FY-3A/MWHS冷空測(cè)值受月球影響分析及修正

谷松巖 吳榮華 游 然

(中國(guó)氣象局中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京100081)

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FY-3A/MWHS冷空測(cè)值受月球影響分析及修正

谷松巖 吳榮華*游 然

(中國(guó)氣象局中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京100081)

為解決月球?qū)︼L(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)在軌實(shí)時(shí)輻射定標(biāo)的影響問題，該文根據(jù)風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)在軌實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，通過多項(xiàng)式擬合分析技術(shù)，建立修正模型，消除月球影響，得到合理的輻射定標(biāo)結(jié)果。風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)在軌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明：月球?qū)︼L(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)在軌輻射定標(biāo)結(jié)果影響最嚴(yán)重時(shí)一天內(nèi)可干擾4～5條軌道，每條軌道有近100個(gè)掃描周期受到污染。月球影響致使冷空定標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)跳升1000個(gè)計(jì)數(shù)值，如果不進(jìn)行污染濾除會(huì)造成對(duì)地觀測(cè)亮溫下降約20 K，導(dǎo)致輻射資料無法同化進(jìn)入數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式。通過與同類載荷的交叉比對(duì)分析，修正月球影響后，風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)在軌實(shí)時(shí)輻射定標(biāo)結(jié)果精度與在軌測(cè)試結(jié)果相當(dāng)。

微波濕度計(jì)； 輻射定標(biāo)； 月球影響； 修正模型

引 言

風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)具有全天候獲取全球大氣水汽垂直分布信息能力，可以獲取與臺(tái)風(fēng)、暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象密切相關(guān)的云雨大氣參數(shù)，提升我國(guó)極軌氣象衛(wèi)星災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。美國(guó)和歐洲在各自的極軌環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星上裝載了同類微波大氣探測(cè)器，這些遙感數(shù)據(jù)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候變化研究中發(fā)揮了重要作用[1-2]。

風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)在軌以與軌道垂直方式進(jìn)行掃描觀測(cè)(簡(jiǎn)稱交軌掃描，crosstrack scanning)，通過對(duì)冷空和內(nèi)部黑體兩個(gè)輻射參考點(diǎn)的觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)定標(biāo)。在2.667 s的掃描周期內(nèi)獲取98個(gè)對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，3組內(nèi)部黑體觀測(cè)數(shù)據(jù)和3組冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)[3-7]。

風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)在軌輻射定標(biāo)過程包括計(jì)算定標(biāo)系數(shù)和對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)處理兩個(gè)步驟。理想情況下，在軌定標(biāo)系數(shù)應(yīng)該非常穩(wěn)定，地氣系統(tǒng)微波輻射特征信息蘊(yùn)含在對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)中，通過穩(wěn)定的定標(biāo)系數(shù)轉(zhuǎn)換得到天線亮溫，并進(jìn)一步通過天線訂正等得到目標(biāo)亮溫。

正常情況下，冷空和熱源定標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)的隨機(jī)脈動(dòng)反映的是儀器靈敏度特征，當(dāng)脈動(dòng)量超過質(zhì)控閾值(3倍標(biāo)準(zhǔn)差)，一般認(rèn)為數(shù)據(jù)異常，不參與定標(biāo)系數(shù)計(jì)算。為了保證定標(biāo)系數(shù)的穩(wěn)定，對(duì)每條掃描線進(jìn)行定標(biāo)數(shù)據(jù)的質(zhì)檢和控制，同時(shí)還以50個(gè)掃描線為1個(gè)質(zhì)檢周期進(jìn)行掃描線間定標(biāo)數(shù)據(jù)一致性的質(zhì)檢和控制。最后以7條線為1個(gè)定標(biāo)周期通過三角平滑算法確定每條掃描線的平均定標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算定標(biāo)系數(shù)[8]。一般隨機(jī)孤立的異常數(shù)據(jù)通過業(yè)務(wù)的質(zhì)檢和控制，會(huì)被濾除。

受風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)在軌觀測(cè)模式制約，在特定時(shí)間段月球會(huì)進(jìn)到其冷空觀域，污染冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)，影響微波濕度計(jì)在軌輻射定標(biāo)結(jié)果。美國(guó)業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星上裝載的同類載荷，也都受到月球影響，因各衛(wèi)星平臺(tái)軌道特征及具體冷空觀測(cè)模式不同，月球?qū)Χ?biāo)的影響情況也略有差別[9]。

