中国从20世纪70年代开始实施自己的气象卫星计划，经过40多年的工作，已经成功发射了风云一、三号(FY-1、FY-3)极地轨道和风云二号(FY-2)静止轨道两个系列的气象卫星共13颗，稳定可靠地实现了业务运行，成为世界气象组织全球卫星观测系统的重要组成部分。风云气象卫星的地面系统由中国国家卫星气象中心承担，负责对卫星的在轨管理，以及从卫星下传数据的接收、处理、产品生成、分发、应用和服务(许健民等，2006)。本文简述了风云气象卫星数据处理算法的若干创新。

气象卫星上的遥感仪器从太空遥感地球大气，逐个像元地获得来自地球表面和云的若干波段的辐射资料。气象卫星数据处理是从卫星遥感观测数据中提取遥感目标物所在地点的关于地表、云和大气状态的定量参数产品。其中有3个基本的科学问题要解决：(1)卫星所遥感的观测目标物在什么地方，称为图像配准和定位；(2)卫星上的遥感器所感应到的辐射量是多少，称为定标；(3)从卫星遥感数据中，提取出能代表地表、云、大气物理状态和运动的参数，并将这些参数同化进入数值预报模式，称为定量产品推导和数据同化。本文在这3个方面各选择一项工作，介绍中国气象卫星的数据处理算法。这些算法均由中国国家卫星气象中心自主研发。

本文第二节介绍风云二号静止气象卫星的图像定位算法(Lu et al，2008)。静止气象卫星在离地面36000 km的高度上实施对地观测，观测图像的水平分辨率分别为红外5 km、可见光1.25 km，图像的角分辨率分别只有140和35 μrad。虽然被称为静止气象卫星，实际上风云二号气象卫星相对于地球的位置和姿态不断地在变化。风云二号图像定位算法舍弃了国际上通用的依赖于地标进行图像定位的思路，指出在地球圆盘中心位置的时间序列中，存在卫星的姿态和扫描辐射仪的失配信息。使用地球圆盘中心所在图像行列号码的时间序列，以及卫星所见太阳与地球的夹角，精确地推算出卫星的姿态和扫描辐射仪的失配，在此基础上实现了像元级精度的图像定位和抖动不被察觉的图像动画。

本文第三节介绍风云二号静止气象卫星的辐射定标算法。这个算法包括两个主要部分，在轨内黑体定标和在轨月球定标，分别解决了风云二号气象卫星日内频繁变化的红外波段辐射响应的标定以及内黑体定标结果中日间变化的系统性偏差，并成功应用于在轨运行的FY-2D、2E和2F卫星，获得了1 K以内的高质量定标结果。这其中，单个观测温度点的内黑体定标，在国际上仅有日本GMS-5卫星尝试过，但其提出的前光路等效温度方法无法实现1 K以内高辐射定标性能；同时，热红外波段在轨月球定标技术，在国际上尚无公开文献报道。

本文第四节介绍风云三号极轨气象卫星遥感仪器在轨性能参数变分优化模型(SIPOn-Opt模型，Satellite Instrument Parameters On-orbit Optimizer)。在国际上普遍认为，在轨气象卫星遥感仪器与设计一致，仪器在轨性能参数与发射前测量一致；即使产生不一致，也没有有效方法计算出这一量值。这个新发展的模型计算出了仪器在轨参数，发现并改进了仪器定标预处理中存在的问题，检测和订正了卫星仪器的偏差，成功地将风云三号数据同化进入欧洲中心的数值预报系统中，获得正同化效果。应用于自1978年以来所有欧美卫星的微波探测装置(MSU)和先进微波探测装置(AMSU-A)，也改进了这两类仪器40多年数据的质量和应用效力。2 风云二号静止气象卫星的图像定位算法 2.1 风云二号全圆盘图像南北方向位置的确定

理想的地球静止气象卫星，其运行轨道应该是圆形的，并且与地球的赤道平面完全重合；卫星的自旋轴则应该与地球的自转轴完全平行，卫星自旋轴的指向和自旋速率都没有抖动。如果符合这些条件，那么卫星所观测到的图像可以称为是标称的。用标称图像做出的动画应该没有抖动。但是实际上，这些条件很难完全满足，卫星的轨道和姿态离其设计标称值尚有微小的偏差。因卫星在离地球36000 km的高空进行观测，轨道和姿态的微小偏差对图像观测都有不可忽略的影响。

