风云三号卫星微波载荷历史数据再定标

谷松岩，郭杨，谢鑫新，何杰颖，窦芳丽，吴琼，王振占，张升伟，安大伟，武胜利，张鹏

1.国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) 中国气象局,北京 100081;

2.中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室 中国气象局,北京 100081;

3.许健民气象卫星创新中心,北京 100081;

4.中山大学 大气科学学院,珠海 519082;

5.中国科学院国家空间科学中心,北京 100190

1 引言

地球气候系统在过去30 年间以0.17 K/10 a 的变率在变暖（Solomon 等，2007）。为深刻理解地球气候系统变暖的事实，美国科学家利用对地球气候系统敏感的星载微波氧气吸收通道遥感信息，发展了经验与物理相结合的微波历史数据再定标技术，处理生成了长时间序列微波氧气吸收通道基础气候数据集（FCDR），通过25 年极轨卫星上装载的微波探测仪（MSU）数据分析对流层温度的微小变化趋势（Grody 等，2004），得到地球大气系统对流层整层在1987 年—2006 年10 年温度变率达到0.08 K（Zou 等，2009）。这一结果激励了后来美国和欧洲科学家长期致力于星载微波遥感资料的历史数据再定标和气候数据集研究，根据遥感探测机理分别发展了微波窗区和微波吸收通道基础气候数据集（FCDR）、气候数据集（CDR）（Chander 等，2013；Sapiano 等，2013；Berg 等，2018；Zou 等，2020），这些数据集在气候变化研究中发挥了重要作用。微波载荷历史数据再定标是构建微波基础气候数据集的核心技术，在微波载荷基础气候数据集发展过程中，逐步形成了以交叉定标技术为基础的再定标方法，提升长时序历史数据辐射的一致性，消除遥感信息代际间的差异等（Sapiano 等，2013；Biswas 等，2013；Berg等，2018；Zou等，2020）。

风云卫星历经半个世纪的发展取得了令人瞩目的成绩（Yang 等，2012；Zhang 等，2018，2019），其上装载的微波温度计（MWTS）、微波湿度计（MWHS）和微波成像仪（MWRI）辐射率资料是数值天气预报系统直接同化的重要数据源，在数值天气预报同化应用和气候变化研究中具有重要意义，尽管与欧美同类载荷相比风云卫星微波载荷起步较晚，但独具特色的通道设计使其在数值天气预报和气候研究中蕴含了独特的应用潜力和作用（Zou，2021）。

在过去十多年间，风云三号卫星从微波载荷研制到数据辐射定标技术都取得了长足进展，但由于仪器在轨运行寿命期内工况的变化以及辐射定标技术的发展，历史数据辐射定标结果在时间尺度上精度的稳定性不够，在将风云卫星微波资料用于数值预报再分析和气候研究时，亟需对历史数据进行再定标，用最新的辐射定标模型重处理历史数据，以保证数据的稳定性和辐射定标结果精度的一致性。对风云卫星微波载荷历史数据再定标的模型研究不仅能加深对国产卫星微波技术的深刻认识，同时也能加深对星载微波辐射计辐射定标机理的认识。以这些认识为基础，我们可以重构国产卫星微波辐射计辐射定标模型，提升辐射定标结果精度。

国产卫星微波载荷历史数据再定标中以国外参考载荷数据或背景场微波辐射为参考，通过对风云卫星微波载荷在轨工况的多元复合解析，分离载荷偏离稳态事件，进行诊断分析建模，采用载荷半物理仿真技术将载荷器/部件级的物理测试与载荷系统级仿真分析相结合探究辐射偏离机理，重构辐射定标模型，支撑风云三号卫星微波载荷基础气候数据集建设。本文综述风云三号卫星微波载荷历史数据再定标研究进展。

2 微波历史数据再定标技术回顾

星载微波辐射计可分为微波成像仪和微波探测仪。微波成像仪一般通过设置在微波窗区位置的通道探测地气系统地球物理参量；微波探测仪则利用设置在微波吸收线附近的一组通道来实现大气参数的廓线探测，业务上常用微波氧气和水汽吸收线来实现大气温湿度廓线探测。两类微波载荷历史数据再定标技术也略有不同。

