靜止軌道微波探測器視場偏差特征分析

2022-03-17 05:55:42韋曉澄孫逢林

熱帶氣象學報 2022年6期

韋曉澄 , 孫逢林

(1. 中國氣象科學研究院, 北京 100081；2. 中國氣象局中國遙感衛星輻射測量和定標重點開放實驗室/國家衛星氣象中心（國家空間天氣監測預警中心）, 北京 100081；3. 許健民氣象衛星創新中心，北京 100081)

1 引言

準確、及時地獲取云中的溫度、濕度結構、降水參數信息及云微物理參數（如液水路徑、冰晶含量與有效粒子半徑）是天氣預報分析工作中極為重要的一環，能為強對流、暴雨和強臺風等極端天氣的預警提供重要的參考信息。除此之外，云微物理參數和光學參數對地表和地球的輻射收支、大氣的加熱率和冷卻率的垂直分布等造成直接影響[1]，從而影響整個地球大氣系統的氣候態[2-3]。

目前星載儀器中，對云進行觀測的手段主要分為紅外遙感和微波遙感兩種。通過對紅外成像通道數據的分析，能獲取云頂的物理特征，且其能長時間對某一地區進行連續觀測[4-5]。極軌衛星微波載荷因其對云的穿透能力強，能獲取云中溫度、濕度等氣象要素與各項云微物理參數，對數值預報效果改善的貢獻居全部觀測的首位，在強對流、暴雨和強臺風等極端天氣預警預報業務工作中發揮著重要的作用[6]。但是，傳統的極軌衛星微波載荷具有再訪時間長，觀測覆蓋范圍小的特點，當前的極軌雙星觀測體系只能保障6 小時的觀測周期[7]，這無疑會大大降低極端天氣預警的時效性。因此，實現靜止軌道微波觀測一直都是近年來的主要研究目標之一，如美國的靜止軌道微波觀測平臺（Geostationary Microwave Observatory,GEM）[8]以及歐洲的微波大氣探測靜止觀測平臺（Geostationary Observatory for Microwave Atmospheric Soundings，GOMAS）。這些未來的靜止軌道微波探測器是直接瞄準在短臨預報和臺風等災害性天氣系統的監測的應用。

然而，在靜止軌道星載儀器的對地觀測過程中，衛星觀測到的云位置在不同視角下會有所偏差，即會產生視差問題（下文記為視差）。影響星載探測儀器視差的因子有很多，包括衛星分別到星下點與到探測點之間連線形成的張角、儀器的空間分辨率以及觀測點處的云高等。考慮到微波類儀器空間分辨率相對較大，國內外視場偏差的研究主要針對紅外探測儀器，對微波儀器的研究相對偏少，因此，為了后續更好地應用靜止微波探測資料，我們針對微波儀器的視差問題開展相關研究。

現在雖無投入業務使用的靜止軌道微波儀器，但是對于未來靜止軌道微波探測器在天氣方面的應用，視差問題是否會造成資料的應用影響是本文重點探討的科學問題。但由于沒有實際觀測數據，本研究將基于我國風云四號氣象衛星（FY-4A）的相關數據和仿真模擬資料來展開探討，主要從視差訂正方法、衛星空間分辨率對觀測視差的影響、衛星天頂角對視差的影響進行理論研究，并結合實際觀測個例來分析靜止軌道微波探測器的視差特征。

