FY--3B/C微波成像仪资料定位、交叉校准和液态水路径反演研究

摘要

我国极轨气象卫星风云三号B星和C星(FY-3B/C)构成上、下午组网观测，能够提供一天四次的全球观测。搭载在FY-3B/C上的微波成像仪(Microwave Radiation Imager，MWRI)具有10.65、18.7、23.8、36.5和89 GHz五个频率，其观测亮温和反演产品对台风等灾害性天气的监测和数值预报都具有重要意义。卫星微波成像仪资料的有效应用依赖地理定位精度、偏差订正和云反演产品。 本研究首先针对MWRI资料存在的地理定位误差，建立了定位误差估计与订正系统。然后，以热带测雨卫星(TRMM)微波成像仪(TMI)观测亮温为基准，利用双差法，对FY-3B/C MWRI进行交叉校准，得到偏差特性一致的资料。最后，将经过定位误差订正和交叉校准后的资料应用于洋面云液态水路径(LWP)反演及其日变化研究，通过加入低频通道(10.65 GHz)观测亮温，发展了适用于观测不同强度的洋面云中液态水路径的多通道反演算法，并展示了MWRI反演得到的台风中LWP的结构，也验证了由FY-3B/C MWRI得到的热带云液态水路径日变化特征与TMI得到的结果一致。文章主要内容和结论如下: (1)为保证MWRI资料反演LWP时地理位置的正确性，通过建立卫星姿态模型、调整卫星姿态误差对FY-3B/C MWRI全球观测资料的地理定位误差进行订正，提高了定位精度。采用升降轨亮温差法估计FY-3B MWRI在2015年1-9月份89 GHz水平极化通道的观测亮温资料的沿轨平均误差约3km，跨轨误差小于1 km;采用海岸线拐点法对FY-3C MWRI在2014年4-7月份扫过澳大利亚西北海岸、利比亚海岸和阿拉伯半岛东南海岸区域的晴空亮温计算拐点，统计拐点到高精度海岸线的距离，发现有5-6 km的沿轨和跨轨误差。 (2)以TMI观测亮温为基准，采用双差法，对FY-3B/C MWRI进行交叉校准，为反演LWP及其日变化研究奠定基础。通过匹配FY-3B/C MWRI和TMI在洋面的晴空观测点，比较不同仪器间资料的偏差。偏差估计的结果表明:FY-3C MWRI10.65 GHz通道的降轨观测偏差在5-7 K，其它频率通道的偏差在4K以内。FY-3B/C的升轨和降轨之间的亮温均存在约2K的差异。 (3)将定位误差订正和交叉校准后的MWRI观测资料应用于洋面云液态水路径(Liquid Water Path，LWP)反演，通过加入低频通道(10.65 GHz)观测亮温，发展了适用于观测不同强度的洋面云液态水路径多通道反演算法。统计显示，10.65和18.7 GHz通道组合反演误差在0.06-0.11 mm之间，36.5和89 GHz在0.02-0.04 mm之间。然后，利用FY-3C MWRI2014年7月7日的资料，分析了台风“浣熊”中LWP的分布特征。结果表明，利用改进后的算法能够反演出台风中不同强度的LWP分布，尤其是利用10.65GHz的观测亮温能较好的反演出台风中大于3mm的LWP。 (4)利用FY-3B/C MWRI的组网观测亮温和改进的多通道组合反演算法，得到热带洋面LWP的日变化。首先，利用TMI亮温资料获得的固定区域24个时次年平均LWP，拟合得到日变化曲线。然后，利用经定位误差订正、交叉校准后的MWRI资料反演得到全球四个时次的年平均LWP。对太平洋东南部和印度洋南部两个区域的LWP日变化分析结果表明，MWRI四个时次的LWP分布与TMI得到的结果一致，在凌晨达到最大值，午后最小。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1研究目的及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1地理定位误差研究

1．2．2微波成像仪资料在轨交叉定标研究

1．2．3微波成像仪资料反演LWP研究

1．3论文主要研究内容与特色

1．3．1主要研究内容

1．3．2研究特色

1．4文章结构安排

2．1仪器介绍

2．2 MWRI L1级数据

2．3 L1级数据的地理定位算法

2．3．1地理定位坐标系之间的变换

2．3．2在ECEF坐标系下计算经、纬度

2．4 L1级数据的辐射定标算法

2．5卫星微波辐射传输方程和模式介绍

2．5．1微波辐射传输方程

2．5．2辐射传输模式介绍

2．6本章小结

第三章FY-3B／C MWRI地理定位误差评估与订正

3．1引言

3．2理论基础

3．3建立卫星姿态模型

3．4估计卫星姿态误差

3．4．1卫星姿态误差对遥感图像的影响

3．4．2升降轨亮温差法

3．4．3海岸线拐点法

3．4．4定位误差订正方法

3．5 FY-3B MWRI的地理定位误差评估与订正

3．5．1 FY-3B MWRI的定位误差

3．5．2订正前、后的升降轨亮温差

3．5．3订正前、后的亮温分布特征

3．6 FY-3C MWRI的定位误差评估与订正

3．6．1建立晴空观测亮温数据集

3．6．2误差不确定性分析

3．6．3定位误差订正结果

3．7 CCM和NDM结果对比

3．8定位误差对亮温的影响

3．9本章小结

第四章FY-3B／C MWRI观测亮温交叉定标偏差估计

4．1引言

4．2利用辐射传输模式评估MWRI定标偏差

4．2．1观测亮温和模拟亮温

4．2．2偏差和标准差

4．3 MWRI与TMI交叉定标

4．3．1 TMI仪器与资料介绍

4．3．2 Double Difference方法介绍

4．3．3 MWRI和TMI数据匹配

4．3．4交叉定标偏差

4．4本章小结

第五章洋面云液态水路径反演及其在台风中的应用

5．1引言

5．2 MWRI多通道组合反演LWP算法

5．2．1亮温对LWP的敏感性分析

5．2．2反演算法

5．3洋面LWP反演结果

5．4 MWRI观测亮温反演台风“浣熊”中的LWP

5．4．1台风“浣熊”介绍

5．4．2“浣熊”中的亮温与LWP特征

5．4．3 MW耐观测亮温得到反演LWP的系数

5．4．4反演误差分析

5．5台风“浣熊”中的LWP反演结果

5．6本章小结

第六章根据MWRI资料得到的云液态水路径日变化特征

6．1引言

6．2数据和方法

6．2．1亮温与云液态水路径数据

6．2．2云液态水路径日变化分析方法

6．3云液态水路径的日变化特征

6．3．1空间水平分布特征

6．3．2时间变化特征

6．3．3 LWP日变化的季节特征

6．4本章小结

第七章总结与展望

7．1主要结论

7．2主要创新点

7．3存在的问题与后续研究

参考文献

附录

致谢