風云三號（03）批降水測量衛星探測能力及應用

尹紅剛 吳瓊 谷松巖 盧乃錳 商建 竇芳麗

（國家衛星氣象中心，中國氣象局，北京 100081）

風云三號（03）批降水測量衛星探測能力及應用

尹紅剛 吳瓊 谷松巖 盧乃錳 商建 竇芳麗

（國家衛星氣象中心，中國氣象局，北京 100081）

風云三號（03）批是我國第二代極軌業務氣象衛星的第三個批次，由上午、下午、晨昏和降水測量四顆業務衛星組成。其中，我國首發的降水測量衛星計劃裝載雙頻降水測量雷達、微波成像儀、GNSS掩星探測儀和光學成像儀。通過仿真技術，分析風云三號降水測量衛星的功能、性能和設計指標，探討其降水探測能力。分析表明，風云三號降水測量衛星裝載的降水測量雷達從設計層面分析，與美日第二代降水測量衛星GPM搭載的降水雷達DPR 性能相當；風云三號降水測量衛星的軌道設計覆蓋了南、北緯50°范圍內的熱帶和中緯地區，對影響我國區域的臺風系統結構具有三維探測能力；風云三號降水測量衛星上裝載的被動微波輻射計相比GPM搭載的微波成像儀增加了50～60和118GHz雙氧吸收通道，對陸地弱降水反演等具有應用潛力。總之，風云三號降水測量衛星加上同星配置的其他載荷，整星的降水探測能力優于美日第二代降水測量衛星GPM。

風云三號（03）批，降水測量衛星，降水測量雷達，微波成像儀

0　引言

降水是全球能量/水循環中的重要過程。在臺風、暴雨和強對流等災害性天氣過程中，對降水的監測和預報是業務天氣預報最重要的內容之一。在氣象衛星出現之前，氣象業務中對降水監測的主要手段包括地面雨量計和地基天氣雷達，兩種觀測技術對揭示降水的區域結構和分布特征具有重要意義。進入20世紀，對降水系統的瞬時結構特征和全球分布特征的認識成為人們實現減災防災、理解全球氣候變化的重要內容。氣象衛星等天基降水測量技術帶來新的觀測視角，具有地基測量所無法比擬的優勢，可以有效地獲取海洋、山區和沙漠等廣大無人值守區域的降水信息，成為全球覆蓋的降水觀測的唯一有效手段。

1988年我國第一顆氣象衛星風云一號A星升空。經過近三十年的發展，主動測量成為星載降水測量的發展方向[1]，相應的星載降水反演算法技術也在不斷發展[2]。

星載降水主動探測始于1997年，日美聯合實施了熱帶降水測量計劃（TRMM），發射了裝載降水雷達（precipitation radar，PR）的TRMM衛星[3]。PR的工作頻率為13.8GHz，是由128個單元組成的有源相控陣系統，使用了頻率捷變技術，在固定脈沖重復頻率下獲得64個獨立樣本。除PR外，TRMM衛星還裝載了微波成像儀（TMI）、可見光紅外掃描儀（VIRS）、云和地球輻射能量測量系統（CERES）和閃電成像儀（LIS），多種遙感器聯合實現降水的星載探測。

繼TRMM計劃后，美國和日本又進一步提出了全球降水測量計劃（GPM），已有多個國家和組織加入了這一計劃[4]。GPM核心衛星上裝載雙頻降水雷達（DPR），DPR由Ku波段（13.6GHz）降水雷達KuPR和Ka波段（35.55GHz）降水雷達KaPR組成。在已經發射的GPM核心衛星上，DPR與同星配置的微波成像儀GMI（GPM Microwave Imager）配合，完成全球降水測量任務。

發展風云三號降水測量衛星（FengYun-3 Rain Measurement，FY-3 RM），旨在通過提升我國星載降水探測能力，促進提高我國降水預報的準確性，進而增強我國應對全球極端天氣和氣候變化的能力，并加深對地球能量/水循環系統的認識。為此，我國風云三號（03）批計劃發展風云降水測量衛星，設計裝載Ka和Ku頻段組合的雙頻、單極化一維相控陣降水測量雷達（precipitation measurement radar，PMR），與微波成像儀聯合實現降水探測，同星裝載的光學成像儀和GNSS掩星大氣探測儀可同時提供大氣云和溫濕廓線等信息。

表1歸納了國內外主要的降水測量衛星的探測能力。可以看到，風云三號降水測量衛星整體降水探測能力要遠優于TRMM，部分關鍵探測能力也要優于GPM。本文將對風云三號降水測量衛星的探測能力和應用展開詳細描述。

