风云三号卫星微波湿度计的扫描角偏差订正

官莉,陆文婧

① 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室,江苏 南京 210044;② 南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044

风云三号卫星微波湿度计的扫描角偏差订正

官莉①②*,陆文婧①

① 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室,江苏 南京 210044;② 南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044

2013-04-08收稿,2013-06-15接受

国家自然科学基金资助项目(41175034);江苏省“六大人才高峰”项目(2014JY021)

摘要首先统计分析了FY-3A卫星MWHS(MicroWave Humidity Sounder,微波湿度计) 2010年1月整月和8月28日—9月6日Level-1b全球观测亮度温度TO和背景场(NCEP GFS 6 h预报场)用辐射传输模式(美国通用辐射传输模式CRTM 2.0版本)模拟的亮度温度TB随扫描角的分布特征,发现通道3和4的观测随仪器扫描角有抖动、不连续现象。同时沿着仪器扫描线在星下点两测存在观测不对称现象,而且权重函数峰值越接近地面的通道该不对称现象越明显。在统计观测增量TO-TB随扫描角和纬度变化的基础上,定量给出了不同纬度带内(每隔5个纬度)MWHS通道3、4和5的扫描角偏差订正系数,该系数可直接提供给各种资料同化系统同化FY-3A MWHS资料时使用。

关键词

FY-3A卫星

MWHS

扫描角偏差

订正

数值天气预报是现代天气预报业务的基础,是提高天气预报准确率和服务水平的核心技术和最根本科学途径;同时,数值预报的水平是气象预报业务水平的综合反映,是反映一个国家气象现代化水平和在国际气象界中地位的重要标志。数值天气预报是一个数学中的初值问题,初值天气条件的正确性对预报有决定性的影响,而初值天气条件是通过观测资料同化而获得的。随着气象卫星新遥感资料的不断出现,卫星遥感资料在数值预报中的有效应用(包括资料同化和模式检验)一直以来都是资料同化的研究热点,气象卫星遥感资料在业务系统中的应用已被公认是提高数值天气预报水平的主要原因之一(薛纪善,2009)。

目前许多数值天气预报(NWP,Numerical Weather Prediction)业务中心都采用变分资料同化系统产生初始场,变分同化理论要求模式和观测误差是无偏的且满足高斯分布(赵延来等,2013)。但实际上,由于观测仪器的定标、定位误差,传感器的响应特性随时间的改变,辐射传输模式(观测算子)的系统偏差,基于模式短期预报的背景场的偏差,受到云(尤其是降水)污染的观测资料的影响等多种误差来源的综合效应,造成观测辐射值与根据模式背景场廓线模拟计算的辐射值之间的统计偏差是系统的而非随机的,这些系统偏差在资料同化前必须去除,必须对观测的辐射值与根据模式初始场模拟计算的辐射值之间的偏差进行订正。

辐射偏差问题已经发展了一些经验订正方案。Harris and Kelly(2001)的订正方案可以看作是Eyre(1992)方案的改进版(最初采用了全球扫描角订正和线性气团订正),首次考虑了扫描角订正对纬度的依赖性。这些方案都已作为NWP数据同化系统的一部分在不同时期的ECMWF业务系统中运行。美国NCEP(National Centers for Environmental Prediction)GDAS(Global Data Assimilation System)也曾使用扫描角和气团偏差订正方案(Okamoto and Derber,2006)。刘志权等(2007)在ECMWF原全球TOVS辐射偏差订正方案基础上,在中国的全球与区域模式和资料同化系统(GRAPES,Global-Regional Assimilation and Prediction System)中建立了适用于区域NOAA-15/16/17极轨气象卫星ATOVS(Advanced TIROS Operational Vertical Sounder)辐射资料的偏差订正方案。该方案偏差订正分两步进行:首先进行扫描偏差订正,然后进行气团偏差订正(王叶慧等,2013)。扫描偏差是临边测量相对于星下点测量的系统偏差,统计显示该种偏差具有一定的纬度依赖性,所以订正时按每10°的纬度带分别进行订正。上述的这种离线off-line偏差订正方法是在极小化处理过程之前完成的对辐射资料的订正,是一种静态的经验订正方法,需要提前统计好订正系数。变分偏差订正方法的研究,主要集中在发达国家气象中心。2004年ECMWF首先实现了变分偏差订正的业务运行(Dee,2006;Auligne et al.,2007)。变分偏差订正方法优点明显:能够在极小化过程中自动感应到给定传感器特定通道的偏差的变化,并给出相应的订正,是一种动态调整方法(李刚等,2016)。

