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)測預(yù)警中心) 中國氣象局,北京 100081;

2.中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標重點開放實驗室 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 大氣科學學院,珠海 519082;

5.中國科學院國家空間科學中心,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，美國科學家利用對地球氣候系統(tǒng)敏感的星載微波氧氣吸收通道遙感信息，發(fā)展了經(jīng)驗與物理相結(jié)合的微波歷史數(shù)據(jù)再定標技術(shù)，處理生成了長時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儀（MSU）數(shù)據(jù)分析對流層溫度的微小變化趨勢（Grody 等，2004），得到地球大氣系統(tǒng)對流層整層在1987 年—2006 年10 年溫度變率達到0.08 K（Zou 等，2009）。這一結(jié)果激勵了后來美國和歐洲科學家長期致力于星載微波遙感資料的歷史數(shù)據(jù)再定標和氣候數(shù)據(jù)集研究，根據(jù)遙感探測機理分別發(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技術(shù)為基礎(chǔ)的再定標方法，提升長時序歷史數(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）。

風云衛(wèi)星歷經(jīng)半個世紀的發(fā)展取得了令人矚目的成績（Yang 等，2012；Zhang 等，2018，2019），其上裝載的微波溫度計（MWTS）、微波濕度計（MWHS）和微波成像儀（MWRI）輻射率資料是數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)直接同化的重要數(shù)據(jù)源，在數(shù)值天氣預(yù)報同化應(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云衛(wèi)星微波載荷起步較晚，但獨具特色的通道設(shè)計使其在數(shù)值天氣預(yù)報和氣候研究中蘊含了獨特的應(yīng)用潛力和作用（Zou，2021）。

在過去十多年間，風云三號衛(wèi)星從微波載荷研制到數(shù)據(jù)輻射定標技術(shù)都取得了長足進展，但由于儀器在軌運行壽命期內(nèi)工況的變化以及輻射定標技術(shù)的發(fā)展，歷史數(shù)據(jù)輻射定標結(jié)果在時間尺度上精度的穩(wěn)定性不夠，在將風云衛(wèi)星微波資料用于數(shù)值預(yù)報再分析和氣候研究時，亟需對歷史數(shù)據(jù)進行再定標，用最新的輻射定標模型重處理歷史數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和輻射定標結(jié)果精度的一致性。對風云衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標的模型研究不僅能加深對國產(chǎn)衛(wèi)星微波技術(shù)的深刻認識，同時也能加深對星載微波輻射計輻射定標機理的認識。以這些認識為基礎(chǔ)，我們可以重構(gòu)國產(chǎn)衛(wèi)星微波輻射計輻射定標模型，提升輻射定標結(jié)果精度。

國產(chǎn)衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標中以國外參考載荷數(shù)據(jù)或背景場微波輻射為參考，通過對風云衛(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/部件級的物理測試與載荷系統(tǒng)級仿真分析相結(jié)合探究輻射偏離機理，重構(gòu)輻射定標模型，支撐風云三號衛(wèi)星微波載荷基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集建設(shè)。本文綜述風云三號衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標研究進展。

