風云三號C星微波大氣探測載荷性能分析

谷松巖　郭楊　游然　盧乃錳　吳雪寶（中國氣象局中國遙感衛星輻射測量和定標重點開放實驗室，國家衛星氣象中心，北京 100081）

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風云三號C星微波大氣探測載荷性能分析

谷松巖郭楊游然盧乃錳吳雪寶
（中國氣象局中國遙感衛星輻射測量和定標重點開放實驗室，國家衛星氣象中心，北京 100081）

摘要：風云三號C星是我國第二代極軌氣象衛星的首發業務星，星上裝載了3個被動微波遙感載荷（微波成像儀、微波溫度計Ⅱ型和微波濕溫探測儀），其中微波成像儀完全延續了風云三號A/B星的設計，兩個微波大氣探測載荷微波溫度計Ⅱ型和微波濕溫探測儀是在風云三號A/B星微波溫度計和微波濕度計成功在軌運行和應用的基礎上，根據應用需求在功能和性能兩個方面從設計層面實現了大幅提升。本文重點介紹風云三號C星微波溫度計Ⅱ型和微波濕溫探測儀的功能、性能和設計指標，綜述風云三號C星星載微波大氣探測能力。風云三號C星星載微波大氣探測系統，通過通道細分、探測頻點增加和空間采樣技術優化，突破了我國星載微波探測載荷技術瓶頸，提升了大氣溫濕度廓線的綜合探測能力。

關鍵詞：風云三號C星，微波溫度計Ⅱ型，微波濕溫探測儀，星載大氣探測系統，大氣參數反演

The Performance of Microwave Sounders Board on FY-3C Satellite

Gu Songyan,Guo Yang,You Ran,Lu Naimeng,Wu Xuebao
(Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites; China Meteorological Administration; National Satellite Meteorological Centre,Beijing 100081)

Abstracts:FY-3C is the first satellite of Chinese second generation operational polar orbiting meteorological satellite series.Three passive microwave instruments are on board the FY-3C satellite:MWRI is just following the design of FY-3A/B,MWTS-Ⅱ has made great progress on channels splitting at the oxygen absorbing lines,and MWHTS has not only made more channels at vapor absorbing line,but also designed a new sounding frequency at 118GHz.All those have made great progress at the design stage.In this paper,we give some key points on FY-3C/MWTS-Ⅱ and MWHTS,introduce the performance and design parameters of them.And finally we make an analysis on retrieval and sounding.

Keywords:FY-3C,MWTS-Ⅱ,MWHTS,sounding system,atmosphere parameter profile retrieval

0　引言

風云三號C星（FY-3C）是我國第二代極軌氣象衛星的首發業務星，主要任務之一就是獲取全球全天候高精度大氣參數為數值天氣預報提供初始場信息。FY-3C裝載了3個被動微波遙感載荷（微波成像儀、微波溫度計Ⅱ型和微波濕溫探測儀），其中微波成像儀完全延續了風云三號A/B試驗星的設計，兩個微波大氣探測載荷（微波溫度計Ⅱ型和微波濕溫探測儀）在風云三號A/B星微波溫度計和微波濕度計的基礎上，借鑒在軌運行和應用的成功經驗，根據數值天氣預報和臺風暴雨強對流天氣系統監測分析等不斷提升的應用需求，在功能和性能兩個方面從設計層面實現了跨越式提升。

風云三號A/B兩顆試驗衛星上的微波溫度計在50～60GHz強氧氣吸收帶設計了4個探測通道，用于獲取從地面到平流層下部的大氣溫度垂直結構分布信息；微波濕度計在150～191GHz頻段內設計了5個通道獲取大氣濕度的垂直結構分布信息。風云三號A星在軌超過5年和B星在軌超過3年的成功運行和應用，在星載微波大氣探測載荷研制和遙感信息應用兩個方面都取得了突破性成果，但面對日益增長的應用需求，凸顯出微波溫度計通道個數少、帶寬過寬、空間分辨率低等不足；而微波濕度計盡管在探測能力上與歐美同類載荷（AMSU-B、MHS等）相當，但由于缺少89GHz窗區通道，使得降水檢測和微波背景輻射探測能力受到抑制。同時針對我國遭受臺風暴雨等強對流天氣襲擊的特點，迫切需要提升星載大氣探測系統對對流層上部熱力結構和大氣降水結構的探測能力。為此，在考慮我國星載微波大氣探測載荷的設計研制技術能力的前提下，根據應用需求完成了FY-3C星微波溫度計Ⅱ型和微波濕溫探測儀的指標設計。