2.1 微波成像仪历史数据再定标

特种微波成像仪（SSM/I）是最早投入定量科学应用的星载微波辐射计，装载在1987 年发射升空的DMSP F08 卫星上，利用设置在微波窗区位置的通道遥感地气系统地球物理参量（Hollinger 等，1990）；美国国防卫星DMSP F08之后的F10、F11、F13、F14，和F15 卫星上均装载了SSM/I 载荷，改进后的SSMIS 集成像和探测为一体，取代SSM/I 装载在DMSP F16、F17、F18，和F19 卫星上，从SSM/I 到SSMIS，在数据处理过程中，增加了对数据的质量控制；改进了定位技术，精确获取入射角；同时增加了对SSMIS 的天线订正。最后在NOAA 支持下美国通过交叉定标技术实现辐射校准，完成了30 年时间覆盖的基础气候数据集SSMI（S）FCDR。这一数据集可用于反演降水、大气可降水、云中液态水、海面风速、海冰范围和浓度、积雪和土壤湿度等多种地球系统气候基本变量（ECV）（Sapiano 等，2013；Berg 等，2016）；美国NASA 在全球降水测量计划（GPM）中的交叉定标（XCAL）技术框架下，利用与GPM 卫星同期在轨的所有被动微波载荷组成星座体系，基于数值天气预报分析场与微波正演辐射传输模型相结合得到的背景微波辐射，发展了单偏差分析、双偏差分析等多种交叉定标技术，以GMI 为参考实现再定标，构建了GPM/L1C FCDR（Berg 等，2016），支撑气候及气候变化研究对微波成像仪遥感数据的迫切需求。风云三号气象卫星微波成像仪，在时间上衔接了AMSR-E 和AMSR-2 两个载荷的遥感数据，在微波FCDR 数据集构建中发挥了重要作用。为了科学分析全球变化中国科学家利用与AMSR-E 和AMSR-2两个载荷都有时间重叠的FY-3/MWRI 数据，通过陆地区域双差分析交叉定标技术将AMSR-E 与AMSR-2 数据桥接起来，建立了以AMSR-E 为参考的微波成像仪长时序亮温数据集（Du，2014）。同样是桥接AMSR-E 与AMSR-2数据以保证数据集用于水循环研究时的连续性，以AMSR-2为参考，针对MWRI在轨具体特殊工况进行修正后，利用交叉定标技术构建再定标模型，用MWR I 数据桥接AMSR-E 与AMSR-2 以填补二者的数据空白，再定标后MWRI 和AMSR-E 与AMSR-2 的亮温偏差均小于0.3 K（Wu 等，2020）。上述这些围绕微波窗区通道遥感数据开展的历史数据再定标研究和基础气候数据集工作为风云卫星微波长时序基础数据集建设提供了技术参考。

2.2 微波大气探测仪历史数据再定标

在微波探测仪历史长时序数据应用方面，最早发展的是用于大气温度结构探测的微波氧气吸收通道资料，以美国业务卫星上装载的MSU、SSM/T、AMSU-A 和ATMS为代表。在微波氧气吸收通道历史数据再定标算法发展过程中，围绕长时间序列历史数据辐射定标的稳定性和一致性逐步形成了综合处理技术，更新定标系统静态参数、消除定标结果的时变性以及与辐射参考的系统偏差等（Zou等，2006，2009；Zou和Wang，2010，2011）。2016 年美国NOAA 发布了AMSU-A 微波氧气吸收通道基础气候数据集FCDR，在对包括MSU在内的微波探测仪历史数据再定标中增加了对载荷发射后在轨通道中心频率与地面测试结果之间偏差的诊断分析和建模修正，提高了微波氧气吸收通道FCDR 数据在NWP 模式、气候分析以及气候专题数据集（TCDR）等时间序列数据集构建方面的应用精度（Zou 和Qian，2016）。在利用微波氧气吸收通道FCDR 数据集分析地球系统气候变化时，分析表明SNPP/ATMS 和AQUA/AMSU-A 对应通道探测到的大气温度数据均达到了每10 a 0.04 K的稳定性（Zou 等，2018）；近年美国NOAA/STAR 又完成了对SNPP和JPSS业务存档数据的重处理，消除科学数据在时间上因处理技术差异产生的不一致，改进定标精度，这些研究成果确保了星载微波氧气吸收通道FCDR 数据在气候和气候变化研究中，以及数值天气预报再分析中的应用（Zou等，2020）。