1　風云三號降水測量衛星軌道設計

降水測量衛星的軌道設計決定了衛星測量降水的地域覆蓋能力。TRMM衛星重點關注熱帶地區降水，軌道高度350km，傾角35°，只能覆蓋以赤道為中心南北、緯38°之間的區域，無法滿足我國北方廣闊地區的降水測量需求[3]；GPM核心衛星軌道高度407km，傾角65°，可覆蓋地球表面90%的區域[4]。風云三號降水測量雷達衛星著力于臺風等災害性天氣系統強降水的監測，提供全球中低緯度地區降水的三維結構信息，彌補國內地基雷達觀測范圍受限的弱點。為了實現這一目標，需要科學設計風云三號降水測量衛星的軌道高度和傾角。

1.1軌道高度設計

衛星軌道高度和星上載荷對地視場角確定后，衛星對地觀測的幅寬就確定下來了，衛星軌道高度越高，星上載荷的觀測刈幅越寬。降水測量衛星主載荷降水測量雷達設計上將進行約±20.3°的交軌方向掃描，其觀測刈幅寬度與衛星軌道高度間在小視場角條件下近似呈線性關系（圖1）。

圖1　降水雷達觀測幅寬與衛星軌道高度的關系Fig. 1 The relationship between the observation swaths and the altitudes of FY-3 RM

衛星軌道高度不僅決定了載荷的觀域，還會影響降水的測量精度。對于星載降水測量雷達而言，地表的后向散射回波要比降水粒子的回波強很多。當降水測量雷達進行交軌方向掃描時，地面雜波會通過天線主瓣和旁瓣污染降水回波。衛星軌道高度越高，降水回波受地面雜波的干擾就越嚴重。

表1　FY-3 RM、GPM和TRMM衛星降水探測能力對比Table 1 Comparisons of measurement power between FY-3 RM， GPM and TRMM

圖2給出了Ku波段降水測量雷達在不同軌道高度時雜波的干擾情況。圖中橫坐標表示天線掃描角度，縱坐標表示計算點沿天線視軸方向到海面的傾斜距離（即傾斜高度），圖2a右側的色標表示降水回波與雜波比值（SCR）的色彩值映射關系。一般認為SCR值大于0dB就能夠測量到降水，從圖中可以看到0dB對應的等值線高度以上區域降水測量基本不受地表雜波干擾。風云三號降水測量雷達天線掃描角最大約為20.3°，衛星的軌道高度越高，地表雜波干擾層的高度也越高，為了盡可能提高近地面降水測量精度，衛星軌道高度不宜設計過高。表2給出了衛星軌道高度和地表雜波干擾高度之間的關系。

圖2　Ku波段400km（a）和700km（b）衛星軌道高度對應的SCR比值Fig. 2 The SCR values for Ku band PMR at different altitudes of the FY-3 RM：（a）400km；（b）700km

由于星載降水測量雷達所測量的降水的最大等效反射率因子通常出現在3km左右，因此需要地表雜波的干擾要低于3km，這意味著此時衛星的軌道高度應低于500km。

另外，當降水測量雷達進行交軌方向的掃描時，在掃描刈幅的邊緣展開的天線波束會造成同一掃描單元（即雷達分辨體積）涵蓋了不同高度的降水層，形成所謂的分辨率垂直拖影。風云三號降水測量雷達的天線半功率波束寬度約為0.71°，最大掃描角為20.3°，不同軌道高度情況下計算得到的最大掃描角時的分辨率垂直拖影如圖3所示。通常最薄的層狀云降水只有3km左右，而融化層的厚度最厚可以達到1km。在這種極端情況下，如果分辨率的垂直拖影高度大于2km，那么此時地表附近的雷達分辨體積內就會包含多種相態的水凝物，甚至無法識別出融化層，同時較強的地表雜波干擾也會直接從天線主瓣進入，從而造成降水反演的難度，加大反演誤差。因此，需要分辨率垂直拖影的高度低于2km，這意味著在0.71°的波束寬度下，衛星的軌道高度不能超過420km。綜合上述分析并考慮衛星軌道高度的漂移，風云三號降水測量衛星的標稱軌道高度設計為407km。

表2　衛星軌道高度與地表雜波干擾高度的關系Table 2 The Relationship between the clutter effected heights and the altitudes of FY-3 RM

圖3　分辨率垂直拖影高度與軌道高度的關系Fig. 3 The relationship between the vertical resolution smearings and the altitudes of FY-3 RM

