風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)

谷松巖，郭楊，謝鑫新，何杰穎，竇芳麗，吳瓊，王振占，張升偉，安大偉，武勝利，張鵬

1.國家衛(wèi)星氣象中心(國家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心) 中國氣象局,北京 100081;

2.中國遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室 中國氣象局,北京 100081;

3.許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心,北京 100081;

4.中山大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,珠海 519082;

5.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心,北京 100190

1 引言

地球氣候系統(tǒng)在過去30 年間以0.17 K/10 a 的變率在變暖（Solomon 等，2007）。為深刻理解地球氣候系統(tǒng)變暖的事實(shí)，美國科學(xué)家利用對(duì)地球氣候系統(tǒng)敏感的星載微波氧氣吸收通道遙感信息，發(fā)展了經(jīng)驗(yàn)與物理相結(jié)合的微波歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)技術(shù)，處理生成了長時(shí)間序列微波氧氣吸收通道基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集（FCDR），通過25 年極軌衛(wèi)星上裝載的微波探測(cè)儀（MSU）數(shù)據(jù)分析對(duì)流層溫度的微小變化趨勢(shì)（Grody 等，2004），得到地球大氣系統(tǒng)對(duì)流層整層在1987 年—2006 年10 年溫度變率達(dá)到0.08 K（Zou 等，2009）。這一結(jié)果激勵(lì)了后來美國和歐洲科學(xué)家長期致力于星載微波遙感資料的歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)和氣候數(shù)據(jù)集研究，根據(jù)遙感探測(cè)機(jī)理分別發(fā)展了微波窗區(qū)和微波吸收通道基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集（FCDR）、氣候數(shù)據(jù)集（CDR）（Chander 等，2013；Sapiano 等，2013；Berg 等，2018；Zou 等，2020），這些數(shù)據(jù)集在氣候變化研究中發(fā)揮了重要作用。微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)是構(gòu)建微波基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集的核心技術(shù)，在微波載荷基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集發(fā)展過程中，逐步形成了以交叉定標(biāo)技術(shù)為基礎(chǔ)的再定標(biāo)方法，提升長時(shí)序歷史數(shù)據(jù)輻射的一致性，消除遙感信息代際間的差異等（Sapiano 等，2013；Biswas 等，2013；Berg等，2018；Zou等，2020）。

風(fēng)云衛(wèi)星歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展取得了令人矚目的成績(jī)（Yang 等，2012；Zhang 等，2018，2019），其上裝載的微波溫度計(jì)（MWTS）、微波濕度計(jì)（MWHS）和微波成像儀（MWRI）輻射率資料是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)直接同化的重要數(shù)據(jù)源，在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)同化應(yīng)用和氣候變化研究中具有重要意義，盡管與歐美同類載荷相比風(fēng)云衛(wèi)星微波載荷起步較晚，但獨(dú)具特色的通道設(shè)計(jì)使其在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候研究中蘊(yùn)含了獨(dú)特的應(yīng)用潛力和作用（Zou，2021）。

在過去十多年間，風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星從微波載荷研制到數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)技術(shù)都取得了長足進(jìn)展，但由于儀器在軌運(yùn)行壽命期內(nèi)工況的變化以及輻射定標(biāo)技術(shù)的發(fā)展，歷史數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)結(jié)果在時(shí)間尺度上精度的穩(wěn)定性不夠，在將風(fēng)云衛(wèi)星微波資料用于數(shù)值預(yù)報(bào)再分析和氣候研究時(shí)，亟需對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行再定標(biāo)，用最新的輻射定標(biāo)模型重處理歷史數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和輻射定標(biāo)結(jié)果精度的一致性。對(duì)風(fēng)云衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)的模型研究不僅能加深對(duì)國產(chǎn)衛(wèi)星微波技術(shù)的深刻認(rèn)識(shí)，同時(shí)也能加深對(duì)星載微波輻射計(jì)輻射定標(biāo)機(jī)理的認(rèn)識(shí)。以這些認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)，我們可以重構(gòu)國產(chǎn)衛(wèi)星微波輻射計(jì)輻射定標(biāo)模型，提升輻射定標(biāo)結(jié)果精度。

國產(chǎn)衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)中以國外參考載荷數(shù)據(jù)或背景場(chǎng)微波輻射為參考，通過對(duì)風(fēng)云衛(wèi)星微波載荷在軌工況的多元復(fù)合解析，分離載荷偏離穩(wěn)態(tài)事件，進(jìn)行診斷分析建模，采用載荷半物理仿真技術(shù)將載荷器/部件級(jí)的物理測(cè)試與載荷系統(tǒng)級(jí)仿真分析相結(jié)合探究輻射偏離機(jī)理，重構(gòu)輻射定標(biāo)模型，支撐風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波載荷基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集建設(shè)。本文綜述風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)研究進(jìn)展。

2 微波歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)技術(shù)回顧

星載微波輻射計(jì)可分為微波成像儀和微波探測(cè)儀。微波成像儀一般通過設(shè)置在微波窗區(qū)位置的通道探測(cè)地氣系統(tǒng)地球物理參量；微波探測(cè)儀則利用設(shè)置在微波吸收線附近的一組通道來實(shí)現(xiàn)大氣參數(shù)的廓線探測(cè)，業(yè)務(wù)上常用微波氧氣和水汽吸收線來實(shí)現(xiàn)大氣溫濕度廓線探測(cè)。兩類微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)技術(shù)也略有不同。

2.1 微波成像儀歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)

