高分三号在轨测试降水同步观测试验分析

一、引言

GF-3卫星是高分辨率对地观测系统重大专项“形成高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和高精度观测的时空协调、全天候、全天时的对地观测系统”的目标的重要组成部分，能够获取可靠、稳定的高分辨率SAR图像，服务于海洋、减灾、水利、气象以及其他多个领域，是我国实施海洋开发、进行陆地环境资源监测和应急防灾减灾的重要技术支撑，将改善我国民用天基高分辨率SAR数据全部依赖进口的现状，在引领我国民用高分辨率微波遥感卫星应用中起到重要示范应用。

海洋背景校正场

GF-3卫星在轨测试期间，国家卫星气象中心于2016年11月11—30日在海南省三亚市组织实施了SAR降水星地同步观测试验，试验参加单位包括国家卫星气象中心、海南省气象局、三亚市气象局、上海大学等。海南省三亚市SAR降水星地同步观测试验期间，利用星载C频段合成孔径雷达，开展了GF-3针对降水特性测量；海口、三亚、西沙三部地基业务雷达开机测雨，海南多部自动气象站实时记录降水信息；移动降水测量点移动测量实时降水等信息；风云卫星收集整理了该区域气象观测资料。利用地面观测数据，将SAR观测降水进行对比分析，海上降水得到较好的一致性。首次开展的SAR降水星地同步观测试验结果为开发星载平台测量全球海上米级分辨率降水拓展了新思路。

二、降水同步观测原理流程

为正确评价GF-3微波载荷在轨降水探测精度，及时校准反演偏差，在轨降水同步观测中根据GF-3卫星轨道预报时间表，选取卫星通过降水场场地上空时、大气状况满足降水观测规范要求的日期时间，进行场地同步观测。获取卫星遥感图像资料和用于地面场地同步观测资料。

1．三亚地区地理和试验时间分析

三亚热带林区采用地基雷达、自动气象站和移动测量点，为降水提供高精度的修正数据，并在GF-3卫星运行期间进行同步观测，为今后检验、监视仪器的衰减变化提供主要依据。

海南岛地处热带北缘，属热带季风气候，素来有“天然大温室”的美称，长夏无冬，年平均气温22℃～26℃，≥10℃的积温为8200℃,最冷的一、二月份温度仍达16℃～21℃，年光照为1750～2650h，光照率为50%～60%，光温充足，光合潜力高。海南省雨量充沛，年平均降雨量为1639mm，有明显的多雨季和少雨季。每年的5-10月是多雨季，总降雨量达1500mm左右，占全年总降雨量的70%～90%，雨源主要有锋面雨、热雷雨和台风雨，每年11月至翌年4月为少雨季，仅占全年降雨量的10%-30%，少雨季干旱常常发生。

鉴于夏季台风等天气过程对于海上移动测量船的剧烈影响，选取11月作为GF-3外场测量的时间窗口，有利于海上测量平台的平稳安全，同时能够提取足够的气象样本进行分析。

2.同步定性对比试验数据分析

根据GF-3整体工作计划，卫星于2016年11月18日过境，期间三亚地区强降水持续，地基雷达、自动气象站和移动测量点都观测到降水数据（如图1）。

图1 2016年11月18日降水观测图

GF-3 SAR采用标准条带模式，25m分辨率，130km幅宽；图1（b）是地基雷达300m分辨率、75km范围观测情况。沿岸自动气象站监测海风1.3m/s，两部雷达观测时间差异小于6min，可以看到图1（c）和图1（b）三亚南部海域两张强降水分布图具有较好的一致性，30dbz以上的强降水在SAR降水图像上具有明显的后向散射特性特征，尤其对于45dbz以上的强降水具有明显效果，强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，结合雨体的后向散射特性，形成亮纹理特性。周边平静海面的镜面反射具有较低的后向散射特性，形成了暗纹理特性。说明在海上强降水监测方面，GF-3 SAR的标准条带模式具有一定应用潜力。

根据GF-3整体工作计划，卫星于2016年11月25日6∶35∶39过境，期间三亚地区强降水持续，地基雷达、自动气象站和移动测量点都观测到降水数据（如图2）。

图2 2016年11月25日降水观测图

GF-3卫星SAR采用宽幅模式，100m分辨率，500km幅宽；图2（b）是地基雷达300m分辨率观测。沿岸自动气象站监测海风2m/s，可以看到图2（c）和图2（b）在陵水海域强降水分布上具有较好的一致性，30dbz以上的强降水在SAR降水图像上具有明显的后向散射特性特征，尤其对于45dbz以上的强降水具有明显效果，强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，结合雨体的后向散射特性，形成亮纹理特性。周边平静海面的镜面反射具有较低的后向散射特性，形成了暗纹理特性。说明在海上强降水监测方面，GF-3 SAR的宽幅模式具有一定应用潜力。

三、小结

此次GF-3卫星SAR降水星地同步观测试验，利用星载C频段合成孔径雷达，开展GF-3针对降水特性测量；试验期间海南省气象局调动海口、三亚、西沙三部地基业务雷达在非汛期开机同步测雨；海南多部自动气象站实时记录降水信息；国家卫星气象中心微波试验队负责移动降水测量点跟踪测量实时降水等信息；风云卫星收集该区域气象观测资料。利用地面多种观测数据，将GF-3卫星SAR观测海上降水进行对比初步分析，得到较好的一致性；陆地降水由于陆地背景回波强烈，降水信号微弱，难以在雷达图像上表征降水区域，因此在后期的工作中改变工作频率（如Ku、Ka频段）可以作为星载SAR陆地降水观测的尝试。