1.2軌道傾角設計

風云三號降水測量衛星的重要科學目標是探測臺風強降水，揭示臺風降水內部的三維物理結構，為預測和評估臺風災害提供服務。因此，降水測量衛星軌道傾角的設計原則是降水測量衛星的觀測范圍應覆蓋我國受臺風影響的絕大部分區域。

為分析影響我國的臺風登陸路徑和影響范圍，收集了2001—2008年我國登陸臺風的相關數據，對臺風移動路徑進行了統計分析（圖4）。影響我國的絕大部分臺風都在40°N以南消亡，少數可以發展到45°W附近。但是，對臺風降水的研究表明，在東北一些高緯度地區受臺風影響程度也日趨嚴重，臺風暴雨占當地強降雨比例較高[5]。

為使風云三號降水測量衛星的有效探測范圍覆蓋我國北方廣大受臺風暴雨影響的區域，風云三號降水測量衛星軌道傾角最終設計為50°，以測量南、北緯50°范圍內降水系統的三維結構。

2　降水測量衛星探測能力分析

2.1載荷配置分析

圖4　2001—2008年影響我國的臺風登陸路徑和影響范圍Fig. 4 The landing route and effected regions of all the typhoons effected on China during years 2001-2008

風云三號降水測量衛星的主要科學應用目標是提高天基降水測量能力，加深對臺風暴雨結構、降水微物理特征參數等的理解。根據這一科學應用目標，風云三號降水測量衛星配置了雙頻降水測量雷達、微波成像儀、可見光紅外掃描成像儀和GNSS掩星大氣探測儀。表3列出了風云三號降水測量衛星、GPM核心衛星以及下一代歐美業務極軌氣象衛星NPP和EPS-SG上的降水測量載荷配置的情況。

表3　低軌衛星降水測量載荷配置比較Table 3 The payloads of various low orbit precipitation measuring satellites

風云三號降水測量衛星和GPM核心衛星的主載荷都是一部Ku和Ka波段雙頻降水測量雷達[4]。雙頻降水測量雷達能觀測臺風、暴雨、暴雪等大氣降水的三維滴譜特性，其測量參數獨立于背景輻射且與降水直接相關，反演得到比被動遙感更準確的降水強度，還可以獲得降水類型、降水層高度等其他豐富的降水信息。

風云三號降水測量衛星上的另一個重要載荷是微波成像儀，將設置在大氣窗區和吸收線附近的不同微波通道有機結合起來使用，能有效地降低被動微波降水反演的不確定性。被動的微波輻射計和主動的降水測量雷達在降水測量上具有很強的互補性，降水測量雷達能得到降水的廓線信息，而微波輻射計得到的是整個傳播路徑上的總降水；降水測量雷達的觀測刈幅較窄但精度高，微波輻射計的寬刈幅能夠大大提高降水測量的地面覆蓋率。同時，降水測量雷達和微波輻射計的聯合測量為被動微波反演提供了共同的云/輻射數據庫，這對將風云三號極軌氣象衛星星座多星裝載的微波成像儀和微波大氣探測儀在統一的框架下建立反演模型并得到全球一致的降水產品來說非常關鍵。

風云三號降水測量衛星搭載的簡化型中分辨率光譜成像儀主要用于獲取可見光/紅外云圖、云頂溫度、云頂高度、有效粒子半徑和云形態學方面的參數，進而輔助判斷降水云的存在，并可以改進微波降水的反演結果。另外，由于目前靜止軌道氣象衛星上還沒有配備微波遙感儀器，靜止氣象衛星使用紅外通道來估計降水，所以風云三號降水測量衛星上的光學輻射計還是聯系低軌道衛星微波降水測量結果和靜止軌道衛星紅外降水估計結果的橋梁。

風云三號降水測量衛星還搭載了GNSS掩星探測儀，能夠獲得高垂直分辨率的大氣溫度和濕度廓線。高垂直分辨率的大氣參數廓線可以用來判斷降水粒子的相態和融化層的位置，有助于區分對流/層狀降水結構，從而提高后續降水測量雷達反演降水的精度。

2.2降水測量雷達探測能力分析

降水測量雷達是降水測量衛星的核心載荷，表4比較了風云三號降水測量衛星降水測量雷達和TRMM衛星PR[3]以及GPM核心衛星DPR[4]的主要性能參數。風云三號降水測量雷達和DPR相比PR都增加了Ka頻段的雷達，能夠獲得比單頻雷達更高精度的降水測量結果。在水平分辨率相當的情況下，風云三號降水測量雷達的刈幅寬度要大于PR和DPR，從而可以捕捉到更多的降水事件。另外，風云三號降水測量雷達的天線旁瓣電平要比DPR和PR的低，有利于抑制地面雜波的影響、減小測量誤差。對比分析表明，風云三號降水測量雷達與在軌的GPM衛星的DPR降水探測能力相當，優于TRMM衛星PR的降雨測量能力。