月球進(jìn)入微波濕度計(jì)冷空觀域后，影響在軌輻射定標(biāo)結(jié)果，會(huì)造成觀測(cè)場(chǎng)與背景場(chǎng)亮溫標(biāo)準(zhǔn)差異常升高，影響大氣參數(shù)反演精度和輻射數(shù)據(jù)同化應(yīng)用質(zhì)量。美國(guó)和歐洲的極軌衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)都在數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件中對(duì)月球影響進(jìn)行相應(yīng)修正。美國(guó)在早期的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件系統(tǒng)中只對(duì)受到影響的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，不建議用戶定量應(yīng)用；2000年12月他們根據(jù)英國(guó)氣象局提供的修正算法在其預(yù)處理軟件系統(tǒng)中增加了月球影響修正功能，一定程度上改善了因月球進(jìn)入冷空觀域造成的全球觀測(cè)場(chǎng)與背景場(chǎng)亮溫標(biāo)準(zhǔn)差異常，保證了大氣探測(cè)輻射數(shù)據(jù)同化中數(shù)據(jù)的使用效率和同化效果。之后歐美新一代同類載荷均沿用同一月球影響的修正策略[10-12]。

風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)在軌運(yùn)行后同樣遇到月球影響，本文針對(duì)風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)特征，分析月球?qū)︼L(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)冷空定標(biāo)觀測(cè)的影響情況，建立訂正模型，有效抑制月球?qū)ξ⒉穸扔?jì)在軌輻射定標(biāo)的影響，確保風(fēng)云三號(hào)微波濕度計(jì)在定量反演及數(shù)值預(yù)報(bào)同化應(yīng)用中數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率及效果[13-16]。

1 月球?qū)︼L(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)定標(biāo)觀測(cè)影響

風(fēng)云三號(hào)A星在軌運(yùn)行期間，月球影響造成微波濕度計(jì)大氣參數(shù)反演精度下降，輻射亮溫資料同化應(yīng)用失敗。實(shí)際在軌數(shù)據(jù)分析可以揭示月球影響程度和影響持續(xù)時(shí)間以及在軌冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)變特征。以2010年為例，風(fēng)云三號(hào)微波濕度計(jì)每天繞地球完成14條軌道觀測(cè)，全年約5110條軌道中共有109條軌道受到月球影響，其中，9月影響頻次最高達(dá)到42條軌道，7月為11條軌道，而7月4日5條軌道受到月球影響。月球影響期間，微波濕度計(jì)對(duì)地觀測(cè)通道亮溫?cái)?shù)據(jù)異常，嚴(yán)重影響反演和同化應(yīng)用。

圖1是微波濕度計(jì)中心頻點(diǎn)位于183.31±1 GHz 通道冷空和黑體觀測(cè)數(shù)據(jù)受月球影響的對(duì)比圖。其中，圖1a和圖1b是2008年11月22日以23:57(世界時(shí)，下同)為起始時(shí)刻，風(fēng)云三號(hào)A星繞地球一圈微波濕度計(jì)183.31±1 GHz通道冷空和黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)的軌道變化曲線。此時(shí)月球沒有產(chǎn)生影響，冷空和黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值數(shù)據(jù)二者表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，可以得到正常的輻射定標(biāo)線；而2010年7月4日以00:42為起始時(shí)刻的一軌數(shù)據(jù)，圖1c和圖1d同樣是風(fēng)云三號(hào)A星繞地球一圈微波濕度計(jì)冷空和黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值，冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)卻出現(xiàn)了最大近1000個(gè)計(jì)數(shù)值的異常升高，而此時(shí)黑體觀測(cè)數(shù)據(jù)并未跳變，根據(jù)月球軌道計(jì)算結(jié)果，此時(shí)月球正位于微波濕度計(jì)冷空觀域。受月球影響，冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)嚴(yán)重偏離正常值，引起定標(biāo)異常，定標(biāo)系數(shù)跳變。此次月球影響事件持續(xù)了近100個(gè)掃描周期，其間冷空數(shù)據(jù)發(fā)生不同程度異常。