2 數據及方法介紹

2.1 靜止軌道微波探測器的觀測位置模擬

基于中國風云四號（FY-4A）A 星觀測的經緯度數據進行未來攜帶微波儀器的靜止軌道衛星觀測位置的模擬，并且基于當前極軌衛星上微波探測儀器空間分辨率參數，針對未來靜軌微波儀器設計了幾種空間分辨率進行模擬試驗。其中，風云四號氣象衛星A 星是由上海航天技術研究院研發，于2016年12月11日在我國西昌衛星發射中心發射的新一代地球靜止軌道定量遙感氣象衛星。它的軌道高度為36 000 km，星下點經度為104.7 °E，上面搭載了多通道掃描成像輻射計、干涉式大氣垂直探測儀、閃電成像儀和空間天氣檢測儀器包[9]。比起我國第一代靜止氣象衛星風云二號（FY-2），FY-4A 不僅由自旋穩定式觀測模式改成了三軸穩定的控制方案，通道數也由5個通道增加至14 個通道。其中，包括6 個空間分辨率為0.5～1 km 的可見光通道[10]，空間分辨率為2 km 的中短波紅外通道以及8個空間分辨率為4 km 的長波紅外通道[11]。此外，最明顯的進步是FY-4A 可以每15 分鐘獲得一張全圓盤圖（FY-2 號是1 小時一張圖），每3 分鐘就對臺風尺度的區域實現一次觀測，為極端天氣的預警和監測保駕護航。

現有的極軌氣象衛星星載微波探測器的空間分辨率各不相同。我國風云三號系列衛星上搭載的微波溫度探測儀（MWTS）最低點分辨率約為50 km，微波濕度探測儀（MWHS）最低點分辨率為15 km[12]。美國NOAA-KLM 系列極軌衛星的先進微波探測器（AMSU）中，AMSU-A 星下點空間分辨率約為48 km，AMSU-B 星下點空間分辨率為16 km[13-14]。2011 年10 月28 日美國發射成功的NPP 衛星上搭載的新一代微波探測儀（ATMS）不同通道的星下點分辨率為16～75 km 不等。又因為靜止軌道微波探測器的觀測亮溫模擬過程中所使用的ERA-5 再分析場數據的時間分辨率為1 小時，空間分辨率為0.25 °×0.25 °，所以我們理論敏感性試驗所設定的衛星空間分辨率選取近似的25 km（約0.25 °）、50 km和75 km。

傳統的極軌輻射計采用的是逐行機械掃描（靜止軌道微波輻射計的二維波束掃描問題仍亟待解決），為了保障分辨率能最大限度地統一，在計算過程中，我們以星下點所在的位置進行緯向檢索，當所要求的的空間分辨率為a km 時，盡量保證星下點所在的列上的點與其緯向相鄰點間的距離盡量接近a，及每一行上的點與其經向鄰點間的距離約為a，最大不超過2a。

2.2 靜止軌道微波探測器的觀測亮溫模擬

因為目前并沒有在軌的已投入業務使用的微波輻射計。本文基于FY-4A 的紅外亮溫數據，使用美國衛星資料同化聯合中心(The US Joint Center for Satellite Data Assimilation, JCSDA)開發的快速輻射傳輸模式（Community Radiative Transfer Mode, CRTM）[15-16]模擬得到靜止軌道微波儀器觀測亮溫，其中使用歐洲中期天氣預報再分析中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis, ERA-5）的數據作為正演大氣環境場。數值模擬的靜止軌道微波探測器通道頻率與美國S-NPP 衛星上搭載的先進技術微波探測儀（Advanced Microwave Technology Sensor, ATMS）一致，各個通道的頻率與空間分辨率如表1所示。在模擬研究中，使用了FY-4A成像儀的業務云產品數據（基于發展成熟的風云四號成像儀科學算法[17-18]計算而來），包括云掩膜（Cloud Mask）數據以及云頂高度數據（Cloud Top Height）。

表1 ATMS 儀器通道設置情況介紹

云高數據則是來自FY-4A 的二級云產品資料[18]，并由此匹配得到微波儀器每個視場的云高。圖1 中為基于再分析資料和CRTM 模擬得到的2018 年8 月17 日00 點（UTC）的靜止軌道微波探測器觀測亮溫結果，分別展示了通道頻率為31.40 GHZ（低頻窗區通道）、54.40 GHz（溫度探測通道）、88.20 GHz（高頻窗區通道）和183.31±7.00 GHZ（濕度探測通道）的亮溫模擬結果。