表4　FY-3 RM PMR與PR、DPR主要性能參數Table 4 The main characteristics of the PMR， PR and DPR

2.3微波成像儀降水探測能力分析

降水測量衛星上裝載的微波成像儀為降水測量提供了寬刈幅降水測量觀域，表5列出了風云三號降水測量衛星上微波成像儀（MWRI）、GPM核心星上的微波成像儀GMI和歐洲下一代極軌業務衛星EPS-SG上裝載的用于降水測量的微波成像儀（MWI）的通道頻點設置參數。FY3-RM/MWRI相比GPM/GMI多了52.0GHz和118.0GHz兩組大氣氧氣吸收線附近的8個探測通道，對陸地弱降水探測和融化層位置及厚度的探測具有優勢；FY-3/MWRI相比EPS-SG/MWI多了低頻10.6GHz的窗區通道，對陸地強降水探測具有優勢。對比分析表明，FY-3/MWRI與未來在軌的EPS-SG/ MWI的性能相當，優于GPM/GMI。

表5　MWRI、GMI和MWI通道頻點設置Table 5 The frequency channels of the MWRI， GMI and MWI

3　風云三號降水測量衛星應用

3.1大氣雙氧吸收通道聯合探測陸地弱降水分析

陸地弱降水反演是降水反演中最為困難的問題。以云中液態水為主的弱發射/吸收信號淹沒在紛雜的強地表熱輻射背景中，使得我們很難區分它們。晴空背景差、極化亮溫差等方法都試圖利用輻射變化量反演降水，但也都遇到了地表極化差強弱不一、晴空亮溫推算誤差大等問題[6]。風云三號降水測量衛星上裝載的微波成像儀分別在50～54和118GHz大氣氧氣吸收線附近設置了兩組探測通道，對于同一中心頻點的通道而言，地表比輻射率相同，將這些通道的輻射傳輸方程聯立，降低了方程組中未知變量的個數，有效抑制了方程組的非適定性，使得陸地弱降水的物理反演成為可能[7]。

3.2星載降水測量雷達反演應用

按照星載降水測量雷達系統的配置，即用的是單參數雷達還是多參數（雙參數）雷達，有關的反演算法可以分為單頻和雙頻兩類[8,9]。單頻反演的算法主要基于統計的雷達反射率因子和降水強度（Z-R）關系，由于在推導該關系過程中使用了大量的假設，它一般只適用于平均情況。星載降水測量雷達的工作頻率較高，在使用Z-R關系反演降水強度時，通常都要考慮衰減的影響。通過假設衰減與降水強度（k-R）的關系，就可以得到R的解析解，這種衰減校正的方法最早是Hitschfeld和Bordan依據工作在衰減頻率的地基雷達提出的[10]。Z-R關系與k-R關系都存在著很大的不確定性，地面參考技術（surface reference technique，SRT）可以利用星載雷達的一個獨立測量值——路徑積分衰減來克服數值不穩定的問題。當衰減較小時，地面衰減截面的測量就會出現較大的誤差。為此，可以在衰減較小時使用Hitschfeld-Bordan解法，而在衰減較大時使用SRT方法，TRMM/PR的降水反演算法就使用了這樣一種改進的方法[11]。

雙頻降水測量雷達的優勢在于通過雙頻測量可以獲得粒子譜參數（drop size distribution，DSD）的信息，從而提高降水反演的精度。目前的雙頻反演算法主要有兩大類，包括前向方法和后向方法。前向方法是從距離庫頂開始反演，逐庫往下直到距離庫底。后向方法則相反，是從距離庫底開始反演，逐庫往上直到距離庫頂。除了個別反演方法以外，大部分雙頻的反演算法都依賴于雙頻反射率比和中體積直徑之間的關系，最終既能重現雙波長上的雷達反射率剖面結構，同時還能反演出作為推導DSD剖面分布約束條件的路徑衰減。然而，基于該關系反演降水的中體積直徑時可能存在兩個解[12-13]。因此，如何通過一些數學物理手段確定最優解是目前雙頻反演算法面臨的最大問題。

3.3星載多遙感器聯合反演降水能力分析

星載降水遙感技術始于靜止軌道的紅外/可見光降水估計，隨著遙感技術的進步，逐步發展起來極軌被動微波降水反演技術。大量對比研究[2,14-15]發現，在反演瞬時降水方面，極軌星載被動微波輻射計反演降水的算法精度要高于光學成像儀算法[16-17]。2007年，世界氣象組織倡導并實施了衛星遙感降水反演評估計劃[18]。在項目執行過程中，發現目前的所有被動遙感產品都還無法很好地反映陸地弱降水和極強降水的特征。