我国自主开发的全球与区域模式和资料同化系统GRAPES是一个三维变分资料同化系统,同化的卫星资料有NOAA系列的微波AMSU-A、AMSU-B(MHS)辐射观测,对这些微波仪器观测采用的是刘志权等(2007)开发的离线的偏差订正,考虑了扫描订正对纬度的依赖性,按每10°纬度将全球分为18个纬度带进行扫描角偏差订正。目前GRAPES中对FY-3A微波温度计MWTS的资料只建立了初步的同化试验系统,还没有直接同化湿度计MWHS(MicroWave Humidity Sounder,微波湿度计)资料,因此本文在统计观测TO、背景场模拟的亮度温度TB和观测增量TO-TB随扫描角和纬度变化的基础上,定量给出了不同纬度带内(每隔5个纬度)MWHS的扫描角偏差订正系数。

1风云三号气象卫星及其有效载荷的简介

卫星遥感资料空缺历来是长期制约我国数值预报发展的第一难题。中国在气象卫星遥感探测技术方面近年来取得了很大进展,分别于2008年5月和2010年11月发射成功风云三号A星和B星两颗试验卫星。风云三号系列卫星是我国新一代极轨气象卫星,共包括7颗卫星,计划平均每隔两年发射一颗,具体要求是解决三维大气探测,大幅度提高全球资料获取能力,进一步提高云区和地表特征遥感能力,从而能够获取全球、全天候、三维、定量、多光谱的大气、地表和海表特性参数。FY-3A和FY-3B是前两颗试验卫星,共有11个有效载荷:可见光红外扫描辐射计VIRR、红外分光计IRAS(InfraRed Atmospheric Sounder)、微波温度计MWTS(MicroWave Temperature Sounder)、微波湿度计MWHS(MicroWave Humidity Sounder)、中分辨率光谱成像仪MERSI、微波成像仪MWRI、地球辐射探测仪ERM、太阳辐射检测仪SIM、紫外臭氧垂直探测仪SBUS、紫外臭氧总量探测仪TOU、空间环境监测器SEM。卫星轨道高度为850～900 km,轨道周期为102 min,每天对同一个地区观测两次,一天可以获取两次全球覆盖资料(两颗卫星可获得4次),首次上载了大气探测仪器(Dong et al.,2009)。

我国发射的风云三号卫星具有的综合遥感数值观测能力为开展卫星资料同化研究提供了契机。数值天气预报NWP尤其感兴趣的是风云三号气象卫星上的红外分光计IRAS、微波温度计MWTS和微波湿度计MWHS这三个探测仪器,主要用于大气温度、湿度的垂直探测,由于微波对云的穿透性,使MWTS和MWHS这两个微波仪器几乎适应于所有非降水云的大气条件下。

FY-3 MWHS有5个水汽探测通道,星下点分辨率约15 km,扫描帧幅宽度为2 700 km,对地扫描张角±48.95°,每条扫描线上有98个扫描点(Zhang et al.,2009)。通道1至通道5中心频率分别在150 GHz(V垂直极化)、150 GHz(H水平极化)、(183.3±1) GHz、(183.3±3) GHz和(183.3±7) GHz。如图1所示,图1a—c为美国标准大气状态下温度、水汽混合比和臭氧的垂直分布,图1d则为该大气状态下微波湿度计MWHS各个通道的权重函数随高度的分布,从图1d可以看出,通道1和通道2为窗区通道,由于通道1和通道2中心频率相同,只是极化的差异,权重函数的分布是重合的,主要用于探测地表。通道3、通道4、通道5的峰值能量贡献高度分别为400、600和800 hPa,主要用于探测相应高度层的大气湿度。

