張 瑜，張升偉，王振占，姜景山，李 靖

(1.中國(guó)科學(xué)院 微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心,北京 100190)

FY-3衛(wèi)星大氣濕度微波探測(cè)技術(shù)發(fā)展

張 瑜1,2，張升偉1,2，王振占1,2，姜景山1,2，李 靖2

(1.中國(guó)科學(xué)院 微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190；
2.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心,北京 100190)

介紹了風(fēng)云三號(hào)(FY-3)衛(wèi)星大氣濕度微波探測(cè)技術(shù)及其發(fā)展。闡述了大氣濕度微波探測(cè)原理。給出了微波濕度計(jì)(MWHS)的組成，以及變速掃描、勻速掃描和定點(diǎn)觀測(cè)三種工作模式。從FY-3衛(wèi)星01批到03批，MWHS從單一的濕度探測(cè)發(fā)展為大氣溫濕度同步探測(cè)，靈敏度和定標(biāo)精度不斷提高。其中：A、B星MWHS有 150，183.31 GHz兩個(gè)探測(cè)頻率，150 GHz在國(guó)際上首次采用準(zhǔn)光技術(shù)實(shí)現(xiàn)了極化分離，有垂直和水平通道2個(gè)，183.31 GHz與國(guó)際同類設(shè)備相同，有通道3個(gè)；C、D星MWHS增加了118.75 GHz探測(cè)通道8個(gè)，183.31 GHz探測(cè)通道增加到5個(gè)，并增加了150 GHz窗區(qū)頻率，顯著提升了微波濕度計(jì)的探測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)了多通道的細(xì)分探測(cè)，并具有大氣溫度、濕度同步探測(cè)的功能，且118 GHz首次實(shí)現(xiàn)了星載非臨邊大氣探測(cè)；03批MWHS將包括探測(cè)頻率4個(gè)、探測(cè)通道15個(gè)，窗區(qū)探測(cè)頻率由150 GHz更改為166 GHz，并大幅提高靈敏度、定標(biāo)精度等系統(tǒng)性能指標(biāo)。性能比較表明：FY-3衛(wèi)星MWHS的系統(tǒng)靈敏度優(yōu)于其他國(guó)際同類載荷。給出了FY-3衛(wèi)星MWHS在臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)、全球亮溫圖獲取等大氣探測(cè)和災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)與跟蹤監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用成果。

風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星； 有效載荷； 微波濕度計(jì)； 微波探測(cè)； 溫濕度探測(cè)； 天氣預(yù)報(bào)； 大氣濕度； 水汽含量

0 引言

大氣溫度和濕度是影響全球氣象與氣候變化的重要參數(shù)。每年熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣給多國(guó)帶來了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，因此大氣溫度和濕度探測(cè)在全球天氣預(yù)報(bào)和氣候變化研究中發(fā)揮的作用越來越重要。美國(guó)、歐洲、俄羅斯等的極軌氣象衛(wèi)星先后搭載了大氣溫濕度微波探測(cè)儀。美國(guó)的NOAA系列極軌氣象衛(wèi)星搭載的先進(jìn)微波濕度探測(cè)單元AMSU-B，頻率為89 GHz(垂直極化)、150 GHz(垂直極化)和183 GHz(水平極化，三通道)[1]。從2005年5月發(fā)射的NOAA-18衛(wèi)星開始，AMSU-B被微波濕度計(jì)(MHS)取代，探測(cè)頻率更改為89，157，190.31 GHz，探測(cè)通道仍為5個(gè)[2-3]。歐洲系列氣象衛(wèi)星MHS頻率設(shè)置與AMSU-B相同；俄羅斯發(fā)射的氣象衛(wèi)星頻率范圍為6.6～183.31 GHz。上述國(guó)際上先進(jìn)的大氣微波探測(cè)儀在天氣預(yù)報(bào)、中長(zhǎng)期氣候研究和災(zāi)害天氣預(yù)警方面發(fā)揮了重要作用。

