郭楊，陸其峰，盧乃錳，谷松巖，李小青，漆成莉，竇芳麗，吳瓊，劉輝

1.中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室 國家衛(wèi)星氣象中心(國家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心),北京 100081;

2.許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心 中國氣象局,北京 100081

1 引 言

衛(wèi)星觀測(cè)資料在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的直接同化應(yīng)用是天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量快速提高的最重要原因之一（薛紀(jì)善，2009；盧乃錳和谷松巖，2016），分析預(yù)報(bào)對(duì)各種衛(wèi)星遙感資料的敏感性表明，星載微波資料的同化對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)精度改進(jìn)的貢獻(xiàn)顯著（Kelly 和Thépaut，2007）。中國第二代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)系列衛(wèi)星于2008 年開始發(fā)射，風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星作為全球極軌探測(cè)衛(wèi)星的重要組成部分，其觀測(cè)資料在全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮重要作用（Dong 等，2009；楊軍 等，2009）。中國氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心，英國氣象局和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF（European Centre for Medium?Range Weather Forecasts）對(duì)風(fēng)云三號(hào)上裝載的微波溫度計(jì)MWTS（MicroWave Temperature Sounder）和微波濕度計(jì)MWHS（MicroWave Humidity Sounder）數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于MWTS 資料而言，在歐洲數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和中國GRAPES（Global?Regional Assimilation and Prediction System）系統(tǒng)中同化能夠取得和AMSU?A 可比的效果，但這需要對(duì)儀器在軌工作時(shí)頻點(diǎn)漂移和非線性問題進(jìn)行訂正才能得到（陸其峰，2011）；而對(duì)于微波濕度觀測(cè)資料來說，MWHS 觀測(cè)資料同化可有效改善其它微波濕度探測(cè)資料（如MHS）的真值逼近，且利用ECMWF 業(yè)務(wù)模式的分析場(chǎng)資料進(jìn)行驗(yàn)證分析表明，同化MWHS 資料后十天內(nèi)的天氣預(yù)報(bào)得到了輕微改善。有鑒于此，F(xiàn)Y?3B MWHS 數(shù)據(jù)已經(jīng)于2014 年9 月24 日在ECMWF 業(yè)務(wù)天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)中同化（Chen等，2015）。

2013 年9 月23 日成功發(fā)射的風(fēng)云三號(hào)C 星（FY?3C）是風(fēng)三系列的首發(fā)業(yè)務(wù)應(yīng)用衛(wèi)星，其上裝載的微波濕溫探測(cè)儀MWHTS （MicroWave Humidity and Temperature Sounder）與FY?3A/B 上的第一代5 個(gè)通道的MWHS 相比，新設(shè)置了一組118 GHz 大氣溫度探測(cè)通道，同時(shí)增加了兩個(gè)183 GHz濕度探測(cè)通道，儀器總通道數(shù)增加到15個(gè)。118 GHz作為目前國際業(yè)務(wù)衛(wèi)星首次使用的大氣探測(cè)頻點(diǎn)，尤其受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。118 GHz的8 個(gè)溫度探測(cè)通道可獲得高精度的大氣溫度廓線信息，與183 GHz 的5 個(gè)大氣濕度探測(cè)通道聯(lián)合探測(cè)，提高了大氣參數(shù)廓線探測(cè)精度和數(shù)值預(yù)報(bào)精度（賀秋瑞 等，2017；Lawrence 等，2015）。該儀器在183 GHz 的5 個(gè)濕度探測(cè)通道和ATMS 上相應(yīng)通道的O?B 偏差在偏差訂正后比較一致，為MWHTS資料同化提供了信心（Lawrence等，2018）。FY?3C MWHTS 資料已經(jīng)于2016 年3 月15 號(hào)在英國氣象局業(yè)務(wù)同化；4 月4 號(hào)，歐洲中心業(yè)務(wù)同化了該資料；2016 年4 月，中國氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心在GRAPES 模式中業(yè)務(wù)同化了FY?3CMWHTS資料。

然而，在利用儀器觀測(cè)亮溫和背景場(chǎng)模擬亮溫（O?B） 進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間偏差統(tǒng)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)FY?3B MWHS 資料存在異常極大值數(shù)據(jù)，這種異常值是由于數(shù)據(jù)定標(biāo)異常所致（Chen 等，2015）。雖然經(jīng)過同化系統(tǒng)質(zhì)量控制能剔除極端異常值，但微小的定標(biāo)誤差會(huì)被噪聲淹沒從而對(duì)偏差訂正產(chǎn)生潛在的影響。對(duì)FY?3C MWHTS 進(jìn)行長(zhǎng)期O?B 分析也發(fā)現(xiàn)，MWHTS 數(shù)據(jù)也存在由定標(biāo)處理異常導(dǎo)致的偏差。