图 1表示2006年6月FY-2C卫星观测到的地球中心行序号随时间的变化。图 1a为2006年6月7—8日的数据，可以看到地球圆盘中心行序号的时间序列组成一条正弦曲线。地球圆盘中心行序号的行为规律表现出非常好的重复性。如果用原始的观测图像做动画，那么地球圆盘在图像上以1 d为周期整体地南北移动。如果将地球圆盘的中心放回图像原点，再做动画，那么可以看到，动画上的地球影像以1 d为周期，沿顺时针-逆时针方向摇摆。

图 1 FY-2C卫星地球圆盘图像的中心行序号随时间序列(Lu et al，2008)(a．2006年6月7—8日地球圆盘中心行序号随时间序列，b．用2006年6月7—8日地球圆盘中心行序号序列预测9日地球中心的行序号；纵坐标是地球圆盘中心行序号(向下增大);黑点代表 7—8日地球圆盘中心行序号序列，基于该序列，模拟出7—8日地球圆盘中心行序号序列曲线，空心点代表基于模拟的地球圆盘中心行序号序列曲线外推出的9日的地球圆盘中心行序号序列)Fig. 1 Time series of the earth’s disk center-line count for the FY-2C satellite during(a)7-8 and (b)7-9 June 2006(The ordinate is the earth’s disk center line count(increasing downward)，the abscissa is the time in unit of hours(UTC)or days. The black dots represent the previous earth disk center-line counts for 7-8 June 2006 on which the simulation and extension are based，the curve is the simulation and extension of the earth disk center-line counts，the hollow dots are the future observations of the earth disk center-line counts for 9 June 2006，which are independent of the extension of the curve)

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图 1b是卫星图像上地球圆盘中心位置可预报性示意图，其坐标设置与图 1a相同。图 1b中的实心圆点是地球圆盘中心行序号的历史数据。用这些历史数据，拟合出地球圆盘中心行序号随时间变化规律的正弦曲线。图 1b中的空心圆点是未来时间地球圆盘中心的独立样本。图 1b表明，地球圆盘中心的行序号是可以预报的。

从卫星上看，地球影像动画的这种移动和摇摆行为有非常稳定的规律，一定有其原因。图 2是对这种现象的解释。如前所述，轨道和姿态的微小偏差对图像观测都有不可忽略的影响。在图 2中，卫星的自旋轴与地球南北极的连线不平行。设在06和18时(世界时，下同)卫星的自旋轴和地球的自转轴共享一个平面，06时卫星仰视地球，地球圆盘位 于观测图像的下部；18时卫星俯视地球，地球圆盘位于观测图像的上部。00和12时卫星平视地球，地球圆盘位于观测图像的中部。这就造成了地球圆盘影像在图像上以1 d为周期南北移动。此外，在06和18时，卫星的自旋轴和地球的自转轴共享一个平面，这两个时刻，扫描线与星下点所在地点的纬圈平行。但在00和12时，卫星的自旋轴和地球的自转轴相互有歪扭，扫描线自西向东扫的时候，00时略向北翘，12时略向南翘，这就造成了地球圆盘影像在图像上以1 d为周期顺时针-逆时针摇摆。

图 2 从卫星上看，地球影像行为规律的示意图(Lu et al，2008)(N代表北极，E代表地球球心，S代表南极，南极北极的连线为地球自旋轴，卫星自旋轴在图中也有表示)Fig. 2 FY-2 observation geometry(N is the Arctic，E is the earth’s center，and S is the Antarctic. The line linking the Arctic and Antarctic is the earth’s rotation axis. The spin axis of the satellite is also shown; Lu et al，2008)

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图 3为静止气象卫星对地观测示意图。图中左边为地球，右边为卫星，在从卫星S指向地球中心E的连线上取任意点F，作一个平面(Image)。该平面的原点在O，即SO垂直于该平面。扫描线在其平面上的轨迹构成了观测图像，其中位于图像中心的第1250扫描行扫过C。设从卫星S指向地心E的矢量为S_E，卫星的自旋矢量为S_Y，S_Y在其与地心E所组成的平面里有一个法向矢量S_Z，S_Z通过SO。S_E和S_Z这两个矢量的夹角θ+ρ可以从图像上量出