FY-3衛(wèi)星是我國(guó)第二代極軌系列氣象衛(wèi)星，有效載荷包括光學(xué)、紅外、微波遙感器及空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器等，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全球全天候、多光譜、三維定量探測(cè)，以及云和降水參數(shù)的探測(cè)，監(jiān)視大范圍的自然災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境變化[4]。微波濕度計(jì)(MWHS)是FY-3衛(wèi)星上一個(gè)重要的有效載荷，可全天時(shí)、全天候探測(cè)全球大氣濕度的垂直分布、水汽含量和降雨量等空間氣象資料，在大氣探測(cè)中的作用重要。FY-3衛(wèi)星分為01，02，03三個(gè)批次，計(jì)劃發(fā)射衛(wèi)星8顆。其中：01批包括A，B兩顆衛(wèi)星；02批包括C，D兩顆衛(wèi)星；03批包括E，F(xiàn)，G，R(降雨星)四顆衛(wèi)星。FY-3A，B星微波濕度計(jì)包括150，183.31 GHz兩個(gè)探測(cè)頻率，其中150 GHz與國(guó)際同類設(shè)備不同，分為垂直(V)和水平(H)極化兩個(gè)通道；183.31 GHz與國(guó)際同類設(shè)備相同，包括(183.3±1)，(183.31±3)，(183.31±7) GHz三個(gè)通道。FY-3A，B星分別于2008年5月27日和2010年11月5日發(fā)射，在軌運(yùn)行期間提供全球、全天候大氣濕度廓線，水汽含量和降雨量等空間氣象資料，獲取了全球與臺(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)，為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和災(zāi)害性天氣預(yù)警預(yù)報(bào)提供支持。2014年9月29日，歐洲中期氣象預(yù)報(bào)中心(ECMWF)開始在其業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)模式中使用FY-3B星MWHS的資料，改進(jìn)了模式對(duì)對(duì)流層中層和高層濕度場(chǎng)的分析，增強(qiáng)了衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)的魯棒性。在01批次A，B星微波濕度計(jì)的基礎(chǔ)上，02批C，D星微波濕度計(jì)實(shí)現(xiàn)了升級(jí)換代，增加了89，118.75 GHz兩個(gè)探測(cè)頻率，探測(cè)通道也由5個(gè)增加到15個(gè)。02批微波濕度計(jì)命名為微波濕度計(jì)II型(MWHS-II)，能同步觀測(cè)大氣濕度和溫度，且實(shí)現(xiàn)了多通道的細(xì)分探測(cè)。FY-3C星于2013年9月23日發(fā)射，MWHS-II經(jīng)過在軌測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于FY-3A，B星的MWHS。

MWHS-II在國(guó)際上首次將118.75 GHz用于星載下視大氣探測(cè)，同時(shí)由于增加了探測(cè)通道，垂直分辨率和冰云探測(cè)能力顯著提高，對(duì)改善數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型，提高中長(zhǎng)期全球氣候預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度是一次非常有意義的探索。本文主要介紹了FY-3衛(wèi)星微波濕度計(jì)的探測(cè)原理、技術(shù)方案和發(fā)展，以及在臺(tái)風(fēng)、熱帶氣旋等災(zāi)害性天氣中的應(yīng)用。

1 大氣濕度微波探測(cè)原理

星載微波輻射計(jì)對(duì)地觀測(cè)時(shí)，能穿透地球大氣測(cè)量來自地球特定頻率的微波輻射[5]。因大氣中的冰、云、雨、雪等對(duì)來自地球表面的微波輻射有衰減作用，故微波濕度計(jì)不同通道的觀測(cè)數(shù)據(jù)包含了地球大氣層不同高度的濕度信息，通過微波濕度計(jì)的亮度溫度能反演得到大氣濕度的垂直分布，以及地球表面的溫度信息。

大氣微波吸收譜如圖1所示[6]。圖1中顯示了氧氣和水汽的大氣吸收譜線，可發(fā)現(xiàn)在頻率0～280 GHz范圍內(nèi)分別有氧氣吸收譜線2條(50～60，118.75 GHz)和水汽吸收譜線2條(22.235，183.31 GHz)。通常利用50～60，118.75 GHz探測(cè)大氣溫度廓線，利用183.31 GHz探測(cè)大氣濕度廓線。因22.235 GHz水汽吸收線對(duì)廓線測(cè)量衰減太低，且部分透明性被用于獲取水汽總量。通常設(shè)置89，150 GHz兩個(gè)窗區(qū)通道用于探測(cè)地球表面和較低大氣的信息，并輔助測(cè)量大氣溫濕度廓線、卷云、強(qiáng)降雨等。

