風(fēng)云三號(hào)C星微波濕溫探測(cè)儀的定標(biāo)和驗(yàn)證

郭楊，盧乃錳，漆成莉，谷松巖，許健民

1 南京信息工程大學(xué)，南京 210044

2 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心中國(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(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

1 引言

風(fēng)云三號(hào)C星是我國(guó)第二代極軌氣象衛(wèi)星的首發(fā)業(yè)務(wù)應(yīng)用衛(wèi)星，于2013年9月23日成功發(fā)射.微波濕溫探測(cè)儀（MWHTS）是裝載在風(fēng)云三號(hào)C星上的重要儀器之一，它和升級(jí)以后的微波溫度計(jì)II型（MWTS－II），紅外分光計(jì)（IRAS）構(gòu)成大氣垂直探測(cè)儀器組，獲取全球大氣水汽和溫度垂直分布數(shù)據(jù)，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)，得到全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)同化專(zhuān)家的廣泛關(guān)注.

MWHTS的前身是裝載在FY－3A和FY－3B上的微波濕度計(jì)（MWHS），MWHS資料已經(jīng)用于反演大氣水汽，估計(jì)降水，預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)路徑和ECMWF的同化系統(tǒng)等（陸其峰，2011；何杰穎和張升偉，2012；杜明斌等，2012；崔林麗等，2012；楊引明等，2012）.國(guó)際上在軌運(yùn)行的同類(lèi)微波載荷有美國(guó)NOAA系列衛(wèi)星上的AMSU－B、HSB和 MHS，歐洲METOP衛(wèi)星上的AMSU－B和MHS以及美國(guó)2011年發(fā)射的 Suomi National Polar－Orbiting Partnership（SNPP）上的ATMS.星載微波儀器的定標(biāo)主要包括發(fā)射前在地面真空罐里進(jìn)行的輻射定標(biāo)和發(fā)射后在軌定標(biāo)兩方面.發(fā)射前地面定標(biāo)為儀器在軌定標(biāo)提供基礎(chǔ)參數(shù)，確定儀器在真空條件下的定標(biāo)準(zhǔn)確度和靈敏度等主要技術(shù)指標(biāo)（Saunders et al.，1995；NPP ATMS Science Team，2007；JPL，2012）.AMSU－B、HSB、MHS和AMTS在軌星上定標(biāo)都采用兩點(diǎn)定標(biāo)的方式進(jìn)行.但是，由于無(wú)法確定觀測(cè)目標(biāo)的亮溫真值，因此對(duì)這類(lèi)微波儀器在軌定標(biāo)精度的評(píng)估并沒(méi)有直接方法.目前國(guó)際上普遍采用外場(chǎng)輻射校正，同類(lèi)載荷交叉比對(duì)，正演輻射傳輸模式模擬和儀器實(shí)際觀測(cè)之間的偏差分析等方式對(duì)微波儀器在軌定標(biāo)精度進(jìn)行驗(yàn)證.地表比輻射率的不確定性和觀測(cè)樣本的不足都會(huì)影響外場(chǎng)輻射校正方法對(duì)儀器定標(biāo)精度的評(píng)估；同類(lèi)載荷交叉比對(duì)方法存在參考載荷在軌輻射定標(biāo)結(jié)果精度未知的不確定性；正演輻射傳輸模式的精度會(huì)影響利用模式模擬結(jié)果和儀器實(shí)測(cè)值的偏差特性來(lái)評(píng)估儀器精度的準(zhǔn)確性.盡管上述驗(yàn)證方法都會(huì)存在一定弊端，但在檢驗(yàn)真值未知的情況下綜合利用多種手段來(lái)評(píng)估儀器精度具有可行性.利用上述方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)這類(lèi)微波大氣垂直溫濕度探測(cè)載荷的在軌工作性能，數(shù)據(jù)質(zhì)量以及儀器探測(cè)資料在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用效果進(jìn)行了廣泛深入地研究分析（Prigent et al.，2005；Zhao et al.，2005；Karbou et al.，2010；Weng et al.，2012；Weng et al.，2013；Bormann et al.，2013；Kim et al.，2014）.

