静止轨道微波探测器视场偏差特征分析

韦晓澄 , 孙逢林

(1. 中国气象科学研究院, 北京 100081；2. 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室/国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心）, 北京 100081；3. 许健民气象卫星创新中心，北京 100081)

1 引 言

准确、及时地获取云中的温度、湿度结构、降水参数信息及云微物理参数（如液水路径、冰晶含量与有效粒子半径）是天气预报分析工作中极为重要的一环，能为强对流、暴雨和强台风等极端天气的预警提供重要的参考信息。除此之外，云微物理参数和光学参数对地表和地球的辐射收支、大气的加热率和冷却率的垂直分布等造成直接影响[1]，从而影响整个地球大气系统的气候态[2-3]。

目前星载仪器中，对云进行观测的手段主要分为红外遥感和微波遥感两种。通过对红外成像通道数据的分析，能获取云顶的物理特征，且其能长时间对某一地区进行连续观测[4-5]。极轨卫星微波载荷因其对云的穿透能力强，能获取云中温度、湿度等气象要素与各项云微物理参数，对数值预报效果改善的贡献居全部观测的首位，在强对流、暴雨和强台风等极端天气预警预报业务工作中发挥着重要的作用[6]。但是，传统的极轨卫星微波载荷具有再访时间长，观测覆盖范围小的特点，当前的极轨双星观测体系只能保障6 小时的观测周期[7]，这无疑会大大降低极端天气预警的时效性。因此，实现静止轨道微波观测一直都是近年来的主要研究目标之一，如美国的静止轨道微波观测平 台（Geostationary Microwave Observatory,GEM）[8]以及欧洲的微波大气探测静止观测平台（Geostationary Observatory for Microwave Atmospheric Soundings，GOMAS）。这些未来的静止轨道微波探测器是直接瞄准在短临预报和台风等灾害性天气系统的监测的应用。

然而，在静止轨道星载仪器的对地观测过程中，卫星观测到的云位置在不同视角下会有所偏差，即会产生视差问题（下文记为视差）。影响星载探测仪器视差的因子有很多，包括卫星分别到星下点与到探测点之间连线形成的张角、仪器的空间分辨率以及观测点处的云高等。考虑到微波类仪器空间分辨率相对较大，国内外视场偏差的研究主要针对红外探测仪器，对微波仪器的研究相对偏少，因此，为了后续更好地应用静止微波探测资料，我们针对微波仪器的视差问题开展相关研究。

现在虽无投入业务使用的静止轨道微波仪器，但是对于未来静止轨道微波探测器在天气方面的应用，视差问题是否会造成资料的应用影响是本文重点探讨的科学问题。但由于没有实际观测数据，本研究将基于我国风云四号气象卫星（FY-4A）的相关数据和仿真模拟资料来展开探讨，主要从视差订正方法、卫星空间分辨率对观测视差的影响、卫星天顶角对视差的影响进行理论研究，并结合实际观测个例来分析静止轨道微波探测器的视差特征。

2 数据及方法介绍

2.1 静止轨道微波探测器的观测位置模拟

基于中国风云四号（FY-4A）A 星观测的经纬度数据进行未来携带微波仪器的静止轨道卫星观测位置的模拟，并且基于当前极轨卫星上微波探测仪器空间分辨率参数，针对未来静轨微波仪器设计了几种空间分辨率进行模拟试验。其中，风云四号气象卫星A 星是由上海航天技术研究院研发，于2016年12月11日在我国西昌卫星发射中心发射的新一代地球静止轨道定量遥感气象卫星。它的轨道高度为36 000 km，星下点经度为104.7 °E，上面搭载了多通道扫描成像辐射计、干涉式大气垂直探测仪、闪电成像仪和空间天气检测仪器包[9]。比起我国第一代静止气象卫星风云二号（FY-2），FY-4A 不仅由自旋稳定式观测模式改成了三轴稳定的控制方案，通道数也由5个通道增加至14 个通道。其中，包括6 个空间分辨率为0.5～1 km 的可见光通道[10]，空间分辨率为2 km 的中短波红外通道以及8个空间分辨率为4 km 的长波红外通道[11]。此外，最明显的进步是FY-4A 可以每15 分钟获得一张全圆盘图（FY-2 号是1 小时一张图），每3 分钟就对台风尺度的区域实现一次观测，为极端天气的预警和监测保驾护航。