圖1 大氣微波吸收譜Fig.1 Atmospheric opacity spectrum

2 微波濕度計(jì)總體設(shè)計(jì)

2.1總體方案及系統(tǒng)組成

FY-3衛(wèi)星MWHS是一套基于超外差接收機(jī)的全功率型微波輻射計(jì)，由天線與接收機(jī)單元、控制與數(shù)據(jù)處理單元和電源單元組成。

MWHS接收到的信號(hào)來自地球大氣層的自由空間輻射，通過一個(gè)垂直于衛(wèi)星飛行軌跡進(jìn)行掃描的天線反射面獲取。為標(biāo)定接收機(jī)的增益與噪聲，消除信道增益波動(dòng)的影響，每個(gè)掃描周期進(jìn)行一次高低溫兩點(diǎn)定標(biāo)[7]。高溫源為濕度計(jì)內(nèi)部的吸收體，其物理溫度由一組高精度的溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量獲得，低溫源為宇宙冷空背景的微波輻射。接收機(jī)采用直接混頻方式，接收到的信號(hào)聚焦于饋源，然后通過本振和混頻器實(shí)現(xiàn)雙邊帶下變頻，由中頻處理器進(jìn)行放大、濾波、檢波和積分。

電源單元由二次電源變換器(DC/DC變換)和電源分配器兩部分組成。為提高可靠性，采取主/備份冗余設(shè)計(jì)，其主要功能是將衛(wèi)星母線電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的直流電壓。

控制與數(shù)據(jù)處理單元由天線驅(qū)動(dòng)接口、系統(tǒng)測(cè)控模塊和總線通信模塊組成，系統(tǒng)軟件控制天線掃描模式、接收機(jī)工作狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行遙控指令及遙測(cè)數(shù)據(jù)管理；由1553B總線與衛(wèi)星進(jìn)行通信，接收衛(wèi)星發(fā)出的遙控指令及衛(wèi)星姿態(tài)、時(shí)間碼等輔助信息，將科學(xué)數(shù)據(jù)與輔助數(shù)據(jù)打包下傳。其中：天線與掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)集成為一體，通過旋轉(zhuǎn)反射面實(shí)現(xiàn)周期掃描，反射面與軸成45°角，由一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)天線反射面進(jìn)行掃描。衛(wèi)星高度、地面順軌方向速度、空間分辨率和積分時(shí)間等要素決定了掃描周期為2.667 s。為提高對(duì)地觀測(cè)時(shí)間，采用變速掃描方式，其中對(duì)地觀測(cè)入射角范圍相對(duì)天底點(diǎn)為±53.35°，用時(shí)1.71 s，冷空間定標(biāo)角度距天地點(diǎn)為73°，用時(shí)0.1 s；熱源定標(biāo)角度位于天頂點(diǎn)，用時(shí)0.1 s；剩余時(shí)間用于快速空運(yùn)轉(zhuǎn)。天線與掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 天線與掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.2 Antenna and scanning mechanism

FY-3A，B星MWHS的150，183 GHz接收機(jī)各自采用獨(dú)立的反射面天線，150 GHz通道利用準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)(極化柵網(wǎng))將信號(hào)分為水平極化和垂直極化；FY-3C，D星MWHS的89，118.75 GHz接收機(jī)共用一個(gè)反射面，采用準(zhǔn)光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻率的極化分離，用各自的饋源接收微波信號(hào)；150 GHz(或166 GHz)和183.31 GHz接收機(jī)采用相同方式共用另外一個(gè)反射面。為防止衛(wèi)星表面雜散電磁輻射的影響，兩副天線都設(shè)計(jì)有天線罩，天線罩活動(dòng)部分與天線反射面固定在一起旋轉(zhuǎn)，固定部分與饋源固定在一起。

2.2掃描方式

MWHS掃描方式有變速掃描、勻速掃描和定點(diǎn)觀測(cè)三種工作模式。勻速掃描模式周期2.667 s，與變速掃描周期相同；定點(diǎn)觀測(cè)模式可根據(jù)需要固定任意角度進(jìn)行觀測(cè)；掃描模式的選擇及切換通過地面數(shù)據(jù)注入遙控指令完成。