圖1 基于CRTM模式和ERA-5資料模擬得到的2018年8月17日00時（UTC）的靜止軌道微波探測器觀測亮溫

2.3 靜止微波視差訂正方法

靜止衛星定點在赤道上空，除了對星下點的觀測，衛星都是沿斜路徑（有一定的衛星天頂角）觀測地球大氣系統，定位到地球表面（圖2，定位到B 點）。但云漂浮在大氣中，B 位置并不是云在地表投影的真實位置，B點和D點的距離認為是視場偏差。一般來說，云頂高度越高，距離星下點越遠，衛星觀測云的位置偏差也就越大[19]。在研究臺風時，尤其是多源資料時空匹配時，進行云位置的偏差修正是數據處理過程中的重要步驟之一。

研究中使用的每個視場的位置訂正方法與靜止軌道紅外云圖的位置訂正方法類似。如圖2 所示，云頂高度為h，地球半徑為r，衛星與地球球心的距離為R，星下點位置為A，觀測所得云的位置為B，訂正后云的位置，即真云云頂位置為C，真云云下點位置為D。

圖2 視差訂正前后云位置發生變化的示意圖 B為衛星原本測量的點，但因為B處云的干擾，測得的值為C處的值。

則由文獻[19]可得：

公式(4)中（當lonC≥lonB時取“-”，反之取“+”）。下文中所用的云位置偏差即為該像素點上的云在訂正前后的位置之差。在本次研究中，取風云四號A星的星下點位置，即A點坐標(104.7，0）。

3 觀測視差特征分析

3.1 衛星空間分辨率對觀測視差的影響

據趙敏等[20]的統計，2000—2018 年東亞地區云頂高度主要分布在1～11 km 之間，因此，本研究中分別選用1 km、5 km、10 km 和15 km 四類云頂高度進行理論分析，來探討微波類儀器是否需要考慮視差、并且進一步分析衛星空間分辨率和云頂高度對微波視差的影響。圖3～圖5中以2018年8 月17 日00 時（UTC）的亮溫為基礎，分別展示了通道頻率為57.29 GHz 、88.20 GHz 和183.31±7.00 GHz 中視差訂正前后每個視場內的亮溫差。結果表明：在不同通道中，云頂高度較高時，視差問題越發明顯，隨著儀器空間分辨率的降低，視差問題產生的影響也逐漸減小。這是因為當觀測點密度降低時，無法準確定位每個觀測點處的變化情況，無法準確判斷云高產生的視差，從而模糊該處的觀測結果。在實際的例子中，視差問題產生的影響可能因不同地方的云高而產生差異。

圖3 不同云頂高度及不同分辨率條件下，通道10（57.29）中每個像元在視差訂正前后的亮溫變化第一列為2018年8月17日00時的模擬亮溫數據在FY-4A所反演得到的云高條件下，進行視差訂正前后的亮溫差。其余四列分別是同時刻的模擬亮溫數據在模擬云高的條件下，進行視差訂正前后的亮溫差，模擬云高分別為1 km、5 km、10 km和15 km。

圖5 同圖3，但為通道18

另外，我們還進行了在不同通道及不同空間分辨率的條件下，反演得到的模擬亮溫的偏差分析。圖6～圖8 分別展示了空間分辨率為25 km時，通道10（57.29 GHz）、通道16（88.20 GHz）和通道18（183.31±7.00 GHz）的模擬亮溫結果，濕度通道和高頻窗區通道中，視差訂正前后的亮溫偏差可達4 K，再次證明微波視場內的視差問題不容忽視。相比起其他通道，溫度探測通道的視差問題尤為明顯，云高變高時，視差訂正前后亮溫變化也更為劇烈，且訂正后的亮溫幾乎都低于訂正前的亮溫。

圖6 空間分辨率為25 km時，通道10（57.29 GHz）中每個像元在視差訂正前后亮溫變化的分布

圖8 空間分辨率為25 km時，通道18（183.31±7.00 GHz）中每個像元在視差訂正前后亮溫變化的分布

圖4 同圖3，但為通道16

圖7 空間分辨率為25 km時，通道16（88.20 GHz）中每個像元在視差訂正前后亮溫變化的分布

總的來說，盡管微波儀器的空間分辨率較低，但仍然存在視差問題，且在云高較高的情況下，視差的存在導致的各像元處的亮溫偏差不小，無法忽略，這也與以往的認知不同。請注意不同通道對云層的穿透能力不同，視差問題的大小也不同。

