星载微波大气湿度探测仪再定标共性技术分析

探测大气水汽的星载微波大气湿度探测仪是国内外气象卫星上的关键载荷之一。多台星载微波大气湿度探测仪观测数据构成的长时间序列数据集在天气预报、数据同化和全球气候监测与评估中有着非常重要的作用。由于微波辐射没有绝对基准,并且不同卫星平台上的微波大气湿度探测仪的系统响应特性和定标方法不尽相同,因此,再定标是提高多台星载微波大气湿度探测仪的长时间序列观测数据的长期一致性和稳定性的关键技术。我国的四台星载微波大气湿度探测仪自2008年以来已经积累了超过10 a的重要观测数据集,亟待通过再定标技术实现4台载荷在轨历史观测数据长期一致性和稳定性并有效应用。为此,详细总结了国内外星载微波大气湿度探测仪研究现状,并对国内外星载微波大气湿度探测仪再定标共性技术研究现状进行总结分析,然后给出我国星载微波大气湿度探测仪再定标方案的构想,为再定标处理提供关键共性技术参考。     

星载微波大气湿度探测仪再定标共性技术分析

探测大气水汽的星载微波大气湿度探测仪是国内外气象卫星上的关键载荷之一。多台星载微波大气湿度探测仪观测数据构成的长时间序列数据集在天气预报、数据同化和全球气候监测与评估中有着非常重要的作用。由于微波辐射没有绝对基准，并且不同卫星平台上的微波大气湿度探测仪的系统响应特性和定标方法不尽相同，因此，再定标是提高多台星载微波大气湿度探测仪的长时间序列观测数据的长期一致性和稳定性的关键技术。我国的四台星载微波大气湿度探测仪自2008年以来已经积累了超过10 a的重要观测数据集，亟待通过再定标技术实现4台载荷在轨历史观测数据长期一致性和稳定性并有效应用。为此，详细总结了国内外星载微波大气湿度探测仪研究现状，并对国内外星载微波大气湿度探测仪再定标共性技术研究现状进行总结分析，然后给出我国星载微波大气湿度探测仪再定标方案的构想，为再定标处理提供关键共性技术参考。     

风云三号卫星微波探测仪定标原理及算法

微波探测仪是搭载于气象卫星上的重要载荷,可全天候获取大气温度、湿度垂直廓线、降雨等重要大气参数,为气象预报、气候变化研究和灾害性天气现象监测等提供重要数据。定标是星载微波探测仪定量化应用的基础。详细阐述了星载微波探测仪定标基本原理,给出了定标相关基础概念,并根据星载微波探测仪仪器特性,系统地梳理了发射前热真空定标、发射后在轨定标/真实性检验技术和定标算法,同时对定标试验实施方案和定标算法实现的关键点进行了总结,从而建立了完整的星载微波探测仪定标流程和基准,对星载微波探测仪的统一化定标和定量化应用具有重要意义。     

风云三号卫星微波探测仪定标原理及算法

微波探测仪是搭载于气象卫星上的重要载荷，可全天候获取大气温度、湿度垂直廓线、降雨等重要大气参数，为气象预报、气候变化研究和灾害性天气现象监测等提供重要数据。定标是星载微波探测仪定量化应用的基础。详细阐述了星载微波探测仪定标基本原理，给出了定标相关基础概念，并根据星载微波探测仪仪器特性，系统地梳理了发射前热真空定标、发射后在轨定标/真实性检验技术和定标算法，同时对定标试验实施方案和定标算法实现的关键点进行了总结，从而建立了完整的星载微波探测仪定标流程和基准，对星载微波探测仪的统一化定标和定量化应用具有重要意义。     