特種微波成像儀（SSM/I）是最早投入定量科學(xué)應(yīng)用的星載微波輻射計(jì)，裝載在1987 年發(fā)射升空的DMSP F08 衛(wèi)星上，利用設(shè)置在微波窗區(qū)位置的通道遙感地氣系統(tǒng)地球物理參量（Hollinger 等，1990）；美國國防衛(wèi)星DMSP F08之后的F10、F11、F13、F14，和F15 衛(wèi)星上均裝載了SSM/I 載荷，改進(jìn)后的SSMIS 集成像和探測(cè)為一體，取代SSM/I 裝載在DMSP F16、F17、F18，和F19 衛(wèi)星上，從SSM/I 到SSMIS，在數(shù)據(jù)處理過程中，增加了對(duì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制；改進(jìn)了定位技術(shù)，精確獲取入射角；同時(shí)增加了對(duì)SSMIS 的天線訂正。最后在NOAA 支持下美國通過交叉定標(biāo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)輻射校準(zhǔn)，完成了30 年時(shí)間覆蓋的基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集SSMI（S）FCDR。這一數(shù)據(jù)集可用于反演降水、大氣可降水、云中液態(tài)水、海面風(fēng)速、海冰范圍和濃度、積雪和土壤濕度等多種地球系統(tǒng)氣候基本變量（ECV）（Sapiano 等，2013；Berg 等，2016）；美國NASA 在全球降水測(cè)量計(jì)劃（GPM）中的交叉定標(biāo)（XCAL）技術(shù)框架下，利用與GPM 衛(wèi)星同期在軌的所有被動(dòng)微波載荷組成星座體系，基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)分析場(chǎng)與微波正演輻射傳輸模型相結(jié)合得到的背景微波輻射，發(fā)展了單偏差分析、雙偏差分析等多種交叉定標(biāo)技術(shù)，以GMI 為參考實(shí)現(xiàn)再定標(biāo)，構(gòu)建了GPM/L1C FCDR（Berg 等，2016），支撐氣候及氣候變化研究對(duì)微波成像儀遙感數(shù)據(jù)的迫切需求。風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星微波成像儀，在時(shí)間上銜接了AMSR-E 和AMSR-2 兩個(gè)載荷的遙感數(shù)據(jù)，在微波FCDR 數(shù)據(jù)集構(gòu)建中發(fā)揮了重要作用。為了科學(xué)分析全球變化中國科學(xué)家利用與AMSR-E 和AMSR-2兩個(gè)載荷都有時(shí)間重疊的FY-3/MWRI 數(shù)據(jù)，通過陸地區(qū)域雙差分析交叉定標(biāo)技術(shù)將AMSR-E 與AMSR-2 數(shù)據(jù)橋接起來，建立了以AMSR-E 為參考的微波成像儀長時(shí)序亮溫?cái)?shù)據(jù)集（Du，2014）。同樣是橋接AMSR-E 與AMSR-2數(shù)據(jù)以保證數(shù)據(jù)集用于水循環(huán)研究時(shí)的連續(xù)性，以AMSR-2為參考，針對(duì)MWRI在軌具體特殊工況進(jìn)行修正后，利用交叉定標(biāo)技術(shù)構(gòu)建再定標(biāo)模型，用MWR I 數(shù)據(jù)橋接AMSR-E 與AMSR-2 以填補(bǔ)二者的數(shù)據(jù)空白，再定標(biāo)后MWRI 和AMSR-E 與AMSR-2 的亮溫偏差均小于0.3 K（Wu 等，2020）。上述這些圍繞微波窗區(qū)通道遙感數(shù)據(jù)開展的歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)研究和基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集工作為風(fēng)云衛(wèi)星微波長時(shí)序基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集建設(shè)提供了技術(shù)參考。

2.2 微波大氣探測(cè)儀歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)

在微波探測(cè)儀歷史長時(shí)序數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，最早發(fā)展的是用于大氣溫度結(jié)構(gòu)探測(cè)的微波氧氣吸收通道資料，以美國業(yè)務(wù)衛(wèi)星上裝載的MSU、SSM/T、AMSU-A 和ATMS為代表。在微波氧氣吸收通道歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)算法發(fā)展過程中，圍繞長時(shí)間序列歷史數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)的穩(wěn)定性和一致性逐步形成了綜合處理技術(shù)，更新定標(biāo)系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)、消除定標(biāo)結(jié)果的時(shí)變性以及與輻射參考的系統(tǒng)偏差等（Zou等，2006，2009；Zou和Wang，2010，2011）。2016 年美國NOAA 發(fā)布了AMSU-A 微波氧氣吸收通道基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集FCDR，在對(duì)包括MSU在內(nèi)的微波探測(cè)儀歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)中增加了對(duì)載荷發(fā)射后在軌通道中心頻率與地面測(cè)試結(jié)果之間偏差的診斷分析和建模修正，提高了微波氧氣吸收通道FCDR 數(shù)據(jù)在NWP 模式、氣候分析以及氣候?qū)ｎ}數(shù)據(jù)集（TCDR）等時(shí)間序列數(shù)據(jù)集構(gòu)建方面的應(yīng)用精度（Zou 和Qian，2016）。在利用微波氧氣吸收通道FCDR 數(shù)據(jù)集分析地球系統(tǒng)氣候變化時(shí)，分析表明SNPP/ATMS 和AQUA/AMSU-A 對(duì)應(yīng)通道探測(cè)到的大氣溫度數(shù)據(jù)均達(dá)到了每10 a 0.04 K的穩(wěn)定性（Zou 等，2018）；近年美國NOAA/STAR 又完成了對(duì)SNPP和JPSS業(yè)務(wù)存檔數(shù)據(jù)的重處理，消除科學(xué)數(shù)據(jù)在時(shí)間上因處理技術(shù)差異產(chǎn)生的不一致，改進(jìn)定標(biāo)精度，這些研究成果確保了星載微波氧氣吸收通道FCDR 數(shù)據(jù)在氣候和氣候變化研究中，以及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)再分析中的應(yīng)用（Zou等，2020）。

大氣水汽是時(shí)空演變最劇烈的氣候變量（ECV）之一，星載微波大氣水汽吸收通道（183 GHz）探測(cè)數(shù)據(jù)是對(duì)流層大氣水汽、大氣可降水和大氣冰水路徑等氣候系統(tǒng)重要參數(shù)的主要數(shù)據(jù)源（Ferraro 等，2005），同時(shí)也是同化應(yīng)用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)再分析的重要數(shù)據(jù)（Rienecker 等，2011）。微波水汽吸收通道（183 GHz）歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)和基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集研究工作因地氣系統(tǒng)水汽變量變化的復(fù)雜性和探測(cè)數(shù)據(jù)的不確定性等而起步較晚，國際上用于大氣水汽探測(cè)的代表性微波載荷包括AMSU-B、SSM/T2、MHS、HSB、ATMS，以及風(fēng)云三號(hào)的MWHS 等。美國NOAA 于2016 年發(fā)布了時(shí)間覆蓋長達(dá)16 年以AMSU-B 和MHS 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)可用于水文學(xué)研究的183 GHz FCDR 數(shù)據(jù)（Ferraro等，2018）。近年歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）在FIDUCEO（FIDelity and Uncertainty in Climate-data records from Earth Observation）計(jì)劃框架下完成了氣象衛(wèi)星上裝載的微波濕度計(jì)（183 GHz）水汽吸收通道歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)研究，在生成FCDR 數(shù)據(jù)集過程中關(guān)注了風(fēng)云三號(hào)微波濕度計(jì)的探測(cè)數(shù)據(jù)（Hans等，2019），2020年發(fā)布了時(shí)間覆蓋長達(dá)23年（1994年—2017年）基于SSM/T2、AMSU-B和MHS歷史數(shù)據(jù)的對(duì)流層上層濕度（UTH）氣候數(shù)據(jù)集（CDR）（Lang等，2020），豐富了星載微波氣候數(shù)據(jù)集。

