2016, 27 (6): 709-715
星载毫米波辐射计具有对大气卷云和可降水异常敏感、观测尺度大、重访周期短、持续时间长等特点, 是目前地面气象站及星、机载激光雷达、可见光及红外等测试手段的有效补充。微波遥感器的独特性是在晴空和有云的情况下能够接近连续监测和观测降雨、水汽和湿度廓线。我国风云三号A，B，C星为极轨气象卫星，其中A星和B星为试验试用型卫星，C星是业务运行系列的首颗星。微波湿度计是风云三号气象卫星上装载的重要载荷之一，由中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室研制。2008年5月27日我国成功发射的FY-3A星上搭载的微波湿度计 (MWHS) 工作在150 GHz和183.31 GHz，共5个探测通道，填补了我国极轨气象卫星微波探测仪器的空白[1-3]。FY-3B的微波湿度计 (MWHS) 于2010年11月11日开机工作，至今已正常工作5年，仪器工作状态稳定，性能良好，所有指标满足设计要求。经与在轨运行的国外同类探测仪器的交叉比对，灵敏度和探测精度与国外同类设备水平相当。B星与A星或C星组网运行，提升了对天气气候的的监测能力[4]。
尽管FY-3B是试验卫星，但其上的微波湿度计观测资料显示出了长时间序列的稳定可靠，研究表明其对模式预报产生的影响已与欧洲或美国的同类仪器相当，同样能够改善欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 的大气分析质量，欧洲中期天气预报中心认为，FY-3B/MWHS资料改进了模式对对流层中层和高层湿度场的分析，增强了卫星观测系统的鲁棒性[5]。本文除简要介绍FY-3B/MWHS和其长时间性能参数监测结果外，还以2015年6—7月发生在西北太平洋的台风为例，分析FY-3B/MWHS的监测能力。
1 微波湿度计仪器简介FY-3B/MWHS为全功率型微波辐射计，在轨正常工作模式下两副偏置抛物面天线在扫描机构驱动下，以跨轨连续变速扫描方式完成周期性对地和定标源观测。在8/3 s的扫描周期内，以天底点为中心对地观测扫描张角为±53.35°，连续采样98个点，采样间隔为1.1°；内部定标黑体位于天顶点，每副天线对应一个定标黑体，利用事先标定好的热敏电阻对每个定标黑体进行物理温度测量；冷空定标观测角度位置为72.1°。微波湿度计通道参数设计指标见表 1。
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表 1 FY-3B/MWHS通道参数设计指标 Table 1 Performance characteristics for FY-3B/MWHS |
150 GHz通道包含水平 (H) 和极化 (V) 两种方式，探测地球表面和较低大气的信息，183.31 GHz水汽吸收峰附近通道用于获取大气湿度剖面信息。当微波湿度计天线主波束指向地球大气目标时，大气状态为微小变化将引起天线视在温度的变化，接收的信号经过放大、滤波、检波和再放大后，以电压的形式输出，经过在轨周期定标即可确定天线视在温度，即亮度温度值。
自微波湿度计开机工作以来，至今已连续在轨运行5年，遥测数据和科学数据正常，仪器状态稳定，性能良好。2014年9月24日起，风云三号B星微波湿度计资料首次被植入欧洲中期天气预报中心业务预报模式，标志着FY-3B/MWHS辐射测量精度和观测稳定性获得国际用户认可[5]。
FY-3B/MWHS以水汽吸收线183.31 GHz为主探测频点，在其附近设置了3个通道，分别反映大气850, 500 hPa和300 hPa高度层水汽的分布特征，窗区150 GHz设置双极化探测通道，用于探测近地表背景微波辐射。依下至上对应微波湿度计5个探测通道在2015年7月8日02：00—08：00 (世界时，下同) 观测的亮度温度数据 (图略)，所在通道敏感区位于1000，1000，850，500 hPa和300 hPa，亮温分布范围为230~310 K，空间分辨率为15 km。通过分析，该组台风发生在夏季，天气炎热，陆地大气中的水汽含量普遍比沿海地区低，大气低层台风附近地区水汽含量明显较周围高，可以看清其水汽分布呈斡旋状。随着大气海拔升高，在大气中高层，台风区域附近水汽与周围的差异与低层相比有减弱趋势。基于上述频段设计的特点和极轨气象卫星的轨迹优势，微波湿度计各通道观测信息的差异使之可以全天时全天候监测台风发展路径和内部结构以及强降雨区[6]。