风云三号卫星微波探测仪定标原理及算法

微波探测仪是搭载于气象卫星上的重要载荷,可全天候获取大气温度、湿度垂直廓线、降雨等重要大气参数,为气象预报、气候变化研究和灾害性天气现象监测等提供重要数据。定标是星载微波探测仪定量化应用的基础。详细阐述了星载微波探测仪定标基本原理,给出了定标相关基础概念,并根据星载微波探测仪仪器特性,系统地梳理了发射前热真空定标、发射后在轨定标/真实性检验技术和定标算法,同时对定标试验实施方案和定标算法实现的关键点进行了总结,从而建立了完整的星载微波探测仪定标流程和基准,对星载微波探测仪的统一化定标和定量化应用具有重要意义。     

风云三号微波大气探测载荷辐射定标

风云三号气象卫星是我国第二代极轨业务气象卫星,具有全球、全天候和多光谱探测能力,装载有微波温度计和微波湿度计2台微波大气探测载荷,自2008年首发星升空后,风云三号微波大气探测载荷资料在防灾减灾和数值天气预报同化应用中发挥了积极作用。风云三号气象卫星微波载荷辐射定标是从原始观测计数值出发获取目标亮温的数据处理技术过程,包括发射前定标、在轨星上定标、综合辐射定标和历史资料再定标4个技术环节。精确的辐射定标是星载被动微波辐射计遥感资料定量应用的基础。本文综述了风云三号气象卫星微波大气探测载荷综合辐射定标技术,介绍了风云三号微波大气探测载荷综合辐射定标基本原理及技术现状,展望了风云气象卫星微波大气探测载荷综合辐射定标技术未来发展。     

业界动态

国际上第一台地球同步轨道毫米波大气温度探测仪星载原理样机研制成功由中科院空间科学与应用研究中心院微波遥感技术重点实验室研究的地球同步轨道毫米波大气温度探测仪近期开展了一系列外场成像试验,成功获取了建筑物等自然目标的毫米波段辐射图像,而且成像质量较高。该项目属我国"十一五"863计划地球观测与导航领域重点项目,国际上第一台全尺度的星载原理样机。     

小卫星大气微波探测仪及其应用模拟研究

小卫星大气微波探测仪技术是目前微波遥感技术的一个研究热点。通过研制一台小卫星大气微波探测仪（以下简称大气微波探测仪,英文简称SAMS）并搭载在我国的商业小卫星上,实现对大气温湿度、极端天气和降雨的快速测量。介绍了SAMS的应用方面设计的特点,并结合目前的灵敏度测试数据,分析了在轨应用性能,尤其是在海面气压、大气湿路径延迟反演方面小卫星微波探测仪提供了一种新型灵活的探测手段,同时也对载荷在大气温度和湿度廓线探测常规的探测能力方面也进行了总结和分析,为卫星数据的应用和开发打下基础。     

卫星遥感大气CO2的技术与方法进展综述

综合分析了国际上卫星遥感观测大气二氧化碳（CO²）含量的主要技术与方法,讨论了现有星载大气CO²探测器（传感器）的主要理论基础、反演方法,归纳了仪器的主要性能指标、观测方式和观测目标,分析了影响CO²遥感精度的主要因素。具体研究下列3类星载CO2探测器：① 技术相对成熟的、观测要素既包含CO²也包含其他微量气体的综合性星载被动探测仪器,例如大气红外垂直探测仪(AIRS)、大气制图扫描成像吸收光谱仪(SCIAMACHY)、超高光谱红外大气探测干涉仪(IASI);② 针对大气中CO²混合比或者对流层下层CO²含量进行专门观测的星载被动探测器：极轨碳观测卫星(Orbiting Carbon Observatory,OCO)和温室气体观测卫星(Greenhouse gas Observing Satellite,GOSAT)搭载的被动红外探测器;③ ASCENDS和A\|SCOPE等国际卫星计划正在研制中的星载主动激光雷达探测器。 进一步介绍了我国在高光谱仪器研制方面具备的研究基础。最后初步分析了星载CO²探测结果的验证、资料同化方法和未来的发展趋势。     