3 風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波載荷性能及業(yè)務(wù)星上定標(biāo)方法

3.1 載荷性能

風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星是中國第二代極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星，裝載的被動(dòng)微波輻射計(jì)包括微波成像儀和微波大氣探測(cè)儀兩類。從2008 年風(fēng)云三號(hào)首發(fā)星（FY-3A）成功發(fā)射以來，到目前為止風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星已完成3 個(gè)批次（01/02/03 批）5 顆衛(wèi)星（FY-3A/B/C/D/E）的發(fā)射和業(yè)務(wù)運(yùn)行（Yang 等，2012；Zhang等，2018，2019）。

風(fēng)云三號(hào)01 批衛(wèi)星裝載的微波輻射計(jì)中微波濕度與當(dāng)時(shí)美國業(yè)務(wù)運(yùn)行的ATOVS 中的AMSU-B相當(dāng)，除了在183 GHz 水汽吸收線附近設(shè)置了3 個(gè)通道外，在150 GHz微波窗區(qū)頻段設(shè)置有雙極化探測(cè)通道，成為當(dāng)時(shí)國際上在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行獨(dú)具特色的探測(cè)載荷，其探測(cè)資料成功同化應(yīng)用到ECMWF、英國氣象局和我國自主研發(fā)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中（陸其峰，2011；Zou等，2011）。

風(fēng)云三號(hào)02 批業(yè)務(wù)批次的兩顆衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)C/D 星分別于2013 年和2017 年發(fā)射后，因其獨(dú)具特色的通道設(shè)置，而受到歐美同行的廣泛關(guān)注。其中微波溫/濕度計(jì)在常規(guī)氧氣和水汽吸收頻點(diǎn)上的通道設(shè)置與美國當(dāng)代業(yè)務(wù)衛(wèi)星SNPP 上裝載的大氣探測(cè)載荷ATMS探測(cè)通道一致，同時(shí)風(fēng)云衛(wèi)星增加了118 GHz氧氣吸收線一組探測(cè)通道的設(shè)計(jì)（郭楊 等，2014，2015，2020；Guan 等，2011；Zou等，2012，2014；Hou等，2019；Zou，2021）。未來風(fēng)云三號(hào)03 批規(guī)劃有4 顆衛(wèi)星，其中上下午和晨昏三顆衛(wèi)星上均設(shè)計(jì)裝載探測(cè)通道與02 批保持一致的微波大氣探測(cè)載荷，同時(shí)在微波溫度計(jì)上增加了低頻23 GHz 和31 GHz 兩個(gè)窗區(qū)通道以及吸收峰的兩個(gè)通道，星載微波大氣垂直探測(cè)系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高。

風(fēng)云三號(hào)01/02 批4 顆衛(wèi)星上裝載的微波成像儀采用相同的頻點(diǎn)設(shè)置和掃描成像體制，以獨(dú)具特色的天線口面定標(biāo)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)地圓錐掃描的同時(shí)，在一個(gè)掃描周期內(nèi)獲取冷熱源定標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)在軌定標(biāo)，輻射定標(biāo)過程中對(duì)熱源的輻射處理是定標(biāo)技術(shù)的關(guān)鍵（Yang 等，2011，2012）。后續(xù)風(fēng)云三號(hào)03 批微波成像儀將通過增加大氣氧氣和水汽吸收通道提升降水探測(cè)能力，頻點(diǎn)將覆蓋10 GHz到183 GHz的多頻段，定標(biāo)及靈敏度等關(guān)鍵性能指標(biāo)將進(jìn)一步提升，同時(shí)為適應(yīng)饋源增加的壓力改用與GMI等國外同類載荷相同的饋源口面定標(biāo)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)成像及定標(biāo)參數(shù)獲取，這種觀測(cè)體制下冷源的輻射處理成為定標(biāo)技術(shù)的關(guān)鍵。

表1—表3 是風(fēng)云三號(hào)3 個(gè)批次（01、02、03）8 顆衛(wèi)星（A-H）微波載荷配置及通道設(shè)置情況；圖1 是在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行的風(fēng)云三號(hào)A/B/C/D 衛(wèi)星微波載荷靈敏度指標(biāo)情況；可以看到從A星到D星風(fēng)云三號(hào)微波載荷性能指標(biāo)不斷提升。

圖1 風(fēng)云三號(hào)微波載荷靈敏度Fig.1 Sensitivity of FY-3 microwave payloads

表1 風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波成像儀配置及通道設(shè)置Table 1 Load configuration and channel setting of FY-3 satellites microwave imager

表2 風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波溫度計(jì)載荷配置及通道設(shè)置Table 2 Load configuration and channel setting of FY-3 satellites microwave temperature sounder

表3 風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)載荷配置及通道設(shè)置Table 3 Load configuration and channel setting of FY-3 satellites microwave humidity sounder

3.2 在軌業(yè)務(wù)星上定標(biāo)技術(shù)

風(fēng)云三號(hào)微波載荷輻射定標(biāo)主要由發(fā)射前定標(biāo)、在軌業(yè)務(wù)星上定標(biāo)和歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)等3個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)組成（圖2）。在軌業(yè)務(wù)星上定標(biāo)是風(fēng)云三號(hào)微波載荷業(yè)務(wù)輻射定標(biāo)的一個(gè)重要技術(shù)環(huán)節(jié)，主要是將發(fā)射前地面真空定標(biāo)試驗(yàn)得到的微波輻射計(jì)輻射響應(yīng)模型和靜態(tài)參數(shù)結(jié)合在軌實(shí)測(cè)的動(dòng)態(tài)定標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將輻射觀測(cè)計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為地氣系統(tǒng)目標(biāo)微波輻射量（圖3）（谷松巖 等，2021）。