變速掃描模式為默認(rèn)的對(duì)地觀測(cè)工作模式。MHWS采用機(jī)械掃描，結(jié)合衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)(順軌方向)和天線窄波束的交軌方向掃描。為增加對(duì)地觀測(cè)時(shí)間，電機(jī)帶動(dòng)天線進(jìn)行360°連續(xù)變速圓周掃描，掃描周期2.667 s，對(duì)地觀測(cè)掃描張角±53.35°(以天底點(diǎn)為中心)。高溫定標(biāo)源位于天頂點(diǎn)位置，冷空定標(biāo)角度287°(距離天底點(diǎn)73°)，掃描過程如圖3所示。

圖3 FY-3衛(wèi)星微波濕度計(jì)成像及掃描周期Fig.3 Imaging geometry and scanning period of FY-3 MWHS

為保證足夠小的輻射測(cè)量靈敏度，應(yīng)盡可能增加對(duì)地觀測(cè)時(shí)間。因此，在對(duì)地觀測(cè)期間降低電機(jī)速度進(jìn)行勻速掃描，對(duì)地觀測(cè)時(shí)間1.71 s，此值是根據(jù)衛(wèi)星地面速度、天底點(diǎn)像元尺寸，以及兩條連續(xù)的掃描線間天底點(diǎn)像元相鄰而不重疊的要求算出的。

變速掃描模式掃描周期時(shí)間分配如下。

a)對(duì)地觀測(cè)：±53.35°，用時(shí)1.71 s，勻速掃描。

b)對(duì)地觀測(cè)終止至熱源定標(biāo)起始角：53.35°～178°，用時(shí)0.357 s，加速/減速。

c)熱源定標(biāo)：180°±2°，用時(shí)0.1 s，勻速掃描。

d)熱源定標(biāo)終止至冷空定標(biāo)起始角：182°～285°，用時(shí)0.3 s，加速/減速。

e)冷空定標(biāo)：287°±2°，用時(shí)0.1 s，勻速掃描。

f)冷空定標(biāo)終止至對(duì)地觀測(cè)起始角：289°～306.65°，用時(shí)0.1 s，加速/減速。

FY-3衛(wèi)星軌道高度836 km，衛(wèi)星地速約7.5 km/s，掃描角度范圍±53.35°，150/183.31 GHz天線3 dB波束寬度1.0°，89 GHz/118.31 GHz天線3 dB波束寬度2.0°。

由以上參數(shù)可知：刈幅寬度2 645 km；像元數(shù)，每條掃描線有98像元；刈幅間隔20 km；空間分辨率，天底點(diǎn)像元為圓形，直徑16 km，隨著入射角增大地面像元逐漸變化為橢圓形，且尺寸變大，最遠(yuǎn)端像元尺寸41 km×27 km；每個(gè)像元駐留時(shí)間17.4 ms。

3 微波濕度計(jì)技術(shù)發(fā)展

3.1探測(cè)指標(biāo)提升

FY-3衛(wèi)星MWHS從01批到03批不斷進(jìn)行升級(jí)換代，性能指標(biāo)大幅提高，從單一的濕度探測(cè)發(fā)展為大氣溫濕度同步探測(cè)，靈敏度及定標(biāo)精度不斷提高，三個(gè)批次及國(guó)外同類儀器性能指標(biāo)對(duì)比見表1，通道特性參數(shù)對(duì)比見表2。

表1 FY-3衛(wèi)星微波濕度計(jì)及國(guó)外同類儀器性能指標(biāo)比較

表2 FY-3衛(wèi)星微波濕度計(jì)通道特性指標(biāo)比較

3.2微波濕度計(jì)探測(cè)方案發(fā)展

FY-3A，B星微波濕度計(jì)包括150，183.31 GHz兩個(gè)探測(cè)頻率[8]。其中：150 GHz在國(guó)際上首次采用準(zhǔn)光技術(shù)實(shí)現(xiàn)了極化分離，分為垂直(V)和水平(H)極化兩個(gè)通道；183.31 GHz與國(guó)際同類設(shè)備相同，包括(183.3±1)，(183.31±3)，(183.31±7) GHz三個(gè)通道，系統(tǒng)組成如圖4所示。

