高分三號在軌測試降水同步觀測試驗分析

一、引言

GF-3衛星是高分辨率對地觀測系統重大專項“形成高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率和高精度觀測的時空協調、全天候、全天時的對地觀測系統”的目標的重要組成部分，能夠獲取可靠、穩定的高分辨率SAR圖像，服務于海洋、減災、水利、氣象以及其他多個領域，是我國實施海洋開發、進行陸地環境資源監測和應急防災減災的重要技術支撐，將改善我國民用天基高分辨率SAR數據全部依賴進口的現狀，在引領我國民用高分辨率微波遙感衛星應用中起到重要示范應用。

海洋背景校正場

GF-3衛星在軌測試期間，國家衛星氣象中心于2016年11月11—30日在海南省三亞市組織實施了SAR降水星地同步觀測試驗，試驗參加單位包括國家衛星氣象中心、海南省氣象局、三亞市氣象局、上海大學等。海南省三亞市SAR降水星地同步觀測試驗期間，利用星載C頻段合成孔徑雷達，開展了GF-3針對降水特性測量；海口、三亞、西沙三部地基業務雷達開機測雨，海南多部自動氣象站實時記錄降水信息；移動降水測量點移動測量實時降水等信息；風云衛星收集整理了該區域氣象觀測資料。利用地面觀測數據，將SAR觀測降水進行對比分析，海上降水得到較好的一致性。首次開展的SAR降水星地同步觀測試驗結果為開發星載平臺測量全球海上米級分辨率降水拓展了新思路。

二、降水同步觀測原理流程

為正確評價GF-3微波載荷在軌降水探測精度，及時校準反演偏差，在軌降水同步觀測中根據GF-3衛星軌道預報時間表，選取衛星通過降水場場地上空時、大氣狀況滿足降水觀測規范要求的日期時間，進行場地同步觀測。獲取衛星遙感圖像資料和用于地面場地同步觀測資料。

1．三亞地區地理和試驗時間分析

三亞熱帶林區采用地基雷達、自動氣象站和移動測量點，為降水提供高精度的修正數據，并在GF-3衛星運行期間進行同步觀測，為今后檢驗、監視儀器的衰減變化提供主要依據。

海南島地處熱帶北緣，屬熱帶季風氣候，素來有“天然大溫室”的美稱，長夏無冬，年平均氣溫22℃～26℃，≥10℃的積溫為8200℃,最冷的一、二月份溫度仍達16℃～21℃，年光照為1750～2650h，光照率為50%～60%，光溫充足，光合潛力高。海南省雨量充沛，年平均降雨量為1639mm，有明顯的多雨季和少雨季。每年的5-10月是多雨季，總降雨量達1500mm左右，占全年總降雨量的70%～90%，雨源主要有鋒面雨、熱雷雨和臺風雨，每年11月至翌年4月為少雨季，僅占全年降雨量的10%-30%，少雨季干旱常常發生。

鑒于夏季臺風等天氣過程對于海上移動測量船的劇烈影響，選取11月作為GF-3外場測量的時間窗口，有利于海上測量平臺的平穩安全，同時能夠提取足夠的氣象樣本進行分析。

2.同步定性對比試驗數據分析

根據GF-3整體工作計劃，衛星于2016年11月18日過境，期間三亞地區強降水持續，地基雷達、自動氣象站和移動測量點都觀測到降水數據（如圖1）。

圖1 2016年11月18日降水觀測圖

GF-3 SAR采用標準條帶模式，25m分辨率，130km幅寬；圖1（b）是地基雷達300m分辨率、75km范圍觀測情況。沿岸自動氣象站監測海風1.3m/s，兩部雷達觀測時間差異小于6min，可以看到圖1（c）和圖1（b）三亞南部海域兩張強降水分布圖具有較好的一致性，30dbz以上的強降水在SAR降水圖像上具有明顯的后向散射特性特征，尤其對于45dbz以上的強降水具有明顯效果，強降水降落在海面增加了海面的粗糙度，形成漫反射增加了海面的后向散射特性，結合雨體的后向散射特性，形成亮紋理特性。周邊平靜海面的鏡面反射具有較低的后向散射特性，形成了暗紋理特性。說明在海上強降水監測方面，GF-3 SAR的標準條帶模式具有一定應用潛力。

根據GF-3整體工作計劃，衛星于2016年11月25日6∶35∶39過境，期間三亞地區強降水持續，地基雷達、自動氣象站和移動測量點都觀測到降水數據（如圖2）。

圖2 2016年11月25日降水觀測圖

GF-3衛星SAR采用寬幅模式，100m分辨率，500km幅寬；圖2（b）是地基雷達300m分辨率觀測。沿岸自動氣象站監測海風2m/s，可以看到圖2（c）和圖2（b）在陵水海域強降水分布上具有較好的一致性，30dbz以上的強降水在SAR降水圖像上具有明顯的后向散射特性特征，尤其對于45dbz以上的強降水具有明顯效果，強降水降落在海面增加了海面的粗糙度，形成漫反射增加了海面的后向散射特性，結合雨體的后向散射特性，形成亮紋理特性。周邊平靜海面的鏡面反射具有較低的后向散射特性，形成了暗紋理特性。說明在海上強降水監測方面，GF-3 SAR的寬幅模式具有一定應用潛力。

三、小結

此次GF-3衛星SAR降水星地同步觀測試驗，利用星載C頻段合成孔徑雷達，開展GF-3針對降水特性測量；試驗期間海南省氣象局調動海口、三亞、西沙三部地基業務雷達在非汛期開機同步測雨；海南多部自動氣象站實時記錄降水信息；國家衛星氣象中心微波試驗隊負責移動降水測量點跟蹤測量實時降水等信息；風云衛星收集該區域氣象觀測資料。利用地面多種觀測數據，將GF-3衛星SAR觀測海上降水進行對比初步分析，得到較好的一致性；陸地降水由于陸地背景回波強烈，降水信號微弱，難以在雷達圖像上表征降水區域，因此在后期的工作中改變工作頻率（如Ku、Ka頻段）可以作為星載SAR陸地降水觀測的嘗試。