2 微波歷史數(shù)據(jù)再定標技術(shù)回顧

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

2.1 微波成像儀歷史數(shù)據(jù)再定標

特種微波成像儀（SSM/I）是最早投入定量科學應(yīng)用的星載微波輻射計，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，改進后的SSMIS 集成像和探測為一體，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，增加了對數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制；改進了定位技術(shù)，精確獲取入射角；同時增加了對SSMIS 的天線訂正。最后在NOAA 支持下美國通過交叉定標技術(shù)實現(xiàn)輻射校準，完成了30 年時間覆蓋的基礎(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 在全球降水測量計劃（GPM）中的交叉定標（XCAL）技術(shù)框架下，利用與GPM 衛(wèi)星同期在軌的所有被動微波載荷組成星座體系，基于數(shù)值天氣預(yù)報分析場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技術(shù)，以GMI 為參考實現(xiàn)再定標，構(gòu)建了GPM/L1C FCDR（Berg 等，2016），支撐氣候及氣候變化研究對微波成像儀遙感數(shù)據(jù)的迫切需求。風云三號氣象衛(wèi)星微波成像儀，在時間上銜接了AMSR-E 和AMSR-2 兩個載荷的遙感數(shù)據(jù)，在微波FCDR 數(shù)據(jù)集構(gòu)建中發(fā)揮了重要作用。為了科學分析全球變化中國科學家利用與AMSR-E 和AMSR-2兩個載荷都有時間重疊的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序亮溫數(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)研究時的連續(xù)性，以AMSR-2為參考，針對MWRI在軌具體特殊工況進行修正后，利用交叉定標技術(shù)構(gòu)建再定標模型，用MWR I 數(shù)據(jù)橋接AMSR-E 與AMSR-2 以填補二者的數(shù)據(jù)空白，再定標后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)再定標研究和基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集工作為風云衛(wèi)星微波長時序基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集建設(shè)提供了技術(shù)參考。

2.2 微波大氣探測儀歷史數(shù)據(jù)再定標

在微波探測儀歷史長時序數(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)再定標算法發(fā)展過程中，圍繞長時間序列歷史數(shù)據(jù)輻射定標的穩(wěn)定性和一致性逐步形成了綜合處理技術(shù)，更新定標系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)、消除定標結(jié)果的時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，在對包括MSU在內(nèi)的微波探測儀歷史數(shù)據(jù)再定標中增加了對載荷發(fā)射后在軌通道中心頻率與地面測試結(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，分析表明SNPP/ATMS 和AQUA/AMSU-A 對應(yīng)通道探測到的大氣溫度數(shù)據(jù)均達到了每10 a 0.04 K的穩(wěn)定性（Zou 等，2018）；近年美國NOAA/STAR 又完成了對SNPP和JPSS業(yè)務(wù)存檔數(shù)據(jù)的重處理，消除科學數(shù)據(jù)在時間上因處理技術(shù)差異產(chǎn)生的不一致，改進定標精度，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)報再分析中的應(yīng)用（Zou等，2020）。

大氣水汽是時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）探測數(shù)據(jù)是對流層大氣水汽、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），同時也是同化應(yīng)用于數(shù)值天氣預(yù)報再分析的重要數(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的代表性微波載荷包括AMSU-B、SSM/T2、MHS、HSB、ATMS，以及風云三號的MWHS 等。美國NOAA 于2016 年發(fā)布了時間覆蓋長達16 年以AMSU-B 和MHS 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)可用于水文學研究的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）計劃框架下完成了氣象衛(wèi)星上裝載的微波濕度計（183 GHz）水汽吸收通道歷史數(shù)據(jù)再定標研究，在生成FCDR 數(shù)據(jù)集過程中關(guān)注了風云三號微波濕度計的探測數(shù)據(jù)（Hans等，2019），2020年發(fā)布了時間覆蓋長達23年（1994年—2017年）基于SSM/T2、AMSU-B和MHS歷史數(shù)據(jù)的對流層上層濕度（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 風云三號衛(wèi)星微波載荷性能及業(yè)務(wù)星上定標方法

3.1 載荷性能

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

風云三號01 批衛(wèi)星裝載的微波輻射計中微波濕度與當時美國業(yè)務(wù)運行的ATOVS 中的AMSU-B相當，除了在183 GHz 水汽吸收線附近設(shè)置了3 個通道外，在150 GHz微波窗區(qū)頻段設(shè)置有雙極化探測通道，成為當時國際上在軌業(yè)務(wù)運行獨具特色的探測載荷，其探測資料成功同化應(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)報模式中（陸其峰，2011；Zou等，2011）。