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图 3 静止气象卫星对地观测示意图(Lu et al，2008)(SY 为沿着卫星自旋轴的矢量，平面SZX为卫星自旋平面；地球球心E和卫星自旋轴组成SYE平面；平面SYE与卫星自旋平面SZX相交形成Z轴； 通常Z轴并不指向地球球心，而在地球球心与SY 组成的平面内；SX 轴定义为SY ×SZ； 过SZ 上的一点O，做垂直于矢量SZ 的平面Image，地球在Image平面的投影形成了观测图像。地球球心E在Image平面内的投影为F点。平面Image中，第1250行扫描线与图像中心列号形成的直线相交于观测图像的中心C点)Fig. 3 Satellite coordinate system(Lu et al，2008)(E is the Earth center and S is the satellite，SY matches the spin axis of the satellite，and the SZX plane is the spin plane of the satellite. The earth center E and the satellite spin axis make up the SYE plane. The SYE plane crosses the satellite spin plane(SZX)to form the Z axis. Normally，the axis does not extend toward the earth center but is in the plane defined by the earth center and the satellite spin axis SY . The SX axis is defined by SY，SZ，and SX . Take a point O along the line extended from the vector SZ . Make a plane IMAGE O，which is perpendicular to SZ . The earth is projected on the IMAGE plane to form the observation image. On the projected plane IMAGE，the earth center E is at F. The 1250th scan line crosses the central column of the plane IMAGE at C，which is the center of the observation image)

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图 4是风云二号可见红外自旋扫描辐射仪(Visible Infrared Spin-Scanning Radiometer，VISSR)失配的示意图。理想的自旋气象卫星是一个圆柱体，卫星围绕柱体自旋，位于图像中间的第1250扫描行应该在卫星的自旋平面里。由于卫星发射后所携带液体燃料的使用，以及扫描辐射的安装不绝对地准确，实际上卫星在围绕其自由轴旋转(图 4a)。图像中间位置的扫描行，即图 3中的SC实际上扫出了一个锥面，而不是理想状态下的一个平面。这个锥面与卫星自旋平面的夹角，就是式(1)或图 3、4中的ρ。ρ是失配矢量的一个分量(图 4c)。可以证明，ρ与图像在南北方向的偏差有关，失配的第2个分量ζ与图像的东西方向偏差有关，而失配的第3个分量η作用十分有限。

图 4 风云二号可见红外自旋扫描辐射仪(VISSR)失配的示意图(Lu et al，2008)(a．扫描辐射仪的机械轴和实际自旋轴，b．在存在失配的情况下扫描辐射仪的中心扫描行实际上扫出一个圆锥形，c、d、e．失配的三个分量)Fig. 4 Schematic diagrams demonstrating the misalignment of the FY-2 visible IR spin-scanning radiometer(VISSR)(a. Difference between the actual and the ideal VISSR，b. impact of roll misalignment on the imaging process，c. misalignment of the roll component，d. misalignment of the yaw component，e. misalignment of the pitch component; Lu et al，2008)

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风云二号图像东西方向的位置是用太阳对准的。在风云二号卫星的侧面，装有太阳敏感器。卫星每自旋一周，太阳敏感器看到一次太阳，扫描辐射仪看到一次地球。卫星用太阳敏感器感应到的太阳脉冲信号对准观测图像中的每一条扫描线。只要卫星的位置和姿态已知，自旋中的卫星从看到太阳到看到地球之间的夹角β可以精确算出(图 5)。

图 5 自旋中的卫星从看到太阳到看到地球之间的夹角β(Lu et al，2008)(a．β角示意图，b．中午以前的β角，c.中午以后的β角)Fig. 5 A schematic diagram illustrating the β angle(Lu et al，2008)(a. Three-dimensional view，b. plane view after local midnight，c. plane view after local noon)

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图 5中标出了卫星的自旋轴(S_Y)，已经式(1)求出，太阳、地球的位置都是已知量，卫星的位置由测距系统测出。矢量S_Y×S_Sun垂直于由卫星自旋轴与 太阳组成的平面，矢量S_Y×S_Earth垂直于由卫星自旋轴与地球组成的平面，其间的夹角β为

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有了式(2)，自旋式静止气象卫星图像定位的数学模型就完整了，中国国家卫星气象中心用这两个公式的各种展开式，获得了风云二号气象卫星图像定位参数的解，并实现了风云二号静止气象卫星图像的自动、实时、高精度定位。2.3 完整闭合的坐标系和参数系