现有的极轨气象卫星星载微波探测器的空间分辨率各不相同。我国风云三号系列卫星上搭载的微波温度探测仪（MWTS）最低点分辨率约为50 km，微波湿度探测仪（MWHS）最低点分辨率为15 km[12]。美国NOAA-KLM 系列极轨卫星的先进微波探测器（AMSU）中，AMSU-A 星下点空间分辨率约为48 km，AMSU-B 星下点空间分辨率为16 km[13-14]。2011 年10 月28 日美国发射成功的NPP 卫星上搭载的新一代微波探测仪（ATMS）不同通道的星下点分辨率为16～75 km 不等。又因为静止轨道微波探测器的观测亮温模拟过程中所使用的ERA-5 再分析场数据的时间分辨率为1 小时，空间分辨率为0.25 °×0.25 °，所以我们理论敏感性试验所设定的卫星空间分辨率选取近似的25 km（约0.25 °）、50 km和75 km。

传统的极轨辐射计采用的是逐行机械扫描（静止轨道微波辐射计的二维波束扫描问题仍亟待解决），为了保障分辨率能最大限度地统一，在计算过程中，我们以星下点所在的位置进行纬向检索，当所要求的的空间分辨率为a km 时，尽量保证星下点所在的列上的点与其纬向相邻点间的距离尽量接近a，及每一行上的点与其经向邻点间的距离约为a，最大不超过2a。

2.2 静止轨道微波探测器的观测亮温模拟

因为目前并没有在轨的已投入业务使用的微波辐射计。本文基于FY-4A 的红外亮温数据，使用美国卫星资料同化联合中心(The US Joint Center for Satellite Data Assimilation, JCSDA)开发的快速辐射传输模式（Community Radiative Transfer Mode, CRTM）[15-16]模拟得到静止轨道微波仪器观测亮温，其中使用欧洲中期天气预报再分析中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis, ERA-5）的数据作为正演大气环境场。数值模拟的静止轨道微波探测器通道频率与美国S-NPP 卫星上搭载的先进技术微波探测仪（Advanced Microwave Technology Sensor, ATMS）一致，各个通道的频率与空间分辨率如表1所示。在模拟研究中，使用了FY-4A成像仪的业务云产品数据（基于发展成熟的风云四号成像仪科学算法[17-18]计算而来），包括云掩膜（Cloud Mask）数据以及云顶高度数据（Cloud Top Height）。

表1 ATMS 仪器通道设置情况介绍

云高数据则是来自FY-4A 的二级云产品资料[18]，并由此匹配得到微波仪器每个视场的云高。图1 中为基于再分析资料和CRTM 模拟得到的2018 年8 月17 日00 点（UTC）的静止轨道微波探测器观测亮温结果，分别展示了通道频率为31.40 GHZ（低频窗区通道）、54.40 GHz（温度探测通道）、88.20 GHz（高频窗区通道）和183.31±7.00 GHZ（湿度探测通道）的亮温模拟结果。

图1 基于CRTM模式和ERA-5资料模拟得到的2018年8月17日00时（UTC）的静止轨道微波探测器观测亮温

2.3 静止微波视差订正方法

静止卫星定点在赤道上空，除了对星下点的观测，卫星都是沿斜路径（有一定的卫星天顶角）观测地球大气系统，定位到地球表面（图2，定位到B 点）。但云漂浮在大气中，B 位置并不是云在地表投影的真实位置，B点和D点的距离认为是视场偏差。一般来说，云顶高度越高，距离星下点越远，卫星观测云的位置偏差也就越大[19]。在研究台风时，尤其是多源资料时空匹配时，进行云位置的偏差修正是数据处理过程中的重要步骤之一。

研究中使用的每个视场的位置订正方法与静止轨道红外云图的位置订正方法类似。如图2 所示，云顶高度为h，地球半径为r，卫星与地球球心的距离为R，星下点位置为A，观测所得云的位置为B，订正后云的位置，即真云云顶位置为C，真云云下点位置为D。