風云三號02 批業(yè)務(wù)批次的兩顆衛(wèi)星風云三號C/D 星分別于2013 年和2017 年發(fā)射后，因其獨具特色的通道設(shè)置，而受到歐美同行的廣泛關(guān)注。其中微波溫/濕度計在常規(guī)氧氣和水汽吸收頻點上的通道設(shè)置與美國當代業(yè)務(wù)衛(wèi)星SNPP 上裝載的大氣探測載荷ATMS探測通道一致，同時風云衛(wèi)星增加了118 GHz氧氣吸收線一組探測通道的設(shè)計（郭楊 等，2014，2015，2020；Guan 等，2011；Zou等，2012，2014；Hou等，2019；Zou，2021）。未來風云三號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)計裝載探測通道與02 批保持一致的微波大氣探測載荷，同時在微波溫度計上增加了低頻23 GHz 和31 GHz 兩個窗區(qū)通道以及吸收峰的兩個通道，星載微波大氣垂直探測系統(tǒng)性能進一步提高。

風云三號01/02 批4 顆衛(wèi)星上裝載的微波成像儀采用相同的頻點設(shè)置和掃描成像體制，以獨具特色的天線口面定標方式實現(xiàn)對地圓錐掃描的同時，在一個掃描周期內(nèi)獲取冷熱源定標信息，實現(xiàn)在軌定標，輻射定標過程中對熱源的輻射處理是定標技術(shù)的關(guān)鍵（Yang 等，2011，2012）。后續(xù)風云三號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能力，頻點將覆蓋10 GHz到183 GHz的多頻段，定標及靈敏度等關(guān)鍵性能指標將進一步提升，同時為適應(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方式實現(xiàn)對地觀測成像及定標參數(shù)獲取，這種觀測體制下冷源的輻射處理成為定標技術(shù)的關(guān)鍵。

表1—表3 是風云三號3 個批次（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)運行的風云三號A/B/C/D 衛(wèi)星微波載荷靈敏度指標情況；可以看到從A星到D星風云三號微波載荷性能指標不斷提升。

圖1 風云三號微波載荷靈敏度Fig.1 Sensitivity of FY-3 microwave payloads

表1 風云三號衛(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 風云三號衛(wèi)星微波溫度計載荷配置及通道設(shè)置Table 2 Load configuration and channel setting of FY-3 satellites microwave temperature sounder

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

3.2 在軌業(yè)務(wù)星上定標技術(shù)

風云三號微波載荷輻射定標主要由發(fā)射前定標、在軌業(yè)務(wù)星上定標和歷史數(shù)據(jù)再定標等3個技術(shù)環(huán)節(jié)組成（圖2）。在軌業(yè)務(wù)星上定標是風云三號微波載荷業(yè)務(wù)輻射定標的一個重要技術(shù)環(huán)節(jié)，主要是將發(fā)射前地面真空定標試驗得到的微波輻射計輻射響應(yīng)模型和靜態(tài)參數(shù)結(jié)合在軌實測的動態(tài)定標基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將輻射觀測計數(shù)值轉(zhuǎn)換為地氣系統(tǒng)目標微波輻射量（圖3）（谷松巖 等，2021）。

圖2 風云三號微波載荷輻射定標Fig.2 Calibration technology of FY-3 Microwave loads

圖3 風云三號微波載荷星上定標技術(shù)Fig.3 Onboard calibration technology of FY-3 microwave payloads

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

風云三號微波成像儀以圓錐掃描方式完成周期性觀測，兩個直徑為1300 mm 和890 mm 的準光學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)主天線反射進入饋源。天線口面定標系統(tǒng)確保了風云三號微波成像儀的在軌定標精度（Yang 等，2011；劉高峰 等，2014；董克松 等，2020）。這種觀測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的關(guān)鍵技術(shù)（Xie等，2019）。