MWHTS在發(fā)射前開(kāi)展了地面熱真空試驗(yàn)，獲得了星載定標(biāo)系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù).在風(fēng)云三號(hào)C星發(fā)射后，MWHTS于2013年9月30日13時(shí)34分打開(kāi)，打開(kāi)后各通道進(jìn)入正常工作狀態(tài).本文利用微波濕溫探測(cè)儀在軌正常運(yùn)行后2013年10月1日—12月31日三個(gè)月在軌測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)MWHTS的儀器功能和通道性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，并完成了儀器在軌輻射定標(biāo)，最后對(duì)定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證，為MWHTS資料正式業(yè)務(wù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

2 MWHTS儀器簡(jiǎn)介

MWHTS的技術(shù)體制和FY－3A／B星微波濕度計(jì)（MWHS）相同（張升偉等，2008），都是超外差式接收機(jī)的全功率型微波輻射計(jì)，表1列出了微波濕溫探測(cè)儀的儀器特征.

作為MWHS的升級(jí)，MWHTS在探測(cè)通道上增加了位于氧氣吸收線118.75GHz附近的8個(gè)探測(cè)通道用于大氣溫度的垂直探測(cè)；在183.31GHz水汽吸收線附近新增了兩個(gè)探測(cè)通道用以獲得更加精細(xì)的大氣水汽垂直分布信息；在89GHz和150GHz的大氣窗區(qū)也設(shè)置有兩個(gè)探測(cè)通道可用于進(jìn)行降水判識(shí).設(shè)置在118.75GHz的一組毫米波探測(cè)通道是國(guó)際上業(yè)務(wù)衛(wèi)星首次使用的大氣探測(cè)通道，這組通道和183.31GHz通道對(duì)大氣進(jìn)行聯(lián)合探測(cè)，將提供更加精細(xì)的大氣溫濕度垂直分布信息，為數(shù)值預(yù)報(bào)和氣候研究提供豐富信息.MWHTS具體通道設(shè)置見(jiàn)表2.針對(duì)118.75GHz和183.31GHz通道，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)利用正演輻射傳輸模擬的方法研究了這些高頻微波通道的輻射特征和敏感性（陳洪濱，1999；Evans et al.，1998，1999；Staelin et al.，2000；Bizzarri et al.，2002；Leslie和Staelan，2002；陳洪濱和林龍福，2003；Peigent et al.，2006），為MWHTS資料在的大氣參數(shù)反演、臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值預(yù)報(bào)同化應(yīng)用等方面提供了理論基礎(chǔ).

表1 FY－3CMWHTS儀器特征Table 1 FY－3CMWHTS instrument characteristics

表2 FY－3CMWHTS通道特征參數(shù)Table 2 FY－3CMWHTS channel characteristics

3 MWHTS在軌性能監(jiān)測(cè)與定標(biāo)

MWHTS在軌星上輻射定標(biāo)是將儀器的原始遙感計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成微波輻射物理量的過(guò)程.定標(biāo)過(guò)程所使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括星上內(nèi)部熱源黑體和冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值、內(nèi)部熱源黑體PRT測(cè)量溫度和儀器工作溫度等.MWHTS的定標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)受儀器性能和平臺(tái)環(huán)境變化的影響有時(shí)會(huì)發(fā)生跳變從而失去代表性，進(jìn)而影響儀器定標(biāo)精度.因此，需要對(duì)定標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，訂正掉數(shù)據(jù)中的異常值，生成定標(biāo)系數(shù).

圖1和圖2分別是MWHTS 15個(gè)探測(cè)通道從2013年10月1日—12月31日在軌運(yùn)行三個(gè)月內(nèi)對(duì)儀器內(nèi)部熱源黑體的觀測(cè)計(jì)數(shù)值和對(duì)外部冷空的觀測(cè)計(jì)數(shù)值.可以看出，MWHTS每個(gè)通道對(duì)內(nèi)部黑體和外部冷空的觀測(cè)響應(yīng)具有一致性.通道15冷源觀測(cè)計(jì)數(shù)值的變化趨勢(shì)和其他通道相當(dāng)，但熱源觀測(cè)計(jì)數(shù)值在前期跳變劇烈，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增長(zhǎng)跳變幅度有減緩趨勢(shì)，該通道的工作性能有待進(jìn)一步監(jiān)測(cè)分析.