SMMR与SSM/I被动微波亮度温度数据交叉定标

过去30 a星载微波辐射计（SMMR和SSM/I）长时间序列的被动微波亮度温度数据,在陆地表层系统科学以及气候变化研究中起到了非常重要的作用。由于卫星及其携带的微波辐射计的更新,不同传感器所测得的同一地物在同一时间的亮温存在不同程度的偏差,通过分析相邻传感器重复观测时期同一地表18/19GHz和37GHz水平和垂直极化的亮度温度,并以DMSP的F13卫星上的SSM/I传感器为标准,建立了4个通道的交叉定标系数。      

风云三号卫星微波湿度计数据处理与系统控制的冗余设计方案

微波湿度计是风云三号卫星重要载荷之一,其中数据处理与系统控制单元是控制系统工作状态、数据采集和数据交换的核心部件,该单元的可靠性和安全性对微波湿度计至关重要。结合神舟四号多模态微波遥感器的研制经验,对冗余设计中通用的设计方案进行了分析和比较,详细介绍了风云三号卫星微波湿度计数据处理与系统控制所采用的冗余设计方案的选择依据、基本原理和特点。通过风云三号卫星微波湿度计的实际应用,该方案的可行性与可靠性得到了充分验证。     

星载微波探测仪软件时序表化的设计方法

基于一个实际的星载微波探测仪软件项目,介绍了软件时序表化的设计方法.采用该方法实现的软件,其运行过程就是查询时序表的过程,主要特点是软件结构简单、模块功能和结构耦合松散、运行效率高、易更改和测试.这些特点在星载微波探测仪的设计、测试和定标过程中得到了充分的验证,设计方法可为其他航天软件的研制提供参考.     

FY-3A气象卫星大气垂直探测仪器数据几何位置匹配试验

随着卫星搭载的有效载荷数目的增加,卫星数据种类也不断增加,利用有限的数据资源获得多种卫星或多种仪器遥感数据源的信息,可以增强对目标物的检测与识别能力,提高卫星遥感应用的精度、范围和效率。以风云三号气象卫星L1级模拟数据为基础,用建立匹配查找表的方法进行红外分光计、微波温度计、微波湿度计三个大气垂直探测仪器的数据几何位置匹配技术研究,把三个仪器的观测资料统一匹配到红外分光计的观测格点上,并对匹配前后的资料进行了分析。匹配结果表明,当微波湿度计观测资料匹配到与其分辨率相差不大的红外分光计格点上时,其探测资料的精度损失不大,基本上保持了原有分辨率上观测资料的数据分布信息。而当微波湿度计观测资料匹配到与其分辨率相差较大的微波温度计格点上时(从15km分辨率匹配到50km分辨率上),总的数据信息损失不大,只有一些较细致的数据纹理信息有所损失,匹配后的观测资料为卫星大气垂直探测提供了良好的数据基础。     

多波段微波辐射计反演大气温湿廓线性能分析

为了为星载、机载以及地基微波大气温湿廓线探测仪通道的设置、大气参数反演指标的论证、反演算法的开发以及反演产品的质量评定提供参考依据,基于快速辐射传输模式(RTTOV10)和大气参数廓线库,建立了基于神经网络的微波大气温湿廓线反演性能分析方法,分析了反演方法、通道选择、亮温观测误差和地表比辐射率等因素对大气温湿廓线反演性能的影响。模拟试验分析表明:1神经网络反演算法显著优于线性统计回归反演算法,特别是对亮温观测噪声的敏感性相对较弱;2183.31GHz附近的水汽探测通道能够为大气温度廓线反演提供一定的信息;118.75GHz附近的温度探测通道对整个大气的温度反演均有明显影响,在200hPa附近误差的影响量达0.4K;350~60GHz和118.75GHz附近的温度探测通道对基于183.31GHz附近通道的湿度廓线反演具有重要影响,而且存在一定的互补性;4微波亮温观测误差以及地表比辐射率假定对大气温湿廓线反演有着显著影响。     