過去十年間風云三號衛(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FY-3A/B/MWHS 進行評價，認為其性能與METOP 上裝載的MHS性能相當（Chen 等，2015）；FY-3A/MWTS 在軌中心頻點修正后定標結(jié)果偏差標準差優(yōu)于0.6 K（陸其峰，2011）；用NWP 預(yù)報場資料評價FY-3A/MWTS通道3/4的O-B亮溫偏差小于0.6 K，與AMSU-A 相當（Wang 等，2012）；利用GPS/RO 資料對風云三號微波溫度計進行在軌絕對定標后，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，微波溫度計的輻射定標得到很大改進，全球范圍內(nèi)與ATMS對應(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)報準確率可提高0.3%，同化FY-3C/MWHS-II 資料后24 小時預(yù)報準確率可以提高0.6%，聯(lián)合使用兩個載荷數(shù)據(jù)時24 h 預(yù)報準確率提高1%（Carminati等，2018）；在ECMWF 業(yè)務(wù)系統(tǒng)中同化應(yīng)用風云三號系列MWHS、MWHS-II、和MWRI 微波資料后，兩天全球尺度大部分預(yù)報變量改進有顯著正效果，預(yù)報技巧提升2%（Bormann 等，2021）。這些應(yīng)用評價為風云三號微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標以及未來風云三號衛(wèi)星微波資料在氣候研究和數(shù)值預(yù)報再分析中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

4 風云三號微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標

4.1 歷史數(shù)據(jù)概況

風云三號衛(wèi)星上共裝載了微波濕度計、微波溫度計和微波成像儀3 類14 臺套被動微波輻射計，到目前為止歷史數(shù)據(jù)存檔量已積累達到13 年，歷史數(shù)據(jù)時間覆蓋情況見圖4。其中微波溫度計在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)動對衛(wèi)星平臺產(chǎn)生擾動而停轉(zhuǎn)。微波濕度計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 三顆星微波濕度計目前均在軌業(yè)務(wù)運行獲取全球數(shù)據(jù)，B星微波濕度計歷史資料單星時間跨度已超過10 年，與A/C/D 星微波濕度計均有時間重疊。

圖4 風云三號微波載荷歷史數(shù)據(jù)時間覆蓋性Fig.4 Time coverage of historical data of FY-3 microwave payloads

風云三號衛(wèi)星微波載荷在軌運行期間受空間環(huán)境等多種因素影響儀器工況會發(fā)生變化，同時地面系統(tǒng)輻射定標算法也不斷更新，圖5示出風云三號衛(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 風云三號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（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)中增加了月球進入冷空觀域污染定標動態(tài)參數(shù)的訂正處理模型；FY-3B 微波濕度計于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)進行了多次開關(guān)機操作，相應(yīng)也進行了多次機械偏差注數(shù)調(diào)整；2015 年3 月對業(yè)務(wù)系統(tǒng)中輻射定標靜態(tài)參數(shù)中的天線訂正矩陣進行了調(diào)整；2015 年9 月重新注數(shù)了系統(tǒng)自動增益（AGC）參數(shù)。

FY-3A 星微波溫度計（圖5（b））在軌建立業(yè)務(wù)模態(tài)后，2008 年12 月接收機溫度出現(xiàn)過異常，重啟后恢復(fù)正常；2009 年12 月熱定標源溫控電路切備份；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2014 年5 月因轉(zhuǎn)動機構(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 星微波成像儀開機后因?qū)ζ脚_姿態(tài)產(chǎn)生干擾而關(guān)機；FY-3B 星微波成像儀（圖5（c））在軌測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AGC 進行了注數(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 月對業(yè)務(wù)輻射定標軟件中定標地靜態(tài)參數(shù)進行了更新，2018 年6 月更新了定標業(yè)務(wù)算法。