圖1 月球?qū)ξ⒉穸扔?jì)冷空觀測(cè)影響實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比 (a)正常情況下冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)，(b)正常情況下黑體觀測(cè)數(shù)據(jù)，(c)受到月球影響的冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)，(d)與圖1c對(duì)應(yīng)的黑體觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig.1 Impact on space view from moon-glint (a)space view,(b)black body view, (c)space view contaminated by moon-glint,(d)black body view matching with Fig.1c

微波濕度計(jì)183.31±1 GHz通道冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為28.2個(gè)計(jì)數(shù)值，數(shù)據(jù)質(zhì)檢控制閾值為85。圖2說明了月球逐漸進(jìn)入冷空觀域過程中，冷空計(jì)數(shù)值、差值、質(zhì)量標(biāo)識(shí)和平均值的變化情況。冷空計(jì)數(shù)值逐漸升高過程中，相鄰掃描線間計(jì)數(shù)值差值的變化出現(xiàn)波動(dòng)(圖2中三角標(biāo)記線)，業(yè)務(wù)質(zhì)檢和控制算法能檢出大部分異常數(shù)據(jù)(圖2中質(zhì)檢標(biāo)識(shí)為500的數(shù)據(jù)點(diǎn))，但在月球事件的起始、結(jié)束以及中間發(fā)展階段，仍有些異常數(shù)據(jù)不能被檢出，在圖2個(gè)例中，約有近20個(gè)異常數(shù)據(jù)未被檢出。檢出的異常數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)算法只對(duì)隨機(jī)孤立的異常數(shù)據(jù)有自適應(yīng)糾正能力，連續(xù)的異常數(shù)據(jù)，得不到具有代表性的冷空觀測(cè)平均值，所以圖2中冷空計(jì)數(shù)平均值曲線在月球影響區(qū)間，平均值計(jì)算失敗，未得到有效結(jié)果。進(jìn)而業(yè)務(wù)系統(tǒng)會(huì)讀取靜態(tài)參考定標(biāo)系數(shù)，參考定標(biāo)系數(shù)是根據(jù)發(fā)射前地面真空定標(biāo)試驗(yàn)分析得到，依據(jù)參考定標(biāo)系數(shù)對(duì)上述異常掃描周期進(jìn)行輻射定標(biāo)處理，結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大誤差，影響大氣參數(shù)反演和同化應(yīng)用。因此，需要具體針對(duì)月球影響進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)檢和控制，采用特殊算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖2 月球影響過程中掃描線間冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)變化情況Fig.2 The change of space view data between scan-lines during a moon-glint

風(fēng)云三號(hào)微波濕度計(jì)在軌儀器工作穩(wěn)定性通過接收機(jī)增益監(jiān)測(cè)，接收機(jī)溫度和儀器老化是引起增益變化的主要因素。為了保證在軌接收機(jī)增益的穩(wěn)定性，微波濕度計(jì)設(shè)計(jì)有在軌自動(dòng)增益調(diào)整功能,用來補(bǔ)償儀器增益的變化，保證增益的長(zhǎng)期穩(wěn)定。圖3是2008年7月22日微波濕度計(jì)無月球影響條件下，在軌正常運(yùn)行一圈過程中，接收機(jī)增益隨溫度的變化情況?？梢钥吹?，期間在軌被動(dòng)溫控的微波濕度計(jì)接收機(jī)溫度有2.0 K的緩慢規(guī)律性變化；期間增益變化穩(wěn)定，平均值為46.73個(gè)計(jì)數(shù)值/K，標(biāo)準(zhǔn)差為0.14個(gè)計(jì)數(shù)值/K。儀器工作狀態(tài)的穩(wěn)定為建立月球影響濾除模型奠定了基礎(chǔ)。

圖3 接收機(jī)增益和儀器溫度變化特性Fig.3 The basic data distribution during an orbit observation

風(fēng)云三號(hào)A星微波濕度計(jì)各通道冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)的軌道分布具有獨(dú)特形式，軌道間分布特征具有很好的重復(fù)性。圖4是微波濕度計(jì)通道183±1 GHz 冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)多軌分布，可以看到,冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)軌道間分布一致。

圖4 2008年7月22日微波濕度計(jì)183±1 GHz通道冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)多軌分布Fig.4 The distribution of space view data for FY-3A/MWHS 183.31±1 GHz channel over orbits on 22 Jul 2008