为了表达风云二号气象卫星图像定位最基本的原理，上述式(1)、(2)做了很大的简化。实际上，在卫星获取一幅地球圆盘图像的25 min时间里，观测目标物地球、观测工具卫星、用来使每条扫描线对准地球的太阳，都在运动之中。准确的图像定位需要对上面3个客体在每个时刻的位置，对卫星的姿态，对扫描辐射仪相对于卫星的失配，都有精确的描写。所以要定义一系列的参数，组成完整闭合的参数系。

定位参数系中的每一个参数，是在特定的具有清晰的几何和物理意义的坐标系中定义的，对每一个参数的使用也应该在定义坐标系中进行。但是在定义坐标系中，参数的值随时间可能不守恒。因此对每一个定位参数，要设法找到另一个坐标系，称之为该参数的守恒坐标系，在守恒坐标系中，参数随时间几乎不变，因此可以获取稳定的解。有了守恒坐标系以后，参数随时间的预报就成为一件轻而易举的事了。

定义坐标系和守恒坐标系不一定存在直接的相互转换关系。为了将每一个参数在定义坐标系和守恒坐标系之间来回转换，还需要使用一系列的中间坐标系。通过这一系列的中间坐标系才能相互转换。定位数学模型中参数系和坐标系的正确定义和转换，是成功求解的关键。2.4 图像定位的结果

图 6为风云二号气象卫星图像定位的结果。图像上观测到的海陆差别与叠加在上的白色海岸线完全一致。在2000年以前，中央电视台播出的风云二号气象卫星图像动画有抖动，2002年以后，动画中云的抖动消除了，这是风云二号气象卫星图像定位改进的结果。

图 6 2006年6月8日04时56分全分辨率FY-2C气象卫星图像叠加海岸线的定位结果(Lu et al，2008)(a．全圆盘图像，b—e．区域图像)Fig. 6 Full-resolution FY-2C visible images with superimposed coastal lines showing the FY-2 image navigation results of FY-2C at 04：56 UTC 8 June 2006(a. Full disk image，b.-e. Image sections； Lu et al，2008)

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传统上，风云二号卫星使用的业务定标方法主要有：通过星地同步观测实现遥感仪器辐射校正的场地替代定标和不同遥感仪器间的在轨交叉定标这两种手段。其中，场地替代定标可作为高精度检验手段，但目标辐射的动态范围较小；交叉定标性能稳 定，但空间匹配依赖于目标。此外，场地定标和交叉定标均以地球目标为参考源，大气辐射修正精度对定标性能的影响不可避免。因此，迫切需要寻找一种辐射特性稳定的新的定标源来克服以往方法的局限性。

月球表面的光学稳定度可达10^-9a^-1，是自由空间内稳定的参考源，可用于星载遥感仪器的外定标。国际上已开展了利用月球进行可见光波段在轨定标方法的研究，但是基于对月观测的红外波段辐射定标方法研究却鲜见报道(郭强等，2012)。这其中的主要难题是要解决红外波段非同温、非均匀、非灰体月表的辐射建模问题。此外，天文计算表明，由于对地观测卫星对月观测频次较低，尚无法完全满足红外波段高频次在轨业务化定标需求，因此，对月定标结果将主要用于校正遥感仪器在轨辐射响应的系统性偏差。图 7给出了FY-2F卫星典型在轨月球观测图像，其中，补偿月球相对卫星运动后的图 7b、c可直接用于红外波段在轨月球定标。

图 7 FY-2F卫星典型在轨月球观测图像(a．VIS原始图，b．IR1补偿月球相对运动后的过采样图，c．IR1补偿月球相对运动后的正常采样图)Fig. 7 Typical on-orbit lunar image observed by FY-2F(a. Raw lunar image in the VIS b and ，b. lunar image in the IR1 b and after compensating for its movement relative to the satellite with spatial oversampling，c. lunar image in the IR1 b and after compensating for its movement relative to the satellite with spatial ordinary sampling)

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在传统的黑体定标中，为了准确描述仪器的入瞳谱辐亮度信息，精确测量黑体温度(误差优于0.1 K)及其温度场分布是必要的前提。然而，一方面，月表温度无法实时测量；另一方面，月表照射区大多数目标温度都在300 K以上，而现有月表温度估计模型1.5—2 K的精度在实际辐射定标中是无法接受的。因此，风云二号卫星业务定标中的核心技术之一就是：在对月表目标观测辐射建模基础上，通过引入与特定相对均匀月表目标温度无关的双波段等效发射率比参数，建立不同热发射波段间观测辐亮度的定量关系，并进一步导出双波段(以IR1和IR2为例)对月定标