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

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

4.2 再定標共性技術(shù)綜述

風云三號氣象衛(wèi)星裝載的3臺微波輻射計，涵蓋了微波窗區(qū)、氧氣/水汽吸收通道，對風云三號微波載荷長時間序列歷史數(shù)據(jù)再定標研究能加深對國產(chǎn)衛(wèi)星星載微波載荷輻射特性的理解和認識，提高綜合輻射定標精度，為后續(xù)生成中國微波氣候數(shù)據(jù)集（CDR）提供風云數(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，載荷在軌性能相對穩(wěn)定，歷史數(shù)據(jù)具有較好的穩(wěn)定性和一致性，在對微波歷史資料再定標建立微波基礎(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，在軌輻射定標處理中，對載荷在軌性能認識逐步加深，因此在微波歷史數(shù)據(jù)再定標和微波氣候數(shù)據(jù)集的風云解決方案中，星載微波輻射計的系統(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)。

為此風云三號微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標共性技術(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)同目標亮溫；同時發(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結(jié)果仿真驗證模型，實現(xiàn)風云衛(wèi)星長時間序列歷史數(shù)據(jù)再定標。

風云衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標由載荷在軌特殊工況精細化再定標模型、時變模型和輻射傳遞模型組成。再定標過程包括歷史數(shù)據(jù)再分析和歷史數(shù)據(jù)重處理兩個技術(shù)環(huán)節(jié)。通過對長時間序列歷史數(shù)據(jù)的再分析，把握載荷在軌特殊工況狀態(tài)，綜合評價微波載荷業(yè)務(wù)星上定標結(jié)果，才能有的放矢地開展針對性建模分析，構(gòu)建精細化再定標模型。將歷史數(shù)據(jù)再分析得到的精細化再定標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)輻射定標精度達到一致并最優(yōu)；然后基于微波輻射參考將多顆星資料歸一化到統(tǒng)一的輻射標準，生成長時序基礎(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）。

風云三號衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再分析過程中發(fā)現(xiàn)很多時候歷史數(shù)據(jù)會偏離穩(wěn)態(tài)，多參數(shù)關(guān)聯(lián)分析會發(fā)現(xiàn)這些偏離往往與載荷在軌的特殊工況有關(guān)。例如對熱鏡自發(fā)射以及熱鏡反射的外源輻射估計不足導致風云三號微波成像儀在軌升降軌輻射偏差交大，利用在軌觀測數(shù)據(jù)結(jié)合地面真空定標數(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，同時發(fā)展雙參數(shù)系統(tǒng)非線性響應(yīng)模型，再定標處理后，升降軌偏差從2 K 左右降低至0.5 K 以下，同時消除了因增益脈動等特殊工況帶來的亮溫跳變（Xie 等，2019，2021a），再定標使微波成像儀歷史數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定性大幅提高，改進了風云三號微波成像儀歷史數(shù)據(jù)質(zhì)量。

對微波溫度計歷史數(shù)據(jù)的再分析讓我們重新認識了過去十年間數(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)射前真空定標模型重構(gòu)以及在軌定標模型優(yōu)化等共性研究，重構(gòu)精細化輻射定標模型提升歷史數(shù)據(jù)品質(zhì)（陳文新 等，2013；You等，2012；安大偉 等，2016；金旭 等，2019）。

微波濕度計是風云三號3臺微波載荷中歷史數(shù)據(jù)最完整的載荷，其輻射率資料已直接同化進入ECMWF、英國氣象局和中國氣象局的業(yè)務(wù)預(yù)報系統(tǒng)。在對其歷史資料再分析的基礎(chǔ)上重構(gòu)發(fā)射前真空定標模型、更新歷史數(shù)據(jù)定標靜態(tài)參數(shù)，并依據(jù)ISO 星載微波輻射計輻射參考（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)寬動態(tài)輻射響應(yīng)，發(fā)展了再定標物理模型，改進歷史數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

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

圖7 風云三號微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標主要模型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

