● 文 |國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心 黃磊 周武 石立堅 奚萌

海洋二號衛(wèi)星A星（HY-2A）是我國自主研制的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，其上搭載的掃描微波輻射計，具備5個頻率、9個觀測通道，通過圓錐掃描的方式,對海面和大氣等目標進行全天時全天候探測，定量化獲取海面溫度、海面風(fēng)場、大氣水蒸氣含量、大氣液態(tài)水含量、海冰等海洋大氣物理參量，直接為海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋環(huán)境保護、海洋科學(xué)研究以及國防建設(shè)提供服務(wù)支撐。

一、HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計

HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計設(shè)計有6.6GHz、10.7GHz、18.7GHz、23.8GHz和37GHz 5個觀測頻段，除了23.8GHz僅有垂直極化通道外，其他4個頻率都有垂直和水平極化雙通道，HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計詳細指標參數(shù)參見表1。

整個輻射計采用兩組饋源設(shè)計，通過一個1m的拋物面天線，對地球表面進行掃描觀測，在衛(wèi)星前進方向上大約±70°的前視方位角范圍內(nèi)提供1600km掃描刈幅寬度，一天可以覆蓋全球90%以上的海域面積，除了極區(qū)外，在不到兩天的時間內(nèi)，結(jié)合升軌和降軌可以將全球覆蓋一次，同時測量海面溫度、海面風(fēng)場、大氣水蒸氣含量、大氣液態(tài)水含量和海冰等海洋大氣物理參量，并兼具實時、全球和全天候的觀測特性，在美國地球觀測衛(wèi)星系統(tǒng)（EOS）中ADEOS-II衛(wèi)星上搭載的高級微波掃描輻射計（AMSR-E）停止工作后，HY-2A衛(wèi)星微波輻射計成為當(dāng)時全球唯一在軌運行的同類型微波輻射計。為數(shù)值氣象預(yù)報模式提供初始場，有效提升了預(yù)報模式精度，并為極地海冰監(jiān)測、風(fēng)暴潮監(jiān)測、海氣互作用研究等方面提供了重要數(shù)據(jù)源和基礎(chǔ)支撐。

表1 HY-2A 掃描微波輻射計儀器指標參數(shù)

二、HY-2A衛(wèi)星亮溫觀測

HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計觀測的主要是來自于海面和大氣的微波輻射，通過星上兩點定標的方式，以冷空天線反射的宇宙背景輻射為冷源，以星上的恒溫輻射黑體為熱源，結(jié)合饋源觀測的電壓值信號，計算進入天線的地球輻射亮溫。5個頻率、9個通道，頻率越高，其觀測分辨率越高。圖1為9個通道觀測的亮溫圖像。5個頻率分別對應(yīng)不同海洋大氣參數(shù)的測量，其中6.9GHz通道主要用于海面溫度的觀測，10.7GHz和18.7GHz主要用于海面粗糙度的測量，可以用來反演海面風(fēng)速，23.8GHz和37GHz通道則更側(cè)重于大氣中水蒸氣和液態(tài)水含量的測量，通過多通道聯(lián)合同步觀測，能夠消除大氣對海面微波輻射的影響，獲取海面輻射發(fā)射和反射信息，進而可以反演得到海面溫度和海面風(fēng)速等海洋動力環(huán)境信息。

受限于設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)，HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計冷空反射面小于主反射面，在冷空觀測過程中，主反射器反射的地球信號不可避免地繞過冷空反射器進入觀測饋源，對冷空觀測帶來一定的影響，從而影響了低頻觀測通道的觀測亮溫結(jié)果。周武等[1]基于輻射計觀測幾何，建立了地面觀測亮溫的冷空反射器權(quán)重系數(shù)矩陣，修正冷空觀測信號。趙屹立等[2]通過誤差分析，建立統(tǒng)計再定標算法，對觀測亮溫進行了修正，消除了亮溫中的季節(jié)變化誤差和總體偏差，提升了HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計海面亮溫觀測的精度。黃磊等[3]利用Backus-Gilbert（BG）算法，對HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計各頻率觀測亮溫進行了重采樣，解決了輻射計多通道觀測地面像元位置和分辨率不匹配的問題，并且不另引入噪聲。

三、海洋參數(shù)反演

利用HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計多通道觀測亮溫，可以反演得到多個海洋和大氣物理參數(shù)，主要的反演方法包括多源線性回歸算法、非線性疊代算法和發(fā)射后現(xiàn)場回歸算法，前兩種算法是用輻射傳輸理論進行推導(dǎo)的物理算法，第三種統(tǒng)計算法則是在不考慮物理意義的情況下，根據(jù)實測進行統(tǒng)計回歸。周武等[1]基于輻射傳輸模型，根據(jù)全球經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，結(jié)合全球不同區(qū)域和時期的海水鹽度、海面溫度、海面風(fēng)速、風(fēng)向、水汽含量和液水含量的組合，計算9個通道的亮溫值，建立半物理半經(jīng)驗的反演算法，通過與windsat產(chǎn)品的比對，海面溫度的均方根誤差在1.45℃，海面風(fēng)速的均方根誤差為1.34 m / s，圖2-圖4為HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計海面溫度、海面風(fēng)速和大氣水蒸氣含量日觀測結(jié)果圖。