圖2 風(fēng)云三號(hào)微波載荷輻射定標(biāo)Fig.2 Calibration technology of FY-3 Microwave loads

圖3 風(fēng)云三號(hào)微波載荷星上定標(biāo)技術(shù)Fig.3 Onboard calibration technology of FY-3 microwave payloads

風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星三臺(tái)微波輻射計(jì)在軌星上定標(biāo)均采用全光路定標(biāo)系統(tǒng)，以星上黑體和冷空為參考完成兩點(diǎn)周期定標(biāo)。其中微波大氣探測(cè)載荷（溫度計(jì)/濕度計(jì)）以切軌掃描方式在一個(gè)掃描周期內(nèi)以完全相同的方式分別獲取冷空、熱源和對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)依靠埋嵌在黑體內(nèi)部的鉑電阻測(cè)量熱源溫度，獲取在軌動(dòng)態(tài)輻射定標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。風(fēng)云三號(hào)微波大氣探測(cè)載荷在軌星上定標(biāo)模型包括傳統(tǒng)的非線性輻射定標(biāo)模型、線性定標(biāo)加非線性修正模型和高階非線性校準(zhǔn)定標(biāo)模型等。其中風(fēng)云三號(hào)A 星微波濕度計(jì)采用的線性定標(biāo)加非線性修正模型與美國SNPP/ATMS 在軌定標(biāo)模型一致（谷松巖 等，2013）。風(fēng)云三號(hào)B/C/D 星微波濕度計(jì)采用了與AMSU一致的非線性輻射定標(biāo)模型（Mo，2002；王振占 等，2013；郭楊 等，2015）。而風(fēng)云三號(hào)A/B/D 星微波溫度計(jì)則沿用了與AMSU-A一致的定標(biāo)模型，但C星微波溫度計(jì)根據(jù)載荷在軌工況特點(diǎn)，利用高階非線性定標(biāo)模型有效抑制了系統(tǒng)定標(biāo)的不確定性（安大偉，2016）。

風(fēng)云三號(hào)微波成像儀以圓錐掃描方式完成周期性觀測(cè)，兩個(gè)直徑為1300 mm 和890 mm 的準(zhǔn)光學(xué)反射鏡將來自冷空和熱源的微波輻射反射到主天線，再經(jīng)主天線反射進(jìn)入饋源，來自地氣系統(tǒng)的微波輻射直接經(jīng)主天線反射進(jìn)入饋源。天線口面定標(biāo)系統(tǒng)確保了風(fēng)云三號(hào)微波成像儀的在軌定標(biāo)精度（Yang 等，2011；劉高峰 等，2014；董克松 等，2020）。這種觀測(cè)體制不同于歐美同類載荷（例如GMI 等），其中熱源的輻射處理是微波成像儀在軌星上定標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)（Xie等，2019）。

過去十年間風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波載荷業(yè)務(wù)存檔數(shù)據(jù)穩(wěn)定，得到廣泛應(yīng)用，其中ECMWF 的IFS 系統(tǒng)對(duì)FY-3A/B/MWHS 進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為其性能與METOP 上裝載的MHS性能相當(dāng)（Chen 等，2015）；FY-3A/MWTS 在軌中心頻點(diǎn)修正后定標(biāo)結(jié)果偏差標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于0.6 K（陸其峰，2011）；用NWP 預(yù)報(bào)場(chǎng)資料評(píng)價(jià)FY-3A/MWTS通道3/4的O-B亮溫偏差小于0.6 K，與AMSU-A 相當(dāng)（Wang 等，2012）；利用GPS/RO 資料對(duì)風(fēng)云三號(hào)微波溫度計(jì)進(jìn)行在軌絕對(duì)定標(biāo)后，亮溫偏差穩(wěn)定在0.25 K（王祥 等，2017）；與前序載荷相比FY-3D 衛(wèi)星上裝載的微波載荷性能得到了極大提升，微波溫度計(jì)的輻射定標(biāo)得到很大改進(jìn)，全球范圍內(nèi)與ATMS對(duì)應(yīng)氧氣吸收通道（50—60 GHz）相比平均偏差為0.36±0.28 K（1σ），而微波成像儀升降軌偏差降低到0.2 K（Carminati 等，2021）；以AMSR-2 為參考，定標(biāo)修正后MWRI和AMSR-E與AMSR-2的亮溫偏差均小于0.3 K（Wu等，2020）。

在應(yīng)用中，同化FY-3B/MWHS 后24 h 預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可提高0.3%，同化FY-3C/MWHS-II 資料后24 小時(shí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可以提高0.6%，聯(lián)合使用兩個(gè)載荷數(shù)據(jù)時(shí)24 h 預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提高1%（Carminati等，2018）；在ECMWF 業(yè)務(wù)系統(tǒng)中同化應(yīng)用風(fēng)云三號(hào)系列MWHS、MWHS-II、和MWRI 微波資料后，兩天全球尺度大部分預(yù)報(bào)變量改進(jìn)有顯著正效果，預(yù)報(bào)技巧提升2%（Bormann 等，2021）。這些應(yīng)用評(píng)價(jià)為風(fēng)云三號(hào)微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)以及未來風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波資料在氣候研究和數(shù)值預(yù)報(bào)再分析中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

4 風(fēng)云三號(hào)微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)

4.1 歷史數(shù)據(jù)概況

風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星上共裝載了微波濕度計(jì)、微波溫度計(jì)和微波成像儀3 類14 臺(tái)套被動(dòng)微波輻射計(jì)，到目前為止歷史數(shù)據(jù)存檔量已積累達(dá)到13 年，歷史數(shù)據(jù)時(shí)間覆蓋情況見圖4。其中微波溫度計(jì)在2015 年—2017 年因載荷在軌停止工作；微波成像儀在2009 年到2010 年間因天線轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)產(chǎn)生擾動(dòng)而停轉(zhuǎn)。微波濕度計(jì)A 星已圓滿完成業(yè)務(wù)使命退出業(yè)務(wù)服務(wù)，B/C/D 三顆星微波濕度計(jì)目前均在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行獲取全球數(shù)據(jù)，B星微波濕度計(jì)歷史資料單星時(shí)間跨度已超過10 年，與A/C/D 星微波濕度計(jì)均有時(shí)間重疊。