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理论分析表明，辐射定标中最重要的待定参数——定标斜率主要受探测器归一化探测率(D^*)的影响。当前，随着碲镉汞(HgCdTe)探测器技术的不断发展，中外主流气象卫星热红外波段在轨实际使用的光导或光伏型探测器，在3.5—12.5 μm范围内的D^*均已达到10¹⁰—10¹¹ Hz^1/2/W量级，实现了背景限探测的优良性能。从这个意义上来说，遥感仪器背景辐射的变化势必引起探测器D^*的改变，并直接导致辐射定标中定标斜率参数的变化。

以FY-2E卫星为例，图 8给出了2012年全年表征VISSR前光路温度改变的主镜(红色)、次镜(蓝色)以及后光路温度改变的定标平面镜(绿色)的温度变化曲线，全年最大温差接近20 K。不难理解，由VISSR环境温度改变引起的背景辐射变化，必然存在明显的年际周期变化。因此，“合适”的辐射参考源及其定标方法应具备：能够标定遥感仪器辐射响应“日变化”的能力，这是解决风云二号静止气象卫星红外波段高精度辐射定标的关键(郭强等，2013)。

图 8 FY-2E卫星2012年全年主要光学部件温度变化 Fig. 8 Temperature variation of the main optical elements of FY-2E during 2012

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图 9给出了光学遥感仪器采用的典型全光路黑体(BB)和部分光路黑体(或称作内黑体，Inner BB)工作原理对比示意图。通常情况下，全光路黑体定标和内黑体定标都包括黑体观测和冷空观测两个步骤，二者之差为实际使用的有效黑体观测结果。其中，对于全光路黑体定标，两个步骤的切换是通过前光路中扫描镜转动90°来实现的，且都包含有前光路和后光路的辐射影响，因此，相减后的有效黑体观测结果为黑体净辐射，可直接用于定标参数求解；但对于内黑体定标，可通过转动定标镜将内黑体引入观测视场，但由于此时观测结果中并不包含前光路的辐射影响，却增加了定标镜的辐射贡献，因而，惯常的全光路黑体定标方法，不能直接用于相减后的有效内黑体观测结果。显然，问题的关键在于如何精确估计前光路及定标光路中主要光学组件(简称前定组件)的辐射贡献。在风云二号业务定标中，以不同光学组件的多点温度遥测数据为基础，在精确的有限元辐射建模基础上，利用实验室定标结果，建立了满足内黑体定标需求的前定组件辐射贡献估计模型，发展一套全新的单个工作温度点的内黑体定标方法

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图 9 光学遥感仪器典型全光路/部分光路黑体工作原理对比示意图Fig. 9 Contrast between typical full-path and partial-path blackbody calibrations for optical remote sensing instruments

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图 10给出了FY-2E卫星利用2012年1月15日10时月球观测结果得到的IR1和IR2波段在轨辐射亮度定标曲线，其决定系数(R²)均接近于0.99，性能优良。图 11、12分别给出了FY-2E和FY-2F星蚀期前后红外波段定标斜率随环境温度变化的曲线，显然，在星蚀期间，IR1—IR4的定标斜率存在明显的日内变化特性。以IR1为例，定标斜率日内最大相对变化可达3%，若不加修正，则对应观测300 K目标时的亮温误差将达2 K。此外，随着卫星退出春季星蚀期后，VISSR红外波段的定标斜率将逐日快速上升，并在夏至前后达到最大，这与整星温度上升且探测器制冷余量减小密切相关。不难看出，风云二号静止气象卫星业务定标结果可以较好地反映在轨条件下VISSR定标参数的时变特性，这是基于月球辐射校正的内黑体定标(Calibration of Inner-Blackbody corrected by Lunar Emission，CIBLE)具有较高定标精度的根本保证。图 13a给出了全球空基交叉定标系统(GSICS)以红外大气干涉式垂直探测仪(IASI)为参考，对FY-2E卫星自2013年4月以来(注：2013年3月27日，FY-2E卫星业务定标切换为CIBLE)IR1波段在290 K高温端的定标偏差，整体为负偏差且绝对偏差优于1 K，性能优异。图 13b给出了参考IASI和红外大气垂直探测仪(AIRS)两种不同高光谱仪器条件下，二者评价结果相对偏差的均值在0附近，这说明图 12a评价结果是可信的。