3.2 衛星觀測天頂角對視差的影響

靜止軌道微波探測器通過天線等部分勻速轉動，形成天線波束的圓錐掃描，由此獲取地球表面和大氣的輻射數據。因此，在對目標云團進行觀測時，成像儀的天頂角也會造成云的位置偏差。本研究中也對此進行了探討。成像儀的天頂角的定義成像儀和觀測點間的連線與成像儀和星下點間的連線間的夾角，即若星下點的位置為（lonA，latA），真云位置（觀測點）的位置為（lonB，latB），則觀測點的天頂角為如在圖2中，當角OSB 增大時，B 點和C 點間的距離也會增大，當微波儀器空間分辨率較高時，B 點和C 點間可能間隔了數個像元，即產生了視差問題。圖9(見下頁)為基于FY-4A 的各個像元的經緯度位置的模擬結果，模擬云高分別為1 km、5 km、10 km和15 km，空間分辨率設定為20 km、40 km、60 km和80 km。在這樣的模擬條件下，每個像元處的天頂角不同，產生的云位置偏差也不同，分別以天頂角為x軸，產生的云位置偏差為y軸，以散點圖的形式生成如圖結果。結合圖6～圖9，我們發現云頂高度越高，產生的視差問題越大；在同等云高條件下，天頂角越大，產生的視差越大；且分辨率并沒有直接對視差產生影響。

圖9 天頂角、云頂高度及分辨率與對應像素點處云位置偏差的聯系

4 個例分析

為了能更為準確直觀地展示靜止微波探測器上可能出現視場偏差，我們重點針對臺風和高云個例進行分析，包括2018年7月10日的臺風“瑪莉亞”和同天在中國陸面的某個云頂高度大于15 km的對流云區。

圖10 展示的是2018 年第8 號超強臺風“瑪莉亞”。“瑪莉亞”于2018年7月4日（北京時間，下同）在美國關島以東的洋面生成，于2018 年7 月10 日11 時左右到達我國的臺風預警24 小時警戒線，最后于2018 年7 月11 日09 時左右在福建連江黃岐半島登陸，登陸時中心最大風速高達42 m/s，造成的直接經濟損失接近30 億元，超百萬人受災。圖11 是將圖10 中116～123 °E，20～30 °N 的區域放大的結果。結合兩幅圖可以看出，隨著空間分辨率的降低，靜止衛星的云掩膜產品會產生誤判，FY-4A 的云產品中判別為無云的地區也會因為云的位置偏差而從圖上顯示為有云，FY-4A 的云產品中判別為有云的地區也會出現誤判為無云。這個誤差也會影響衛星對臺風的定位、追蹤與強度估計。

相比起極軌微波探測器，靜止軌道微波探測器的時間分辨率更高，在臺風和強對流的定位、追蹤等方面的應用上有著明顯優勢，但視差問題會對其應用產生影響。圖10、圖11和圖12中也展示了同一天的4個時刻，不同空間分辨率下視差訂正前后的云的位置，盡管高時間分辨率的微波探測器能對臺風進行連續追蹤，但視差問題依舊會影響臺風定位的準確性。

圖10 不同分辨率下臺風“瑪莉亞”的位置與分辨率為4 km時觀測得到的臺風位置的對比（視差影響）紅線為FY-4A觀測得到的云的輪廓。

圖11 不同分辨率下臺風“瑪莉亞”的位置與分辨率為4 km時觀測得到的臺風位置的對比

視差的影響在分析高云的例子時體現得更為明顯。圖12 中是2018 年7 月10 日中國陸面上的云頂高度大于15 km 的對流云個例其視差訂正前后差異對比。從圖12 中可以清楚地看到，與靠近赤道的臺風相比，當分辨率降低后，緯度稍高的高云例子在進行視差訂正前后云的位置偏差變得更大，當分辨率達40 km 及以上時，甚至會出現觀測時缺漏了某些云團的情況，這無疑會對陸面上對流系統的觀測造成極大的影響。