高分三號(hào)在軌測(cè)試降水同步觀測(cè)試驗(yàn)分析

一、引言

GF-3衛(wèi)星是高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)“形成高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率和高精度觀測(cè)的時(shí)空協(xié)調(diào)、全天候、全天時(shí)的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)”的目標(biāo)的重要組成部分，能夠獲取可靠、穩(wěn)定的高分辨率SAR圖像，服務(wù)于海洋、減災(zāi)、水利、氣象以及其他多個(gè)領(lǐng)域，是我國(guó)實(shí)施海洋開(kāi)發(fā)、進(jìn)行陸地環(huán)境資源監(jiān)測(cè)和應(yīng)急防災(zāi)減災(zāi)的重要技術(shù)支撐，將改善我國(guó)民用天基高分辨率SAR數(shù)據(jù)全部依賴(lài)進(jìn)口的現(xiàn)狀，在引領(lǐng)我國(guó)民用高分辨率微波遙感衛(wèi)星應(yīng)用中起到重要示范應(yīng)用。

海洋背景校正場(chǎng)

GF-3衛(wèi)星在軌測(cè)試期間，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心于2016年11月11—30日在海南省三亞市組織實(shí)施了SAR降水星地同步觀測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)參加單位包括國(guó)家衛(wèi)星氣象中心、海南省氣象局、三亞市氣象局、上海大學(xué)等。海南省三亞市SAR降水星地同步觀測(cè)試驗(yàn)期間，利用星載C頻段合成孔徑雷達(dá)，開(kāi)展了GF-3針對(duì)降水特性測(cè)量；?？?、三亞、西沙三部地基業(yè)務(wù)雷達(dá)開(kāi)機(jī)測(cè)雨，海南多部自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)記錄降水信息；移動(dòng)降水測(cè)量點(diǎn)移動(dòng)測(cè)量實(shí)時(shí)降水等信息；風(fēng)云衛(wèi)星收集整理了該區(qū)域氣象觀測(cè)資料。利用地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，將SAR觀測(cè)降水進(jìn)行對(duì)比分析，海上降水得到較好的一致性。首次開(kāi)展的SAR降水星地同步觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果為開(kāi)發(fā)星載平臺(tái)測(cè)量全球海上米級(jí)分辨率降水拓展了新思路。

二、降水同步觀測(cè)原理流程

為正確評(píng)價(jià)GF-3微波載荷在軌降水探測(cè)精度，及時(shí)校準(zhǔn)反演偏差，在軌降水同步觀測(cè)中根據(jù)GF-3衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)時(shí)間表，選取衛(wèi)星通過(guò)降水場(chǎng)場(chǎng)地上空時(shí)、大氣狀況滿(mǎn)足降水觀測(cè)規(guī)范要求的日期時(shí)間，進(jìn)行場(chǎng)地同步觀測(cè)。獲取衛(wèi)星遙感圖像資料和用于地面場(chǎng)地同步觀測(cè)資料。

1．三亞地區(qū)地理和試驗(yàn)時(shí)間分析

三亞熱帶林區(qū)采用地基雷達(dá)、自動(dòng)氣象站和移動(dòng)測(cè)量點(diǎn)，為降水提供高精度的修正數(shù)據(jù)，并在GF-3衛(wèi)星運(yùn)行期間進(jìn)行同步觀測(cè)，為今后檢驗(yàn)、監(jiān)視儀器的衰減變化提供主要依據(jù)。

海南島地處熱帶北緣，屬熱帶季風(fēng)氣候，素來(lái)有“天然大溫室”的美稱(chēng)，長(zhǎng)夏無(wú)冬，年平均氣溫22℃～26℃，≥10℃的積溫為8200℃,最冷的一、二月份溫度仍達(dá)16℃～21℃，年光照為1750～2650h，光照率為50%～60%，光溫充足，光合潛力高。海南省雨量充沛，年平均降雨量為1639mm，有明顯的多雨季和少雨季。每年的5-10月是多雨季，總降雨量達(dá)1500mm左右，占全年總降雨量的70%～90%，雨源主要有鋒面雨、熱雷雨和臺(tái)風(fēng)雨，每年11月至翌年4月為少雨季，僅占全年降雨量的10%-30%，少雨季干旱常常發(fā)生。

鑒于夏季臺(tái)風(fēng)等天氣過(guò)程對(duì)于海上移動(dòng)測(cè)量船的劇烈影響，選取11月作為GF-3外場(chǎng)測(cè)量的時(shí)間窗口，有利于海上測(cè)量平臺(tái)的平穩(wěn)安全，同時(shí)能夠提取足夠的氣象樣本進(jìn)行分析。