本文重點介紹FY-3C星微波探測載荷的功能、性能和設計指標，綜述FY-3C星載微波大氣探測載荷新增的大氣探測能力，推進新型微波遙感信息在天氣預報業務中的應用。

1　星載微波大氣探測載荷

1.1國內外主要星載微波大氣探測載荷介紹

星載微波大氣探測載荷指用于大氣溫濕度廓線探測的星載被動微波輻射計，一般利用大氣氧氣吸收線進行大氣溫度廓線探測，利用大氣水汽吸收線進行大氣濕度廓線探測。星載微波大氣探測載荷發展可以追溯到20世紀60年代的前蘇聯，當時蘇聯發射的“宇宙衛星”，利用4通道微波輻射計開展了大氣探測試驗。后來，美國在20世紀70年代發射了“海洋衛星”，進一步在航天這一高度上實現了對地球海洋環境的被動微波遙感探測。繼海洋衛星之后，美國在雨云衛星及國防衛星上都成功裝載了被動微波探測儀，進一步將被動微波遙感從理論研究向應用研究推進。

美國1972年發射的雨云衛星裝載了電掃描微波輻射計，利用50～60GHz的氧氣吸收帶探測大氣溫度結構。1978年美國發射了業務環境衛星泰羅斯系列，裝載了專門用于大氣探測的微波探測器（MSU），與紅外大氣探測器（HIRS）結合，實現了大氣垂直溫度廓線的遙感探測，形成TOVS體系。為滿足軍事氣象需要，美國從1987年開始實施DMSP計劃，陸續發射的衛星裝載有用于大氣溫度廓線探測的特種微波溫度探測儀SSM/T和用于大氣濕度廓線探測的SSM/T-2。DMSP計劃提高了空間微波對地遙感探測能力。在當代DMSP計劃中，SSMIS取代了SSM/I、SSM/T和SSM/T-2，實現了垂直探測和成像遙感的有機結合[1]。

美國在業務環境衛星NOAA-K系列上，發展了20通道先進微波探測器（AMSU），取代MSU形成了新一代大氣探測系統ATOVS[2-3]。其中，AMSU-A利用50～60GHz的氧氣吸收帶探測大氣溫度廓線，AMSU-B利用183GHz的水汽吸收線探測大氣濕度廓線，后來MHS取代AMSU-B繼續利用183GHz的水汽吸收線探測大氣濕度廓線。

2002年升空的NASA EOS系列衛星上，載有與AMSU性能相當的先進微波大氣探測器，其中包括巴西研制的濕度探測儀HSB和歐洲研制的微波濕度探測器MHS。歐洲極軌氣象衛星MetOp上的大氣探測系統與美國業務環境衛星上的系統相同。

美國目前國家極軌業務環境衛星系統SNPP上的星載大氣探測系統是ATMS[3]，用兩副天線完成了AMSU系統中三副天線的探測任務，在仍然沿用50～60GHz氧氣吸收帶進行大氣溫度廓線探測的同時，在183GHz水汽吸收線附近增加了探測通道數，提升了大氣濕度場的探測能力。

我國星載微波遙感技術起步較晚，FY-3A星裝載的微波溫度計和微波濕度計是我國星載微波大氣探測載荷首次升空并實現定量應用的里程碑。經過A/B兩顆試驗星的應用，發展了FY-3C星的微波溫度計Ⅱ型（MWTS-Ⅱ）和微波濕溫探測儀（MWHTS），在原探測頻點附近細化增加通道數量，同時增加了118GHz新的探測頻點，提升對流層上部大氣溫度廓線探測精度，提升風云三號業務星的大氣探測能力。

1.2關鍵性能指標對比

目前在軌運行的星載大氣探測載荷包括美國NOAA、EOS衛星和歐洲極軌業務氣象衛星MetOp上的AMSU-A、AMSU-B和MHS，以及SNPP衛星上將大氣溫濕度探測合為一體的ATMS。表1給出了微波大氣探測載荷頻點設置對比，從表中可以看到風云三號微波大氣探測載荷（MWTS-Ⅱ和MWHTS）覆蓋了ATMS 在50～60GHz氧氣吸收帶和183GHz水汽吸收線附近的所有大氣探測通道，同時增加了118GHz氧氣吸收線附近的一組大氣溫度廓線探測通道；而對于大氣窗區輔助探測通道，FY-3C星設置了89和150GHz兩個高頻通道，受衛星平臺資源限制，缺失了低頻23和31GHz兩個窗區通道，但FY-3C同星裝載的微波成像儀設置有23.6和36.5GHz兩個相近頻點，彌補了MWTS-Ⅱ的不足，因此綜合FY-3C微波遙感探測載荷的頻點配置資源，FY-3C具有了與ATMS相當的大氣探測資源。