圖3是MWHTS從2013年10月1日—12月31日在軌運(yùn)行三個(gè)月的內(nèi)部黑體溫度和儀器溫度變化情況.MWHTS的89GHz和118.75GHz共用一個(gè)天線和熱定標(biāo)源，150GHz和183.31GHz共用一個(gè)天線和熱定標(biāo)源.利用5個(gè)鉑電阻（PRT）對(duì)星上每個(gè)熱源黑體進(jìn)行溫度測(cè)量，PRT觀測(cè)的平均值即為熱源的溫度.MWHTS在軌運(yùn)行期間，內(nèi)部黑體和儀器自身不具有主動(dòng)溫控能力，受衛(wèi)星平臺(tái)熱力條件制約被動(dòng)溫控，由圖3可以看出，MWHTS在軌工作時(shí)，熱源黑體溫度穩(wěn)定，儀器溫度和黑體溫度有緩慢上升并趨于平穩(wěn)趨勢(shì)，這和平臺(tái)與太陽(yáng)之間的位置關(guān)系密切相關(guān).

在MWHTS定標(biāo)過(guò)程中對(duì)定標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制可以保證儀器在軌定標(biāo)的精度和穩(wěn)定性，質(zhì)量控制的具體方法和步驟和FY－3A微波濕度計(jì)相同（Gu et al.，2012）.

MWHTS在軌輻射定標(biāo)方程和FY－3B微波濕度計(jì)相同，如公式（JPL，2012）（1）—（6）：

其中，C，Cw和Cc分別為MWHTS對(duì)地觀測(cè)，對(duì)內(nèi)部熱源觀測(cè)和對(duì)冷空觀測(cè)的計(jì)數(shù)值，R，Rw和Rc分別為MWHTS對(duì)地，對(duì)熱源和冷空觀測(cè)的輻射量，g為增益，q為非線性項(xiàng).非線性項(xiàng)q是由發(fā)射前地面熱真空試驗(yàn)得到，q的計(jì)算公式中Rs和Cs分別是地面熱真空試驗(yàn)中變溫源輻射量和輻射計(jì)觀測(cè)的變溫源計(jì)數(shù)值，Rm是由兩點(diǎn)定標(biāo)方法得到的變溫源輻射量.輻射量和亮溫的轉(zhuǎn)化基于普朗克公式.

經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)的在軌定標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合發(fā)射前真空試驗(yàn)得到的非線性訂正項(xiàng)，根據(jù)以上在軌定標(biāo)公式和儀器天線訂正系數(shù)（廠商提供的查找表），完成MWHTS對(duì)地觀測(cè)的定標(biāo).

圖1 FY－3CMWHTS 15個(gè)通道對(duì)內(nèi)部熱源黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值三個(gè)月在軌測(cè)試期間隨時(shí)間的變化Fig.1 Warm blackbody calibration counts as a function of date since launch for FY－3CMWHTS in three month

圖2 FY－3CMWHTS 15個(gè)通道對(duì)冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值三個(gè)月在軌測(cè)試期間隨時(shí)間的變化Fig.2 Cold space calibration counts as a function of date since launch for FY－3CMWHTS in three month

圖3 FY－3CMWHTS熱源黑體溫度（a）和儀器溫度（b）三個(gè)月在軌測(cè)試期間隨時(shí)間的變化Fig.3 Blackbody temperature（a）and instrument temperature（b）as a function of date since launch for FY－3CMWHTS in three month

4 MWHTS定標(biāo)精度評(píng)估

MWHTS在軌輻射定標(biāo)結(jié)果的精度和偏差特性是資料定量應(yīng)用的關(guān)鍵.MWHTS定標(biāo)精度的評(píng)估可以通過(guò)在軌場(chǎng)地定標(biāo)，同類(lèi)載荷在軌觀測(cè)亮溫直接交叉比對(duì)，借助正演輻射傳輸模式的儀器觀測(cè)偏差分析等多種方法進(jìn)行（Yang et al.，2012；Qi et al.，2012）.