圖4 風(fēng)云三號(hào)微波載荷歷史數(shù)據(jù)時(shí)間覆蓋性Fig.4 Time coverage of historical data of FY-3 microwave payloads

風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波載荷在軌運(yùn)行期間受空間環(huán)境等多種因素影響儀器工況會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)地面系統(tǒng)輻射定標(biāo)算法也不斷更新，圖5示出風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波載荷在軌壽命期內(nèi)載荷工況和預(yù)處理業(yè)務(wù)軟件主要變化情況。

圖5 風(fēng)云三號(hào)微波載荷在軌主要工況變化情況Fig.5 Main operating conditions of FY-3 microwave payloads in orbit

其中FY-3A/B 星微波濕度計(jì)（圖5（a））在軌建立業(yè)務(wù)模態(tài)后，于2011 年3 月在業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)中增加了月球進(jìn)入冷空觀域污染定標(biāo)動(dòng)態(tài)參數(shù)的訂正處理模型；FY-3B 微波濕度計(jì)于2016 年11 月將星上存貯做了切備份處理。FY-3C/MWHS 為配合衛(wèi)星能源狀態(tài)調(diào)整，在軌壽命期內(nèi)進(jìn)行了多次開關(guān)機(jī)操作，相應(yīng)也進(jìn)行了多次機(jī)械偏差注數(shù)調(diào)整；2015 年3 月對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中輻射定標(biāo)靜態(tài)參數(shù)中的天線訂正矩陣進(jìn)行了調(diào)整；2015 年9 月重新注數(shù)了系統(tǒng)自動(dòng)增益（AGC）參數(shù)。

FY-3A 星微波溫度計(jì)（圖5（b））在軌建立業(yè)務(wù)模態(tài)后，2008 年12 月接收機(jī)溫度出現(xiàn)過異常，重啟后恢復(fù)正常；2009 年12 月熱定標(biāo)源溫控電路切備份；2011 年6 月載荷重注了零位脈沖；業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)中2011 年1 月更新了天線矩陣。FY-3B星微波溫度計(jì)2011 年11 月57 GHz 本振電流下降，通道定量應(yīng)用受限。FY-3C 星微波溫度計(jì)2014 年5 月因轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)異常，載荷由變速掃描模態(tài)切入勻速掃描模態(tài)。FY-3D 星微波溫度計(jì)2018 年1 月受空間環(huán)境影響多路開關(guān)引起系統(tǒng)非線性跳變，經(jīng)地面復(fù)現(xiàn)建模，軟件修復(fù)。

FY-3A 星微波成像儀開機(jī)后因?qū)ζ脚_(tái)姿態(tài)產(chǎn)生干擾而關(guān)機(jī)；FY-3B 星微波成像儀（圖5（c））在軌測(cè)試后建立了掃描周期為1.8 s 的業(yè)務(wù)模態(tài)。FY-3C 星微波成像儀在軌測(cè)試后建立了掃描周期為1.7 s 的業(yè)務(wù)模態(tài)，2018 年8 月對(duì)AGC 進(jìn)行了注數(shù)調(diào)整。FY-3D 星微波成像儀在軌建立了業(yè)務(wù)模態(tài)后，2018 年4 月對(duì)業(yè)務(wù)輻射定標(biāo)軟件中定標(biāo)地靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行了更新，2018 年6 月更新了定標(biāo)業(yè)務(wù)算法。

此外從已發(fā)表文獻(xiàn)中可以看到，通過地球穩(wěn)定的冷目標(biāo)參考點(diǎn)分析表明風(fēng)云三號(hào)B星微波成像儀L1 數(shù)據(jù)在2011 年2 月到7 月間冷點(diǎn)亮溫波動(dòng)范圍達(dá)到1.8 K（喬木 等，2012）；C星各通道升降軌觀測(cè)與背景輻射的偏差不一致，最大可達(dá)到2 K（Xie等，2019；張淼 等，2019）；長期觀測(cè)數(shù)據(jù)研究還發(fā)現(xiàn)微波成像儀在軌開關(guān)機(jī)會(huì)導(dǎo)致儀器狀態(tài)發(fā)生改變，致使L1 亮溫?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)跳變（Xie 等，2021a）。風(fēng)云三號(hào)微波溫度計(jì)在軌運(yùn)行期間，受多路開關(guān)等器件影響在軌定標(biāo)結(jié)果出現(xiàn)跳變；天線方向圖特性導(dǎo)致輻射在切軌方向上出現(xiàn)非對(duì)稱分布，窄帶吸收通道存在明顯的條帶噪聲（金旭等，2019）。而被動(dòng)溫控的微波濕度計(jì)在軌期間在平臺(tái)熱力平衡條件約束下，儀器工作溫度發(fā)生變化時(shí)，從與參考載荷ATMS 的交叉比對(duì)結(jié)果來看，定標(biāo)結(jié)果也發(fā)生了跳變（圖6）；天饋系統(tǒng)的耦合作用還導(dǎo)致輻射相對(duì)于星下點(diǎn)出現(xiàn)非對(duì)稱性（Guo等，2020）。這些儀器在軌工況的變化導(dǎo)致歷史數(shù)據(jù)的異常改變，只能通過風(fēng)云衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)，攻克技術(shù)難點(diǎn)，來改善歷史數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖6 FY-3C/MWHS與ATMS對(duì)應(yīng)通道（183.31±1 GHz）交叉比對(duì)結(jié)果的時(shí)間變化Fig.6 Time series of cross comparison results between FY-3C/MWHS and ATMS corresponding channel（183.31 ± 1 GHz）

4.2 再定標(biāo)共性技術(shù)綜述

風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星裝載的3臺(tái)微波輻射計(jì)，涵蓋了微波窗區(qū)、氧氣/水汽吸收通道，對(duì)風(fēng)云三號(hào)微波載荷長時(shí)間序列歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)研究能加深對(duì)國產(chǎn)衛(wèi)星星載微波載荷輻射特性的理解和認(rèn)識(shí)，提高綜合輻射定標(biāo)精度，為后續(xù)生成中國微波氣候數(shù)據(jù)集（CDR）提供風(fēng)云數(shù)據(jù)方案。