星載大氣探測載荷與定量應用密切相關的關鍵性能參數除通道的中心頻點外，主要有靈敏度、定標精度和波束寬度。表2給出了MWTS-Ⅱ、MWHTS和ATMS的關鍵性能設計指標，可以看到兩顆業務星大氣探測載荷相同探測頻點（50～60GHz和183GHz）的波束寬度一致，這表明它們具有相同的水平空間分辨率；通道數相同，說明它們空間垂直分辨能力相當。50～60GHz頻段大氣溫度廓線探測通道的定標精度相同，靈敏度MWTS-Ⅱ的指標略低于ATMS；183GHz大氣濕度廓線探測通道FY-3C星的定標精度為1.5K，優于ATMS的2.0K；靈敏度也是略低于ATMS。窗區通道89GHz，FY-3C星的MWHTS波束寬度為2.0°，優于ATMS的2.2°；經過遙感信息反卷積重采樣處理后，結合MWHTS中心頻點位于118GHz氧氣吸收線的大氣溫度探測通道，將得到更高水平分辨率的大氣溫度廓線探測數據，為獲取到更精細的大氣溫度廓線結構帶來新的能力提升空間。

風云三號衛星從試驗星A/B發展到業務首發星C，儀器性能指標得到穩步提升。圖1是與定量應用密切相關的通道靈敏度指標在軌實測結果與設計指標的對比，可以看到從B星開始，微波大氣探測載荷通道靈敏度指標就有顯著提升，C星儀器進一步保持了高靈敏度水平，為星載大氣探測載荷的定量應用和數值預報同化應用奠定了基礎。

2　FY-3C星大氣探測能力分析

2.1通道權重函數分析

星載微波大氣探測儀器的通道權重函數曲線反映了大氣中各個氣壓層的輻射對探測器接收到的來自整個大氣層輻射的貢獻大小，即大氣向上的輻射主要是來自哪一層大氣的貢獻。每個通道權重函數曲線的峰值代表大氣對向上輻射貢獻最大的氣層。

本文利用VDISORT模式計算美國標準大氣在FY-3C星通道頻點的每層光學厚度，根據式（2）計算出每層的透過率，然后根據式（1）計算出各個通道的權重函數。

圖2是MWTS-Ⅱ氧氣吸收帶50～60GHz的一組通道權重函數計算結果，可以看到FY-3C星MWTS-Ⅱ的13個通道的權重函數峰值分布均勻，覆蓋了從地面一直到大氣上層2hPa的整層大氣，吸收帶中心通道權重函數峰值位置較高，吸收帶遠翼通道權重函數峰值位置較低，窗區通道權重函數可達地面，MWTS-Ⅱ的權重函數峰值分布特征為大氣溫度廓線的精確探測奠定了基礎。

圖3是MWHTS在118GHz氧氣吸收線附近和183GHz水汽吸收線附件的兩組探測通道權重函數計算結果。從圖3a中可以看到FY-3C星MWHTS在118GHz氧氣吸收線附近8個探測通道權重函數的峰值分布均勻，覆蓋了從地面到大氣上層30hPa的整層大氣，吸收帶中心通道權重函數峰值位置較高，吸收帶遠翼通道權重函數峰值位置較低，窗區通道權重函數可達地面，為提高大氣溫度廓線的精確探測奠定了基礎。從圖3b中可以看到FY-3C星MWHTS在183GHz水汽吸收線附近5個探測通道權重函數的峰值均勻覆蓋了從地面到400hPa的大氣層，吸收帶中心通道權重函數峰值位置較高，吸收帶遠翼通道權重函數峰值位置較低，為大氣濕度廓線的精確探測奠定了基礎。

2.2新增探測頻點和通道特性

相對于風云三號A/B試驗衛星上裝載的MWTS和MWHS而言，FY-3C星的MWTS-Ⅱ和MWHTS新增探測頻點是118GHz氧氣吸收頻點和89GHz的窗區探測頻點；新增的探測通道包括118GHz附近的一組8個探測通道、50～60GHz波段的9個通道、89GHz一個通道和183GHz附近的2個通道。

表1　微波大氣探測載荷通道中心頻率對比Table 1　Center frequency analysis for microwave atmospheric souders