2 MWHS在轨性能分析为了定量评估微波湿度计在轨工作性能的稳定性，本文利用FY-3B/MWHS发射后持续5年的资料，对仪器性能参数进行了长时间序列分析。
FY-3B/MWHS在轨星上定标基础数据包括星上内部热源黑体温度热敏电阻测量数据、冷空观测计数值、内部热源黑体观测计数值和仪器工作温度等。理想条件下FY-3B/MWHS定标基础数据在扫描周期内和扫描周期间应该稳定一致，受仪器性能和工作环境变化影响，定标基础数据有时会发生跳变，失去代表性，影响定标精度，因此，在轨需要对定标基础数据进行质量分析，完成定标基础数据的质量检验和质量控制，生成可用于计算定标系数的在轨星上定标基础数据，最后定标生成微波湿度计L1级数据。本文利用微波湿度计遥测数据，L0级数据和业务生成的L1数据，对微波湿度计长时间性能稳定性进行监测分析，分析的参数主要有仪器灵敏度 (NEDT) 和定标精度。
2.1 灵敏度 (NEDT)先进微波大气探测仪最重要的指标是亮温灵敏度。亮温灵敏度ΔT (辐射分辨率)，又称噪声等效亮温差NEDT，被定义为微波辐射计接收机能够检测到的最小天线温度的变化：
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(1) |
式 (1) 中 中，B为检波前带宽，τ为积分时间，G为检波前增益，ΔG/G表示一个扫描周期内两点定标之间的增益稳定度, Tsys为天线温度TA与接收机等效温度Trec之和, X表示量化处理过程的噪声贡献。对于实时两点定标的辐射计系统，增益波动的影响基本消除。
通过图 1灵敏度时序图可见，自2010年11月开机以来，微波湿度计各通道灵敏度均优于0.4 K，其中通道1，2，4，5的灵敏度优于0.3 K，在FY-3A/MWHS及基础上有一定程度改进，有利于提高定标精度和大气温湿度廓线的反演精度。
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| 图 1. FY-3B/MWHS灵敏度分布 Fig 1. Sensitivity values of FY-3B/MWHS | |
2.2 在轨定标精度
当两个通道特性参数一致的同类星载被动微波载荷同时观测相同目标时，观测亮温的差异主要取决于两个载荷辐射定标的系统偏差。而针对相同观测目标，不同正演辐射传输模型会因模型的简化处理以及地表辐射率、极化和散射计算等的差别，而出现正演亮温的些许差别。目前广泛采用的微波、毫米波波段正演辐射传输模型有多种[7-11]，综合考虑，本文选取大气辐射传输仿真模型ARTS (the atmospheric radiative transfer simulator) 作为正演模型。
为了对FY-3B微波湿度计在轨辐射定标结果进行评估，本文对比分析了与正演辐射传输模式模拟结果的偏差与相关性。
由于FY-3B是下午星，辐射传输模型输入数据选取ECMWF再分析的地表和廓线数据，为00:00，06:00，12:00，18:00 4个时刻，时间为2010年11月—2015年11月，选取海洋晴空数据作为在轨定标精度分析的测试数据，匹配时间阈值为15 min，经纬度小于0.3°。
图 2为FY-3B/MWHS各通道2010年11月—2015年11月实测数据与理论仿真模型对比得出的定标精度随时间分布时序，通过分析可知，经过5年连续在轨性能连续监测，此仪器定标精度性能稳定。
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| 图 2. FY-3B/MWHS各通道定标精度分布时序 Fig 2. Calibration accuracy series of calibration targets of FY-3B/MWHS | |
由于本文匹配数据有限，且存在地域性，因此，为了更精确地描述微波湿度计在轨性能，还需要利用在轨运行的国外同类型仪器观测数据进行在轨交叉定标，实现更全面的在轨精度分析。