2 月球影響微波濕度計(jì)輻射定標(biāo)機(jī)理分析

冷空背景的微波輻射是風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)在軌輻射定標(biāo)的冷端參考點(diǎn)。圖5a是風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)掃描觀測(cè)模式示意圖。微波濕度計(jì)在垂直于衛(wèi)星前進(jìn)方向的平面內(nèi)逆時(shí)針交軌掃描，熱源黑體觀測(cè)值中心點(diǎn)定義為0°，冷空觀測(cè)3個(gè)點(diǎn)分別為106.1°,107.1°和108.1°。月球在特定的軌道位置會(huì)進(jìn)入微波濕度計(jì)冷空觀域，影響微波濕度計(jì)的在軌定標(biāo)。月球直徑為3474.8 km，地月平均距離為384400 km，月球?qū)︼L(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星的視張角約為0.5°(圖5b)。微波濕度計(jì)瞬時(shí)視場(chǎng)角為1.1°，在微波濕度計(jì)儀器坐標(biāo)系下當(dāng)月球天頂角為72.9°、月球方位角為90°時(shí)，月球進(jìn)入了冷空視場(chǎng)，甚至進(jìn)入微波濕度計(jì)主波束。

微波濕度計(jì)在軌輻射定標(biāo)過程中一般認(rèn)為宇宙背景溫度為2.73 K，在微波濕度計(jì)150～183 GHz的頻率范圍內(nèi)，月球亮溫一般為170～200 K[9]，因此，對(duì)于波束寬度為1.1°的微波濕度計(jì)而言，冷空觀域內(nèi)出現(xiàn)月球時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯變化，這種影響甚至持續(xù)100個(gè)掃描周期。

圖5 風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)受月球影響示意圖 (a)月球進(jìn)入微波濕度計(jì)冷空觀域示意圖，(b)月球?qū)πl(wèi)星視張角Fig.5 Sketch map of FY-3/MWHS affected by the moon (a)Scanning sketch map of FY-3/MWHS when the moon in space area，(b)moon solid angle to FY-3 satellite center

月球進(jìn)入微波濕度計(jì)冷空觀域后，使微波濕度計(jì)觀測(cè)到的冷空計(jì)數(shù)值升高，影響最大的情形是月球位于微波濕度計(jì)天線主波束中心，如果假定月球亮溫平均為185 K，此時(shí)微波濕度計(jì)冷空測(cè)值可能達(dá)到的平均亮溫簡(jiǎn)算約為Tb=(1.1-0.5)/1.1×2.73+0.5/1.1×185=85.6 K，遠(yuǎn)高于正常情況下的2.73 K。冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)受到影響后，會(huì)導(dǎo)致定標(biāo)結(jié)果異常。

風(fēng)云三號(hào)A星微波濕度計(jì)在軌首先計(jì)算線性定標(biāo)系數(shù)，然后進(jìn)行非線性亮溫訂正[6-7]。線性定標(biāo)系數(shù)計(jì)算公式為

R=aCe+b,

(1)

式(1)中,R為對(duì)地觀測(cè)亮溫，a，b為線性定標(biāo)系數(shù)，Ce為對(duì)地觀測(cè)計(jì)數(shù)值。

(2)

圖6顯示了月球?qū)Χ?biāo)影響的機(jī)理，正常定標(biāo)線為2.73 K的冷空參考點(diǎn)A和熱源參考點(diǎn)C(在軌平均狀態(tài)下為282 K)的連線；冷空受到月球影響后觀測(cè)計(jì)數(shù)值升高，如果冷空仍按照2.73 K來進(jìn)行輻射定標(biāo)，冷空參考點(diǎn)相當(dāng)于移到A′，A′與C兩點(diǎn)確定的定標(biāo)線斜率相對(duì)于直線AC增加了，這種情況甚至能導(dǎo)致對(duì)地觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生超過20 K的亮溫負(fù)偏差(如圖6所示)，因此，必須對(duì)受到月球影響的冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正。月球影響修正有兩個(gè)思路，其一是根據(jù)月球軌道預(yù)報(bào)結(jié)果判斷月球的影響程度，結(jié)合月球微波輻射模型直接估算影響后的冷空目標(biāo)溫度，得到新的冷空參考點(diǎn)B，也就是令A(yù)′回到B點(diǎn)位置；另外的修正思路是估算沒有月球影響時(shí)冷空應(yīng)該有的觀測(cè)計(jì)數(shù)值，盡量使A′與A重合。兩個(gè)思路均使影響后的定標(biāo)線(A′C)盡量與正常定標(biāo)線(AC)重合，確保微波濕度計(jì)遙感數(shù)據(jù)的定量應(yīng)用。能否將A′推到直線AC上，取決于微波濕度計(jì)在軌冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化是否有穩(wěn)定的規(guī)律。