本文將從FY?3C MWHTS定標(biāo)原理和掃描觀測(cè)機(jī)制出發(fā)，基于星上直接下傳的儀器源包數(shù)據(jù)，分析源包數(shù)據(jù)解碼后的各類遙測(cè)參數(shù)的時(shí)變特征，研究數(shù)據(jù)定標(biāo)過程中影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的物理機(jī)理，建立多源遙測(cè)參數(shù)質(zhì)量控制方法和觀測(cè)亮溫質(zhì)量評(píng)分體系，從源頭對(duì)MWHTS 資料進(jìn)行質(zhì)量控制，為數(shù)據(jù)定量應(yīng)用提供支撐。

2 定標(biāo)原理、數(shù)據(jù)與模式

2.1 FY-3C MWHTS輻射定標(biāo)原理及觀測(cè)機(jī)制

FY?3C MWHTS 輻射定標(biāo)的本質(zhì)是將儀器原始遙測(cè)計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)化成微波輻射物理量的過程。儀器在軌輻射定標(biāo)如式（1）—（5） 所示（JPL，2000）：

式中，Cs、Cc和Cw分別表示儀器觀測(cè)地物目標(biāo)，宇宙冷空和內(nèi)部熱源黑體的電壓計(jì)數(shù)值；R、Rc和Rw分別表示儀器對(duì)地觀測(cè)，對(duì)宇宙冷空和內(nèi)部熱源黑體觀測(cè)的輻射量；μ是由儀器溫度決定的儀器非線性訂正系數(shù)（JPL，2000），該系數(shù)通過發(fā)射前儀器地面熱真空試驗(yàn)確定；a0、a1和a2分別是定標(biāo)公式的常數(shù)項(xiàng)、一次項(xiàng)系數(shù)和二次項(xiàng)系數(shù)；g是增益。

FY?3C MWHTS 在每條掃描線上都能實(shí)現(xiàn)在軌實(shí)時(shí)定標(biāo)。其一個(gè)掃描周期用時(shí)8/3 s，在每個(gè)掃描周期中，MWHTS 對(duì)內(nèi)部熱源黑體進(jìn)行3 次勻速采樣，然后加速運(yùn)行到冷空觀測(cè)的起始位置，開始對(duì)宇宙背景進(jìn)行3次勻速采樣，接著再加速運(yùn)行到對(duì)地觀測(cè)起始位置，勻速獲取98 個(gè)地球目標(biāo)觀測(cè)，最后掃描鏡加速運(yùn)行到熱源觀測(cè)起始位置進(jìn)行下一個(gè)掃描周期的觀測(cè)（Gu等，2012；谷松巖等，2010；郭楊等，2015）。

從MWHTS 定標(biāo)原理和掃描機(jī)制可以看出，參與定標(biāo)計(jì)算的基礎(chǔ)參數(shù)的質(zhì)量直接對(duì)定標(biāo)精度有決定性作用，而儀器采樣的準(zhǔn)確性決定了基礎(chǔ)參數(shù)獲取的正確性。因此，對(duì)這些基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量控制可以在定標(biāo)源頭保證MWHTS資料質(zhì)量。

2.2 FY-3C MWHTS數(shù)據(jù)

衛(wèi)星向地面應(yīng)用系統(tǒng)傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)包中包含的遙測(cè)數(shù)據(jù)和科學(xué)數(shù)據(jù)種類豐富。對(duì)于FY?3C MWHTS 而言，原始數(shù)據(jù)包中包含的遙測(cè)參數(shù)有近百個(gè)。本文所用數(shù)據(jù)是從2014年1月1日—2019年5月31日5年半時(shí)間內(nèi)MWHTS的數(shù)據(jù)。

遙測(cè)參數(shù)中對(duì)MWHTS 定標(biāo)精度和觀測(cè)穩(wěn)定性有影響的參數(shù)有14 個(gè)，可分成兩類：第一類是直接參與定標(biāo)計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)，包括：儀器冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值、內(nèi)部熱源黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值、內(nèi)部熱源黑體溫度和儀器溫度；第二類是和儀器工作及掃描特性相關(guān)的參數(shù)，包括：部件溫度、觀測(cè)角度和掃描周期。參數(shù)的名稱和物理意義如表1所示。

表1 FY-3C MWHTS 遙測(cè)參數(shù)列表Table 1 Parameters of FY-3C MWHTS telemetry parameter

