。并将反演结果分别与欧空局的L2级盐度数据产品和Argo盐度数据进行比较,来验证反演算法。结果表明:修正OTT之后全角度数据反演的盐度值在50 km×50 km范围内、卫星过境前后5 d,与Argo浮标盐度匹配比较的均值为1.38 pss,标准差为0.35 pss;不修正OTT,直接利用大入射角范围35°~55°的MIRAS亮温反演盐度,与Argo盐度误差均值为0.03 pss,标准差为0.33 pss;同时欧空局的L2级盐度与Argo盐度误差均值为0.26 pss,标准差为0.38 pss。可见利用大入射角范围的反演方法很好地反演了海洋盐度。     

同化FY-3C/MWHTS观测资料反演的海面气压场对台风数值预报的影响

由中国风云三号C星（FY-3C）搭载的微波温湿探测仪（MWHTS）的亮温观测资料能够实时反演得到高分辨率、高精度的海面气压场。基于三维变分同化方法将FY-3C/MWHTS观测资料反演的海面气压场同化进入中尺度天气研究与预报（Weather Research and Forecasting, WRF）模式,以台风“Maria”和“Noru”为例,通过控制实验和同化试验的对比分析,探讨了同化反演的海面气压场对台风数值预报的影响。初始化敏感性试验结果表明,同化海面气压场使初始时刻台风中心气压与位置更接近实况,并且调整了台风初始温度场和风场的结构和分布。台风的数值预报结果表明:同化反演的海面气压场能够改进台风的路径和强度预报精度。     

Influence of Assimilating the Sea Surface Pressure Fields Retrieved from FY-3C/MWHTS Data on Typhoon Forecasting

Using measurements with the Microwave Temperature and Humidity Sounder (MWHTS) onboard the Chinese Fengyun-3C satellite, real-time and high resolution sea surface pressure information can be retrived. Based on the three-dimensional variational assimilation (3DVAR) method, the retrieved sea pressure fields from FY-3C/MWHTS observations are assimilated into the Weather Research and Forecasting (WRF) model. The influence of the retrieved pressure fields on typhoon forecasting is discussed through the comparison between control experiment and assimilation experiment. Sensitivity experiments of typhoon Maria and Noru show that the assimilation of sea surface pressure fields makes the central pressure and central location closer to the actual value, and adjusts the structure and distribution of initial temperature fields and wind fields. The numerical prediction results show that the assimilation of the sea surface pressure fields can improve the accuracy of typhoon track and intensity prediction.