如果月球微波輻射特性已知，可以同時(shí)得到干凈的冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)和月球影響時(shí)的冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及熱源定標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，可用于在軌實(shí)時(shí)非線性定標(biāo)，提高在軌輻射定標(biāo)精度。

圖6 月球影響微波濕度計(jì)定標(biāo)示意圖Fig.6 Sketch map of how the moon affecting on the FY-3A/MWHS space view

3 月球?qū)淇沼^測(cè)影響的修正

3.1 月球影響修正方法

月球影響修正目的是抑制月球?qū)椛涠?biāo)結(jié)果的影響，保持定標(biāo)系數(shù)的正確、穩(wěn)定和一致。月球?qū)ξ⒉穸扔?jì)冷空造成影響時(shí)，如果熱源觀測(cè)數(shù)據(jù)正常，可以根據(jù)冷熱源觀測(cè)數(shù)據(jù)差，或直接根據(jù)定標(biāo)系數(shù)判斷數(shù)據(jù)異常，采取濾除措施。但在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行中情況比較復(fù)雜，有時(shí)月球影響同時(shí)伴隨太陽(yáng)以及其他恒星的影響，而熱源也經(jīng)常有異常干擾，使冷熱源觀測(cè)數(shù)據(jù)或定標(biāo)系數(shù)異常的原因變得復(fù)雜，且無法分離不同的影響因素，因此，一般月球影響的判識(shí)和濾除采用常規(guī)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)質(zhì)控與衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)相結(jié)合的方法，判識(shí)月球是否影響到冷空觀測(cè)，并進(jìn)行濾除處理。

根據(jù)軌道預(yù)報(bào)可以得到月球移入和移出微波濕度計(jì)冷空觀域的時(shí)間，可以確定月球影響微波濕度計(jì)的具體掃描周期。在建立微波濕度計(jì)月球影響數(shù)據(jù)修正模型時(shí)，首先需要分析儀器特性和冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)的軌道分布特征建立模型，然后通過多項(xiàng)式擬合得到擬合曲線，外推受到影響掃描線的冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)。由圖1可以看到，微波濕度計(jì)冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)每個(gè)波峰兩側(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)隨掃描線的變化不完全對(duì)稱，數(shù)據(jù)的下降比上升快，為此，采用分段擬合刻畫冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)的軌道分布。多項(xiàng)式擬合過程中，首先根據(jù)軌道預(yù)報(bào)結(jié)果判斷月球進(jìn)入冷空觀域的掃描線，濾除所有受到影響掃描線的冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)未受到影響數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合：

(3)

式(3)中，Cc為冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值，l為掃描線序號(hào)，an為多項(xiàng)式擬合系數(shù)，N為多項(xiàng)式的最高階數(shù)，根據(jù)最小殘差原理確定。分段擬合后得到擬合方程，外推冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖7是從與圖1相同的軌道中截取受到月球影響的120條掃描線數(shù)據(jù)月球并未影響到星下點(diǎn)對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)；但由于月球?qū)淇沼^測(cè)數(shù)據(jù)的影響，改變了定標(biāo)系數(shù)，使影響濾除前后星下點(diǎn)對(duì)地觀測(cè)亮溫值不同，受到月球影響后星下點(diǎn)亮溫(圖中灰色數(shù)據(jù)點(diǎn))下降，背離了原始對(duì)地觀測(cè)計(jì)數(shù)值的變化趨勢(shì)。圖7c是月球影響修正前后冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況，多項(xiàng)式擬合修正有效濾除了月球?qū)淇沼^測(cè)數(shù)據(jù)的影響。修正冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)后重新進(jìn)行定標(biāo)處理，得到圖7a中黑色曲線，可以看到訂正月球影響后，星下點(diǎn)對(duì)地觀測(cè)亮溫得到修正，變化趨勢(shì)與對(duì)地觀測(cè)原始計(jì)數(shù)值變化趨勢(shì)一致。由圖7a結(jié)果看，月球影響甚至接近100個(gè)掃描周期。從冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)中濾除月球影響，保證資料的定量應(yīng)用。