風云三號降水測量衛星裝載的降水測量型微波成像儀，在52.0和118GHz兩個氧氣吸收線附近設置了兩組探測通道，能彌補陸地弱降水星載探測能力的不足。同時，風云三號降水測量衛星裝載的降水測量雷達能活動比被動微波精度更高的降水估計，而主動雷達的雙頻設置，也拓展了對弱降水和極強降水的探測能力。但是，降水測量雷達受技術等因素限制，觀測刈幅較窄，降低了降水事件的捕獲概率。結合不同遙感器的優勢，進行多遙感器聯合反演可以彌補單一傳感器反演算法的不足。和單一傳感器相比，主被動聯合反演是通過聯合主動雙頻雷達和被動多通道微波輻射計的探測信息來進行降水的估計，基于集合Kalman濾波與變分方法的混合方法是目前主被動聯合反演的主要算法。這種算法獲得的降水產品精度較高，對1mm/h的降雨率，反演的偏差小于50%，10mm/h的降雨率，偏差小于25%，具有更加廣闊的發展前景[19]。

風云三號降水測量衛星上同時裝載了光學和主被動微波遙感器，為將高時間分辨率的靜止軌道光學遙感器降水反演結果與高精度的極軌主被動微波降水反演的融合建立了橋梁，具有深遠的應用意義。

4　小結

風云三號降水測量衛星已列入我國第二代極軌業務氣象衛星風云三號（03）批，計劃裝載雙頻降水測量雷達、微波成像儀、GNSS掩星大氣探測儀和光學成像儀。經本文分析得到如下結論：

1）從設計層面分析，風云三號降水測量衛星裝載的降水測量雷達與在軌的GPM核心星第二代降水雷達DPR的性能相當。從載荷配置來看，風云三號降水測量衛星整星降水探測能力優于GPM核心星；

2）風云三號降水測量衛星的軌道設計覆蓋了南50°N范圍內的熱帶和中緯地區，對影響我國區域的臺風系統結構具有三維探測能力；

3）風云三號降水測量衛星上裝載的被動微波輻射計中50～60和118GHz雙氧吸收通道的等權配置，對陸地弱降水反演和融化層位置及厚度探測等具有應用潛力，同時為空中雪晶粒子的遙感探測帶來希望，而高頻水汽吸收線183GHz附近的一組探測通道可用于診斷分析強對流中心位置并反演云冰厚度信息。

總之，風云三號降水測量衛星通過提升我國星載降水探測能力，將促進我國降水預報準確性的提高，進而增強我國應對全球極端天氣和氣候變化的能力，加深對能量水循環系統的認識。

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Analysis of Rainfall Measurement Power in the FY-3(03) Rain Measurement Satellite

Yin Honggang, Wu Qiong, Gu Songyan, Lu Naimeng, Shang Jian, Dou Fangli
（National Satellite Meteorological Centre， China Meteorological Administration， Beijing 100081）

As the third pitch of Chinese second generation operational meteorological satellites on polar orbits, FengYun-3 (03) pitch satellites consist of one early morning orbit satellite, one morning orbit satellite, one afternoon orbit satellite and one rain measurement satellite. The primary instruments being loaded on the FengYun-3 rain measurement satellite (FY3-RM) are the dual-frequency precipitation measuring radar (PMR), the microwave imager (MWRI), the simple type median resolution spectral imager (MERSI-S) and the global navigation satellite system (GNSS) radio occultation sounder. This article analyze the function, performance and the designed characteristics of the FY3-RM by using simulation technology, and discuisses its power of measuring precipitation. The analysis results show that, 1) the PMR has the same precipitation measuring ability as the Global Precipitation Measurement （GPM） dual-frequency precipitation radar （DPR）； 2） the FY3-RM can detect the three dimension structure of the typhoons effected on China； 3） the additional channels between 50 GHz and 60 GHz and channels around 118 GHz increase the MWRI sensitivity to light precipitation over land, comparing to the GPM microwave imager. Therefore, the whole power of precipitation measurement of the FY3-RM, altogether with other instruments onboarded, is better than that of the GPM satellite.

FengYun-3 (03) pitch satellites, rain measurement satellite, precipitation measuring radar, microwave imager

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.03.007

2015年9月18日；

2015年11月24日

尹紅剛（1979—），Email: yinhg@cma.gov.cn