2.3 輻射傳輸模式RTTOV

本研究中所用的輻射傳輸模式是RTTOV（Radiative Transfer for TOVS），該模式是一個(gè)可以模擬衛(wèi)星儀器天底被動(dòng)可見光、紅外和微波觀測(cè)的的快速輻射傳輸計(jì)算模型。該模型最早由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心針對(duì)TOVS（TIROS Operational Vertical Sounder）觀測(cè)模擬，目前可以進(jìn)行包括ATMS、IASI、CrIS 等90 多種衛(wèi)星氣象探測(cè)儀器的觀測(cè)模擬。除了正向大氣輻射傳輸計(jì)算外，RTTOV還可以計(jì)算切線線性矩陣、伴隨矩陣和雅可比矩陣（即假設(shè)給定大氣狀態(tài)的大氣定輻射量對(duì)溫度、濕度廓線等大氣狀態(tài)參量的線性變化關(guān)系）（Matricardi，2010；Matricardi等，2018；Saunders等，2018）?；谠撃Ｐ涂梢赃M(jìn)行衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的物理反演算法開發(fā)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中衛(wèi)星觀測(cè)資料的直接輻射同化以及未來衛(wèi)星探測(cè)儀器參數(shù)設(shè)置的模擬等研究（孟翔晨等，2018；楊以坤等，2019；張淼等，2019），目前已廣泛用于歐洲、英國、日本、中國等多家氣象預(yù)報(bào)中心的衛(wèi)星資料業(yè)務(wù)同化運(yùn)行。

在得到大氣吸收透射率的基礎(chǔ)上，RTTOV可以進(jìn)行晴空（不考慮大氣粒子散射效應(yīng)）條件的快速輻射傳輸計(jì)算，微波波段模擬精度優(yōu)于0.05 K，紅外波段基本控制在0.1 K以內(nèi)（Saunders等，2018）。

3 數(shù)據(jù)結(jié)果處理與分析

3.1 遙測(cè)參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間序列時(shí)變性分析

FY?3C MWHTS 內(nèi)部熱源黑體溫度和儀器溫度在2014 年—2019 年5 年半時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)如圖1所示，其中藍(lán)色點(diǎn)表示89 GHz和118 GHz對(duì)應(yīng)的黑體溫度，綠色點(diǎn)表示150 GHz 和183 GHz 對(duì)應(yīng)的黑體溫度?？傮w來看，MWHTS 內(nèi)部熱源黑體溫度和儀器溫度的變化范圍為277—287 K，兩組頻點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)一致。MWHTS 沒有溫度控制裝置，因此儀器各個(gè)測(cè)溫單元采集的溫度直接受衛(wèi)星平臺(tái)熱力變化影響。內(nèi)部熱源黑體溫度2014 年穩(wěn)定在285 K 附近，2015 年3 月2—19 日由于微波溫度計(jì)交替開關(guān)機(jī)影響平臺(tái)環(huán)境溫度使得熱源溫度下降，2015 年5 月31 日—7 月11 日受平臺(tái)供電影響儀器關(guān)機(jī)，2015年7月12日MWHTS重開機(jī)以后熱源溫度下降，到2015 年9 月份受FY3C 其他儀器開機(jī)影響，溫度有所變化；2016 年下半年到2019 年，熱源溫度就在282 K 附近起伏變化。儀器溫度的變化趨勢(shì)和熱源溫度一致。同時(shí)，可以從圖1中發(fā)現(xiàn)一兩個(gè)離群的溫度點(diǎn)。由式（5）可知，熱源溫度轉(zhuǎn)換的輻射量直接參與定標(biāo)計(jì)算，儀器溫度決定非線性定標(biāo)系數(shù)的取值，這兩個(gè)溫度出現(xiàn)異常，直接導(dǎo)致定標(biāo)偏差變大，因此應(yīng)該對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)和剔除，保證MWHTS數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖1 2014年1月1日—2019年5月31日MWHTS內(nèi)部熱源黑體溫度和儀器溫度Fig.1 Temperatures of internal blackbody calibration target and instrument of MWHTS during the period of January 1，2014 to May 31，2019

FY?3C MWHTS 的15 個(gè)通道對(duì)內(nèi)部熱源黑體和宇宙冷空的觀測(cè)計(jì)數(shù)值的長(zhǎng)期變化曲線分別如圖2 和圖3 所示。MWHTS 的15 個(gè)通道每5 個(gè)一組分別在各自圖中的（a）、（b）和（c）上用不同顏色的點(diǎn)表示。結(jié)合圖1（a）可以看出，儀器熱源黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值隨黑體溫度的改變而產(chǎn)生變化，相應(yīng)的冷空計(jì)數(shù)值也發(fā)生改變，說明了MWHTS接收機(jī)對(duì)目標(biāo)溫度的響應(yīng)比較一致，這也是MWHTS這類全光路定標(biāo)儀器的一大優(yōu)勢(shì)。需要指出的是，儀器觀測(cè)計(jì)數(shù)值的大小除了與目標(biāo)溫度有關(guān)之外，也受自動(dòng)增益調(diào)整（AGC）的影響。AGC 決定了輸出電壓的放大倍數(shù)，從而決定儀器觀測(cè)輸出大小。從定標(biāo)式（1）—（5）可知，黑體和冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值直接決定了定標(biāo)亮溫，而長(zhǎng)時(shí)間序列圖中存在計(jì)數(shù)值發(fā)生跳變的點(diǎn)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制和標(biāo)識(shí)，可以去除由于計(jì)數(shù)值異常導(dǎo)致定標(biāo)偏差增大的亮溫?cái)?shù)據(jù)，對(duì)保證MWHTS 定標(biāo)精度有直接作用。