大气水汽是时空演变最剧烈的气候变量（ECV）之一，星载微波大气水汽吸收通道（183 GHz）探测数据是对流层大气水汽、大气可降水和大气冰水路径等气候系统重要参数的主要数据源（Ferraro 等，2005），同时也是同化应用于数值天气预报再分析的重要数据（Rienecker 等，2011）。微波水汽吸收通道（183 GHz）历史数据再定标和基础气候数据集研究工作因地气系统水汽变量变化的复杂性和探测数据的不确定性等而起步较晚，国际上用于大气水汽探测的代表性微波载荷包括AMSU-B、SSM/T2、MHS、HSB、ATMS，以及风云三号的MWHS 等。美国NOAA 于2016 年发布了时间覆盖长达16 年以AMSU-B 和MHS 数据为基础可用于水文学研究的183 GHz FCDR 数据（Ferraro等，2018）。近年欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）在FIDUCEO（FIDelity and Uncertainty in Climate-data records from Earth Observation）计划框架下完成了气象卫星上装载的微波湿度计（183 GHz）水汽吸收通道历史数据再定标研究，在生成FCDR 数据集过程中关注了风云三号微波湿度计的探测数据（Hans等，2019），2020年发布了时间覆盖长达23年（1994年—2017年）基于SSM/T2、AMSU-B和MHS历史数据的对流层上层湿度（UTH）气候数据集（CDR）（Lang等，2020），丰富了星载微波气候数据集。

3 风云三号卫星微波载荷性能及业务星上定标方法

3.1 载荷性能

风云三号卫星是中国第二代极轨业务气象卫星，装载的被动微波辐射计包括微波成像仪和微波大气探测仪两类。从2008 年风云三号首发星（FY-3A）成功发射以来，到目前为止风云三号气象卫星已完成3 个批次（01/02/03 批）5 颗卫星（FY-3A/B/C/D/E）的发射和业务运行（Yang 等，2012；Zhang等，2018，2019）。

风云三号01 批卫星装载的微波辐射计中微波湿度与当时美国业务运行的ATOVS 中的AMSU-B相当，除了在183 GHz 水汽吸收线附近设置了3 个通道外，在150 GHz微波窗区频段设置有双极化探测通道，成为当时国际上在轨业务运行独具特色的探测载荷，其探测资料成功同化应用到ECMWF、英国气象局和我国自主研发的数值天气预报模式中（陆其峰，2011；Zou等，2011）。

风云三号02 批业务批次的两颗卫星风云三号C/D 星分别于2013 年和2017 年发射后，因其独具特色的通道设置，而受到欧美同行的广泛关注。其中微波温/湿度计在常规氧气和水汽吸收频点上的通道设置与美国当代业务卫星SNPP 上装载的大气探测载荷ATMS探测通道一致，同时风云卫星增加了118 GHz氧气吸收线一组探测通道的设计（郭杨 等，2014，2015，2020；Guan 等，2011；Zou等，2012，2014；Hou等，2019；Zou，2021）。未来风云三号03 批规划有4 颗卫星，其中上下午和晨昏三颗卫星上均设计装载探测通道与02 批保持一致的微波大气探测载荷，同时在微波温度计上增加了低频23 GHz 和31 GHz 两个窗区通道以及吸收峰的两个通道，星载微波大气垂直探测系统性能进一步提高。

风云三号01/02 批4 颗卫星上装载的微波成像仪采用相同的频点设置和扫描成像体制，以独具特色的天线口面定标方式实现对地圆锥扫描的同时，在一个扫描周期内获取冷热源定标信息，实现在轨定标，辐射定标过程中对热源的辐射处理是定标技术的关键（Yang 等，2011，2012）。后续风云三号03 批微波成像仪将通过增加大气氧气和水汽吸收通道提升降水探测能力，频点将覆盖10 GHz到183 GHz的多频段，定标及灵敏度等关键性能指标将进一步提升，同时为适应馈源增加的压力改用与GMI等国外同类载荷相同的馈源口面定标方式实现对地观测成像及定标参数获取，这种观测体制下冷源的辐射处理成为定标技术的关键。

表1—表3 是风云三号3 个批次（01、02、03）8 颗卫星（A-H）微波载荷配置及通道设置情况；图1 是在轨业务运行的风云三号A/B/C/D 卫星微波载荷灵敏度指标情况；可以看到从A星到D星风云三号微波载荷性能指标不断提升。

图1 风云三号微波载荷灵敏度Fig.1 Sensitivity of FY-3 microwave payloads

表1 风云三号卫星微波成像仪配置及通道设置Table 1 Load configuration and channel setting of FY-3 satellites microwave imager

表2 风云三号卫星微波温度计载荷配置及通道设置Table 2 Load configuration and channel setting of FY-3 satellites microwave temperature sounder