02批C，D星微波濕度計(jì)是01批A，B星的繼承和發(fā)展，在保留原全部功能外，增加了118.75 GHz探測(cè)通道8個(gè)，183.31 GHz探測(cè)通道由原來的3個(gè)增加到5個(gè)，并增加了150 GHz窗區(qū)頻率，顯著提升了微波濕度計(jì)的探測(cè)能力[9]。02批的MWHS-II實(shí)現(xiàn)了多通道的細(xì)分探測(cè)，并具有大氣溫度、濕度同步探測(cè)的功能，且118 GHz首次實(shí)現(xiàn)了星載非臨邊大氣探測(cè)。其中：溫度廓線是通過測(cè)量位于118.75 GHz氧氣吸收線的8個(gè)通道的亮度溫度獲得；水汽廓線是通過測(cè)量位于183.31 GHz水汽吸收線的5個(gè)不同通道的亮度溫度獲得。FY-3C，D星微波濕度計(jì)系統(tǒng)組成如圖5所示，實(shí)物如圖6所示。

與01批相比，02批(C，D)星微波濕度計(jì)研制的關(guān)鍵技術(shù)有：

a)集成度大幅提高，系統(tǒng)復(fù)雜。

b)多頻及多通道的電磁兼容性。系統(tǒng)接收機(jī)采用高次混頻、雙邊帶接收，共有射頻通帶30個(gè)、本振4個(gè)，諧波分量豐富，故采取了有效的電磁兼容措施控制諧波干擾。

c)壽命提高。系統(tǒng)壽命由3年考核提高至4年，提高了器件等級(jí)。

FY-3衛(wèi)星03批衛(wèi)星是02批衛(wèi)星的繼承和發(fā)展，計(jì)劃發(fā)射晨昏星、上午星、下午星和降雨星4顆衛(wèi)星。其中清晨星、上午星和下午星將搭載微波濕度計(jì)(II型)。

與02批相同，03批星微波濕度計(jì)(II型)也包括探測(cè)頻率4個(gè)、探測(cè)通道15個(gè)，但根據(jù)用戶使用需求，窗區(qū)探測(cè)頻率由150 GHz更改為166 GHz，并大幅提高了靈敏度、定標(biāo)精度等系統(tǒng)性能指標(biāo)。目前，03批05星微波濕度計(jì)已完成正樣設(shè)計(jì)。

圖4 FY-3A，B星微波濕度計(jì)系統(tǒng)組成Fig.4 Block diagram of FY-3A，B MWHS

圖5 FY-3C，D星微波濕度計(jì)系統(tǒng)組成Fig.5 Block diagram of FY-3C，D MWHS

圖6 FY-3C，D星微波濕度計(jì)Fig.6 FY-3C，D MWHS

4 微波濕度計(jì)性能分析及在軌應(yīng)用

4.1微波濕度計(jì)性能分析

微波濕度計(jì)重要的性能指標(biāo)包括系統(tǒng)靈敏度和定標(biāo)精度。系統(tǒng)靈敏度ΔT，又稱輻射分辨率，定義為微波輻射計(jì)能檢測(cè)到的最小天線溫度變化，有

(1)

式中：B為檢波前帶寬；τ為積分時(shí)間；G為檢波前增益；ΔG/G為一個(gè)掃描周期內(nèi)兩點(diǎn)定標(biāo)間的增益

穩(wěn)定度；Tsys為天線溫度TA與接收機(jī)等效溫度Trec之和；X為量化處理過程的噪聲貢獻(xiàn)。對(duì)實(shí)時(shí)兩點(diǎn)定標(biāo)的微波輻射計(jì)系統(tǒng)，增益波動(dòng)的影響基本消除。

經(jīng)在軌測(cè)試，可獲得微波濕度計(jì)各通道的靈敏度和定標(biāo)精度指標(biāo)，結(jié)果與國(guó)際同類載荷靈敏度指標(biāo)在軌對(duì)比見表3[10-11]。由表3可知：FY-3C星微波濕度計(jì)的靈敏度優(yōu)于其他同類載荷。