图1　美国标准大气状态下温度(a)、水汽混合比(b)、臭氧浓度(c)和FY-3A MWHS的权重函数(d)随高度的变化(Guan et al.,2011)Fig.1　Vertical distributions of (a)temperature,(b)water vapor mixing ratio and (c)ozone of the U.S. standard atmospheric profile;(d)Weighting functions of the FY-3A MWHS calculated from the profiles in (a—c)(Guan et al.,2011)

2FY-3A MWHS扫描角偏差订正

Lu et al.(2010)的研究发现由于微波探测器是跨轨迹横扫描仪器,在ECMWF的同化预报系统中针对FY-3A的微波探测器资料即使经过变分偏差订正后扫描角偏差(观测增量随扫描角的变化)依然很显著,尤其是微波湿度探测器,因此着重对MWHS的扫描角偏差分纬度带、对每个视场点(每条扫描线有98个扫描视场)进行统计,进行扫描角偏差订正。由于FY-3A MWHS通道1和通道2是地表窗区通道,观测受地面比辐射率影响较大,因此本文重点研究用于资料同化的通道3、4和5。

研究所使用的资料:2010年1月整月和8月28—9月6日10 d的FY-3A MWHS的Level-1b观测资料;背景场用的是NCEP GFS(Global Forecast System)6 h预报场,水平分辨率为1°×1°格点,时间分辨率为6 h(00时,06时,12时,18时;世界时,下同)。

辐射传输模式即观测算子采用的是美国卫星资料同化联合中心JCSDA开发的通用辐射传输模式CRTM(Community Radiative Transfer Model)2.0版本,该版本综合考虑了吸收气体的辐射,各种类型水成物和气溶胶粒子的吸收和散射,海洋、陆地及冰雪覆盖地表的发射和辐射效应,因此可以快速、准确的模拟各种大气和地表条件下(包括云、雨区的模拟)微波和红外的卫星观测辐射值。该辐射传输模式除了常规的前向算子,还具备相应的切线性算子及其伴随和K矩阵(Han et al.,2006)。

2.1辐射传输模式中卫星扫描角的重要性

图2　2010年9月2日00—12时覆盖一次全球的FY-3A MWHS通道3　　a.卫星观测亮度温度;b.辐射传输模式没有考虑扫描角时模拟的亮度温度;c.辐射传输模式考虑卫星扫描角时模拟的亮度温度;d.考虑了卫星扫描角时观测增量TO-TB的分布Fig.2　Global cover of FY-3A MWHS channel 3 during 0000—1200 UTC 2 September 2010:(a)observed brightness temperature;(b)simulated brightness temperature by CRTM without the scan angle considered;(c)simulated brightness temperature by CRTM with scan angle considered;(d)the distribution of observation increment(TO minus TB) with scan angle considered

由于微波探测器是跨轨迹横向扫描仪器,观测随扫描角度θ变化,随θ增大到最大天底角θ=48.95°(FY3),大气总吸收增加,透过率随高度变化加快,造成权重函数蜂值高度增高(张培昌和王振会,1995),而MWHS的三个水汽通道(通道3、通道4和通道5)权重函数峰值高度都在对流层,权重函数蜂值高度增高造成临边变暗效应。因此用观测算子模拟卫星观测值时要考虑卫星扫描角,将卫星观测扫描角作为辐射传输模式计算时的输入值,尽可能减小跨轨迹扫描天底角增大时带来的误差。图2以2010年9月2日覆盖一次全球的12 h FY-3A MWHS通道3观测为例(00—12时),图2a为卫星的实况观测亮度温度,图2b为辐射传输模式没有考虑扫描角(即每个视野点都做为星下点处理)时模拟的亮度温度,图2c辐射传输模式考虑卫星扫描角的亮度温度,图2d考虑了卫星扫描角时观测增量TO-TB的分布。由于MWHS通道3是高频通道,云的散射作用相对于云的发射效应占主导,因此有云时观测到的亮温比晴空时低。图中亮温较高的为晴空观测,亮温低的则为有云影响视野。比较图2a与图2b可看出,实况观测有临边变暗效应,卫星扫描角度相对星下点增大时观测亮温变低,但图2b中没有出现该特征,说明辐射传输模式中不考虑扫描角使临边的视场模拟的亮温偏高,与观测事实不符。图2c为辐射传输模式考虑卫星扫描角时模拟的亮度温度,可以看出模拟亮温整体比观测偏低4～7 K(该系统偏差可以订正掉),但有临边变暗效应,说明观测算子模拟是合理的,因此在模拟时一定要有卫星观测扫描角作为必需的输入参数。图2d为考虑了卫星扫描角时观测增量TO-TB的分布,整体而言该通道全球TO-TB存在正偏差,即观测亮温比模拟亮温高,负偏差则出现在有降水区域或深厚云区,比较大的正偏差出现在观测亮温较高的区域。从图中还可看出沿着卫星飞行方向右侧的偏差略大于左侧,同时观测增量分布是随扫描角和纬度变化的,为使观测增量满足无偏的要求,必需进行扫描角偏差订正。