表3 风云三号卫星微波湿度计载荷配置及通道设置Table 3 Load configuration and channel setting of FY-3 satellites microwave humidity sounder

3.2 在轨业务星上定标技术

风云三号微波载荷辐射定标主要由发射前定标、在轨业务星上定标和历史数据再定标等3个技术环节组成（图2）。在轨业务星上定标是风云三号微波载荷业务辐射定标的一个重要技术环节，主要是将发射前地面真空定标试验得到的微波辐射计辐射响应模型和静态参数结合在轨实测的动态定标基础数据，将辐射观测计数值转换为地气系统目标微波辐射量（图3）（谷松岩 等，2021）。

图2 风云三号微波载荷辐射定标Fig.2 Calibration technology of FY-3 Microwave loads

图3 风云三号微波载荷星上定标技术Fig.3 Onboard calibration technology of FY-3 microwave payloads

风云三号气象卫星三台微波辐射计在轨星上定标均采用全光路定标系统，以星上黑体和冷空为参考完成两点周期定标。其中微波大气探测载荷（温度计/湿度计）以切轨扫描方式在一个扫描周期内以完全相同的方式分别获取冷空、热源和对地观测数据，同时依靠埋嵌在黑体内部的铂电阻测量热源温度，获取在轨动态辐射定标基础数据。风云三号微波大气探测载荷在轨星上定标模型包括传统的非线性辐射定标模型、线性定标加非线性修正模型和高阶非线性校准定标模型等。其中风云三号A 星微波湿度计采用的线性定标加非线性修正模型与美国SNPP/ATMS 在轨定标模型一致（谷松岩 等，2013）。风云三号B/C/D 星微波湿度计采用了与AMSU一致的非线性辐射定标模型（Mo，2002；王振占 等，2013；郭杨 等，2015）。而风云三号A/B/D 星微波温度计则沿用了与AMSU-A一致的定标模型，但C星微波温度计根据载荷在轨工况特点，利用高阶非线性定标模型有效抑制了系统定标的不确定性（安大伟，2016）。

风云三号微波成像仪以圆锥扫描方式完成周期性观测，两个直径为1300 mm 和890 mm 的准光学反射镜将来自冷空和热源的微波辐射反射到主天线，再经主天线反射进入馈源，来自地气系统的微波辐射直接经主天线反射进入馈源。天线口面定标系统确保了风云三号微波成像仪的在轨定标精度（Yang 等，2011；刘高峰 等，2014；董克松 等，2020）。这种观测体制不同于欧美同类载荷（例如GMI 等），其中热源的辐射处理是微波成像仪在轨星上定标的关键技术（Xie等，2019）。

过去十年间风云三号卫星微波载荷业务存档数据稳定，得到广泛应用，其中ECMWF 的IFS 系统对FY-3A/B/MWHS 进行评价，认为其性能与METOP 上装载的MHS性能相当（Chen 等，2015）；FY-3A/MWTS 在轨中心频点修正后定标结果偏差标准差优于0.6 K（陆其峰，2011）；用NWP 预报场资料评价FY-3A/MWTS通道3/4的O-B亮温偏差小于0.6 K，与AMSU-A 相当（Wang 等，2012）；利用GPS/RO 资料对风云三号微波温度计进行在轨绝对定标后，亮温偏差稳定在0.25 K（王祥 等，2017）；与前序载荷相比FY-3D 卫星上装载的微波载荷性能得到了极大提升，微波温度计的辐射定标得到很大改进，全球范围内与ATMS对应氧气吸收通道（50—60 GHz）相比平均偏差为0.36±0.28 K（1σ），而微波成像仪升降轨偏差降低到0.2 K（Carminati 等，2021）；以AMSR-2 为参考，定标修正后MWRI和AMSR-E与AMSR-2的亮温偏差均小于0.3 K（Wu等，2020）。

在应用中，同化FY-3B/MWHS 后24 h 预报准确率可提高0.3%，同化FY-3C/MWHS-II 资料后24 小时预报准确率可以提高0.6%，联合使用两个载荷数据时24 h 预报准确率提高1%（Carminati等，2018）；在ECMWF 业务系统中同化应用风云三号系列MWHS、MWHS-II、和MWRI 微波资料后，两天全球尺度大部分预报变量改进有显著正效果，预报技巧提升2%（Bormann 等，2021）。这些应用评价为风云三号微波载荷历史数据再定标以及未来风云三号卫星微波资料在气候研究和数值预报再分析中的应用奠定了基础。