四、典型應(yīng)用

1. 海面溫度融合及應(yīng)用

HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計每天能夠獲取全球80%海域的海面溫度信息，利用最優(yōu)插值算法和時空權(quán)重插值法對HY-2A衛(wèi)星微波掃描輻射計海表溫度數(shù)據(jù)和 EOS/MODIS 等衛(wèi)星的海溫數(shù)據(jù)進行融合，可以使一天覆蓋的衛(wèi)星數(shù)據(jù)在不降低分辨率的基礎(chǔ)上融合為100%覆蓋全球海域，彌補了HY-2A衛(wèi)星數(shù)據(jù)不能單天覆蓋全球海域的缺憾，并作為初始場應(yīng)用到海溫數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)中（圖5），提高了海溫數(shù)值預(yù)報的精度和時效性，并通過中央電視臺、網(wǎng)絡(luò)等媒體向公眾發(fā)布。圖6為每周六中午在中央電視臺新聞頻道“海洋預(yù)報”節(jié)目中滾動播放最新一周每天白天的HY-2A衛(wèi)星海表溫度數(shù)據(jù)。

2.臺風(fēng)監(jiān)測

微波輻射計不受云的影響，在臺風(fēng)發(fā)生期間，能夠透過云層觀測到臺風(fēng)區(qū)域內(nèi)部的信息，是臺風(fēng)跟蹤監(jiān)測的重要手段之一。國外的微波輻射計進行臺風(fēng)監(jiān)測主要依據(jù)89GHz頻段可以有效觀測到臺風(fēng)降水，由于HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計沒有89GHz頻段，但搭載的37GHz頻段對大氣云層和水汽含量也很敏感，通過亮溫可以觀測到降雨云層的形態(tài)，從而捕捉到臺風(fēng)的形態(tài)，圖7為2016年7月7日和8日在“尼伯特”臺風(fēng)登陸臺灣島時，通過HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計37GHz垂直極化和水平極化亮溫圖像分辨出臺風(fēng)的螺旋形態(tài)，為臺風(fēng)影響區(qū)域降雨強度估算提供了依據(jù)。

3.極地海冰監(jiān)測

極地海冰作為氣候系統(tǒng)中的敏感因子，受大氣和海洋條件的影響，同時通過改變表面反照率、大氣與海洋之間的熱量、水汽和動量交換以及深水層的上層海洋層結(jié)，反過來影響氣候，它的反照率高達80%以上，其時空變化構(gòu)成了北半球高緯度氣候干擾的一個誘發(fā)因子，是研究全球氣候變化的重要影響因素之一。利用HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計可連續(xù)監(jiān)測極地海冰密集度變化，圖8為2012年11月10日HY-2A衛(wèi)星觀測到的南北極海冰密集度產(chǎn)品，通過長周期的連續(xù)觀測，可以對極地海冰漂移、海冰融化進行跟蹤監(jiān)測，為研究極地海冰季節(jié)變化、年際和年代變異特征、預(yù)測氣候變化趨勢等提供重要的數(shù)據(jù)資源。

4. 遠洋漁業(yè)漁情分析與預(yù)報

HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計能夠每日提供全球海洋的海面溫度產(chǎn)品，特別是為在西北和東南太平洋區(qū)域中探測大洋漁場提供支持。通過HY-2A衛(wèi)星的觀測，結(jié)合國外海洋衛(wèi)星資料，可以對全球三大洋業(yè)務(wù)化漁情分析與預(yù)報提供海面溫度、海面風(fēng)速等海況信息支撐，為近實時在線的海況分析和漁情預(yù)報提供數(shù)據(jù)資源，為我國遠洋魷釣漁船、金槍魚延繩釣漁船、大型拖網(wǎng)漁船和金槍魚圍網(wǎng)漁船的科學(xué)生產(chǎn)提供技術(shù)支撐，取得了顯著的經(jīng)濟效益。圖9為利用HY-2A衛(wèi)星觀測的海面環(huán)境參數(shù)開展的東南太平洋智利竹莢魚作業(yè)漁場漁情預(yù)報結(jié)果。

五、發(fā)展展望

HY-2A衛(wèi)星已在軌運行將近7年，其搭載的掃描微波輻射計為全球海洋氣候環(huán)境預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)、遠洋漁業(yè)等方面提供了大量的支撐數(shù)據(jù)。通過微波輻射計海洋參數(shù)監(jiān)測及業(yè)務(wù)應(yīng)用，掌握了微波輻射計全球海洋觀測中的重要關(guān)鍵技術(shù)，積累了大量的亮溫觀測及校正技術(shù)方面的經(jīng)驗。我國即將發(fā)射海洋二號衛(wèi)星B星（HY-2B），其搭載的掃描微波輻射計將與HY-2A衛(wèi)星形成組網(wǎng)觀測，提供更高覆蓋頻次和時效的觀測數(shù)據(jù)，為海洋遙感應(yīng)用服務(wù)。

[1]周武，林明森，李延民，等. 海洋二號掃描微波輻射計冷空定標和地球物理參數(shù)反演研究[J]. 中國工程科學(xué)，2013(7)：75-80.

[2]Yili Zhao, Huimin Li, Chuntao Chen, Jianhua Zhu,“Verification and ReCalibration Testing of HY-2A Microwave Radiometer Brightness Temperature”,submitted to Remote Sensing.

[3]黃磊，周武，李延民. HY-2衛(wèi)星掃描微波輻射計多通道分辨率匹配技術(shù)研究[J]. 中國工程科學(xué)，2014(6)：65-69.