4.1 場(chǎng)地定標(biāo)分析

云南普洱熱帶雨林是微波輻射校正的外場(chǎng)試驗(yàn)地，2013年12月5—13日開(kāi)展了星地同步野外觀測(cè)試驗(yàn).根據(jù)FY3C的衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)時(shí)間，選取衛(wèi)星通過(guò)輻射校正場(chǎng)上空時(shí)、大氣狀況滿足輻射校正觀測(cè)規(guī)范要求的時(shí)間釋放探空氣球并進(jìn)行地面同步觀測(cè)，獲取大氣溫濕廓線和地面溫度等大氣參數(shù)信息，再利用微波逐線正演輻射傳輸模式MonoRTM（Monochromatic Radiative Transfer Model）（Clough et al.，2005）模擬 MWHTS的上行微波輻射亮溫，與MWHTS實(shí)際觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，具體流程如圖4所示.晴空條件下定標(biāo)觀測(cè)結(jié)果分析見(jiàn)圖5，圖中實(shí)心圓加實(shí)線表示MWHTS各通道的定標(biāo)精度設(shè)計(jì)指標(biāo)，正方形加虛線表示野外場(chǎng)地定標(biāo)結(jié)果，由圖可見(jiàn)，MWHTS除通道14的定標(biāo)亮溫偏差超過(guò)3K外，其他通道的定標(biāo)精度均小于1.3K.

圖4 FY－3CMWHTS場(chǎng)地定標(biāo)流程Fig.4 FY－3CMWHTS flow chart of post launch site calibration

圖5 FY－3CMWHTS場(chǎng)地定標(biāo)結(jié)果Fig.5 Results of post launch site calibration for FY－3CMWHTS

4.2 在軌同類(lèi)載荷交叉比對(duì)分析

兩個(gè)通道特性一致的同類(lèi)星載被動(dòng)微波載荷同時(shí)觀測(cè)同一目標(biāo)，觀測(cè)亮溫的差異主要取決于兩個(gè)載荷的定標(biāo)系統(tǒng)偏差.因此，可利用已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用和驗(yàn)證的同類(lèi)微波載荷對(duì)MWHTS進(jìn)行交叉比對(duì)，從而評(píng)價(jià)定標(biāo)精度.選取美國(guó)新一代極軌環(huán)境衛(wèi)星SNPP上的ATMS作為MWHTS的參考載荷，ATMS和MWHTS一樣，都是可以同時(shí)進(jìn)行大氣溫度和濕度探測(cè)的星載微波儀器.它們利用183.31GHz進(jìn)行大氣濕度探測(cè)的頻點(diǎn)相同，在大氣溫度探測(cè)頻點(diǎn)，ATMS沿襲了NOAA系列的AMSU－A在50～60GHz的氧氣吸收帶設(shè)置通道.MWHTS和ATMS的相似通道由表3給出，由表可見(jiàn)，兩個(gè)儀器在窗區(qū)通道的中心頻點(diǎn)有所差異，MWHTS通道1和通道10的中心頻點(diǎn)分別設(shè)置在89GHz和150GHz，ATMS的對(duì)應(yīng)通道中心頻點(diǎn)設(shè)置在88.2GHz和165.5GHz.研究中進(jìn)行交叉比對(duì)的通道為MWHTS通道1，通道10和通道11—15.

表3 FY－3CMWHTS和SNPP ATMS對(duì)應(yīng)通道表Table 3 Corresponding channels between FY－3CMWHTS and SNPP ATMS

基于 SNO （Simultaneous Nadir Overpass）技術(shù)（Cao et al.，2005；Yan and Weng，2008），選取2013年12月7—11日FY3C和SNPP軌道相交時(shí)對(duì)應(yīng)通道的觀測(cè)亮溫進(jìn)行比對(duì)分析.觀測(cè)亮溫時(shí)空匹配及均勻性檢驗(yàn)的條件為：觀測(cè)時(shí)間差異小于20 min，觀測(cè)角度在星下點(diǎn)附近差異小于5°，觀測(cè)像元中心距離小于3km，觀測(cè)像元周?chē)?×3像元內(nèi)的亮溫標(biāo)準(zhǔn)差小于1K.對(duì)匹配上的觀測(cè)亮溫進(jìn)行比對(duì)分析，結(jié)果如圖6所示.對(duì)于每個(gè)交叉比對(duì)通道，圖中都分別給出了MWHTS和ATMS觀測(cè)亮溫的散點(diǎn)分布（圖中紅線是y＝ax＋b的散點(diǎn)擬合直線，綠線是y＝x的對(duì)角線），以及ATMS和MWHTS觀測(cè)亮溫差的頻率分布圖.由圖可見(jiàn)，MWHTS窗區(qū)通道（通道1和通道10）和對(duì)應(yīng)的ATMS兩個(gè)窗區(qū)通道（通道16和通道17）的觀測(cè)亮溫偏差較大，這是由于兩個(gè)儀器的窗區(qū)通道中心頻點(diǎn)設(shè)置存在差異所引起（如表3所示），MWHTS通道10和ATMS通道17的中心頻點(diǎn)差異最大，所以其亮溫偏差也最大；MWHTS通道13和通道14受到150GHz的諧波干擾，和ATMS通道20和通道19的觀測(cè)亮溫偏差次大；兩個(gè)儀器其他可比通道的觀測(cè)亮溫一致性較好.