2.3 与国外同类型仪器交叉比对为了实现与NOAA-17/AMSU-B载荷的对比，选取2010年11月—2015年8月的在轨观测数据，与FY-3B匹配标准为星下点，时间阈值为15 min，经纬度阈值为0.5°，涵盖海洋、陆地和岛屿的晴天和云天数据，剔除奇异值的标准为通道5亮温小于240 K，最终选取典型区域匹配数据40512组。
图 3是FY-3B/MWHS与NOAA-17/AMSU-B载荷测量的亮温比较，其中不同标识代表5个不同通道的亮温对比分布情况。大部分亮温分布在250~310 K之间，其中通道1是FY-3B/MWHS水平极化与NOAA-17/AMSU-B的垂直极化的比较，因为AMSU-B没有150 GHz的水平极化通道，因此，相关性较其他通道略低。上述所有通道比较均基于MWHS天底点 (第49和第50点) 数据的平均值与AMSU-B的天底点 (第45和第46点) 的平均值。而其他点由于卫星轨道的方向不同，轨道之间存在倾角的差异而存在误差不足以说明仪器的在轨精度。
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| 图 3. FY-3B/MWHS与NOAA-17/AMSU-B载荷测量的亮温比较 Fig 3. Comparison of brightness temperature between FY-3B/MWHS and NOAA-17/AMSU-B | |
通过对图 3的分析可知，FY-3B/MWHS与NOAA-17/AMSU-B 2010年11月至2015年11月星下点处匹配数据存在一致性，相关系数优于0.96，但亮温高于260 K时一致性较差。
为了更好地分析MWHS的仪器特性，探究图 3中一致性分布的规律，表 2给出了仪器双偏差分析结果。通过对比和分析可知，通道3和4的一致性优于通道2和通道5，原因在于通道2和通道5均为水平极化，且通道2为窗区，通道5为近窗区，二者穿透性高，对近地表大气参数和地表信息敏感。而在本文的正演仿真模型中，地表辐射率和水汽粒子散射信息的处理仍是不确定因素的主要来源，窗区通道和靠近水汽吸收线远翼的通道，权重函数越接近地面，通道观测值与仿真值的标准差越大。
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表 2 FY-3B/MWHS与NOAA-17/AMSU-B偏差分析 Table 2 Deviation analysis between FY-3B/MWHS and NOAA-17/AMSU-B |
总之，通过对仪器在轨定标基础数据和仪器灵敏度、定标精度等特性参数的长期监测分析，发现微波湿度计自开机之日起，各通道均工作正常，在轨性能稳定，仪器通道灵敏度满足设计指标，辐射响应特性与国外仪器性能相当。
3 FY-3B/MWHS在极端天气监测中的应用 3.1 台风路径监测与分析FY-3B/MWHS具有全天候全天时探测台风内部结构的特点[12]。西北太平洋是全球最适宜台风生成的海域，每年约有20个台风。自2015年6月底以来，台风灿鸿 (1509)、台风莲花 (1510)、台风浪卡 (1511) 相继生成，在西北太平洋上3个热带台风气旋同时活动，形成了3个台风相继发生的场面，这种3个或更多台风同时出现且共存时间远超100 h的现象实属罕见。
预测台风路径通常受大尺度天气系统的影响，如副热带高压等。如果两个或多个台风接近到一定程度，彼此就会互相影响，提高预测难度，给气象研究和预报人员带来极大挑战。
图 4和图 5分别给出了3个台风演变过程以及台风莲花 (1510) 于2015年7月9日上午在广东陆丰甲东镇沿海登陆的实时亮温图，中心蓝色区域为低亮温分布区，中心附近为最大风力区和低气压区。登陆后莲花继续向偏西方向移动，维持一段时间后开始减弱。受台风莲花影响，福建、广东、江西等地有大到暴雨，部分地区有大暴雨，通过亮温分布图可作初始判断。
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| 图 4. FY-3B/MWHS监测台风莲花 (1510)、灿鸿 (1509)、浪卡 (1510) 动态 Fig 4. Typhoon Linfa, Chan-hom and Nangka in 2015 monitored by FY-3B/MWHS | |