4 风云三号微波载荷历史数据再定标

4.1 历史数据概况

风云三号卫星上共装载了微波湿度计、微波温度计和微波成像仪3 类14 台套被动微波辐射计，到目前为止历史数据存档量已积累达到13 年，历史数据时间覆盖情况见图4。其中微波温度计在2015 年—2017 年因载荷在轨停止工作；微波成像仪在2009 年到2010 年间因天线转动对卫星平台产生扰动而停转。微波湿度计A 星已圆满完成业务使命退出业务服务，B/C/D 三颗星微波湿度计目前均在轨业务运行获取全球数据，B星微波湿度计历史资料单星时间跨度已超过10 年，与A/C/D 星微波湿度计均有时间重叠。

图4 风云三号微波载荷历史数据时间覆盖性Fig.4 Time coverage of historical data of FY-3 microwave payloads

风云三号卫星微波载荷在轨运行期间受空间环境等多种因素影响仪器工况会发生变化，同时地面系统辐射定标算法也不断更新，图5示出风云三号卫星微波载荷在轨寿命期内载荷工况和预处理业务软件主要变化情况。

图5 风云三号微波载荷在轨主要工况变化情况Fig.5 Main operating conditions of FY-3 microwave payloads in orbit

其中FY-3A/B 星微波湿度计（图5（a））在轨建立业务模态后，于2011 年3 月在业务软件系统中增加了月球进入冷空观域污染定标动态参数的订正处理模型；FY-3B 微波湿度计于2016 年11 月将星上存贮做了切备份处理。FY-3C/MWHS 为配合卫星能源状态调整，在轨寿命期内进行了多次开关机操作，相应也进行了多次机械偏差注数调整；2015 年3 月对业务系统中辐射定标静态参数中的天线订正矩阵进行了调整；2015 年9 月重新注数了系统自动增益（AGC）参数。

FY-3A 星微波温度计（图5（b））在轨建立业务模态后，2008 年12 月接收机温度出现过异常，重启后恢复正常；2009 年12 月热定标源温控电路切备份；2011 年6 月载荷重注了零位脉冲；业务软件系统中2011 年1 月更新了天线矩阵。FY-3B星微波温度计2011 年11 月57 GHz 本振电流下降，通道定量应用受限。FY-3C 星微波温度计2014 年5 月因转动机构异常，载荷由变速扫描模态切入匀速扫描模态。FY-3D 星微波温度计2018 年1 月受空间环境影响多路开关引起系统非线性跳变，经地面复现建模，软件修复。

FY-3A 星微波成像仪开机后因对平台姿态产生干扰而关机；FY-3B 星微波成像仪（图5（c））在轨测试后建立了扫描周期为1.8 s 的业务模态。FY-3C 星微波成像仪在轨测试后建立了扫描周期为1.7 s 的业务模态，2018 年8 月对AGC 进行了注数调整。FY-3D 星微波成像仪在轨建立了业务模态后，2018 年4 月对业务辐射定标软件中定标地静态参数进行了更新，2018 年6 月更新了定标业务算法。

此外从已发表文献中可以看到，通过地球稳定的冷目标参考点分析表明风云三号B星微波成像仪L1 数据在2011 年2 月到7 月间冷点亮温波动范围达到1.8 K（乔木 等，2012）；C星各通道升降轨观测与背景辐射的偏差不一致，最大可达到2 K（Xie等，2019；张淼 等，2019）；长期观测数据研究还发现微波成像仪在轨开关机会导致仪器状态发生改变，致使L1 亮温数据出现跳变（Xie 等，2021a）。风云三号微波温度计在轨运行期间，受多路开关等器件影响在轨定标结果出现跳变；天线方向图特性导致辐射在切轨方向上出现非对称分布，窄带吸收通道存在明显的条带噪声（金旭等，2019）。而被动温控的微波湿度计在轨期间在平台热力平衡条件约束下，仪器工作温度发生变化时，从与参考载荷ATMS 的交叉比对结果来看，定标结果也发生了跳变（图6）；天馈系统的耦合作用还导致辐射相对于星下点出现非对称性（Guo等，2020）。这些仪器在轨工况的变化导致历史数据的异常改变，只能通过风云卫星微波载荷历史数据再定标，攻克技术难点，来改善历史数据质量。

图6 FY-3C/MWHS与ATMS对应通道（183.31±1 GHz）交叉比对结果的时间变化Fig.6 Time series of cross comparison results between FY-3C/MWHS and ATMS corresponding channel（183.31 ± 1 GHz）