3.2 月球影響修正效果

冷空數(shù)據(jù)平滑處理過程中，會(huì)丟失定標(biāo)數(shù)據(jù)的隨機(jī)噪聲，輻射定標(biāo)處理過程不進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的平滑處理，因此，地氣系統(tǒng)微波輻射特性細(xì)節(jié)仍保留在對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)中。對(duì)冷空數(shù)據(jù)進(jìn)行影響訂正處理，盡可能在數(shù)據(jù)前端進(jìn)行影響濾除，對(duì)后端數(shù)據(jù)的影響可得到抑制。由圖4可以看到，微波濕度計(jì)繞地球運(yùn)行過程中，每圈冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化具有很好的重復(fù)性，而微波濕度計(jì)接收機(jī)增益的變化也非常穩(wěn)定(圖3)，表明被動(dòng)溫控的微波濕度計(jì)在軌性能穩(wěn)定。

利用多項(xiàng)式擬合外推消除月球影響后，對(duì)地觀測(cè)亮溫?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量得到改善，多項(xiàng)式擬合的冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)與非影響樣本間相關(guān)系數(shù)達(dá)到99.98%，平均偏差為18.7個(gè)計(jì)數(shù)值，標(biāo)準(zhǔn)差為8.45個(gè)計(jì)數(shù)值，表明擬合外推產(chǎn)生的誤差低于微波濕度計(jì)通道噪聲(28.2個(gè)計(jì)數(shù)值)。

月球影響修正效果也可以通過與同類載荷MetOp-A/MHS的交叉比對(duì)進(jìn)行說明。利用月球影響修正前后冷空定標(biāo)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)處理，得到修正前后星下點(diǎn)亮溫?cái)?shù)據(jù)(圖7a)。將FY-3A/MWHS星下點(diǎn)亮溫?cái)?shù)據(jù)與時(shí)間間隔不超過30 min的MetOp-A/MHS數(shù)據(jù)進(jìn)行空間匹配，匹配時(shí)按照3×3像元進(jìn)行輻射均勻性檢驗(yàn)[7]，并對(duì)匹配數(shù)據(jù)進(jìn)行晴空檢測(cè)，最后在月球影響期間得到匹配的均勻晴空數(shù)據(jù)樣本近40個(gè)。匹配數(shù)據(jù)亮溫偏差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：對(duì)月球影響進(jìn)行修正后，匹配數(shù)據(jù)亮溫均方根誤差從修正前的17.0 K 降低到1.93 K，標(biāo)準(zhǔn)差從修正前的4.25 K降低到1.58 K。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，修正月球影響后，交叉比對(duì)匹配數(shù)據(jù)亮溫均方根誤差和標(biāo)準(zhǔn)差都得到了改善，交叉比對(duì)結(jié)果達(dá)到了微波濕度計(jì)在軌初期測(cè)試的精度結(jié)果。

圖7 星下點(diǎn)對(duì)地觀測(cè)亮溫變化(a)星下點(diǎn)亮溫，(b)星下點(diǎn)計(jì)數(shù)值，(c)冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值Fig.7 Brightness temperature for sub-points during an orbit observation(a)brightness temperatures for sub-point lines， (b)earth views for sub-point lines，(c)space views

4 小 結(jié)

風(fēng)云三號(hào)A星微波濕度計(jì)數(shù)據(jù)在軌業(yè)務(wù)應(yīng)用中，月球一旦進(jìn)入冷空定標(biāo)觀域，會(huì)影響大氣參數(shù)的精確反演和數(shù)據(jù)的同化應(yīng)用。本文針對(duì)月球?qū)Χ?biāo)觀測(cè)的影響展開分析，得到如下結(jié)論：

1) 月球進(jìn)入微波濕度計(jì)冷空觀域會(huì)影響冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)，影響在軌輻射定標(biāo)精度，在本文分析個(gè)例中，月球影響使FY-3A/MWHS的183.31±1 GHz通道冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)升高1000個(gè)計(jì)數(shù)值，如果不濾除月球影響，會(huì)造成對(duì)地觀測(cè)亮溫偏低約20 K。