图2 视差订正前后云位置发生变化的示意图 B为卫星原本测量的点，但因为B处云的干扰，测得的值为C处的值。

则由文献[19]可得：

公式(4)中（当lonC≥lonB时取“-”，反之取“+”）。下文中所用的云位置偏差即为该像素点上的云在订正前后的位置之差。在本次研究中，取风云四号A星的星下点位置，即A点坐标(104.7，0）。

3 观测视差特征分析

3.1 卫星空间分辨率对观测视差的影响

据赵敏等[20]的统计，2000—2018 年东亚地区云顶高度主要分布在1～11 km 之间，因此，本研究中分别选用1 km、5 km、10 km 和15 km 四类云顶高度进行理论分析，来探讨微波类仪器是否需要考虑视差、并且进一步分析卫星空间分辨率和云顶高度对微波视差的影响。图3～图5中以2018年8 月17 日00 时（UTC）的亮温为基础，分别展示了通 道 频率 为57.29 GHz 、88.20 GHz 和183.31±7.00 GHz 中视差订正前后每个视场内的亮温差。结果表明：在不同通道中，云顶高度较高时，视差问题越发明显，随着仪器空间分辨率的降低，视差问题产生的影响也逐渐减小。这是因为当观测点密度降低时，无法准确定位每个观测点处的变化情况，无法准确判断云高产生的视差，从而模糊该处的观测结果。在实际的例子中，视差问题产生的影响可能因不同地方的云高而产生差异。

图3 不同云顶高度及不同分辨率条件下，通道10（57.29）中每个像元在视差订正前后的亮温变化第一列为2018年8月17日00时的模拟亮温数据在FY-4A所反演得到的云高条件下，进行视差订正前后的亮温差。其余四列分别是同时刻的模拟亮温数据在模拟云高的条件下，进行视差订正前后的亮温差，模拟云高分别为1 km、5 km、10 km和15 km。

图5 同图3，但为通道18

另外，我们还进行了在不同通道及不同空间分辨率的条件下，反演得到的模拟亮温的偏差分析。图6～图8 分别展示了空间分辨率为25 km时，通道10（57.29 GHz）、通道16（88.20 GHz）和通道18（183.31±7.00 GHz）的模拟亮温结果，湿度通道和高频窗区通道中，视差订正前后的亮温偏差可达4 K，再次证明微波视场内的视差问题不容忽视。相比起其他通道，温度探测通道的视差问题尤为明显，云高变高时，视差订正前后亮温变化也更为剧烈，且订正后的亮温几乎都低于订正前的亮温。

图6 空间分辨率为25 km时，通道10（57.29 GHz）中每个像元在视差订正前后亮温变化的分布

图8 空间分辨率为25 km时，通道18（183.31±7.00 GHz）中每个像元在视差订正前后亮温变化的分布

图4 同图3，但为通道16

图7 空间分辨率为25 km时，通道16（88.20 GHz）中每个像元在视差订正前后亮温变化的分布

总的来说，尽管微波仪器的空间分辨率较低，但仍然存在视差问题，且在云高较高的情况下，视差的存在导致的各像元处的亮温偏差不小，无法忽略，这也与以往的认知不同。请注意不同通道对云层的穿透能力不同，视差问题的大小也不同。

3.2 卫星观测天顶角对视差的影响

静止轨道微波探测器通过天线等部分匀速转动，形成天线波束的圆锥扫描，由此获取地球表面和大气的辐射数据。因此，在对目标云团进行观测时，成像仪的天顶角也会造成云的位置偏差。本研究中也对此进行了探讨。成像仪的天顶角的定义成像仪和观测点间的连线与成像仪和星下点间的连线间的夹角，即若星下点的位置为（lonA，latA），真云位置（观测点）的位置为（lonB，latB），则观测点的天顶角为如在图2中，当角OSB 增大时，B 点和C 点间的距离也会增大，当微波仪器空间分辨率较高时，B 点和C 点间可能间隔了数个像元，即产生了视差问题。图9(见下页)为基于FY-4A 的各个像元的经纬度位置的模拟结果，模拟云高分别为1 km、5 km、10 km和15 km，空间分辨率设定为20 km、40 km、60 km和80 km。在这样的模拟条件下，每个像元处的天顶角不同，产生的云位置偏差也不同，分别以天顶角为x轴，产生的云位置偏差为y轴，以散点图的形式生成如图结果。结合图6～图9，我们发现云顶高度越高，产生的视差问题越大；在同等云高条件下，天顶角越大，产生的视差越大；且分辨率并没有直接对视差产生影响。