图 10 FY-2E卫星在轨月球定标结果(2012年1月15日10时)(a．含有月球图像的IR1波段地球圆盘图，b．IR1波段月球辐射亮度定标曲线，c．含有月球图像的IR2波段地球圆盘图，d．IR2波段月球辐射亮度定标曲线)Fig. 10 Lunar calibration results of FY-2E at 10：00 UTC 15 January 2012(a. Earth-disk image with moon in the IR1 b and ，b. lunar calibration curve in radiance for the IR1 b and ，c. earth-disk image with moon in the IR2 b and ，d. lunar calibration curve in radiance for the IR2 b and )

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图 11 FY-2F卫星2012年3月16日(星蚀期)IR1—IR4定标斜率随环境温度的日变化(a．主要光学组件温度变化，绿色为中继透镜温度，蓝色为主镜温度，黑色为次镜温度，红色为定标镜温度；b1—b4．IR1—IR4定标斜率(单位：W/(m2·sr·μm·V))日变化，红色、蓝色、黑色和绿色分别为IR1—IR4波段的定标斜率曲线)Fig. 11 Calibration slope’s diurnal variations in environmental temperature in the IR1-IR4 b and s for FY-2F on 16 March 2012(a. Temperature variations of the main optical elements，b. calibration slope’s diurnal variations in the IR1-IR4 b and s)

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图 12 FY-2E卫星2013年4—7月IR1定标斜率随环境温度的年变化(a．主要光学组件温度变化，b．IR1内黑体观测值及定标斜率年变化图)Fig. 12 Calibration slope’s annual variations in environmental temperature in the IR1-IR4 b and s for FY-2F between April and July of 2012(a. Temperature variations of the main optical elements，b. calibration slope’s annual variations in the IR1-IR4 b and s)

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卫星资料由于其观测模式的特殊性，加上辐射传输和定标过程引入的不确定，导致其观测系统偏差来源较为复杂，图 14为卫星资料同化中观测与模拟偏差的主要来源，观测与模拟自身都存在误差。观测误差主要由定标(冷空和暖黑体的观测异常)、仪器探元材料质地的非线性以及空间环境噪声造成。模拟误差主要由两方面因素造成：一是输入大气廓线产生的误差，这部分误差主要由数值预报场的预报误差决定。二是由逐线辐射传输模拟造成的误差，这种误差有两种原因：(1)建立逐线辐射传输模式时所采用的吸收光谱线的观测误差(LBL model)；(2)输入逐线辐射传输模式的在轨仪器的频谱参数误差。上述误差源多与仪器在轨性能参数存在密切关系，对数据质量起着重要作用。但这些参数可能受条件所限测不准，也有可能上星后受空间环境影响发生了改变。如能准确提取和应用这些参数，就可以改进数据质量。

图 13 GSICS对FY-2E卫星IR1波段定标精度的评估结果(a．290 K目标条件下的定标偏差，b．IASI和AIRS两个高光谱载荷的双差分析结果)Fig. 13 Calibration accuracy evaluation results from the GSICS method for the FY-2E IR1 b and (a. Calibration bias for the condition of the target’s brightness temperature(BT)equal to 290 K，b. BT double biases analysis for FY-2E with IASI and AIRS sensors)

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图 14 卫星资料同化中观测与模拟偏差的主要来源 Fig. 14 The error terms，considered in the sensitivity study，that affect the departures(observed minus simulated brightness temperatures)

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为了获取更真实的仪器在轨性能相关参数，设计了卫星遥感仪器在轨性能参数优化模型(SIPOn-Opt模型)。优化过程采用泛函的变分反演求解模式，而构造的目标函数J(Δv₀，bd，stopb and ，ΔTmax，k，srf，c，w，a)是该变分反演算法的核心，其中，Δv₀表示通道中心频点，bd表示带宽，stopb and 表示通道截至参数，T_max表示非线性参数，k表示天线主波束效率，srf表示光谱响应函数，c为冷空观测异常指示参数，w为暖黑体观测异常指示参数，a为光谱吸收谱线测量误差。对于普适的仪器在轨性能相关参数而言，目标泛函具体表达为