歐美微波載荷研制技術(shù)水平明顯優(yōu)于中國，載荷在軌性能相對(duì)穩(wěn)定，歷史數(shù)據(jù)具有較好的穩(wěn)定性和一致性，在對(duì)微波歷史資料再定標(biāo)建立微波基礎(chǔ)氣候基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集（FCDR）過程中，輻射參考的交叉?zhèn)鬟f是構(gòu)建長時(shí)間序列輻射資料的核心技術(shù)（Zou 等，2006），而中國受微波載荷研制技術(shù)和工藝水平制約，在軌輻射定標(biāo)處理中，對(duì)載荷在軌性能認(rèn)識(shí)逐步加深，因此在微波歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)和微波氣候數(shù)據(jù)集的風(fēng)云解決方案中，星載微波輻射計(jì)的系統(tǒng)輻射響應(yīng)和性能演化模型研究，以及輻射參考研究等至關(guān)重要，這些決定了我們國產(chǎn)衛(wèi)星微波載荷基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集的品質(zhì)。

為此風(fēng)云三號(hào)微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)共性技術(shù)中通過載荷系統(tǒng)全鏈路輻射傳遞仿真建模，解析儀器在軌特殊工況下的輻射特性，精確反演地氣系統(tǒng)同目標(biāo)亮溫；同時(shí)發(fā)展微波大氣載荷長序列遙感數(shù)據(jù)輻射參考共性模型、代際間輻射傳遞共性模型和再定標(biāo)結(jié)果仿真驗(yàn)證模型，實(shí)現(xiàn)風(fēng)云衛(wèi)星長時(shí)間序列歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)。

風(fēng)云衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)由載荷在軌特殊工況精細(xì)化再定標(biāo)模型、時(shí)變模型和輻射傳遞模型組成。再定標(biāo)過程包括歷史數(shù)據(jù)再分析和歷史數(shù)據(jù)重處理兩個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。通過對(duì)長時(shí)間序列歷史數(shù)據(jù)的再分析，把握載荷在軌特殊工況狀態(tài)，綜合評(píng)價(jià)微波載荷業(yè)務(wù)星上定標(biāo)結(jié)果，才能有的放矢地開展針對(duì)性建模分析，構(gòu)建精細(xì)化再定標(biāo)模型。將歷史數(shù)據(jù)再分析得到的精細(xì)化再定標(biāo)模型用于單載荷壽命期歷史數(shù)據(jù)重處理，使歷史數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)精度達(dá)到一致并最優(yōu)；然后基于微波輻射參考將多顆星資料歸一化到統(tǒng)一的輻射標(biāo)準(zhǔn)，生成長時(shí)序基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，支撐建立基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集（謝鑫新 等，2019，2021；李嬌陽等，2019）。

風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再分析過程中發(fā)現(xiàn)很多時(shí)候歷史數(shù)據(jù)會(huì)偏離穩(wěn)態(tài)，多參數(shù)關(guān)聯(lián)分析會(huì)發(fā)現(xiàn)這些偏離往往與載荷在軌的特殊工況有關(guān)。例如對(duì)熱鏡自發(fā)射以及熱鏡反射的外源輻射估計(jì)不足導(dǎo)致風(fēng)云三號(hào)微波成像儀在軌升降軌輻射偏差交大，利用在軌觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合地面真空定標(biāo)數(shù)據(jù)再分析分別構(gòu)建熱反射鏡發(fā)射率模型和輻射效率模型，同時(shí)發(fā)展雙參數(shù)系統(tǒng)非線性響應(yīng)模型，再定標(biāo)處理后，升降軌偏差從2 K 左右降低至0.5 K 以下，同時(shí)消除了因增益脈動(dòng)等特殊工況帶來的亮溫跳變（Xie 等，2019，2021a），再定標(biāo)使微波成像儀歷史數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定性大幅提高，改進(jìn)了風(fēng)云三號(hào)微波成像儀歷史數(shù)據(jù)質(zhì)量。

對(duì)微波溫度計(jì)歷史數(shù)據(jù)的再分析讓我們重新認(rèn)識(shí)了過去十年間數(shù)據(jù)的異常情況與在軌載荷工況間的密切關(guān)聯(lián)，開展了諸如多路開關(guān)的非線性跳變、天線方向圖的影響、載荷噪聲特性與數(shù)據(jù)條紋噪聲的關(guān)聯(lián)、月球?qū)淇盏奈廴?、共用器件造成載荷通道間輻射耦合、發(fā)射前真空定標(biāo)模型重構(gòu)以及在軌定標(biāo)模型優(yōu)化等共性研究，重構(gòu)精細(xì)化輻射定標(biāo)模型提升歷史數(shù)據(jù)品質(zhì)（陳文新 等，2013；You等，2012；安大偉 等，2016；金旭 等，2019）。

微波濕度計(jì)是風(fēng)云三號(hào)3臺(tái)微波載荷中歷史數(shù)據(jù)最完整的載荷，其輻射率資料已直接同化進(jìn)入ECMWF、英國氣象局和中國氣象局的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。在對(duì)其歷史資料再分析的基礎(chǔ)上重構(gòu)發(fā)射前真空定標(biāo)模型、更新歷史數(shù)據(jù)定標(biāo)靜態(tài)參數(shù)，并依據(jù)ISO 星載微波輻射計(jì)輻射參考（Geographic information-Calibration and validation of remote sensing imagery sensors and data-Part 4：Space-borne Microwave Radiometers，ISO 19159-4：2020），在穩(wěn)態(tài)約束條件下通過月球歷史數(shù)據(jù)的分析建模得到系統(tǒng)寬動(dòng)態(tài)輻射響應(yīng)，發(fā)展了再定標(biāo)物理模型，改進(jìn)歷史數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

圖7概括了風(fēng)云三號(hào)微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)中主要的模型工作，3 臺(tái)微波載荷在各自輻射參考和再定標(biāo)框架下完成歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)。

圖7 風(fēng)云三號(hào)微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)主要模型Fig.7 Main models of historical data re-calibration of FY-3 microwave loads

