静止轨道微波探测器视场偏差特征分析_韦晓澄.pdf

韦晓澄,孙逢林.静止轨道微波探测器视场偏差特征分析J.热带气象学报，2022，38(6)：901-914.文章编号：1004-4965(2022)06-0901-14静止轨道微波探测器视场偏差特征分析韦晓澄1,2,3,孙逢林2,3(1.中国气象科学研究院,北京 100081；2.中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室/国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心）,北京 100081；3.许健民气象卫星创新中心，北京 100081)摘要：现有的极轨微波仪器有着较强的穿云能力，空间分辨率较低，故目前而言，国内外鲜有针对微波探测器的视差分析研究，但若未来在静止轨道上搭载空间分辨率较高的静止轨道微波探测器，则微波视场内的视差问题不容忽视。针对未来发展的静止轨道卫星微波探测器，利用辐射传输模式CRTM模拟该类仪器的亮温，并分析其受视场内云影响所产生的视场偏差，结果表明空间分辨率越高，视差问题越明显；天顶角越大，云顶高度越高，视差越大。除此之外，以台风和高云的个例对实际情况中微波探测仪内视差误差进行了展示，说明静止轨道微波仪器尽管有较高的时间分辨率，但是因为视差的存在，仍然会对台风预警的准确性产生影响。关键词：静止轨道；微波探测器；视差中图分类号：P414.4文献标志码：ADoi：10.16032/j.issn.1004-4965.2022.067收稿日期：2022-03-08；修订日期：2022-10-06基金项目：国家自然科学基金(41975020)资助通讯作者：孙逢林，男，江苏省人，高级工程师，主要从事卫星天气学研究。E-mail：第38卷 第6期2022年12月热 带 气 象 学 报JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGYVol.38,No.6Dec.,20221 1 引引言言准确、及时地获取云中的温度、湿度结构、降水参数信息及云微物理参数（如液水路径、冰晶含量与有效粒子半径）是天气预报分析工作中极为重要的一环，能为强对流、暴雨和强台风等极端天气的预警提供重要的参考信息。除此之外，云微物理参数和光学参数对地表和地球的辐射收支、大气的加热率和冷却率的垂直分布等造成直接影响1，从而影响整个地球大气系统的气候态2-3。目前星载仪器中，对云进行观测的手段主要分为红外遥感和微波遥感两种。通过对红外成像通道数据的分析，能获取云顶的物理特征，且其能长时间对某一地区进行连续观测4-5。极轨卫星微波载荷因其对云的穿透能力强，能获取云中温度、湿度等气象要素与各项云微物理参数，对数值预报效果改善的贡献居全部观测的首位，在强对流、暴雨和强台风等极端天气预警预报业务工作中发挥着重要的作用6。但是，传统的极轨卫星微波载荷具有再访时间长，观测覆盖范围小的特点，当前的极轨双星观测体系只能保障 6 小时的观测周期7，这无疑会大大降低极端天气预警的时效性。因此，实现静止轨道微波观测一直都是近年来的主要研究目标之一，如美国的静止轨道微波观测平 台（GeostationaryMicrowaveObservatory,GEM）8以及欧洲的微波大气探测静止观测平台（GeostationaryObservatoryforMicrowaveAtmospheric Soundings，GOMAS）。这些未来的静止轨道微波探测器是直接瞄准在短临预报和台风等灾害性天气系统的监测的应用。然而，在静止轨道星载仪器的对地观测过程中，卫星观测到的云位置在不同视角下会有所偏差，即会产生视差问题（下文记为视差）。影响星载探测仪器视差的因子有很多，包括卫星分别到星下点与到探测点之间连线形成的张角、仪器的热 带 气 象 学 报第38卷空间分辨率以及观测点处的云高等。考虑到微波类仪器空间分辨率相对较大，国内外视场偏差的研究主要针对红外探测仪器，对微波仪器的研究相对偏少，因此，为了后续更好地应用静止微波探测资料，我们针对微波仪器的视差问题开展相关研究。