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对于风云三号A星微波温度计(FY-3A /MWTS)而言，经过敏感性评价，发现通道频点测量误差和仪器质地的非线性特性是造成观测系统偏差的主要来源。因此，式(5)可简化为

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图 15 给出了卫星仪器在轨性能参数优化模型流程图：基于数值预报分析场、各仪器实时卫星观测信号以及不断更新的仪器在轨性能参数，通过定标过程标定观测亮温和辐射传输模块模拟亮温，建立以观测亮温与模拟亮温偏差的标准差和平均偏差为目标泛函的仪器在轨性能参数最优反演算法，最终计算出更真实的仪器在轨参数，例如，通道中心频点、非线性参数、天线主波束效率、光谱响应函数等。

图 15 卫星仪器在轨性能参数优化模型流程(v表示中心频点，bd表示带宽，stopb and 表示截至参数，Tmax表示非线性参数，k表示天线主波束效率，srf表示光谱响应函数，c为冷空观测异常指示参数，w为暖黑体观测异常指示参数，a为光谱吸收谱线测量误差)Fig. 15 Flow chart of the SIPOn-Opt，where v is the passb and central frequency，bd is the passb and width，stopb and is the passb and stop b and ，Tmax is the nonlinearity，k is the antenna efficiency，srf is the spectral response function，c is the abnormal cold space，w is the abnormal warm load，and a is the absorption line measurement error

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风云三号A星(FY-3A)作为中国第二代极轨气象卫星的首发星，大部分仪器是第一次搭载，在中国极轨气象卫星史上是首次具备定量同化应用能力。搭载的11个仪器中有4个大气探测仪器是数值天气预报同化直接关注的仪器，其中微波温度计(MWTS)是对数值天气预报应用最为重要的仪器。下面以FY-3A/MWTS为例，介绍如何利用SIPOn-Opt模型诊断分析仪器主导误差并反演仪器在轨性能参数、订正观测系统误差和改进数据质量；以及首次成功同化到全球一流的欧洲中心数值天气预报系统，并改进其预报精度。通过计算、分析图 14中各种误差对观测亮温与模拟亮温偏差的均方根误差的敏感性发现：对于FY-3A/MWTS而言，仪器中心频点测量误差和仪器非线性效应是主要误差源。利用SIPOn-Opt模型求解出观测约束下更真实的仪器通道中心频点和仪器非线性效应参数。对比了利用仪器设计中心频点、卫星发射前实验室测量频点、变分优化计算频点、进一步非线性偏差订正参数所计算的观测与模拟亮温偏差全球特征，并与MetOp-A/AMSU-A的结果进行了对比(图 16)。如果以卫星发射后的实际观测值作为基准，与模拟计算卫星观测值相比，当仪器观测亮温与模拟亮温达到物理意义的一致时，理论上其模拟偏差是服从0平均值、一定均方根误差的高斯分布。

图 16 观测亮温与模拟亮温偏差(K)的全球分布比较(左列为通道中心频点在53.596 GHz的结果，中列为通道中心频点在54.94 GHz的结果，右列为通道中心频点在57.29 GHz的结果；a．利用设计的MWTS仪器通道频点参数计算结果，b．利用发射前实验室测量MWTS仪器通道频点参数计算结果，c．利用经频点漂移订正后的MWTS仪器通道频点参数计算结果，d．MWTS经频点漂移订正并进行探测器质地的非线性偏差订正后的结果，e.AMSU-A相应通道的模拟结果)Fig. 16 Maps of first-guess departures(K)for(from left to right)MWTS channels 2-4 by using(a)design-specified passb and s，(b)prelaunch-measured passb and s，(c)optimized passb and s，(d)passb and s following nonlinearity correction，and (e)the corresponding equivalent MetOp-A first-guess departure maps(The spots at the base of the histograms indicate the mean first-guess departure)