2.2扫描角偏差订正系数

从图2d中可直观看出观测增量是随扫描角变化的,因此统计了2010年1月共3 d和8月28日—9月6日10 d FY-3A MWHS通道3～5全球平均的观测亮度温度(实线)与模拟的亮度温度(虚线)随扫描角的变化,两个时间段给出的统计结果类似,而8月28日—9月6日是一个台风过程,就以该时段为例给出了统计结果如图3所示。模拟的亮度温度普遍比观测偏低,通道3相差最大,通道4次之,而通道5模拟和观测的亮度温度数值接近,但观测亮度温度随扫描角的变化形式与模拟不同。观测算子考虑扫描角后卫星的模拟亮温与实况观测吻合,出现临边变暗现象,尤其通道3临边亮温大约比星下点低5～7 K。从图3中还可以看出通道3和4的观测随仪器扫描角的抖动、不连续现象,出现周期性抖动的原因有可能是因为FY-3上搭载大量仪器,共11个,仪器之间相互有干扰。尽管通道5观测存在明显条纹现象,即观测空间不连续,因此对观测值进行了滤波、以消除条纹现象(与卫星中心该仪器的研发人员交流),但图3中揭示通道3和4也同样存在抖动现象,因此将亮温随扫描视场点进行了15点平滑,如图3b、3d、3f所示。

图3　2010年8月28日—9月6日全球平均的FY-3A MWHS观测亮度温度(实线)与模拟的亮度温度(虚线)随扫描角的变化(b、d、f对观测进行了15点平滑)　　a,b.通道3;c,d.通道4;e,f.通道5Fig.3　Global mean brightness temperatures from FY-3A MWHS(solid line;a,c,e) and 15-point smoothed(solid line;b,d,f) from 28 August to 6 September 2010(corresponding model simulations are shown as dashed lines):(a,b)channel 3;(c,d)channel 4;(e,f)channel 5

从图3中还发现沿着同一条扫描线相对于星下点两测左右观测存在不对称现象,即最左边第1个视场的观测亮温略高于右侧第98个观测视场,而且权重函数峰值越接近地面的通道该不对称现象越明显,通道5最严重,观测亮温和模拟亮温同时存在该不对称现象。如何解释微波垂直跨轨迹探测仪器观测沿着卫星扫描线随星下点分布两侧不对称呢?FY-3A卫星的轨道倾角是98.81°,图4给出了一段FY-3卫星(左)升轨和(右)降轨MWHS每条扫描线及每个视场位置的分布图(箭头方向为卫星飞行方向),每条扫描线上有98个视场,沿着卫星飞行方向最右侧为第1个视场,扫描过星下点到最左侧为第98个视场。从图4可看出每条扫描线上第1个视场点的纬度总是高于第98个的(大约高3～4个纬度),8、9月全球的近地面温度分布总体是纬度高的地区温度高于纬度低的,因此就解释了为什么第1个视场的观测亮温要高于卫星飞行方向右侧第98个观测视场。在此基础上进一步统计了不同水汽通道2010年8月28日到9月6日观测增量TO-TB的全球平均值对扫描角的依赖,对每个视野点都减去了星下点的偏差,因为每条扫描线上有98个视场,将第49和50个视场的平均作为星下点的值,结果如图5所示,实线为通道3,虚线为通道4,点划线为通道5。扫描角偏差订正对通道有依赖性,对不同通道最大扫描角偏差订正值会达到约±2 K。扫描角偏差订正量相当于星下点也是非对称的,在第1个视场点侧订正量较大,在第98个视场点侧订正量相对较小。图5中观测增量都减去了星下点的值,图6则分别给出了通道3、4和5在60°S～60°N范围内每隔5°纬度带内的星下点观测增量的平均值,横坐标为纬度值,颜色代表偏差的大小。通道3和4在星下点是明显的正偏差,通道3的正偏差相对通道4稍大,通道5在星下点全球为负偏差,至于偏差出现的原因及大小在以往的研究中已做详细解释(Guan et al.,2011)。从图6还可看出所研究通道在星下点的偏差都随纬度带明显变化。