圖6 FY－3CMWHTS和SNPP ATMS相應(yīng)通道交叉比對(duì)的亮溫散點(diǎn)分布和偏差特征（A）MWHTS通道1；（B）MWHTS通道10；（C）MWHTS通道11；（D）MWHTS通道12；（E）MWHTS通道13；（F）MWHTS通道14；（G）MWHTS通道15.Fig.6 Brightness temperature and bias characteristics for each corresponding channels of FY－3CMWHTS versus that of SNPP ATMS（A）MWHTS channel 1；（B）MWHTS channel 10；（C）MWHTS channel 11；（D）MWHTS channel 12；（E）MWHTS channel 13；（F）MWHTS channel 14；（G）MWHTS channel 15.

表4給出了MWHTS和ATMS觀測(cè)亮溫交叉比對(duì)的偏差均值和標(biāo)準(zhǔn)差具體數(shù)值.偏差均值表示兩個(gè)儀器觀測(cè)亮溫的絕對(duì)差異，標(biāo)準(zhǔn)差表示兩個(gè)儀器觀測(cè)亮溫偏差的穩(wěn)定性.對(duì)于數(shù)值同化預(yù)報(bào)應(yīng)用而言，偏差易于訂正，標(biāo)準(zhǔn)差的訂正比較困難.從表4可以看出，除了中心頻點(diǎn)設(shè)置存在差異的窗區(qū)通道外，MWHTS和ATMS可比通道的觀測(cè)亮溫誤差標(biāo)準(zhǔn)差都小于1K.

表4 FY－3CMWHTS和SNPP ATMS觀測(cè)亮溫交叉比對(duì)的偏差和標(biāo)準(zhǔn)差Table 4 Mean and standard deviation of observations between FY－3CMWHTS and SNPP ATMS

4.3 基于正演輻射傳輸模式的偏差分析

基于微波正演輻射傳輸模式，對(duì)MWHTS各通道進(jìn)行上行輻射亮溫模擬，模擬結(jié)果（O）和儀器實(shí)際觀測(cè)的亮溫（B）之間的差異記為“O－B”，對(duì)偏差值“O－B”進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析是評(píng)估儀器定標(biāo)精度的另一種方法.本文所用正演模式是由美國(guó)衛(wèi)星數(shù)據(jù)同化聯(lián)合中心開(kāi)發(fā)的CRTM（Community Radiative Transfer Model）（Weng et al.，2005；Weng，2007），模式的輸入廓線由美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心的全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)GDAS（Global Data Assimilation System）提供.

考慮到正演輻射傳輸模式的計(jì)算精度，CRTM的模擬范圍定為南北緯45°之間海洋下墊面的晴空情況，為了和上一節(jié)交叉比對(duì)方法統(tǒng)一，模擬時(shí)間段也定為2013年12月7—11日.根據(jù)FY3C業(yè)務(wù)系統(tǒng)生成的VIRR和VASS匹配數(shù)據(jù)剔除有云像元.表5給出MWHTS“O－B”的偏差均值和標(biāo)準(zhǔn)差，為了更好的分析MWHTS的儀器特性，表5也給出了同一時(shí)間段內(nèi)ATMS相應(yīng)通道的“O－B”統(tǒng)計(jì)結(jié)果.偏差分析結(jié)果表明，在MWHTS窗區(qū)通道（通道1，通道10）和ATMS相應(yīng)的窗區(qū)通道（通道16和通道17）“O－B”的標(biāo)準(zhǔn)差都較大，這是由于正演輻射傳輸模式中地表發(fā)射率很難確定，而窗區(qū)通道穿透性高，受地表發(fā)射率影響很大，因此窗區(qū)通道的標(biāo)準(zhǔn)差大.同樣的原因，越靠近氧氣吸收線和水汽吸收線遠(yuǎn)翼的通道，權(quán)重函數(shù)越接近地面，通道“O－B”的標(biāo)準(zhǔn)差越大.在118.75GHz氧氣吸收線附近的溫度探測(cè)通道標(biāo)準(zhǔn)差小.在183.31GHz附近的水汽吸收通道，MWHTS通道13和通道14的偏差均值大于－ATMS的相應(yīng)通道，和上一節(jié)交叉比對(duì)的結(jié)果一致；通道11，12和15的偏差均值小于ATMS的相應(yīng)通道.MWHTS“O－B”的標(biāo)準(zhǔn)差和同類(lèi)微波載荷ATMS的相應(yīng)通道相當(dāng).