對于氧氣吸收通道而言，根據分子微波波譜學理論，氣體對微波的吸收和發射主要是分子轉動能級之間的量子躍遷，氧分子在微波波段共產生46條共振吸收線，其中有45條位于風云三號微波溫度計的50~60GHz波段內，隨著氣壓的不同，這些譜線產生不同程度的加寬，形成吸收帶，是進行大氣溫度層結探測的最佳微波頻段；另外一條孤立的共振吸收線位于風云三號微波濕溫探測儀的118GHz，可用于大氣溫度層結的輔助探測。在進行大氣溫度層結探測時，118GHz高頻微波可以提供比50～60GHz更高的空間分辨率。因此將兩個頻段結合更有利于大氣的溫度層結探測。

表2　星載微波大氣探測載荷關鍵性能指標Table 2　Key specifications of microwave atmospheric sounders

圖1　FY-3C較FY-3A/B衛星儀器靈敏度指標提升情況Fig.1　Noise Equivalent Differential Temperature(NEDT)of sounders on FY-3C in comparison with those on FY-3A/B:(a)Microwave Temperature Sounder;(b)Microwave Humidity Sounder

圖2　MWTS-Ⅱ通道權重函數分布Fig.2　Weighting function for MWTS-Ⅱ

圖3　MWHTS在118GHz氧氣吸收線（a）和在183GHz水汽吸收線（b）附近通道權重函數Fig.3　Weight function of MWHTS(a)for O2 absorption line at 118GHz;(b)for H2O absorption line at 183GHz

這些新增探測頻點和探測通道對云雨大氣粒子輻射特性有明顯響應，選擇Katrina臺風登錄前，發展最為旺盛的2005年8月28日的數據進行輻射模擬。臺風模擬數據來自威斯康星大學的非流體靜力學中尺度模式系統（University of Wisconsin–Non-hydrostatic Model System，簡稱UWNMS）。這一模式是Gregory Tripoli教授開發的多重嵌套的中尺度模式，該模式是為反演系統提供基礎數據而開發出來的[4-5]。UWNMS是目前較先進的中尺度數值預報模式之一，已被廣泛應用于各種中尺度現象的研究[6-9]。Mugnai等[10]曾將UWNMS的模擬結果與MM5的模擬結果進行了對比，結果表明，兩模式在風暴組織特性的模擬上非常相近，且由這兩個模式構建的數據集所反演出降水率的統計特性有很好的一致性。FY-3C星微波大氣探測載荷新增探測頻點和通道輻射特性分析，利用UWNMS分析場結果，首先選擇穿過Katrina臺風眼的一條豎剖線（位置見圖4）共252個點的數據作為正演輻射傳輸模式的輸入，數據代表了剖線經過的臺風螺旋云帶、云墻和眼區的大氣廓線和云中微物理廓線的特征。

模擬計算結果（圖5）表明臺風云系中液態和冰態粒子含量較多的云墻區對吸收線遠翼通道影響較大，亮溫衰減明顯，且越遠離吸收峰，亮溫衰減的越劇烈。而在臺風云系中液態和冰態粒子含量較少的臺風眼區和外圍螺旋云帶，對各通道亮溫影響小。與臺風云系冰態粒子峰值濃度對應的亮溫變化中118GHz頻點遠翼通道和吸收峰通道的亮溫差比183GHz和 50～60GHz的大，這表明風云三號衛星微波大氣探測載荷新增的118GHz探測頻點對識別臺風云系中冰相粒子分布具有潛在的應用能力。圖5c中與臺風云墻區冰粒子含量峰值對應的亮溫衰減變化，反映了云墻區的對流結構，183GHz各通道代表了不同高度濕度場結構，各通道亮溫峰谷位置有向右的傾斜趨勢，表明云墻區分析點的對流軸傾斜；而118GHz各通道亮溫峰谷位置比較一致，表明各層冷中心一致，沒有明顯傾斜。盡管所有這些模擬分析結果都有待實際探測資料的驗證，但FY-3C星大氣探測載荷在臺風監測分析中的應用前景讓人鼓舞。

圖4　Katrina臺風可見光云圖Fig.4　Katrina imager of visible band

圖5　MWTS-Ⅱ和MWHTS吸收通道輻射響應模擬分析（a）MWTS-Ⅱ在50～60GHz頻點吸收通道模擬亮溫；（b）MWHTS在118GHz頻點吸收通道模擬亮溫；（c）MWHTS 在183GHz頻點吸收通道的模擬亮溫；（d）與圖a、b和c對應位置的冰態水、雨水和云水的等效柱含水量Fig.5　Analysis of channels brightness temperature character for MWTS-Ⅱ and MWHTS(a)MWTS-Ⅱ at 50～60GHz;(b)MWHTS at 118GHz;(c)MWHTS at 183GHz;(d)equivalence water content for ice,rain and cloud