4.2 再定标共性技术综述

风云三号气象卫星装载的3台微波辐射计，涵盖了微波窗区、氧气/水汽吸收通道，对风云三号微波载荷长时间序列历史数据再定标研究能加深对国产卫星星载微波载荷辐射特性的理解和认识，提高综合辐射定标精度，为后续生成中国微波气候数据集（CDR）提供风云数据方案。

欧美微波载荷研制技术水平明显优于中国，载荷在轨性能相对稳定，历史数据具有较好的稳定性和一致性，在对微波历史资料再定标建立微波基础气候基础数据集（FCDR）过程中，辐射参考的交叉传递是构建长时间序列辐射资料的核心技术（Zou 等，2006），而中国受微波载荷研制技术和工艺水平制约，在轨辐射定标处理中，对载荷在轨性能认识逐步加深，因此在微波历史数据再定标和微波气候数据集的风云解决方案中，星载微波辐射计的系统辐射响应和性能演化模型研究，以及辐射参考研究等至关重要，这些决定了我们国产卫星微波载荷基础气候数据集的品质。

为此风云三号微波载荷历史数据再定标共性技术中通过载荷系统全链路辐射传递仿真建模，解析仪器在轨特殊工况下的辐射特性，精确反演地气系统同目标亮温；同时发展微波大气载荷长序列遥感数据辐射参考共性模型、代际间辐射传递共性模型和再定标结果仿真验证模型，实现风云卫星长时间序列历史数据再定标。

风云卫星微波载荷历史数据再定标由载荷在轨特殊工况精细化再定标模型、时变模型和辐射传递模型组成。再定标过程包括历史数据再分析和历史数据重处理两个技术环节。通过对长时间序列历史数据的再分析，把握载荷在轨特殊工况状态，综合评价微波载荷业务星上定标结果，才能有的放矢地开展针对性建模分析，构建精细化再定标模型。将历史数据再分析得到的精细化再定标模型用于单载荷寿命期历史数据重处理，使历史数据辐射定标精度达到一致并最优；然后基于微波辐射参考将多颗星资料归一化到统一的辐射标准，生成长时序基础数据集，支撑建立基础气候数据集（谢鑫新 等，2019，2021；李娇阳等，2019）。

风云三号卫星微波载荷历史数据再分析过程中发现很多时候历史数据会偏离稳态，多参数关联分析会发现这些偏离往往与载荷在轨的特殊工况有关。例如对热镜自发射以及热镜反射的外源辐射估计不足导致风云三号微波成像仪在轨升降轨辐射偏差交大，利用在轨观测数据结合地面真空定标数据再分析分别构建热反射镜发射率模型和辐射效率模型，同时发展双参数系统非线性响应模型，再定标处理后，升降轨偏差从2 K 左右降低至0.5 K 以下，同时消除了因增益脉动等特殊工况带来的亮温跳变（Xie 等，2019，2021a），再定标使微波成像仪历史数据的长期稳定性大幅提高，改进了风云三号微波成像仪历史数据质量。

对微波温度计历史数据的再分析让我们重新认识了过去十年间数据的异常情况与在轨载荷工况间的密切关联，开展了诸如多路开关的非线性跳变、天线方向图的影响、载荷噪声特性与数据条纹噪声的关联、月球对冷空的污染、共用器件造成载荷通道间辐射耦合、发射前真空定标模型重构以及在轨定标模型优化等共性研究，重构精细化辐射定标模型提升历史数据品质（陈文新 等，2013；You等，2012；安大伟 等，2016；金旭 等，2019）。

微波湿度计是风云三号3台微波载荷中历史数据最完整的载荷，其辐射率资料已直接同化进入ECMWF、英国气象局和中国气象局的业务预报系统。在对其历史资料再分析的基础上重构发射前真空定标模型、更新历史数据定标静态参数，并依据ISO 星载微波辐射计辐射参考（Geographic information-Calibration and validation of remote sensing imagery sensors and data-Part 4：Space-borne Microwave Radiometers，ISO 19159-4：2020），在稳态约束条件下通过月球历史数据的分析建模得到系统宽动态辐射响应，发展了再定标物理模型，改进历史数据稳定性。

图7概括了风云三号微波载荷历史数据再定标中主要的模型工作，3 台微波载荷在各自辐射参考和再定标框架下完成历史数据再定标。

图7 风云三号微波载荷历史数据再定标主要模型Fig.7 Main models of historical data re-calibration of FY-3 microwave loads