现在虽无投入业务使用的静止轨道微波仪器，但是对于未来静止轨道微波探测器在天气方面的应用，视差问题是否会造成资料的应用影响是本文重点探讨的科学问题。但由于没有实际观测数据，本研究将基于我国风云四号气象卫星（FY-4A）的相关数据和仿真模拟资料来展开探讨，主要从视差订正方法、卫星空间分辨率对观测视差的影响、卫星天顶角对视差的影响进行理论研究，并结合实际观测个例来分析静止轨道微波探测器的视差特征。2 2 数据及方法介绍数据及方法介绍2.1 静止轨道微波探测器的观测位置模拟基于中国风云四号（FY-4A）A星观测的经纬度数据进行未来携带微波仪器的静止轨道卫星观测位置的模拟，并且基于当前极轨卫星上微波探测仪器空间分辨率参数，针对未来静轨微波仪器设计了几种空间分辨率进行模拟试验。其中，风云四号气象卫星A星是由上海航天技术研究院研发，于2016年12月11日在我国西昌卫星发射中心发射的新一代地球静止轨道定量遥感气象卫星。它 的 轨 道 高 度 为 36 000 km，星 下 点 经 度 为104.7 E，上面搭载了多通道扫描成像辐射计、干涉式大气垂直探测仪、闪电成像仪和空间天气检测仪器包9。比起我国第一代静止气象卫星风云二号（FY-2），FY-4A不仅由自旋稳定式观测模式改成了三轴稳定的控制方案，通道数也由5个通道增加至14个通道。其中，包括6个空间分辨率为0.51 km的可见光通道10，空间分辨率为2 km的中短波红外通道以及8个空间分辨率为4 km的长波红外通道11。此外，最明显的进步是 FY-4A可以每15分钟获得一张全圆盘图（FY-2号是1小时一张图），每3分钟就对台风尺度的区域实现一次观测，为极端天气的预警和监测保驾护航。现有的极轨气象卫星星载微波探测器的空间分辨率各不相同。我国风云三号系列卫星上搭载的微波温度探测仪（MWTS）最低点分辨率约为50 km，微波湿度探测仪（MWHS）最低点分辨率为15 km12。美国NOAA-KLM系列极轨卫星的先进微波探测器（AMSU）中，AMSU-A星下点空间分辨率约为 48 km，AMSU-B 星下点空间分辨率为16 km13-14。2011 年 10 月 28 日美国发射成功的NPP卫星上搭载的新一代微波探测仪（ATMS）不同通道的星下点分辨率为 1675 km不等。又因为静止轨道微波探测器的观测亮温模拟过程中所使用的ERA-5再分析场数据的时间分辨率为1小时，空间分辨率为0.25 0.25，所以我们理论敏感性试验所设定的卫星空间分辨率选取近似的25 km（约0.25）、50 km和75 km。传统的极轨辐射计采用的是逐行机械扫描（静止轨道微波辐射计的二维波束扫描问题仍亟待解决），为了保障分辨率能最大限度地统一，在计算过程中，我们以星下点所在的位置进行纬向检索，当所要求的的空间分辨率为a km时，尽量保证星下点所在的列上的点与其纬向相邻点间的距离尽量接近a，及每一行上的点与其经向邻点间的距离约为a，最大不超过2a。2.2 静止轨道微波探测器的观测亮温模拟因为目前并没有在轨的已投入业务使用的微波辐射计。本文基于FY-4A的红外亮温数据，使用美国卫星资料同化联合中心(The US JointCenter for Satellite Data Assimilation,JCSDA)开发的快速辐射传输模式（Community RadiativeTransfer Mode,CRTM）15-16模拟得到静止轨道微波仪器观测亮温，其中使用欧洲中期天气预报再分 析 中 心（European Centre for Medium-RangeWeather Forecasts Reanalysis,ERA-5）的数据作为正演大气环境场。数值模拟的静止轨道微波探测器通道频率与美国S-NPP卫星上搭载的先进技术微 波 探 测 仪（Advanced Microwave TechnologySensor,ATMS）一致，各个通道的频率与空间分辨率如表1所示。