圖2 2014年1月1日—2019年5月31日MWHTS的15個(gè)通道內(nèi)部熱源黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值Fig.2 The internal blackbody calibration target counts of MWHTS channels during the period of January 1，2014 to May 31，2019

圖3 2014年1月1日—2019年5月31日MWHTS的15個(gè)通道冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值Fig.3 The cold space counts of MWHTS channels during the period of January 1，2014 to May 31，2019

儀器部件（數(shù)控單元、電源單元、電機(jī)、天線罩、前端和中頻）的溫度對(duì)MWHTS 觀測(cè)過程中儀器各部分工作溫度也會(huì)有指示作用。MWHTS 在固定位置分別對(duì)熱源、冷空和地球目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，儀器記錄的觀測(cè)角度能夠表征掃描狀態(tài)是否正常。

MWHTS 每一個(gè)掃描周期用時(shí)8/3 s±5 ms，儀器是一個(gè)實(shí)時(shí)定標(biāo)的系統(tǒng)，一個(gè)掃描周期即是一個(gè)定標(biāo)周期，該周期也代表了儀器的采樣位置是否準(zhǔn)確。圖4 給出MWHTS 掃描周期長(zhǎng)時(shí)間序列變化圖，儀器掃描周期在2667 ms 左右，從圖4 上可以看到離群點(diǎn)的存在，這可能和儀器狀態(tài)有關(guān)，也可能和星上數(shù)據(jù)下傳過程中的錯(cuò)誤有關(guān)。

3.2 遙測(cè)參數(shù)質(zhì)量控制

根據(jù)2.1 節(jié)中MWHTS 定標(biāo)公式，熱源黑體溫度、儀器溫度、熱源黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值和冷空計(jì)數(shù)值是直接參與定標(biāo)計(jì)算并最終影響定標(biāo)精度的關(guān)鍵遙測(cè)參數(shù)；同時(shí)，從儀器掃描方式可以看出，掃描周期決定了儀器對(duì)定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行采樣的準(zhǔn)確性，也應(yīng)該作為影響定標(biāo)結(jié)果的一個(gè)關(guān)鍵遙測(cè)參數(shù)。從圖1—圖4 中這5 個(gè)遙測(cè)參數(shù)在5 年半的狀態(tài)變化可以發(fā)現(xiàn)存在奇異值點(diǎn)，這些異常數(shù)據(jù)和儀器狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)匯集中發(fā)生的錯(cuò)誤有關(guān)，數(shù)據(jù)異常將對(duì)儀器定標(biāo)精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響，因此，需要對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)和剔除以保證MWHTS數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖4 2014年1月1日—2019年5月31日MWHTS掃描周期Fig.4 The scan period of MWHTS channels during the period of January 1，2014 to May 31，2019

選擇2014 年7 月一個(gè)月內(nèi)的源包數(shù)據(jù)作為質(zhì)量控制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。FY?3C MWHTS 內(nèi)部熱源黑體溫度數(shù)據(jù)質(zhì)控前和質(zhì)控后的箱線圖分別如圖5和圖6 所示。從圖5 可以看出，7 月9 日離群數(shù)據(jù)最多，由于異常數(shù)據(jù)的存在，使得表示數(shù)據(jù)分布水平的“箱子”壓縮成了圖中紅線，可見異常數(shù)據(jù)與最大最小值偏離的非常遠(yuǎn)。在MWHTS 在軌定標(biāo)過程中，利用埋嵌在內(nèi)部熱源黑體上的5 個(gè)PRT測(cè)量值加權(quán)計(jì)算得到黑體溫度，在加權(quán)計(jì)算前會(huì)對(duì)5個(gè)PRT測(cè)值進(jìn)行閾值檢驗(yàn)和線間線內(nèi)的一致性檢驗(yàn)，計(jì)算出黑體溫度后也會(huì)進(jìn)行閾值判斷，溫度閾值范圍設(shè)為270—300 K，一致性檢驗(yàn)閾值為1 K。如果黑體溫度超出該閾值范圍，則認(rèn)為這條掃描線上的黑體溫度異常，會(huì)用臨近掃描線上通過質(zhì)檢的黑體溫度來替代。由于黑體溫度是直接參與定標(biāo)系數(shù)計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于掃描線間的黑體溫度采用3 σ 法則剔除溫度突跳的數(shù)據(jù)（Kim 等，2010；Choi 等，2017），即對(duì)50 條掃描線上的黑體溫度求標(biāo)準(zhǔn)差σ，如果某條掃描線上黑體溫度大于3 倍σ 時(shí)則認(rèn)為該黑體溫度出現(xiàn)異常，用臨近掃描線上通過質(zhì)檢的黑體溫度來替代。從質(zhì)控后的圖6 可以看出，30 d 內(nèi)黑體溫度會(huì)有起伏變化，但變化范圍不超過1.5 K，中位數(shù)在0.1 K 以內(nèi)變化。每天“箱子”長(zhǎng)度幾乎一致，也就是說黑體溫度正常值的集中趨勢(shì)幾乎一致。