輻射參考是風云三號衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標的基礎(chǔ)，歷史數(shù)據(jù)再分析表明，風云三號02 批B 星微波濕度計、C 星微波成像儀和D 星微波溫度計在軌業(yè)務(wù)定標結(jié)果穩(wěn)定（He 和Chen，2019；Lawrence 等，2018；Bormann 等，2021），數(shù)據(jù)可用作風云三號歷史數(shù)據(jù)再定標的風云參考，基于風云參考處理歷史數(shù)據(jù)，可以得到輻射一致的風云三號微波載荷長時間序列歷史數(shù)據(jù)。風云衛(wèi)星載荷歷史數(shù)據(jù)通過交叉定標可以將國際公認的高精度觀測資料作為長時間歷史數(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)建立科學評價甄別規(guī)則，遴選可用于歷史數(shù)據(jù)再定標的目標場，解決國產(chǎn)衛(wèi)星微波載荷缺乏長時間歷史輻射參考難題。輻射參考數(shù)據(jù)包括目前國際公認的高精度微波載荷歷史數(shù)據(jù)（GMI/ATMS）和背景場微波輻射（背景場+微波輻射傳輸模型）等。目前國際公認最優(yōu)的背景場資料包括ECMWF 發(fā)布的數(shù)值預(yù)報再分析資料ERA5數(shù)據(jù)（Hersbach等，2018）、WMO最新倡導建立的高空氣候觀測站數(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)再定標模型以及基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集的檢驗驗證。

ATMS 歷史數(shù)據(jù)再定標中，利用背景場微波輻射資料檢驗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對應(yīng)通道間輻射偏差的長期變化趨勢為0.003 K/a，達到了氣候趨勢研究對衛(wèi)星探測數(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載荷最佳的在軌輻射參考，可以為風云三號微波大氣探測載荷（MWTS/MWHS）歷史數(shù)據(jù)再定標提供輻射參考。研究表明GMI 在軌絕對定標精度在1-σ約束條件下靜穩(wěn)洋面可以達到0.25 K，輻射定標結(jié)果長期穩(wěn)定（Newell 等，2015；Draper 等，2016），這也為風云三號微波成像儀（MWRI）歷史數(shù)據(jù)再定標提供了輻射參考。此外通用的微波基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)SSMI（S）FCDR 和AMSUFCDR 等，也為風云三號微波載荷歷史數(shù)據(jù)在定標提供了輻射參考，表4匯集了各類輻射參考。

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

歷史數(shù)據(jù)再定標中微波輻射參考主要通過交叉定標技術(shù)實現(xiàn)傳遞（Colton 和Poe，1999；Sapiano等，2013；Chander 等，2013；Biswas 等，2013；Draper 等，2015）。美國NASA 降水測量計劃（GPM）中專門設(shè)立了XCAL 交叉定標技術(shù)組，提出了較為完整的星載微波輻射輻射校準傳遞技術(shù)架構(gòu)，在XCAL 框架下實現(xiàn)了GPM 時代所有在軌運行星載微波輻射計的輻射校準和傳遞，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）。風云三號氣象衛(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工作，大氣探測載荷微波溫/濕度計分別與美國和歐洲業(yè)務(wù)衛(wèi)星上裝載的同類載荷進行了交叉比對（谷松巖 等，2013；郭楊 等，2014）；同時還利用交叉定標技術(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 之間不同觀測角度的輻射關(guān)系，實現(xiàn)兩個輻射計資料的融合應(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，還通過陸地區(qū)域雙差交叉定標技術(shù)建立了以AMSR-E為參考的微波成像儀長時序亮溫數(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，校準了FY-3B/MWRI 升降軌亮溫偏差，實現(xiàn)了兩個微波輻射計數(shù)據(jù)的銜接（唐曉彤 等，2020）。風云衛(wèi)星歷史數(shù)據(jù)再定標中，還基于微波波段條件穩(wěn)定目標，通過外定標技術(shù)進行輻射參考的單點傳遞，保證歷史數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和一致性。

表4匯集了風云三號微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標輻射參考。在風云衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標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，支撐風云微波資料FCDR 數(shù)據(jù)集。圖8 為風云衛(wèi)星微波載荷基于微波輻射傳輸模型的穩(wěn)定目標雙偏差交叉?zhèn)鬟f技術(shù)流程。