表5 FY－3CMWHTS和SNPP ATMS偏差分析結(jié)果Table 5 Mean and standard deviation of“O－B”difference for FY3CMWHTS and SNPP ATMS

值得注意的是儀器中心頻率的漂移，正演模式模擬計(jì)算的精度以及模式輸入廓線自身的誤差都會(huì)對(duì)“O－B”產(chǎn)生影響.但是對(duì)于首次使用的探測(cè)頻點(diǎn)而言（如118.75GHz通道），由于國(guó)際上沒(méi)有同類(lèi)載荷可以進(jìn)行交叉比對(duì)，借助于正演輻射傳輸模式計(jì)算得到“O－B”偏差的分析結(jié)果可以在一定程度上反映儀器整體定標(biāo)情況.

MWHTS采用切軌掃描的方式獲得觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用這種方式進(jìn)行探測(cè)的儀器數(shù)據(jù)往往伴隨有角度依賴(lài)特性，即臨邊特性，這種特性除了有大氣程輻射的影響外，也與天饋系統(tǒng)的匹配和天線指向誤差有關(guān).大氣的不均一性會(huì)隨著儀器觀測(cè)角度的增加而增加，儀器觀測(cè)輻射在掃描角度大的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)阻擋，正演輻射傳輸模式在模擬過(guò)程中很難解決這些問(wèn)題，從而會(huì)使模擬結(jié)果和儀器觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生誤差（Weng et al.，2012）.為分析 MWHTS觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)角度依賴(lài)的特征，根據(jù)儀器掃描角度，對(duì)前面計(jì)算的“O－B”數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖7給出了 MWHTS 15個(gè)通道升軌（實(shí)線）和降軌（虛線）“O－B”偏差結(jié)果對(duì)角度依賴(lài)的情況.從圖中可以看到，通道1，通道7—13和通道15偏差對(duì)角度依賴(lài)特性明顯，其他通道的這種依賴(lài)比較弱；每個(gè)通道偏差分布線都存在一定程度的抖動(dòng)，具體成因還需進(jìn)一步研究；MWHTS的大部分通道“O－B”偏差隨掃描角度的變化在升軌和降軌時(shí)差異較小，在通道13和14這種差異比較明顯.衛(wèi)星資料應(yīng)用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)時(shí)，假定觀測(cè)誤差滿足無(wú)偏高斯分布，因此對(duì)這種角度依賴(lài)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行評(píng)估和濾除非常重要（Harris and Kelly，2001；Zou et al.，2011）.

通過(guò)上述三種方法對(duì)MWHTS的定標(biāo)精度進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn)，通道14的偏差較大，該通道資料在數(shù)值同化應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行偏差訂正；通道1，通道7—13和通道15偏差對(duì)角度依賴(lài)特性明顯，資料定量應(yīng)用時(shí)需注意臨邊效應(yīng)的影響.ATMS利用發(fā)射前地面真空試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合在軌儀器溫度得出儀器各通道天線亮溫的準(zhǔn)確度在0.5K以?xún)?nèi)，采用“O－B”偏差分析方法來(lái)評(píng)估儀器觀測(cè)亮溫的定標(biāo)精度（Weng et al.，2013；Kim et al.，2014）.MWHTS定標(biāo)精度的評(píng)估只針對(duì)儀器觀測(cè)亮溫進(jìn)行，天線溫度到儀器溫度轉(zhuǎn)化過(guò)程中的誤差分析還有待進(jìn)一步研究.通過(guò)MWHTS和ATMS各自“O－B”偏差特性的分析可以看出，MWHTS和ATMS頻率一致的15個(gè)水汽探測(cè)通道，除MWHTS通道15定標(biāo)精度略?xún)?yōu)于ATMS外，其他4個(gè)通道的定標(biāo)精度都略低于ATMS.