图9 天顶角、云顶高度及分辨率与对应像素点处云位置偏差的联系

4 个例分析

为了能更为准确直观地展示静止微波探测器上可能出现视场偏差，我们重点针对台风和高云个例进行分析，包括2018年7月10日的台风“玛莉亚”和同天在中国陆面的某个云顶高度大于15 km的对流云区。

图10 展示的是2018 年第8 号超强台风“玛莉亚”。“玛莉亚”于2018年7月4日（北京时间，下同）在美国关岛以东的洋面生成，于2018 年7 月10 日11 时左右到达我国的台风预警24 小时警戒线，最后于2018 年7 月11 日09 时左右在福建连江黄岐半岛登陆，登陆时中心最大风速高达42 m/s，造成的直接经济损失接近30 亿元，超百万人受灾。图11 是将图10 中116～123 °E，20～30 °N 的区域放大的结果。结合两幅图可以看出，随着空间分辨率的降低，静止卫星的云掩膜产品会产生误判，FY-4A 的云产品中判别为无云的地区也会因为云的位置偏差而从图上显示为有云，FY-4A 的云产品中判别为有云的地区也会出现误判为无云。这个误差也会影响卫星对台风的定位、追踪与强度估计。

相比起极轨微波探测器，静止轨道微波探测器的时间分辨率更高，在台风和强对流的定位、追踪等方面的应用上有着明显优势，但视差问题会对其应用产生影响。图10、图11和图12中也展示了同一天的4个时刻，不同空间分辨率下视差订正前后的云的位置，尽管高时间分辨率的微波探测器能对台风进行连续追踪，但视差问题依旧会影响台风定位的准确性。

图10 不同分辨率下台风“玛莉亚”的位置与分辨率为4 km时观测得到的台风位置的对比（视差影响）红线为FY-4A观测得到的云的轮廓。

图11 不同分辨率下台风“玛莉亚”的位置与分辨率为4 km时观测得到的台风位置的对比

视差的影响在分析高云的例子时体现得更为明显。图12 中是2018 年7 月10 日中国陆面上的云顶高度大于15 km 的对流云个例其视差订正前后差异对比。从图12 中可以清楚地看到，与靠近赤道的台风相比，当分辨率降低后，纬度稍高的高云例子在进行视差订正前后云的位置偏差变得更大，当分辨率达40 km 及以上时，甚至会出现观测时缺漏了某些云团的情况，这无疑会对陆面上对流系统的观测造成极大的影响。

图12 不同分辨率下高云的位置与分辨率为4 km时观测得到的高云位置的对比

5 小 结

本次研究通过利用数值模拟和实际风云四号静止气象卫星A 星观测结果对未来静止轨道微波探测器的视差特征进行了详细分析。

(1) 静止轨道微波探测器在探测过程中会受到云高的影响，观测时会造成一定的视差，较大的视差会明显影响预报员对天气过程的实时监测分析。随着云高和观测视角的增加，造成的观测视差越大，必要时需对云的位置进行有效订正。

(2) 静止微波探测器较粗的空间分辨率不会对视差的大小直接造成影响，但会对视差订正前后的亮温变化产生影响，空间分辨率越高，视差问题影响越大。

(3) 尽管静止微波探测器具有较高的时间分辨率，但是在台风或强对流的预警过程中，视差的存在会影响预警的准确性。

除此之外，因微波具有云雨穿透能力，红外探测所得的辐射云顶高度不一定等同于微波探测得到的真实云顶高度，当对静止微波探测进行视差订正时需加以考虑。