4.3 辐射参考及传递技术概况

辐射参考是风云三号卫星微波载荷历史数据再定标的基础，历史数据再分析表明，风云三号02 批B 星微波湿度计、C 星微波成像仪和D 星微波温度计在轨业务定标结果稳定（He 和Chen，2019；Lawrence 等，2018；Bormann 等，2021），数据可用作风云三号历史数据再定标的风云参考，基于风云参考处理历史数据，可以得到辐射一致的风云三号微波载荷长时间序列历史数据。风云卫星载荷历史数据通过交叉定标可以将国际公认的高精度观测资料作为长时间历史数据参考，溯源传递。溯源过程中基于国家辐射参考数据，从多维度出发建立科学评价甄别规则，遴选可用于历史数据再定标的目标场，解决国产卫星微波载荷缺乏长时间历史辐射参考难题。辐射参考数据包括目前国际公认的高精度微波载荷历史数据（GMI/ATMS）和背景场微波辐射（背景场+微波辐射传输模型）等。目前国际公认最优的背景场资料包括ECMWF 发布的数值预报再分析资料ERA5数据（Hersbach等，2018）、WMO最新倡导建立的高空气候观测站数据（GRUAN）（Newman 等，2020）和GPS/RO 数据（Hou 等，2019）等，这些背景场辐射资料也被欧美同行用于建立微波历史数据再定标模型以及基础气候数据集的检验验证。

ATMS 历史数据再定标中，利用背景场微波辐射资料检验ATMS 氧气吸收通道，结果表明其辐射不确定度小于0.14 K，用于大气湿度廓线探测的水汽吸收通道的辐射不确定性在1.5—2.5 K（Carminati 等，2021）；美国NOAA/STAR 最近完成的SNPP 和JPSS 业务存档数据重处理中ATMS 资料重处理后与AQUA/AMSU-A 通道7对应通道间辐射偏差的长期变化趋势为0.003 K/a，达到了气候趋势研究对卫星探测数据0.004 K/a 的稳定性要求（Zou 等，2020），因此ATMS 是星载微波大气探测载荷最佳的在轨辐射参考，可以为风云三号微波大气探测载荷（MWTS/MWHS）历史数据再定标提供辐射参考。研究表明GMI 在轨绝对定标精度在1-σ约束条件下静稳洋面可以达到0.25 K，辐射定标结果长期稳定（Newell 等，2015；Draper 等，2016），这也为风云三号微波成像仪（MWRI）历史数据再定标提供了辐射参考。此外通用的微波基础气候数据SSMI（S）FCDR 和AMSUFCDR 等，也为风云三号微波载荷历史数据在定标提供了辐射参考，表4汇集了各类辐射参考。

表4 风云三号微波载荷历史数据再定标辐射参考Table 4 Radiometric reference for re-calibration of FY-3 microwave payloads historical data records

历史数据再定标中微波辐射参考主要通过交叉定标技术实现传递（Colton 和Poe，1999；Sapiano等，2013；Chander 等，2013；Biswas 等，2013；Draper 等，2015）。美国NASA 降水测量计划（GPM）中专门设立了XCAL 交叉定标技术组，提出了较为完整的星载微波辐射辐射校准传递技术架构，在XCAL 框架下实现了GPM 时代所有在轨运行星载微波辐射计的辐射校准和传递，并发展了基于地气系统背景微波辐射的双偏差交叉传递技术（Berg，2016）。风云三号气象卫星自首发星FY-3A 发射升空以来，各载荷均开展了交叉定标工作，大气探测载荷微波温/湿度计分别与美国和欧洲业务卫星上装载的同类载荷进行了交叉比对（谷松岩 等，2013；郭杨 等，2014）；同时还利用交叉定标技术完成了冷空辐射偏差修正（谷松岩等，2015），辐射的扫描角偏差订正等（官莉和陆文婧，2016）等。利用晴空大气辐射传输模拟技术可以建立FY-3/MWRI 与AMSR-E 之间不同观测角度的辐射关系，实现两个辐射计资料的融合应用（陈昊和金亚秋，2012）。此外在利用FY-3/MWRI 桥接AMSR-E 和ANSR-2 数据时，还通过陆地区域双差交叉定标技术建立了以AMSR-E为参考的微波成像仪长时序亮温数据集（Du 等，2014）；并且通过FY-3B/MWRI 与GCOM-W1/AMSR-2 之间的交叉定标，校准了FY-3B/MWRI 升降轨亮温偏差，实现了两个微波辐射计数据的衔接（唐晓彤 等，2020）。风云卫星历史数据再定标中，还基于微波波段条件稳定目标，通过外定标技术进行辐射参考的单点传递，保证历史数据的稳定性和一致性。