圖5 2014年7月MWHTS的89 GHz&118 GHz和150 GHz&183 GHz熱源黑體溫度質(zhì)控前箱形圖Fig.5 Boxplots of MWHTS 89 GHz&118 GHz and 150 GHz&183 GHz internal blackbody calibration target temperature before quality control in July 2014

圖6 2014年7月MWHTS的89 GHz&118 GHz和150 GHz&183 GHz內(nèi)部熱源黑體溫度質(zhì)控后箱形圖Fig.6 Boxplots of MWHTS 89 GHz&118 GHz and 150 GHz&183 GHz internal blackbody calibration target temperature after quality control in July 2014

同一時(shí)間段內(nèi)FY?3C MWHTS儀器溫度數(shù)據(jù)質(zhì)控前和質(zhì)控后的箱線圖分別如圖7 和圖8 所示。從圖7可以看出，儀器溫度有18 d都存在離群數(shù)據(jù)且7 月10 號(hào)的離群數(shù)據(jù)最多，極端異常數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)的偏離程度很大。MWHTS 儀器溫度和黑體溫度都受到平臺(tái)環(huán)境影響，儀器溫度異常個(gè)數(shù)多于黑體溫度的一個(gè)可能原因是儀器中頻只有一個(gè)PRT 測(cè)量，數(shù)據(jù)異常風(fēng)險(xiǎn)高于由5個(gè)PRT 加權(quán)得到的黑體溫度。對(duì)儀器溫度的質(zhì)量控制和黑體溫度質(zhì)控方法一致，首先進(jìn)行閾值檢驗(yàn)，溫度閾值范圍設(shè)為270—300 K，然后采用3 σ 法則對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制。如果出現(xiàn)異常，則在定標(biāo)過程中用臨近掃描線上通過質(zhì)檢的儀器溫度來替代。質(zhì)控后儀器溫度30 天內(nèi)儀器溫度起伏變化范圍不超過1.5 K，中位數(shù)在0.1 K 以內(nèi)變化。每天“箱子”長(zhǎng)度幾乎一致，也就是說儀器溫度正常值的集中趨勢(shì)幾乎一致。

圖7 2014年7月MWHTS的89 GHz&118 GHz和150 GHz&183 GHz儀器溫度質(zhì)控前箱形圖Fig.7 Boxplots of MWHTS 89 GHz&118 GHz and 150 GHz&183 GHz instrument temperature before quality control in July 2014

圖8 2014年7月MWHTS的89 GHz&118 GHz和150 GHz&183 GHz儀器溫度質(zhì)控后箱形圖Fig.8 Boxplots of MWHTS 89 GHz&118 GHz and 150 GHz&183 GHz instrument temperature after quality control in July 2014

FY?3C MWHTS 的15 個(gè)通道2014 年7 月內(nèi)部熱源黑體的觀測(cè)計(jì)數(shù)值質(zhì)量控制前箱線圖見圖9，由左至右從上到下依次給出15 個(gè)通道的結(jié)果。總的來看，各通道都存在黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值異常的數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致表示數(shù)據(jù)分布的“箱子”不明顯，15個(gè)通道在7月10號(hào)的異常數(shù)據(jù)最多。MWHTS 在軌實(shí)際觀測(cè)過程中，15 個(gè)通道在每一個(gè)定標(biāo)周期都分別對(duì)內(nèi)部熱源黑體進(jìn)行3 次采樣，對(duì)這3 次采樣分別進(jìn)行閾值檢驗(yàn)和3 σ 法則判識(shí)，每個(gè)通道的閾值設(shè)置各不相同，通過分析3個(gè)月內(nèi)黑體計(jì)數(shù)值的變化得到。同時(shí)注意如果AGC 變化導(dǎo)致黑體計(jì)數(shù)值發(fā)生跳變情況下閾值的變化。通過質(zhì)檢的采樣數(shù)據(jù)參與平均得到各通道該條掃描線的黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值。在計(jì)算定標(biāo)系數(shù)過程中，一條掃描線上的黑體觀測(cè)觀測(cè)計(jì)數(shù)值還需要經(jīng)過前后3條線三角權(quán)重加權(quán)得到，然后對(duì)最終參與定標(biāo)計(jì)算的黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值再進(jìn)行閾值檢驗(yàn)和3 σ 法則判識(shí)。質(zhì)量控制以后MWHTS 的15 個(gè)通道黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值的箱線圖見圖10，質(zhì)控后的黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值剔除了異常數(shù)據(jù)，受通道響應(yīng)和AGC 的影響，15 個(gè)通道的黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值變化范圍各不相同。具體來看，通道1、6、11—14 的中位數(shù)接近下四分位，即這些通道黑體計(jì)數(shù)值分布偏態(tài)性強(qiáng)；其他通道的中位數(shù)位于“箱子中間”，即這些通道黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值接近正態(tài)分布。通道1、7—10 和通道13—15 的黑體計(jì)數(shù)值在7 月份的起伏變化最大。通道2的“箱子最短”即黑體計(jì)數(shù)值最集中。