在模拟研究中，使用了FY-4A成像仪的业务云产品数据（基于发展成熟的风云四号成像仪科学算法17-18计算而来），包括云掩膜（Cloud Mask）数据以及云顶高度数据（Cloud TopHeight）。902第6期韦晓澄等：静止轨道微波探测器视场偏差特征分析通道温度探测通道湿度探测通道编号12345678910111213141516171819202122中心频率/GHz23.80（低频窗区通道）31.40（低频窗区通道）50.30（低频窗区通道）51.7652.8053.590.1254.4054.9455.50f0=57.29f00.320.22f00.320.05f00.320.02f00.320.01f00.320.0188.20（高频窗区通道）165.50（高频窗区通道）183.317.00183.314.50183.313.00183.311.80183.311.00星下点分辨率/km75753232323232323232323232323232161616161616表1ATMS 仪器通道设置情况介绍云高数据则是来自 FY-4A 的二级云产品资料18，并由此匹配得到微波仪器每个视场的云高。图 1 中为基于再分析资料和 CRTM 模拟得到的2018年 8月 17日 00点（UTC）的静止轨道微波探测器观测亮温结果，分别展示了通道频率为31.40GHZ（低频窗区通道）、54.40 GHz（温度探测通道）、88.20 GHz（高频窗区通道）和 183.317.00GHZ（湿度探测通道）的亮温模拟结果。2.3 静止微波视差订正方法静止卫星定点在赤道上空，除了对星下点的观测，卫星都是沿斜路径（有一定的卫星天顶角）观测地球大气系统，定位到地球表面（图2，定位到B点）。但云漂浮在大气中，B位置并不是云在地表投影的真实位置，B点和D点的距离认为是视场偏差。一般来说，云顶高度越高，距离星下点越远，卫星观测云的位置偏差也就越大19。在研究台风时，尤其是多源资料时空匹配时，进行云位置的偏差修正是数据处理过程中的重要步骤之一。研究中使用的每个视场的位置订正方法与静止轨道红外云图的位置订正方法类似。如图2所示，云顶高度为h，地球半径为r，卫星与地球球心的距离为R，星下点位置为A，观测所得云的位置为B，订正后云的位置，即真云云顶位置为C，真云云下点位置为D。则由文献19可得：=arccos()cos()latB cos()lonA-lonB(1)L=R2+r2-2 R r cos2(2)latC=arcsinsin()latB sin -(arcsinR sinL-arcsinR r sinL()r+h)sin(3)903热 带 气 象 学 报第38卷BCDAOSr图1基于CRTM模式和ERA-5资料模拟得到的2018年8月17日00时（UTC）的静止轨道微波探测器观测亮温图2 视差订正前后云位置发生变化的示意图B为卫星原本测量的点，但因为B处云的干扰，测得的值为C处的值。80E 90E 100E 110E 120E 130E200250300Brightness Temperature/K80E 90E 100E 110E 120E 130E80E 90E 100E 110E 120E 130E80E 90E 100E 110E 120E 130E210220230240250Brightness Temperature/K240260280300Brightness Temperature/K240250260270280Brightness Temperature/K50N40N30N20N10N50N40N30N20N10N50N40N30N20N10N50N40N30N20N10N31.4 GHz54.4 GHz88.2 GHz183.37 GHz904第6期韦晓澄等：静止轨道微波探测器视场偏差特征分析公式(4)中（当 lonClonB 时取“-”，反之取“+”）。下文中所用的云位置偏差即为该像素点上的云在订正前后的位置之差。在本次研究中，取风云四