2.3大氣溫濕廓線參數反演分析

大氣溫度和濕度是天氣預報的兩個基本要素。大氣參數的垂直探測是通過對具有吸收特征的譜區進行觀測完成的。這種觀測得到了不同高度大氣的微波輻射，然后，利用這些觀測的輻射值通過反演可以獲得大氣參數垂直廓線。例如，如果要探測溫度，先選擇一個光譜區域，在這個譜區，大氣的吸收是由一種在大氣中充分混合的氣體造成的，因而這種氣體的濃度是已知因子，輻射的變化只是反映吸收氣體的溫度變化，代表了在某一高度范圍內的加權平均溫度，其權重是由大氣透射率隨高度變化而決定的，這個量就是權重函數，它取決于該氣體的濃度、溫度和壓力垂直分布。

為了分析FY-3C星大氣探測載荷大氣溫濕度廓線反演能力，選擇統計反演方法來進行模擬分析。統計反演方法的關鍵是建立回歸方程，計算相應的回歸系數。一旦給定回歸系數，根據衛星觀測通道的亮度溫度可以反演出大氣溫度和濕度廓線。該方法的優點是反演過程本身不需要計算復雜的大氣透過率，因此計算速度快，結果穩定；其缺點是反演結果不能很好地反映局部特征。對于統計反演方法而言，建立統計回歸方程和計算回歸系數是關鍵，而且必須選取具有代表性的統計樣本庫，這里根據氣候數據集和輻射傳輸模式計算產生統計樣本庫。

大氣溫度和濕度廓線反演樣本庫是利用TIGR3（1125條大氣廓線）和微波輻射模式首先計算出每條大氣廓線的各個通道的大氣透過率，進而利用輻射傳輸模式轉換成輻射亮度溫度而生成的。其中TIGR3的90%樣本主要用于大氣溫度和濕度廓線反演回歸系數的計算，而TIGR3的10%廓線主要用于獨立樣本的精度檢驗。

為了正確評價統計反演方法，本文利用TIGR3 的10%廓線作為獨立樣本對大氣溫度和濕度反演廓線進行誤差統計分析。圖6a給出了單獨使用54GHz和118GHz時溫度廓線的反演精度，可以清楚地看出，盡管54GHz頻點附近的輻射信號比118GHz頻點的輻射信號要強許多，但輻射模擬時只考慮了風云三號A/B星的54GHz頻點的4個通道輻射亮溫進行計算，與118GHz的7個通道反演結果相比，118GHz附近7個通道的反演結果優于54GHz附近FY-3A/B-MWTS 4個通道的反演結果。圖6b給出了使用54GHz、118GHz和高頻氧氣吸收參考頻點425GHz3個頻點的3種組合的溫度反演精度，從圖中可以清楚地看出，無論在大氣的低層，還是中高層，聯合使用3個頻點，能夠獲得最佳的溫度反演結果，平均而言，118GHz與54GHz頻點組合后大氣溫度廓線反演誤差比單頻點反演精度高，在1.0K左右。多頻點大氣溫度探測通道的聯合使用能夠改善大氣各個層次上的反演精度。

圖6　大氣溫度反演的RMSE誤差Fig.6　Retrieval RMSE of atmospheric temperature profile(a)for single frequency retrieval;(b)for multi-frequency retrieval)

3　結語

FY-3C星大氣探測載荷的功能、性能和設計指標，都優于風云三號A/B星。FY-3C星載微波大氣探測系統，通過通道細分、探測頻點增加和空間采樣技術優化等，突破了我國星載微波探測載荷技術瓶頸，星載大氣探測能力大為提升。

118GHz新探測頻點的設計能改善對流層頂附近大氣溫度廓線反演精度，提升臺風熱力結構的星載微波探測能力，同時能改進微波濕溫探測儀對大氣濕度的探測精度。氧氣和水汽吸收通道數量的增加，能有效改善FY-3C大氣探測系統大氣參數垂直探測精度，儀器測量精度的提高也保障了星載微波大氣探測載荷的在軌探測精度。

與風云三號A/B星相比，FY-3C星微波濕溫探測儀增加的89GHz窗區探測通道在完善了地氣系統背景微波輻射探測的同時，也提升了星載微波大氣探測載荷大氣降水參數的探測能力。FY-3C星載大氣探測載荷的遙感信息在未來業務應用中將發揮巨大作用。

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收稿日期：2013年11月1日；修回日期：2014年6月12日

DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2016.01.011

第一作者：谷松巖（1963—），Email:gusy@cma.gov.cn

資助信息：國家自然科學基金（41201360）