4.2微波濕度計(jì)在軌應(yīng)用

FY-3A星發(fā)射后，微波濕度計(jì)于2008年6月4日開機(jī)工作正常，開機(jī)后第一軌探測(cè)數(shù)據(jù)圖像層次分明，信息量豐富，并且反映了大氣中水汽分布和不同高度層的量溫特征。2008年，我國(guó)臺(tái)灣及東南沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)及熱帶風(fēng)暴頻發(fā)，F(xiàn)Y-3A星微波濕度計(jì)在監(jiān)測(cè)海鷗、鳳凰、森拉克、黑格比、薔薇等臺(tái)風(fēng)和熱帶風(fēng)暴的形成、發(fā)展和衰落過程中發(fā)揮了重大作用，顯示出其全天候大氣濕度的探測(cè)能力。

2008年7月下旬，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)鳳凰過境時(shí)微波濕度計(jì)的監(jiān)測(cè)圖像如圖7所示[12]。由于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)恰好處于星下點(diǎn)，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，臺(tái)風(fēng)眼區(qū)監(jiān)測(cè)清晰直觀，對(duì)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度分布、發(fā)展趨勢(shì)提供了有價(jià)值的參考信息，為判識(shí)臺(tái)風(fēng)未來發(fā)展提供了有利依據(jù)。

表3 與同類載荷靈敏度和定標(biāo)精度指標(biāo)在軌對(duì)比

FY-3B星微波濕度計(jì)自2010年11月5日發(fā)射以來，至今已穩(wěn)定運(yùn)行超過6年，靈敏度等在軌性能優(yōu)于A星，且在軌定標(biāo)結(jié)果系統(tǒng)偏差小于NOAA-18星AMSU-B和FY-3A星MWHS。B星在2010年11月11日23：52獲取的第一幅單軌圖像如圖8所示，在軌運(yùn)行期間獲得的全球亮溫圖如圖9所示。

FY-3C星微波濕度計(jì)自2013年9月23日發(fā)射以來，在軌工作已超過3年，能同步觀測(cè)大氣濕度和溫度，并實(shí)現(xiàn)了多通道的細(xì)分探測(cè)。FY-3A，B，C星組網(wǎng)運(yùn)行，為2013年圣帕、菲特等臺(tái)風(fēng)在太平洋上生成過程和發(fā)展路徑，以及臺(tái)風(fēng)路徑的發(fā)展走勢(shì)預(yù)判提供了技術(shù)手段，提高了短時(shí)災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)的時(shí)效性。FY-3C星微波濕度計(jì)118，183 GHz探測(cè)通道監(jiān)測(cè)的臺(tái)風(fēng)菲特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10所示。

FY-3A，B，C星微波濕度計(jì)在軌運(yùn)行期間獲取了全球與臺(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)，為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和災(zāi)害性天氣預(yù)警預(yù)報(bào)提供支持。其中，從2014年9月24日開始，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)開始在其業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)模式中使用FY-3B星微波濕度計(jì)資料，C星微波濕度計(jì)資料也于2016年4月被同化使用，ECMWF認(rèn)為微波濕度計(jì)資料改善了模式對(duì)對(duì)流層中層和高層濕度場(chǎng)的分析，增強(qiáng)了衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)的魯棒性。這些表明FY-3衛(wèi)星微波濕度計(jì)輻射測(cè)量精度和觀測(cè)穩(wěn)定性已獲得了國(guó)際用戶的認(rèn)可，能與歐洲、美國(guó)共同在氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)提供方面發(fā)揮主導(dǎo)作用。

03批FY-3E，F(xiàn)，G三顆衛(wèi)星將搭載微波濕度計(jì)II型，并進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能指標(biāo)，計(jì)劃于2018年后發(fā)射；屆時(shí)將與FY-3A，B，C，D星組網(wǎng)作為系列化、業(yè)務(wù)化運(yùn)行的氣象衛(wèi)星進(jìn)一步為全球氣象預(yù)報(bào)及災(zāi)害預(yù)警服務(wù)。

圖7 FY-3A星臺(tái)風(fēng)鳳凰監(jiān)測(cè)圖像Fig.7 Monitoring images of typhoon Fung-Wong