图4　FY-3A卫星升轨(a)和降轨(b)MWHS每条扫描线及每个视场位置的分布(箭头方向为卫星飞行方向)Fig.4　Observation locations(dots) for the (a)ascending and (b)descending nodes for FY-3A(the flight-track direction is indicated by the arrows)

图5　观测增量2010年8月28日—9月6日的全球平均值对扫描角的依赖(星下点的偏差已减去)Fig.5　Scan-angle dependence of global TO minus TB averages from 28 August to 6 September 2010(nadir biases are subtracted)

图6　2010年8月28日—9月6日星下点观测增量对纬度带的依赖(每间隔5个纬度)Fig.6　Latitudinal dependence of biases calculated at nadir within 5° latitudinal bands from 28 August to 6 September 2010

扫描角偏差订正对纬度有依赖性,公式(1)给出了扫描角偏差订正系数具体的计算公式(刘志权等,2007):

(1)

2.3偏差订正后效果分析

以上给出了每个纬度带扫描角偏差订正系数,将该系数应用于独立于统计样本的9月15日时间窗06时和12时,如图8所示,图8a为偏差订正前MWHS通道3观测增量,图8b则为扫描角偏差订正后的观测增量分布,其余通道4和5结果类似(图略)。左图中观测和模拟亮度温度值相差较大,主要是正偏差,经过扫描角偏差订正后,观测增量大大减小,除个别局部区域外两者的差值接近零,说明经过扫描角偏差订正后使观测增量越来越接近高斯分布。

图7　每隔5°纬度带内观测增量随扫描角的变化(每个纬度带内星下点的偏差已减去)　　a.通道3;b.通道4;c.通道5Fig.7　Scan-angle and latitudinal-dependence of observation increment within 5° latitudinal bands (nadir biases are subtracted):(a)channel 3;(b)channel 4;(c)channel 5

图8　偏差订正前(a)和扫描角偏差订正后(b)9月15日MWHS通道3同化窗06—12时的观测增量Fig.8　Observation increment of MWHS channel 3 on during 0600—1200 UTC 15 September windows (a)before and (b)after scan-bias correction

3结论

本文应用FY-3A微波湿度计2010年8月28—9月6日共10 d的Level-1b观测亮度温度TO,用NCEP GFS 6 h时间分辨率的预报场(水平分辨率为1°×1°格点)作为背景场,辐射传输模式即观测算子采用的是美国通用辐射传输模式CRTM 2.0版本。首先统计分析了全球观测亮度温度TO和背景场用辐射传输模式模拟的亮度温度TB随扫描角的分布特征,发现通道3和4的观测随仪器扫描角有抖动、不连续现象。同时沿着仪器扫描线在星下点两侧存在观测不对称现象,而且权重函数峰值越接近地面的通道该不对称现象越明显,这主要是由于极轨卫星轨道倾角不是严格的90°,如FY-3A卫星的轨道倾角是98.81°,造成了跨轨迹横扫仪器每条扫描线上观测视场的纬度不同引起的。在统计观测