圖9 2014年7月MWHTS的15個(gè)通道黑體計(jì)數(shù)值質(zhì)控前箱形圖Fig.9 Boxplots of MWHTS internal blackbody calibration target counts before quality control in July 2014

圖10 2014年7月MWHTS的15個(gè)通道黑體計(jì)數(shù)值質(zhì)控后箱形圖Fig.10 Boxplots of MWHTS internal blackbody calibration target counts after quality control in July 2014

圖11給出了2014年7月FY?3C MWHTS的15個(gè)通道觀測(cè)宇宙冷空的計(jì)數(shù)值質(zhì)量控制前箱線圖，由左至右從上到下依次給出15 個(gè)通道的結(jié)果。從圖11 中可以看出，各通道的冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值都存在異常數(shù)據(jù)，對(duì)比圖9可以看出，冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值也在7 月10 號(hào)的異常數(shù)據(jù)最多，只是黑體計(jì)數(shù)值和冷空計(jì)數(shù)值出現(xiàn)異常的日期略有不同。MWHTS在軌掃描時(shí)，15 個(gè)通道在每一個(gè)定標(biāo)周期對(duì)冷空觀域也進(jìn)行3次采樣。因此，與對(duì)內(nèi)部熱源黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值的質(zhì)量控制一樣對(duì)3 次采樣結(jié)果進(jìn)行閾值檢驗(yàn)和3 σ 法則判識(shí)，各通道的閾值也是由分析3個(gè)月冷空計(jì)數(shù)值變化得到，除了注意AGC變化的影響外，同時(shí)需要考慮月亮進(jìn)入冷空觀域時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)值的影響。通過質(zhì)檢的采樣數(shù)據(jù)參與平均得到各通道該條掃描線的冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值，最后對(duì)經(jīng)過前后3條線三角權(quán)重加權(quán)得到的冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值進(jìn)行閾值檢驗(yàn)和3 σ法則判識(shí)，圖12是質(zhì)量控制以后MWHTS 的15 個(gè)通道冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值的箱線圖。利用質(zhì)量控制方法去除冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值中異常數(shù)據(jù)后，總體上看15 個(gè)通道的冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值變化范圍在1000 個(gè)計(jì)數(shù)值左右，受通道響應(yīng)和AGC 的影響而各有不同。具體而言，通道2—6 和通道12的冷空計(jì)數(shù)值在2014 年7 月一個(gè)月內(nèi)的變化不大，其他通道的冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值存在起伏，且通道2的冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值數(shù)據(jù)最集中即“箱子最短”。通道1、6、11—14 冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值分布的偏態(tài)性強(qiáng)，其中位數(shù)接近下四分位；其他通道的“箱子”關(guān)于中位數(shù)對(duì)稱，也就是說這些通道冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值接近正態(tài)分布。對(duì)比圖10 來看，冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值和黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值的分布和變化相似，說明MWHTS每條掃描線中的通道響應(yīng)一致。

圖11 2014年7月MWHTS的15個(gè)通道冷空計(jì)數(shù)值質(zhì)控前箱形圖Fig.11 Boxplots of MWHTS cold space counts before quality control in July 2014

通過對(duì)MWHTS 其他遙測(cè)參數(shù)的分析發(fā)現(xiàn)，掃描周期的異常和儀器原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的誤碼有直接關(guān)系。MWHTS 掃描時(shí)間的采集受自身計(jì)時(shí)器和星上授時(shí)共同影響，一個(gè)掃描周期為8/3 s，約2667 ms，如果掃描周期大于2667±10 ms，則有壞線數(shù)據(jù)匯集到MWHTS 原始觀測(cè)中。圖13（a）是2014 年7 月質(zhì)量控制前掃描周期箱線圖，可以看出，極端異常數(shù)據(jù)和掃描周期正常值相差很遠(yuǎn)；經(jīng)過閾值控制以后的掃描周期箱線圖見圖13（b），可以看出掃描周期非常穩(wěn)定，中位數(shù)在2667 ms，“箱子”的長(zhǎng)度，最大最小值都很穩(wěn)定。

圖13 2014年7月MWHTS掃描周期質(zhì)控前和質(zhì)量控制后的箱形圖Fig.13 Boxplots of MWHTS scan period before and after quality control in July 2014