表4汇集了风云三号微波载荷历史数据再定标辐射参考。在风云卫星微波载荷历史数据再定标研究中辐射参考传递采用基于微波辐射传输模型的稳定目标双偏差交叉传递技术（Zeng 和Jiang，2020）。通过交叉传递使不同载荷的辐射参考得到统一，支撑风云微波资料FCDR 数据集。图8 为风云卫星微波载荷基于微波辐射传输模型的稳定目标双偏差交叉传递技术流程。

图8 基于稳定目标的双差交叉定标技术流程Fig.8 Technical flow of double difference cross-calibration for stable targets

4.4 再定标进展介绍

风云三号3台微波辐射计历史数据基于辐射参考和再定标模型完成历史数据重处理，目前已生成时间跨度10 年的长时序L1 科学数据集。从再定标结果与参考载荷匹配数据交叉比对结果来看（图9），10年间载荷在轨特殊工况对定标结果的影响基本得到修正。图9（a）是微波湿度计FY-3A/B/C 3 颗星中心频点位于183.31 GHz 的3 个水汽吸收通道再定标后与参考载荷（METOP/MHS）交叉比对结果的时间序列，从图9（a）中可见再定标后3颗星代际之间辐射取得了很好的一致性，再定标后长时间序列数据的RMSE最优达到0.80 K，标准差为0.20 K；图9（b）是微波温度计FY-3A/B/C/D 4颗卫星上装载的4 台微波温度计仪器中心频点为50.3 GHz 通道再定标后与参考载荷交叉比对结果的时间序列，其中FY-3A/B 的参考载荷为METOP/AMSU-A，FY-3C/D 的参考载荷为SNPP/ATMS，从图中可见再定标后4颗星代际间辐射达到了很好的一致性，再定标后长时间序列亮温数据均方跟误差RMSE为0.77 K，标准差为0.28 K；图9（c）是微波成像仪FY-3B/C/D 3 颗星中心频点位于23.8 GHz的V 极化通道再定标后与参考载荷（GPM/GMI）交叉比对结果的时间序列，从图9中可见再定标后3颗星代际之间辐射一致，再定标后长时间序列数据的RMSE最优达到1.29 K，标准差为0.15 K（图10）。均方根误差RMSE和标准差计算如式（1）和（2）。再定标处理生成的风云三号微波载荷长时序L1 科学数据集为后续生成风云三号微波载荷基础气候数据集FCDR奠定了基础。

图9 再定标结果与参考载荷交叉比对时间序列Fig.9 Cross alignment time series of recalibration results and reference loads

5 结论

风云三号气象卫星微波载荷历史数据时间跨度超过10 年的历史数据经再定标处理，修正了在轨寿命期内载荷特殊工况造成的辐射定标偏差，消除了多星代际间的辐射差异，生成了风云三号微波长时序L1 科学数据集，经与国际同类载荷交叉比对表明二者之间具有非常好的辐射一致性，经与国际同类载荷交叉比对表明氧气吸收通道长时间序列亮温数据RMSE为0.77 K，标准差为0.28 K；水汽吸收通道再定标后长时间序列数据的RMSE最优达到0.80 K，标准差为0.20 K；窗区通道以23.8 GHz的V极化通道为例再定标后长时间序列数据的RMSE 最优达到1.29 K，标准差为0.15 K；在定标后最大RMSE不超过1.5 K。

通过风云三号微波载荷历史数据再定标加深了我们对国产卫星微波载荷技术状态的认识，提升了风云三号星载被动微波辐射计在轨辐射定标精度，同时也为未来发展风云卫星微波载荷辐射定标新技术提供了技术支撑。

后续将围绕风云三号微波载荷基础气候数据集建设进一步开展卫星轨道漂移的建模修正、大气热力结构日变化修正建模、科学数据的时空匹配投影等，最终将生成中国风云卫星微波载荷基础气候数据集FCDR。风云三号卫星微波载荷历史数据再定标及其气候基础数据集不仅将支撑风云卫星微波资料的气候应用，也将支撑中国数值天气预报再分析，并且还将广泛应用于环境生态及灾害的遥感监测等。