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

4.4 再定標進展介紹

風云三號3臺微波輻射計歷史數(shù)據(jù)基于輻射參考和再定標模型完成歷史數(shù)據(jù)重處理，目前已生成時間跨度10 年的長時序L1 科學數(shù)據(jù)集。從再定標結(jié)果與參考載荷匹配數(shù)據(jù)交叉比對結(jié)果來看（圖9），10年間載荷在軌特殊工況對定標結(jié)果的影響基本得到修正。圖9（a）是微波濕度計FY-3A/B/C 3 顆星中心頻點位于183.31 GHz 的3 個水汽吸收通道再定標后與參考載荷（METOP/MHS）交叉比對結(jié)果的時間序列，從圖9（a）中可見再定標后3顆星代際之間輻射取得了很好的一致性，再定標后長時間序列數(shù)據(jù)的RMSE最優(yōu)達到0.80 K，標準差為0.20 K；圖9（b）是微波溫度計FY-3A/B/C/D 4顆衛(wèi)星上裝載的4 臺微波溫度計儀器中心頻點為50.3 GHz 通道再定標后與參考載荷交叉比對結(jié)果的時間序列，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，從圖中可見再定標后4顆星代際間輻射達到了很好的一致性，再定標后長時間序列亮溫數(shù)據(jù)均方跟誤差RMSE為0.77 K，標準差為0.28 K；圖9（c）是微波成像儀FY-3B/C/D 3 顆星中心頻點位于23.8 GHz的V 極化通道再定標后與參考載荷（GPM/GMI）交叉比對結(jié)果的時間序列，從圖9中可見再定標后3顆星代際之間輻射一致，再定標后長時間序列數(shù)據(jù)的RMSE最優(yōu)達到1.29 K，標準差為0.15 K（圖10）。均方根誤差RMSE和標準差計算如式（1）和（2）。再定標處理生成的風云三號微波載荷長時序L1 科學數(shù)據(jù)集為后續(xù)生成風云三號微波載荷基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集FCDR奠定了基礎(chǔ)。

圖9 再定標結(jié)果與參考載荷交叉比對時間序列Fig.9 Cross alignment time series of recalibration results and reference loads

5 結(jié)論

風云三號氣象衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)時間跨度超過10 年的歷史數(shù)據(jù)經(jīng)再定標處理，修正了在軌壽命期內(nèi)載荷特殊工況造成的輻射定標偏差，消除了多星代際間的輻射差異，生成了風云三號微波長時序L1 科學數(shù)據(jù)集，經(jīng)與國際同類載荷交叉比對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表明氧氣吸收通道長時間序列亮溫數(shù)據(jù)RMSE為0.77 K，標準差為0.28 K；水汽吸收通道再定標后長時間序列數(shù)據(jù)的RMSE最優(yōu)達到0.80 K，標準差為0.20 K；窗區(qū)通道以23.8 GHz的V極化通道為例再定標后長時間序列數(shù)據(jù)的RMSE 最優(yōu)達到1.29 K，標準差為0.15 K；在定標后最大RMSE不超過1.5 K。

通過風云三號微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標加深了我們對國產(chǎn)衛(wèi)星微波載荷技術(shù)狀態(tài)的認識，提升了風云三號星載被動微波輻射計在軌輻射定標精度，同時也為未來發(fā)展風云衛(wèi)星微波載荷輻射定標新技術(shù)提供了技術(shù)支撐。

后續(xù)將圍繞風云三號微波載荷基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集建設(shè)進一步開展衛(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、科學數(shù)據(jù)的時空匹配投影等，最終將生成中國風云衛(wèi)星微波載荷基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集FCDR。風云三號衛(wèi)星微波載荷歷史數(shù)據(jù)再定標及其氣候基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集不僅將支撐風云衛(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)測等。