4.3 輻射參考及傳遞技術(shù)概況

輻射參考是風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)的基礎(chǔ)，歷史數(shù)據(jù)再分析表明，風(fēng)云三號(hào)02 批B 星微波濕度計(jì)、C 星微波成像儀和D 星微波溫度計(jì)在軌業(yè)務(wù)定標(biāo)結(jié)果穩(wěn)定（He 和Chen，2019；Lawrence 等，2018；Bormann 等，2021），數(shù)據(jù)可用作風(fēng)云三號(hào)歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)的風(fēng)云參考，基于風(fēng)云參考處理歷史數(shù)據(jù)，可以得到輻射一致的風(fēng)云三號(hào)微波載荷長時(shí)間序列歷史數(shù)據(jù)。風(fēng)云衛(wèi)星載荷歷史數(shù)據(jù)通過交叉定標(biāo)可以將國際公認(rèn)的高精度觀測(cè)資料作為長時(shí)間歷史數(shù)據(jù)參考，溯源傳遞。溯源過程中基于國家輻射參考數(shù)據(jù)，從多維度出發(fā)建立科學(xué)評(píng)價(jià)甄別規(guī)則，遴選可用于歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)的目標(biāo)場(chǎng)，解決國產(chǎn)衛(wèi)星微波載荷缺乏長時(shí)間歷史輻射參考難題。輻射參考數(shù)據(jù)包括目前國際公認(rèn)的高精度微波載荷歷史數(shù)據(jù)（GMI/ATMS）和背景場(chǎng)微波輻射（背景場(chǎng)+微波輻射傳輸模型）等。目前國際公認(rèn)最優(yōu)的背景場(chǎng)資料包括ECMWF 發(fā)布的數(shù)值預(yù)報(bào)再分析資料ERA5數(shù)據(jù)（Hersbach等，2018）、WMO最新倡導(dǎo)建立的高空氣候觀測(cè)站數(shù)據(jù)（GRUAN）（Newman 等，2020）和GPS/RO 數(shù)據(jù)（Hou 等，2019）等，這些背景場(chǎng)輻射資料也被歐美同行用于建立微波歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)模型以及基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集的檢驗(yàn)驗(yàn)證。

ATMS 歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)中，利用背景場(chǎng)微波輻射資料檢驗(yàn)ATMS 氧氣吸收通道，結(jié)果表明其輻射不確定度小于0.14 K，用于大氣濕度廓線探測(cè)的水汽吸收通道的輻射不確定性在1.5—2.5 K（Carminati 等，2021）；美國NOAA/STAR 最近完成的SNPP 和JPSS 業(yè)務(wù)存檔數(shù)據(jù)重處理中ATMS 資料重處理后與AQUA/AMSU-A 通道7對(duì)應(yīng)通道間輻射偏差的長期變化趨勢(shì)為0.003 K/a，達(dá)到了氣候趨勢(shì)研究對(duì)衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)0.004 K/a 的穩(wěn)定性要求（Zou 等，2020），因此ATMS 是星載微波大氣探測(cè)載荷最佳的在軌輻射參考，可以為風(fēng)云三號(hào)微波大氣探測(cè)載荷（MWTS/MWHS）歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)提供輻射參考。研究表明GMI 在軌絕對(duì)定標(biāo)精度在1-σ約束條件下靜穩(wěn)洋面可以達(dá)到0.25 K，輻射定標(biāo)結(jié)果長期穩(wěn)定（Newell 等，2015；Draper 等，2016），這也為風(fēng)云三號(hào)微波成像儀（MWRI）歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)提供了輻射參考。此外通用的微波基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)SSMI（S）FCDR 和AMSUFCDR 等，也為風(fēng)云三號(hào)微波載荷歷史數(shù)據(jù)在定標(biāo)提供了輻射參考，表4匯集了各類輻射參考。

表4 風(fēng)云三號(hào)微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)輻射參考Table 4 Radiometric reference for re-calibration of FY-3 microwave payloads historical data records

歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)中微波輻射參考主要通過交叉定標(biāo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳遞（Colton 和Poe，1999；Sapiano等，2013；Chander 等，2013；Biswas 等，2013；Draper 等，2015）。美國NASA 降水測(cè)量計(jì)劃（GPM）中專門設(shè)立了XCAL 交叉定標(biāo)技術(shù)組，提出了較為完整的星載微波輻射輻射校準(zhǔn)傳遞技術(shù)架構(gòu)，在XCAL 框架下實(shí)現(xiàn)了GPM 時(shí)代所有在軌運(yùn)行星載微波輻射計(jì)的輻射校準(zhǔn)和傳遞，并發(fā)展了基于地氣系統(tǒng)背景微波輻射的雙偏差交叉?zhèn)鬟f技術(shù)（Berg，2016）。風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星自首發(fā)星FY-3A 發(fā)射升空以來，各載荷均開展了交叉定標(biāo)工作，大氣探測(cè)載荷微波溫/濕度計(jì)分別與美國和歐洲業(yè)務(wù)衛(wèi)星上裝載的同類載荷進(jìn)行了交叉比對(duì)（谷松巖 等，2013；郭楊 等，2014）；同時(shí)還利用交叉定標(biāo)技術(shù)完成了冷空輻射偏差修正（谷松巖等，2015），輻射的掃描角偏差訂正等（官莉和陸文婧，2016）等。利用晴空大氣輻射傳輸模擬技術(shù)可以建立FY-3/MWRI 與AMSR-E 之間不同觀測(cè)角度的輻射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)輻射計(jì)資料的融合應(yīng)用（陳昊和金亞秋，2012）。此外在利用FY-3/MWRI 橋接AMSR-E 和ANSR-2 數(shù)據(jù)時(shí)，還通過陸地區(qū)域雙差交叉定標(biāo)技術(shù)建立了以AMSR-E為參考的微波成像儀長時(shí)序亮溫?cái)?shù)據(jù)集（Du 等，2014）；并且通過FY-3B/MWRI 與GCOM-W1/AMSR-2 之間的交叉定標(biāo)，校準(zhǔn)了FY-3B/MWRI 升降軌亮溫偏差，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)的銜接（唐曉彤 等，2020）。風(fēng)云衛(wèi)星歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)中，還基于微波波段條件穩(wěn)定目標(biāo)，通過外定標(biāo)技術(shù)進(jìn)行輻射參考的單點(diǎn)傳遞，保證歷史數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和一致性。