增量TO-TB随扫描角和纬度变化的基础上,定量给出了不同纬度带内(每隔5°)MWHS通道3、4和5的扫描角偏差订正系数,该系数可直接提供给各种资料同化系统同化FY-3A MWHS资料时使用。

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Meteorological satellites have become an irreplaceable weather and ocean observing tool in China.Recently,much progress has been made in direct assimilation of satellite radiance measurements in numerical weather prediction(NWP).The Microwave Atmospheric Humidity Sounder(MWHS),carried onboard the Chinese new generation of polar-orbiting weather satellites,the Feng-Yun(FY-3) series,provides passive measurements of the radiation emitted from Earth’s surface and throughout the atmosphere.MWHS is similar to AMSU-B and the Microwave Humidity Sounder of NOAA,with a primary purpose of moisture sounding in cloudy regions,designed to obtain information on atmospheric humidity profiles,water vapor,rainfall,cloud liquid water,and so on.

Several operational NWP centers currently rely on a variational analysis system to define the initial state for their NWP models.From the point of view of variational assimilation,errors from observations and models should have normal and unbiased distributions.However,statistical errors of radiance between observation and prediction from the NWP model are usually not random but systemic.MWHS is a cross-track scanning microwave radiometer.A feature of a cross-track sounder is that the measurements vary with scan angle because of the change in the optical path length between Earth and the satellite.This feature is called the limb effect.Cross-track scan bias correction is a key part of an NWP assimilation system.In order to use radiances from MWHS,biases between the observed radiances and those simulated from the model first guess must be corrected.The bias of global FY-3A MWHS observed brightness temperature(TO) and simulated brightness temperature(TB) by the Community Radiative Transfer Model(CRTM) based on 6 h forecast fields of the NCEP GFS from 28 August to 6 September 2010 are calculated in this study.

The statistical features of observation increment(TOminusTB) in channels 3,4 and 5 of MWHS are analyzed.The scan angle bias of channels 3—5 varying along scan position reveal that the scan angle bias generally increases with the scan position far away from the nadir,but does not increase in a strictly progressive manner.Large positive scan biases are present at large scan angles at all latitudes for channels 3 and 4 on both sides of the scan lines.Relatively large negative scan biases for channel 5 are seen at most scan angles and are highly asymmetric on both sides of nadir.The closer to the surface the peak height of the channel weighting functions,the more serious the asymmetry.All of this further verifies the importance of scan angle bias correction.

Analysis of radiance data shows a significant residual scan bias that depends strongly on latitude for these channels.The scheme applies a latitudinally dependent scan correction to take this into account.In this study,the correction coefficients are calculated within every 5° latitudinal band for each scan position.Moreover,nadir biases are subtracted.These biases will be subtracted fromTOminus-values in the formulation of data assimilation.Therefore,a constant scan bias for each channel needs be removed before MWHS radiance assimilation.The statistical distribution of brightness temperature bias(the departures ofTOminusTB) after correction locates mostly in the vicinity of zero,with a more Gaussian distribution.The bias and standard deviations ofTOminusTBdifferences between observations and model simulations are reduced after bias correction.

The scan-angle and latitudinal-dependence of the observation increment for the MWHS channels 3 to 5 within 5° latitudinal bands are given quantitatively.This scan-bias correction coefficient can be used directly for MWHS data assimilation.This work can be extended to the FY-3 MWHS series.The methodology will be incorporated into the Global/Regional Assimilation and Prediction System,operational NWP data assimilation systems in China,or other NWP modeling systems.

FY-3A satellite;MWHS;scan correction

(责任编辑：张福颖)

Scan correction scheme of FY-3A microwave atmospheric humidity sounder radiance for data assimilation

GUAN Li1,2,LU Wenjing1

1KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130408002

引用格式:官莉,陆文婧.2016.风云三号卫星微波湿度计的扫描角偏差订正[J].大气科学学报,39(3):400-408.

GuanL,LuWJ.2016.ScancorrectionschemeofFY-3Amicrowaveatmospherichumiditysounderradiancefordataassimilation[J].TransAtmosSci,39(3):400-408.doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130408002.(inChinese).

*联系人，E-mail:liguanlily@189.cn