圖8 FY-3B星微波濕度計(jì)第一幅單軌圖像Fig.8 The first orbit images of FY-3B MWHS

圖9 FY-3B星微波濕度計(jì)全球亮溫圖Fig.9 Global brightness temperature images of FY-3B MWHS

圖10 FY-3C星118，183 GHz臺(tái)風(fēng)菲特內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.10 Typhoon Fitow inner thermal structure of FY-3 118 GHz/183 GHz

5 結(jié)束語

經(jīng)過近十多年的發(fā)展，我國(guó)FY-3氣象衛(wèi)星大氣濕度微波探測(cè)技術(shù)從無到有，從單一濕度探測(cè)發(fā)展到濕度/溫度多通道同步探測(cè)，取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。我國(guó)地處亞洲季風(fēng)區(qū)，氣象災(zāi)害頻發(fā)，F(xiàn)Y-3衛(wèi)星微波濕度計(jì)利用其微波探測(cè)優(yōu)勢(shì)，能全天時(shí)、全天候觀測(cè)大氣濕度的垂直分布(水汽廓線)、水汽含量和降雨量等空間氣象資料，為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候變化研究和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了重要參數(shù),在大氣探測(cè)領(lǐng)域特別是災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)和跟蹤監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮了重大作用。FY-3衛(wèi)星微波濕度計(jì)代表了目前中國(guó)星載微波輻射計(jì)的最高頻率，在軌表現(xiàn)良好，在國(guó)際氣象組織中產(chǎn)生了積極影響。FY-3 03批衛(wèi)星計(jì)劃發(fā)射晨昏星、上午星、下午星和降雨星。其中：晨昏星、上午星和下午星三顆衛(wèi)星上搭載微波濕度計(jì)(II型)。03批星微波濕度計(jì)系統(tǒng)性能指標(biāo)將在02批的基礎(chǔ)上大幅提高，計(jì)劃于2018年后陸續(xù)發(fā)射，并將與01批、02批組網(wǎng)運(yùn)行，共同為全球大氣探測(cè)提供服務(wù)。

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TechnologyDevelopmentofAtmosphericHumiditySoundingofFY-3Satellite

ZHANG Yu1, 2， ZHANG Sheng-wei1, 2， WANG Zhen-zhan1, 2， JIANG Jing-shan1, 2， LI Jing2

(1. Key Laboratory of Microwave Remote Sensing, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2. National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

The technology and development of atmospheric microwave humidity sounding of FY-3 meteorological satellite were introduced in this paper. The composition of the microwave humidity sounder (MWHS) was presented, and so were the three operation modes of variable speed scanning, uniform velocity scanning and pointing observation. MWHS has been developed from single humidity sounding to humidity/temperature sounding simultaneously and the sensitivity and calibration accuracy of MWHS have been improved continuously from 01 batch to 03 batch. MWHS of FY-3A，B satellite has two detection frequency at 150 and 183.1 GHz. The frequency 150 GHz has two channels which realizes the polarization separation by quasi-optics first in the world, and the frequency 183.31 GHz has three channels which are similar to the same type equipment in the world. MWHS of FY-3C，D satellite has increased 8 channels at 118.75 GHz, 3 channels at 183.31 GHz and window frequency at 150 GHz. It realizes the fine detection with multi-channel, and has the function of humidity/temperature sounding simultaneously, and it also realizes onboard limb atmospheric detection at 118 GHz. MWHS of FY-3 03 batch will include 4 detection frequency and 15 channels. The window detection frequency will change from 150 GHz to 166 GHz. The sensitivity and calibration accuracy will be improved greatly. The comparison results show that the system sensitivity of FY-3 MWHS is better than that of the same type equipments in the world. The application of FY-3 MWHS in atmospheric forecasting and disaster weather prediction and tracking of global brightness temperature images and typhoon monitoring were given.

FY-3 meteorological satellite; payload; MWHS; microwave sounding; humidity and temperature sounding; weather forecast; atmospheric humidity; water vapor

1006-1630(2017)04-0052-10

2017-05-16；

：2017-06-24

張 瑜(1984—)，女，碩士，主要研究方向?yàn)楸粍?dòng)微波遙感、系統(tǒng)控制及信號(hào)處理。

V474.24；P414.4

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.007