通過以上對(duì)FY?3C MWHTS 的5 個(gè)直接影響定標(biāo)精度的關(guān)鍵參數(shù)的箱線圖分析可以看出，質(zhì)量控制以后遙測(cè)參數(shù)中異常數(shù)據(jù)被標(biāo)識(shí)和剔除，有利于分析各類參數(shù)的變化特征。

3.3 FY-3C MWHTS觀測(cè)亮溫質(zhì)量評(píng)分

在FY?3C MWHTS 之前的業(yè)務(wù)L1 級(jí)數(shù)據(jù)中，與定標(biāo)數(shù)據(jù)質(zhì)量相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)集有兩個(gè)：一個(gè)是表示掃描線預(yù)處理質(zhì)量的數(shù)據(jù)集“QA_Scan_Flag”，該數(shù)據(jù)集用5 位質(zhì)量碼表示MWHTS每條掃描線在定標(biāo)預(yù)處理過程中定標(biāo)定位是否成功，冷空是否受到月球污染；另一個(gè)是表示通道數(shù)據(jù)完整性的數(shù)據(jù)集“scnlin_qc”，表示MWHTS的15 個(gè)通道原始觀測(cè)計(jì)數(shù)值是否完整。但對(duì)于資料定量應(yīng)用而言，并沒有直接表征數(shù)據(jù)定標(biāo)質(zhì)量的參數(shù)。因此，本節(jié)將在分析關(guān)鍵遙測(cè)參數(shù)質(zhì)量控制效果敏感性的基礎(chǔ)上，對(duì)MWHTS 觀測(cè)亮溫質(zhì)量進(jìn)行逐條掃描線逐通道逐像元評(píng)分，為數(shù)據(jù)定量應(yīng)用過程中資料原始定標(biāo)精度的評(píng)估提供參考依據(jù)。

分析熱源黑體溫度、儀器溫度、熱源黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值、冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值和掃描周期這5個(gè)關(guān)鍵遙測(cè)參數(shù)質(zhì)控前后對(duì)2015 年8 月份一整個(gè)月內(nèi)FY?3C MWHTS 觀測(cè)亮溫和RTTOV 模擬亮溫偏差（O?B）標(biāo)準(zhǔn)差的影響，結(jié)果圖14 所示。圖14 中NobtQC 表示沒有考慮熱源黑體溫度質(zhì)量控制的情況，NorxtQC 表示沒有考慮儀器溫度質(zhì)量控制的情況，NoprdQC表示沒有考慮儀器掃描周期質(zhì)量控制的情況，NobcnQC 表示沒有考慮熱源黑體計(jì)數(shù)值質(zhì)量控制的情況，NoccnQC 表示沒有考慮冷空計(jì)數(shù)值質(zhì)量控制的情況。不同顏色的柱表示分別忽略這5種關(guān)鍵參數(shù)的質(zhì)量控制后，對(duì)O?B標(biāo)準(zhǔn)差的影響情況。從圖14 中可以看出，對(duì)絕大多數(shù)通道而言（除通道1 和12），掃描周期質(zhì)量控制對(duì)O?B的影響最大，即O?B 結(jié)果對(duì)掃描周期最敏感。這是因?yàn)閽呙柚芷阱e(cuò)誤和儀器獲取原始觀測(cè)計(jì)數(shù)值的采樣位置直接相關(guān)，也和數(shù)據(jù)傳輸中誤碼信息有關(guān)，掃描周期的異常會(huì)非常極端，從而導(dǎo)致儀器觀測(cè)計(jì)數(shù)值出現(xiàn)極端異常值；掃描周期異常對(duì)各通道觀測(cè)結(jié)果的影響具有隨機(jī)性，如圖14 所示通道5在這個(gè)月受的影響最大。儀器溫度的質(zhì)控對(duì)各通道的O?B 結(jié)果影響最小，這是因?yàn)閮x器溫度決定非線性訂正系數(shù)的大小，而MWHTS 的非線性訂正系數(shù)在3個(gè)儀器溫度下的變化不大，如果儀器溫度出錯(cuò)，由插值得到的非線性訂正系數(shù)改變也不會(huì)很大。其他3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)會(huì)對(duì)O?B標(biāo)準(zhǔn)差產(chǎn)生不同程度的影響。

圖14 5種關(guān)鍵遙測(cè)參數(shù)對(duì)O?B標(biāo)準(zhǔn)差的影響Fig.14 Effects histogram of five key telemetry parameters on O?B standard deviation