5 結(jié)論

圖7 晴空條件下海洋表面FY－3CMWHTS 15個(gè)通道觀測(cè)與CRTM模擬之間的偏差對(duì)掃描角度的依賴(lài)（實(shí)線為升軌，虛線為降軌）Fig.7 Scan－Dependent biases of FY－3CMWHTS each channel at ascending（solid）and descending nodes（dashed）under clear sky and over ocean

MWHTS裝載于FY－3C衛(wèi)星上具有對(duì)全球大氣濕度和溫度進(jìn)行同步探測(cè)的能力，其設(shè)置于118.75GHz的8個(gè)溫度探測(cè)通道因其唯一性而備受關(guān)注.在儀器探測(cè)資料的定量應(yīng)用之前，對(duì)儀器性能和定標(biāo)精度進(jìn)行在軌測(cè)試必不可少.本文利用MWHTS在軌正常工作后的三個(gè)月數(shù)據(jù)，對(duì)儀器在軌定標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：冷空和黑體計(jì)數(shù)值，黑體和儀器溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析和質(zhì)量檢驗(yàn)，并對(duì)通過(guò)質(zhì)檢的數(shù)據(jù)進(jìn)行在軌定標(biāo)生成MWHTS觀測(cè)亮溫?cái)?shù)據(jù)，最后通過(guò)場(chǎng)地定標(biāo)、交叉比對(duì)和“O－B”偏差分析三種方式對(duì)儀器定標(biāo)精度進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證.結(jié)果表明：

（1）MWHTS儀器溫度和黑體溫度受衛(wèi)星平臺(tái)的熱力約束緩慢上升趨于平穩(wěn).MWHTS通道15的黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值在軌工作前期變化劇烈，隨在軌運(yùn)行時(shí)間的增加跳變漸緩.

（2）三種對(duì)MWHTS定標(biāo)精度進(jìn)行評(píng)估的方法都表明通道14的亮溫偏差較大，這是因?yàn)樵撏ǖ朗艿?50GHz的諧波干擾造成.但是從衛(wèi)星資料同化應(yīng)用更為重要的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)看，MWHTS和ATMS可比通道的亮溫標(biāo)準(zhǔn)差在同一水平.

（3）對(duì)于首次使用的118.75GHz頻點(diǎn)，場(chǎng)地定標(biāo)精度都小于1.3K；“O－B”偏差分析結(jié)果顯示，在118.75GHz吸收線中心附近的通道2—6標(biāo)準(zhǔn)差在0.5K之內(nèi)，在遠(yuǎn)翼通道標(biāo)準(zhǔn)差較大.

（4）對(duì)MWHTS觀測(cè)和模式模擬偏差對(duì)角度依賴(lài)性的分析表明儀器通道1，通道7—13和通道15偏差對(duì)角度依賴(lài)特性明顯，其他通道的這種依賴(lài)性較弱.

MWHTS通過(guò)在軌測(cè)試后將投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，儀器的探測(cè)資料將在大氣溫濕廓線反演，臺(tái)風(fēng)夜間定位和強(qiáng)度發(fā)展?jié)搫?shì)等多方面的診斷分析以及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中發(fā)揮作用.本文的研究結(jié)果將為MWHTS資料的定量應(yīng)用提供有力支撐.

本研究在對(duì)風(fēng)云三號(hào)C星微波濕溫探測(cè)儀進(jìn)行定標(biāo)和驗(yàn)證的過(guò)程中，在軌定標(biāo)所用內(nèi)部熱源黑體的溫度設(shè)定在280K附近，而觀測(cè)目標(biāo)亮溫超過(guò)280K時(shí)，定標(biāo)過(guò)程中采取外推的方式進(jìn)行，因此今后設(shè)計(jì)時(shí)，需要提高儀器熱源黑體溫度的設(shè)定.另外，MWHTS在軌定標(biāo)所用非線性訂正量是通過(guò)發(fā)射前真空試驗(yàn)得到，以后將設(shè)計(jì)在軌多點(diǎn)定標(biāo)系統(tǒng)，使得儀器在軌運(yùn)行時(shí)能直接測(cè)量得到非線性訂正量.

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