人工神经网络反演算法反演北京地区湿度廓线

微波湿度计（MWHS）是风云三号卫星的主要有效载荷之一,其频率为150GHz（双极化）和183.3lGHz（三通道）,分别用于探测大气窗区和水汽廓线。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,阐述了湿度廓线反演的各种方法,着重运用人工神经网络算法,反演北京地区的大气湿度的垂直分布。结果表明,运用风云三号微波湿度计数据,大气湿度垂直分布反演值与已知的探空数据相比,虽有误差,但在可接受范围之内,反演结果可应用于气象,通信等领域,并具有重要应用价值。     

The impact of assimilation of AMSU data for the prediction of a tropical cyclone over India using a mesoscale model

Tropical cyclones form over the seas: a typical data‐sparse region for conventional observations. Therefore, satellites, especially with microwave sensors, are ideal for cyclone studies. The advanced microwave sounding unit (AMSU) , in addition to providing very valuable data over non‐precipitating cloudy regions, can provide very high horizontal resolution of the temperature and humidity soundings. Such high‐resolution microwave data can improve the poorly analysed cyclone. The objective of this study is to investigate the impact of ingesting and assimilating the AMSU data together with conventional upper air and surface meteorological observations over India on the prediction of a tropical cyclone which formed over the Arabian Sea during November 2003 using analysis nudging. The impact of assimilating the AMSU‐derived temperature and humidity vertical profiles in a mesoscale model has not been tested yet over the Indian region. Such studies are important as most weather systems over India form over the seas. The present study is unique in the sense that it addresses the impact of ingesting and assimilating microwave sounding data (together with conventional India Meteorological Department data) on the prediction of a tropical cyclone, which formed over the Arabian Sea during November 2003 using analysis nudging. Two sets of numerical experiments are designed in this study. While the first set utilizes the National Center for Environmental Prediction (NCEP) reanalysis (for the initial and lateral boundary conditions) only in the fifth‐generation mesoscale model simulation, the second set utilized the AMSU satellite and conventional meteorological upper air and surface data to provide an improved analysis through analysis nudging. The results of the two sets of model simulations are compared with one another as well as with the NCEP reanalysis and the observations.

The results of the study indicated that the impact of ingesting and assimilating microwave sounding data and the conventional meteorological data through nudging resulted in an improvement in the simulation of wind asymmetries and the warm temperature anomalies. The with‐assimilation run simulated stronger wind speeds and stronger vertical velocity motion as compared with the without‐assimilation run. The time series of the minimum sea level pressure (SLP) and maximum wind speed for the simulations with the microwave sounding data and conventional meteorological data show better agreement with the observations than the simulations without the assimilation. The central minimum pressure of the simulations with the modified analysis are lower by 7 hPa as compared with the simulations without the assimilations. Even though there is not much of a difference in the maximum wind speed between the two simulations at the initial forecast time, the results indicate that the simulations with microwave sounding data and conventional meteorological data reveal a marked (9 m/s) increase in the maximum wind speed over the simulations without the assimilation. While the lowest central pressure estimated from the satellite image is 988 hPa, the simulations with microwave sounding data and conventional meteorological data show a value of 999.5 hPa for the lowest central minimum pressure. One reason for the inability of the simulation with improved analysis to achieve the observed lowest SLP is that the NCEP reanalysis had manifested an extremely weak system in the first place and, despite assimilation with microwave sounding data and conventional meteorological data, only a moderate improvement in the lowest SLP could be achieved. A proper appreciation of the impact of the microwave sounding data can be obtained by comparing with the lowest SLP obtained from the simulation without assimilation which showed a value of 1007 hPa. The initial mis‐representation in the location of the centre of the cyclone in the NCEP reanalysis with respect to the observed location has led to marked errors in the track prediction of both the model simulations. The assimilation of microwave satellite data is yet to be implemented in the current operational regional model over India and hence the results of this study may be relevant to the operational tropical cyclone forecasting community.