通過分析遙測(cè)參數(shù)對(duì)FY?3C MWHTS 各通道O?B 結(jié)果的敏感性大小，并計(jì)算5 種遙測(cè)參數(shù)對(duì)O?B 標(biāo)準(zhǔn)差變化大小的比例關(guān)系，結(jié)合儀器在軌觀測(cè)和采樣的特征，采用百分制的方式為MWHTS逐條掃描線逐通道逐像元上的觀測(cè)亮溫進(jìn)行評(píng)分。5種遙測(cè)參數(shù)的在百分制中所占的權(quán)重比例即評(píng)分準(zhǔn)則見表2。掃描周期質(zhì)量對(duì)定標(biāo)精度影響最大，其權(quán)重在百分制中占50%；直接參與定標(biāo)計(jì)算的4 個(gè)遙測(cè)參數(shù)中，黑體溫度的測(cè)量值由5 個(gè)PRT 測(cè)值決定，在計(jì)算過程中會(huì)對(duì)無法通過質(zhì)量控制的PRT 進(jìn)行剔除，認(rèn)為5 個(gè)PRT 全通過質(zhì)檢為最優(yōu)，每少一個(gè)PRT 參與平均則最終黑體溫度質(zhì)量有所降低，每個(gè)PRT 所占權(quán)重為3%；儀器溫度只由一個(gè)PRT 測(cè)值決定，所占權(quán)重為5%；儀器對(duì)冷空和內(nèi)部熱源黑體的觀測(cè)都有3次采樣，每次采樣的數(shù)據(jù)質(zhì)量共同決定了最終冷空和黑體計(jì)數(shù)值的質(zhì)量，所占權(quán)重為5%；滿分?jǐn)?shù)據(jù)即是儀器定標(biāo)過程中5種遙測(cè)參數(shù)均無異常的數(shù)據(jù)。

表2 質(zhì)量標(biāo)識(shí)評(píng)分準(zhǔn)則Table 2 The criterion of quality score

4 結(jié) 論

國產(chǎn)氣象衛(wèi)星資料特別是微波資料在全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的業(yè)務(wù)同化，為資料本身的精度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。有鑒于此，本文直接從星上直接下發(fā)的FY?3C MWHTS原始觀測(cè)包數(shù)據(jù)出發(fā)，分析了儀器開機(jī)工作以來5年半的在軌實(shí)際遙測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期時(shí)變特征，發(fā)現(xiàn)了各遙測(cè)參數(shù)的長(zhǎng)時(shí)間序列變化過程中存在的異常值，這些異常值的出現(xiàn)可能會(huì)對(duì)儀器最終定標(biāo)亮溫質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，基于儀器定標(biāo)原理和在軌觀測(cè)特性，提取了直接參與定標(biāo)計(jì)算的4個(gè)遙測(cè)參數(shù)（熱源黑體溫度、儀器溫度、熱源黑體觀測(cè)計(jì)數(shù)值、冷空觀測(cè)計(jì)數(shù)值）和1個(gè)與儀器掃描采樣準(zhǔn)確性相關(guān)的遙測(cè)參數(shù)（掃描周期）作為影響觀測(cè)數(shù)據(jù)定標(biāo)精度的關(guān)鍵遙測(cè)參數(shù)，建立了多源遙測(cè)參數(shù)質(zhì)量控制方案，對(duì)5 個(gè)關(guān)鍵遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量控制和判識(shí)。最后通過敏感性分析構(gòu)建了MWHTS 觀測(cè)亮溫?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)分體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)逐條掃描線逐通道逐像元上儀器定標(biāo)亮溫的質(zhì)量評(píng)價(jià)。該評(píng)分體系把輻射觀測(cè)結(jié)果和儀器工作狀態(tài)結(jié)合在一起從源頭上實(shí)現(xiàn)了對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制，為MWHTS 資料定量應(yīng)用提供了先驗(yàn)信息。FY?3C MWHT 評(píng)分體系的研究表明，掃描周期的穩(wěn)定至關(guān)重要，是星載微波輻射計(jì)設(shè)計(jì)中必須考慮的重要參數(shù)。另一方面，目前儀器溫度只有一個(gè)PRT 測(cè)值，將來的儀器設(shè)計(jì)中如果能夠增加對(duì)儀器溫度的測(cè)量會(huì)減小該參數(shù)對(duì)定標(biāo)精度產(chǎn)生的誤差。

目前，該多源遙測(cè)參數(shù)質(zhì)量控制方案已經(jīng)在2016年12月13日用于儀器業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理中，F(xiàn)Y?3C MWHT 逐條掃描線逐通道逐像元的評(píng)分結(jié)果也寫入到對(duì)全球?qū)崟r(shí)業(yè)務(wù)發(fā)布的L1級(jí)數(shù)據(jù)中。

文中所用的質(zhì)量控制方案依賴于在軌實(shí)際遙測(cè)數(shù)據(jù)本身的變化特征，受到平臺(tái)環(huán)境的影響，如果平臺(tái)供電情況發(fā)生變化時(shí)，遙測(cè)參數(shù)的閾值范圍也需要進(jìn)行調(diào)整。另一方面，目前的質(zhì)量評(píng)分體系是基于5個(gè)關(guān)鍵遙測(cè)參數(shù)，今后將逐步分析更多的參數(shù)組合來對(duì)儀器定標(biāo)質(zhì)量進(jìn)行精細(xì)化評(píng)分。