表4匯集了風(fēng)云三號(hào)微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)輻射參考。在風(fēng)云衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)研究中輻射參考傳遞采用基于微波輻射傳輸模型的穩(wěn)定目標(biāo)雙偏差交叉?zhèn)鬟f技術(shù)（Zeng 和Jiang，2020）。通過交叉?zhèn)鬟f使不同載荷的輻射參考得到統(tǒng)一，支撐風(fēng)云微波資料FCDR 數(shù)據(jù)集。圖8 為風(fēng)云衛(wèi)星微波載荷基于微波輻射傳輸模型的穩(wěn)定目標(biāo)雙偏差交叉?zhèn)鬟f技術(shù)流程。

圖8 基于穩(wěn)定目標(biāo)的雙差交叉定標(biāo)技術(shù)流程Fig.8 Technical flow of double difference cross-calibration for stable targets

4.4 再定標(biāo)進(jìn)展介紹

風(fēng)云三號(hào)3臺(tái)微波輻射計(jì)歷史數(shù)據(jù)基于輻射參考和再定標(biāo)模型完成歷史數(shù)據(jù)重處理，目前已生成時(shí)間跨度10 年的長時(shí)序L1 科學(xué)數(shù)據(jù)集。從再定標(biāo)結(jié)果與參考載荷匹配數(shù)據(jù)交叉比對(duì)結(jié)果來看（圖9），10年間載荷在軌特殊工況對(duì)定標(biāo)結(jié)果的影響基本得到修正。圖9（a）是微波濕度計(jì)FY-3A/B/C 3 顆星中心頻點(diǎn)位于183.31 GHz 的3 個(gè)水汽吸收通道再定標(biāo)后與參考載荷（METOP/MHS）交叉比對(duì)結(jié)果的時(shí)間序列，從圖9（a）中可見再定標(biāo)后3顆星代際之間輻射取得了很好的一致性，再定標(biāo)后長時(shí)間序列數(shù)據(jù)的RMSE最優(yōu)達(dá)到0.80 K，標(biāo)準(zhǔn)差為0.20 K；圖9（b）是微波溫度計(jì)FY-3A/B/C/D 4顆衛(wèi)星上裝載的4 臺(tái)微波溫度計(jì)儀器中心頻點(diǎn)為50.3 GHz 通道再定標(biāo)后與參考載荷交叉比對(duì)結(jié)果的時(shí)間序列，其中FY-3A/B 的參考載荷為METOP/AMSU-A，F(xiàn)Y-3C/D 的參考載荷為SNPP/ATMS，從圖中可見再定標(biāo)后4顆星代際間輻射達(dá)到了很好的一致性，再定標(biāo)后長時(shí)間序列亮溫?cái)?shù)據(jù)均方跟誤差RMSE為0.77 K，標(biāo)準(zhǔn)差為0.28 K；圖9（c）是微波成像儀FY-3B/C/D 3 顆星中心頻點(diǎn)位于23.8 GHz的V 極化通道再定標(biāo)后與參考載荷（GPM/GMI）交叉比對(duì)結(jié)果的時(shí)間序列，從圖9中可見再定標(biāo)后3顆星代際之間輻射一致，再定標(biāo)后長時(shí)間序列數(shù)據(jù)的RMSE最優(yōu)達(dá)到1.29 K，標(biāo)準(zhǔn)差為0.15 K（圖10）。均方根誤差RMSE和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算如式（1）和（2）。再定標(biāo)處理生成的風(fēng)云三號(hào)微波載荷長時(shí)序L1 科學(xué)數(shù)據(jù)集為后續(xù)生成風(fēng)云三號(hào)微波載荷基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集FCDR奠定了基礎(chǔ)。

圖9 再定標(biāo)結(jié)果與參考載荷交叉比對(duì)時(shí)間序列Fig.9 Cross alignment time series of recalibration results and reference loads

5 結(jié)論

風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)時(shí)間跨度超過10 年的歷史數(shù)據(jù)經(jīng)再定標(biāo)處理，修正了在軌壽命期內(nèi)載荷特殊工況造成的輻射定標(biāo)偏差，消除了多星代際間的輻射差異，生成了風(fēng)云三號(hào)微波長時(shí)序L1 科學(xué)數(shù)據(jù)集，經(jīng)與國際同類載荷交叉比對(duì)表明二者之間具有非常好的輻射一致性，經(jīng)與國際同類載荷交叉比對(duì)表明氧氣吸收通道長時(shí)間序列亮溫?cái)?shù)據(jù)RMSE為0.77 K，標(biāo)準(zhǔn)差為0.28 K；水汽吸收通道再定標(biāo)后長時(shí)間序列數(shù)據(jù)的RMSE最優(yōu)達(dá)到0.80 K，標(biāo)準(zhǔn)差為0.20 K；窗區(qū)通道以23.8 GHz的V極化通道為例再定標(biāo)后長時(shí)間序列數(shù)據(jù)的RMSE 最優(yōu)達(dá)到1.29 K，標(biāo)準(zhǔn)差為0.15 K；在定標(biāo)后最大RMSE不超過1.5 K。

通過風(fēng)云三號(hào)微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)加深了我們對(duì)國產(chǎn)衛(wèi)星微波載荷技術(shù)狀態(tài)的認(rèn)識(shí)，提升了風(fēng)云三號(hào)星載被動(dòng)微波輻射計(jì)在軌輻射定標(biāo)精度，同時(shí)也為未來發(fā)展風(fēng)云衛(wèi)星微波載荷輻射定標(biāo)新技術(shù)提供了技術(shù)支撐。

后續(xù)將圍繞風(fēng)云三號(hào)微波載荷基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集建設(shè)進(jìn)一步開展衛(wèi)星軌道漂移的建模修正、大氣熱力結(jié)構(gòu)日變化修正建模、科學(xué)數(shù)據(jù)的時(shí)空匹配投影等，最終將生成中國風(fēng)云衛(wèi)星微波載荷基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集FCDR。風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)及其氣候基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集不僅將支撐風(fēng)云衛(wèi)星微波資料的氣候應(yīng)用，也將支撐中國數(shù)值天氣預(yù)報(bào)再分析，并且還將廣泛應(yīng)用于環(huán)境生態(tài)及災(zāi)害的遙感監(jiān)測(cè)等。