2) 月球?qū)ξ⒉穸扔?jì)冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)的持續(xù)影響在一條軌道上會(huì)接近100個(gè)掃描周期，根據(jù)經(jīng)典軌道預(yù)報(bào)模型可預(yù)報(bào)月球影響冷空觀測(cè)的時(shí)間段，因此，可有效檢測(cè)出受到月球影響的數(shù)據(jù)。

3) 根據(jù)軌道預(yù)報(bào)，結(jié)合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)質(zhì)檢和控制算法，可以剔除受月球影響的冷空觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用分段多項(xiàng)式擬合建立修正模型外推，有效去除月球?qū)淇沼^測(cè)數(shù)據(jù)的影響，使定標(biāo)方程回到合理形態(tài)，修正后的定標(biāo)結(jié)果通過與參考載荷MetOp-A/MHS交叉比對(duì)，達(dá)到在軌測(cè)試的結(jié)果，保證微波濕度計(jì)資料的定量反演和同化應(yīng)用。

月球進(jìn)入微波濕度計(jì)冷空觀測(cè)域，對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響的同時(shí)，也提供了一個(gè)在軌輻射定標(biāo)參考點(diǎn)，未來隨著對(duì)月球微波輻射特性的深入研究以及載荷定標(biāo)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有可能利用月球進(jìn)行微波濕度計(jì)的在軌三點(diǎn)非線性輻射定標(biāo)，進(jìn)一步提高微波濕度計(jì)的在軌定標(biāo)精度。

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The Analysis and Correction of Lunar Intrusion to Space View of FY-3A/MWHS

Gu Songyan Wu Ronghua You Ran

(TheKeyLaboratoryofRadiometricCalibrationandValidationforEnvironmentalSatellites,ChinaMeteorologicalAdministration(LRCVES/CMA),NationalSatelliteMeteorologicalCenter,Beijing100081)

The microwave humidity sounder(MWHS) is an important payload of FY-3A launched on 27 May 2008, for global all-weather atmosphere sounding. FY-3A/MWHS has been in operational application on orbit for more than 5 years. FY-3A/MWHS has five channels in the range of 150-191 GHz. In the normal working mode, it performs a cross-track scanning and cycle two points calibration by using of the blackbody and space views. However, the moon may occasionally appear within the cold space calibration field of view. Due to the polar orbit of the platform, it will always appear to be near the -90 phase and then have a brightness temperature of approximately 170-200 K. Its angular extent is about 0.5. Lunar radiation could therefore be significant against a cold sky background, especially for the narrow-beamed MWHS. Lunar intrusion to space view of MWHS may make a moon-glint, which typically affects about 100 scan lines per orbit for 4-5 consecutive orbits. Lunar intrusion cases are detectable as the degradation in NWP model statistics.

Based on analysis of lunar intrusion cases and effects, a mitigation algorithm is developed to improve calibration results of FY-3A/MWHS in orbit.

In the algorithm, the position of the moon is calculated using standard astronomical formula, and the intruding time is flagged. After that an approximation by polynomial model is devised to remove the moon-glint. On 4 July 2010, the moon-glint makes more than 1000 digital number abnormal jumping, and 20 degree degradation in brightness at sub-points line for FY-3A/MWHS 183.31±1 GHz channel.

By using of the cross calibration technique between corresponding channels of FY-3/MWHS and MetOp-A/MHS, an extensive analysis is carried out to make the best fitted global SNO samples. The lunar intrusion mitigation algorithm is tested, and results show that after removing the moon-glint effects, corrected calibration results are almost the same with what got during check in orbit.

The lunar intrusion mitigation algorithm works well and has been used in operation, providing the foundation of quantitative application for data of FY-3A/MWHS in NWP. Lunar intrusion also gives a clear view of the moon when it appears in the field of space view. Since there is no intervening atmosphere to attenuate the signal, which makes it possible to perform a cross-channel calibration.

microwave humidity sounder; radiation calibration; lunar intrusion; polynomial correction model

10.11898/1001-7313.20150406

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41475030)

谷松巖,吳榮華,游然. FY-3A/MWHS冷空測(cè)值受月球影響分析及修正. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2015，26(4)：442-450.

2014-12-30收到， 2015-03-31收到再改稿。

* 通信作者， email: wurh@cma.gov.cn