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| 图 5. FY-3B/MWHS监测台风莲花 (1510) 登陆 Fig 5. Landing process of typhoon Linfa in 2015 monitored by FY-3B/MWHS | |
微波湿度计各通道主要吸收成分是水汽，主要用于大气湿度探测。各通道亮温图像与同时刻海拔高度附近的NCEP/NCAR相对湿度分析图像进行对比分析，相应高度层的亮温图像与相对湿度图像定性吻合。台风圈范围以及沿台风移动方向的内侧及后侧的广大海洋地区是高湿区，而外侧是副热带高压控制的高温低湿区。台风两侧的这种水汽分布的不对称性与螺旋雨带的不对称性密切相关，有助于台风登陆降水结果分析。
3.2 微波湿度计监测台风区域降雨降雨监测算法主要依赖于窗区通道双极化的150 GHz探测通道, 吸收峰远翼起辅助作用[13-14]。基于改进的神经网络算法将与目前广泛采用的基于散射指数的方法进行对比分析，并与时空匹配的雷达数据进行准确性验证[15-16]。
降雨监测阈值不再是简单的一个阈值，而是结合多通道给出的一个阈值矢量，从而比传统方法更准确, 见图 6降雨检测流程及方法，利用通道间的亮温关系，建立初步反演算法。图 7为降雨检测结果的对比图，此降雨监测结果与气象局网站发布降雨轨道产品具有较高的一致性，通过大量数据对比分析可知，微波湿度计各通道信息可用来检测降雨事件并反演降雨率。
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| 图 6. 降雨检测算法流程 Fig 6. Procedure of rainfall retrievals | |
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| 图 7. 降雨检测结果 Fig 7. Rainfall retrievals | |
图 8给出降雨率反演结果与雷达数据的对比情况。选取台风区域降雨率为5~30 mm·h-1的12000个样本，与雷达实测数据匹配分析可知，相关性较好，相关系数在海洋上空高达69.7%，在陆地上方稍差，当采取卡尔曼滤波算法，剔除奇异样本和极值，并进行相应归一化，海洋上空降雨率可达81.3%。
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| 图 8. 降雨率反演结果与雷达数据的对比分析 Fig 8. Comparison of precipitation rate between retrievals and radar observation | |
台风区域的螺旋雨带主要是由对流性云团或云带所组成，对流云中含有大量水滴，甚至还有冰晶，产生的降水粒子尺度为0.1~6 mm。微波湿度计的微波波长约为1.6~2 mm，与降水粒子的尺度相当，因此，降水云区对微波既有吸收作用，也有散射作用，降水云区对微波是不透明的，当降雨率大于10 mm·h-1时，150~183 GHz是不透明的。利用湿度计观测数据分析台风附近的螺旋雨带，就是将降水云区作为散射源，因为辐射亮温随散射体尺度的增大和个数的增多而减小，由亮温减小判断降水的强度增大。
4 结论通过对FY-3B/MWHS在轨长期性能定量分析，尤其是L0和L1级数据以及遥测数据进行分析，可得到以下主要结论：
1) 微波湿度计在轨运行良好，关键性能指标如灵敏度、定标精度及数据资料质量均满足指标要求，为其在数值预报模式中的同化和大气参数反演等方面的应用奠定基础。
2) 微波湿度计具有穿透云层、探测台风内部水汽分布的特点，该仪器实测数据能够在台风监测和降雨监测过程中提供有效参考数据。
3) 微波湿度计在轨观测数据经卡尔曼滤波后反演的降雨率与匹配的雷达数据相关系数达81.3%，有助于提高台风强度和路径发展走势的预判准确度，有助于气象预报和气候研究。
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