2.同步定性對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)GF-3整體工作計(jì)劃，衛(wèi)星于2016年11月18日過(guò)境，期間三亞地區(qū)強(qiáng)降水持續(xù)，地基雷達(dá)、自動(dòng)氣象站和移動(dòng)測(cè)量點(diǎn)都觀測(cè)到降水?dāng)?shù)據(jù)（如圖1）。

圖1 2016年11月18日降水觀測(cè)圖

GF-3 SAR采用標(biāo)準(zhǔn)條帶模式，25m分辨率，130km幅寬；圖1（b）是地基雷達(dá)300m分辨率、75km范圍觀測(cè)情況。沿岸自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)海風(fēng)1.3m/s，兩部雷達(dá)觀測(cè)時(shí)間差異小于6min，可以看到圖1（c）和圖1（b）三亞南部海域兩張強(qiáng)降水分布圖具有較好的一致性，30dbz以上的強(qiáng)降水在SAR降水圖像上具有明顯的后向散射特性特征，尤其對(duì)于45dbz以上的強(qiáng)降水具有明顯效果，強(qiáng)降水降落在海面增加了海面的粗糙度，形成漫反射增加了海面的后向散射特性，結(jié)合雨體的后向散射特性，形成亮紋理特性。周邊平靜海面的鏡面反射具有較低的后向散射特性，形成了暗紋理特性。說(shuō)明在海上強(qiáng)降水監(jiān)測(cè)方面，GF-3 SAR的標(biāo)準(zhǔn)條帶模式具有一定應(yīng)用潛力。

根據(jù)GF-3整體工作計(jì)劃，衛(wèi)星于2016年11月25日6∶35∶39過(guò)境，期間三亞地區(qū)強(qiáng)降水持續(xù)，地基雷達(dá)、自動(dòng)氣象站和移動(dòng)測(cè)量點(diǎn)都觀測(cè)到降水?dāng)?shù)據(jù)（如圖2）。

圖2 2016年11月25日降水觀測(cè)圖

GF-3衛(wèi)星SAR采用寬幅模式，100m分辨率，500km幅寬；圖2（b）是地基雷達(dá)300m分辨率觀測(cè)。沿岸自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)海風(fēng)2m/s，可以看到圖2（c）和圖2（b）在陵水海域強(qiáng)降水分布上具有較好的一致性，30dbz以上的強(qiáng)降水在SAR降水圖像上具有明顯的后向散射特性特征，尤其對(duì)于45dbz以上的強(qiáng)降水具有明顯效果，強(qiáng)降水降落在海面增加了海面的粗糙度，形成漫反射增加了海面的后向散射特性，結(jié)合雨體的后向散射特性，形成亮紋理特性。周邊平靜海面的鏡面反射具有較低的后向散射特性，形成了暗紋理特性。說(shuō)明在海上強(qiáng)降水監(jiān)測(cè)方面，GF-3 SAR的寬幅模式具有一定應(yīng)用潛力。

三、小結(jié)

此次GF-3衛(wèi)星SAR降水星地同步觀測(cè)試驗(yàn)，利用星載C頻段合成孔徑雷達(dá)，開(kāi)展GF-3針對(duì)降水特性測(cè)量；試驗(yàn)期間海南省氣象局調(diào)動(dòng)?？?、三亞、西沙三部地基業(yè)務(wù)雷達(dá)在非汛期開(kāi)機(jī)同步測(cè)雨；海南多部自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)記錄降水信息；國(guó)家衛(wèi)星氣象中心微波試驗(yàn)隊(duì)負(fù)責(zé)移動(dòng)降水測(cè)量點(diǎn)跟蹤測(cè)量實(shí)時(shí)降水等信息；風(fēng)云衛(wèi)星收集該區(qū)域氣象觀測(cè)資料。利用地面多種觀測(cè)數(shù)據(jù)，將GF-3衛(wèi)星SAR觀測(cè)海上降水進(jìn)行對(duì)比初步分析，得到較好的一致性；陸地降水由于陸地背景回波強(qiáng)烈，降水信號(hào)微弱，難以在雷達(dá)圖像上表征降水區(qū)域，因此在后期的工作中改變工作頻率（如Ku、Ka頻段）可以作為星載SAR陸地降水觀測(cè)的嘗試。