图选项

以FY-3A/MWTS通道4为例(图 16中第3列)，从仪器设计指标来看，FY-3A/MWTS通道4和MetOp AMSU-A通道9的设置是一样的，两颗卫星过境时间仅相差半小时，观测目标主要集中在100 hPa的大气。理论上两者的模拟偏差应该一致才对，但可以看出存在较大差异。利用卫星发射前实验室测量参数计算后，模拟偏差有所改善，但仍然较大。经过上述的对误差敏感性分析可知，通道中心频点测量误差和仪器非线性辐射偏差影响数据质量和模拟偏差。其中，频点偏差是由于采用耿氏管锁频技术造成的。其原理是通过一个共振腔振荡锁定通道频点，这个锁定的通道频点受共振腔环境影响，而实验室大气环境和太空的真空环境不同，导致实验室测量的通道频点与仪器在太空环境的通道频点存在差异。FY-3A/MWTS的几个通道频点偏差为30—40 MHz，频点偏差超过5 MHz就会对实际定量应用产生影响。比较偏差直方图可以发现，频点偏差订正后，模拟偏差进一步改善，但仍然存在1 K多的正偏差。卫星资料利用辐射计测量电信号与目标能量的线性关系假设，通过两点线性定标，但实际上，辐射计存在一定的非线性效应，订正了这种非线性效应后，模拟偏差和AMSU-A真正可比。

综上所述，图 16a—d直观展现出，微波温度计通道2—4随着将频点漂移和非线性偏差订正后，模拟偏差更服从0平均值、更小均方根误差的高斯分布，所得结果真正可以与AMSU-A的结果(图 16e)相比，甚至优于AMSU-A的结果。将订正后的FY-3A/MWTS数据应用ECMWF同化/预报系统中，在南半球获得1%的预报技巧改进(Lu et al，2012)。

频点测量误差+仪器非线性辐射偏差订正算法已在2011年3月应用到中国国家卫星气象中心FY-3A 微波温度计预处理业务系统中。此后，模拟偏差均方根误差约为0.2 K，与MetOp AMSU-A可比。订正后数据由中国气象局国家气象信息中心向全球发布。

在FY-3B MWTS业务预处理软件中也植入了类似于FY-3A MWTS的频点测量误差和非线性辐射偏差订正模块，因此，对于FY-3B MWTS而言，这两类误差已不是主导误差，随扫描位置变化的扫描角偏差是主导偏差。通过同化系统的偏差订正算法即可较好地订正该类偏差。

FY-3C已于2013年9月成功发射。目前正处于在轨测试阶段，利用SIPOn-Opt模型对仪器存在的主导观测系统偏差进行系统的检验，订正系统偏差，从而深度改进数据质量。5 结 语

(1) 传统的静止气象卫星图像定位技术用“从卫星指向地标的矢量”作为已知矢量推导卫星的姿态，而风云二号静止气象卫星图像定位算法使用“从卫星指向地球圆盘中心的矢量”，后者不仅简要地勾勒 出几何概念清晰的时间序列，而且容易根据图像分析获得精确的输入数据；传统的静止气象卫星图像定位技术中，β角表达为经验公式，而在风云二号图像定位算法中，β角表达为解析式；风云二号图像定位算法还采用了更先进的WGS84坐标体系，在这个坐标体系中定义变量；这3条措施保证了图像定位数学模型的解算质量。

(2) 2012年以前，风云二号静止气象卫星辐射定标主要采用的是交叉定标方法，通过与国际上卫星的交叉比对来实现，受时间覆盖、光谱响应、空间分辨率等因素差异的影响，定标时效性(7—15 d)和精度(2—3 K)都有待提高。CIBLE定标重点突破了两项核心技术，即将传统上仅能用于辐射稳定性监视的内黑体观测结果，经精确的前光路辐射校正后，实现了小时级高频次红外辐射定标；同时，利用在轨观测到的月表红外辐射来修正内黑体定标中的系统性偏差，并最终实现了完全自主的高频次(小时级)、高精度(优于1 K)红外辐射定标。

(3) 通常认为，在轨气象卫星遥感仪器与设计一致，仪器在轨性能参数与发射前测量一致；即使产生不一致，也没有有效方法计算出这一量值。实际应用发现：这些在轨参数会发生变化，且会影响数据质量和数据在数值天气预报模式中的应用效力。建立了SIPOn-Opt模型，在国际上首次利用该模型对仪器在轨性能参数进行了变分反演，通过观测约束优化获得更真实的仪器特征参数，如通道中心频点、非线性参数、天线主波束效率、光谱响应函数等。利用这些参数订正了卫星观测系统偏差，使得FY-3卫星数据与欧美同类先进遥感仪器的数据质量相当，将FY-3数据同化进入欧洲数值预报中心的模式后，也改进该模式的预报精度。将该模型应用于欧美气象卫星的微波探测仪器(MSU和AMSU-A)，也改进了这两类仪器40多年数据的质量和应用效力(Bormann et al，2013; Lu et al，2014)。