風(fēng)云三號(hào)（03）批降水測(cè)量衛(wèi)星探測(cè)能力及應(yīng)用

尹紅剛 吳瓊 谷松巖 盧乃錳 商建 竇芳麗

（國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，中國(guó)氣象局，北京 100081）

風(fēng)云三號(hào)（03）批降水測(cè)量衛(wèi)星探測(cè)能力及應(yīng)用

尹紅剛 吳瓊 谷松巖 盧乃錳 商建 竇芳麗

（國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，中國(guó)氣象局，北京 100081）

風(fēng)云三號(hào)（03）批是我國(guó)第二代極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星的第三個(gè)批次，由上午、下午、晨昏和降水測(cè)量四顆業(yè)務(wù)衛(wèi)星組成。其中，我國(guó)首發(fā)的降水測(cè)量衛(wèi)星計(jì)劃裝載雙頻降水測(cè)量雷達(dá)、微波成像儀、GNSS掩星探測(cè)儀和光學(xué)成像儀。通過(guò)仿真技術(shù)，分析風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星的功能、性能和設(shè)計(jì)指標(biāo)，探討其降水探測(cè)能力。分析表明，風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星裝載的降水測(cè)量雷達(dá)從設(shè)計(jì)層面分析，與美日第二代降水測(cè)量衛(wèi)星GPM搭載的降水雷達(dá)DPR 性能相當(dāng)；風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)覆蓋了南、北緯50°范圍內(nèi)的熱帶和中緯地區(qū)，對(duì)影響我國(guó)區(qū)域的臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有三維探測(cè)能力；風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星上裝載的被動(dòng)微波輻射計(jì)相比GPM搭載的微波成像儀增加了50～60和118GHz雙氧吸收通道，對(duì)陸地弱降水反演等具有應(yīng)用潛力?？傊L(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星加上同星配置的其他載荷，整星的降水探測(cè)能力優(yōu)于美日第二代降水測(cè)量衛(wèi)星GPM。

風(fēng)云三號(hào)（03）批，降水測(cè)量衛(wèi)星，降水測(cè)量雷達(dá)，微波成像儀

0　引言

降水是全球能量/水循環(huán)中的重要過(guò)程。在臺(tái)風(fēng)、暴雨和強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣過(guò)程中，對(duì)降水的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)是業(yè)務(wù)天氣預(yù)報(bào)最重要的內(nèi)容之一。在氣象衛(wèi)星出現(xiàn)之前，氣象業(yè)務(wù)中對(duì)降水監(jiān)測(cè)的主要手段包括地面雨量計(jì)和地基天氣雷達(dá)，兩種觀測(cè)技術(shù)對(duì)揭示降水的區(qū)域結(jié)構(gòu)和分布特征具有重要意義。進(jìn)入20世紀(jì)，對(duì)降水系統(tǒng)的瞬時(shí)結(jié)構(gòu)特征和全球分布特征的認(rèn)識(shí)成為人們實(shí)現(xiàn)減災(zāi)防災(zāi)、理解全球氣候變化的重要內(nèi)容。氣象衛(wèi)星等天基降水測(cè)量技術(shù)帶來(lái)新的觀測(cè)視角，具有地基測(cè)量所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，可以有效地獲取海洋、山區(qū)和沙漠等廣大無(wú)人值守區(qū)域的降水信息，成為全球覆蓋的降水觀測(cè)的唯一有效手段。

1988年我國(guó)第一顆氣象衛(wèi)星風(fēng)云一號(hào)A星升空。經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展，主動(dòng)測(cè)量成為星載降水測(cè)量的發(fā)展方向[1]，相應(yīng)的星載降水反演算法技術(shù)也在不斷發(fā)展[2]。

星載降水主動(dòng)探測(cè)始于1997年，日美聯(lián)合實(shí)施了熱帶降水測(cè)量計(jì)劃（TRMM），發(fā)射了裝載降水雷達(dá)（precipitation radar，PR）的TRMM衛(wèi)星[3]。PR的工作頻率為13.8GHz，是由128個(gè)單元組成的有源相控陣系統(tǒng)，使用了頻率捷變技術(shù)，在固定脈沖重復(fù)頻率下獲得64個(gè)獨(dú)立樣本。除PR外，TRMM衛(wèi)星還裝載了微波成像儀（TMI）、可見(jiàn)光紅外掃描儀（VIRS）、云和地球輻射能量測(cè)量系統(tǒng)（CERES）和閃電成像儀（LIS），多種遙感器聯(lián)合實(shí)現(xiàn)降水的星載探測(cè)。

繼TRMM計(jì)劃后，美國(guó)和日本又進(jìn)一步提出了全球降水測(cè)量計(jì)劃（GPM），已有多個(gè)國(guó)家和組織加入了這一計(jì)劃[4]。GPM核心衛(wèi)星上裝載雙頻降水雷達(dá)（DPR），DPR由Ku波段（13.6GHz）降水雷達(dá)KuPR和Ka波段（35.55GHz）降水雷達(dá)KaPR組成。在已經(jīng)發(fā)射的GPM核心衛(wèi)星上，DPR與同星配置的微波成像儀GMI（GPM Microwave Imager）配合，完成全球降水測(cè)量任務(wù)。

發(fā)展風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星（FengYun-3 Rain Measurement，F(xiàn)Y-3 RM），旨在通過(guò)提升我國(guó)星載降水探測(cè)能力，促進(jìn)提高我國(guó)降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而增強(qiáng)我國(guó)應(yīng)對(duì)全球極端天氣和氣候變化的能力，并加深對(duì)地球能量/水循環(huán)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。為此，我國(guó)風(fēng)云三號(hào)（03）批計(jì)劃發(fā)展風(fēng)云降水測(cè)量衛(wèi)星，設(shè)計(jì)裝載Ka和Ku頻段組合的雙頻、單極化一維相控陣降水測(cè)量雷達(dá)（precipitation measurement radar，PMR），與微波成像儀聯(lián)合實(shí)現(xiàn)降水探測(cè)，同星裝載的光學(xué)成像儀和GNSS掩星大氣探測(cè)儀可同時(shí)提供大氣云和溫濕廓線等信息。

表1歸納了國(guó)內(nèi)外主要的降水測(cè)量衛(wèi)星的探測(cè)能力?？梢钥吹?，風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星整體降水探測(cè)能力要遠(yuǎn)優(yōu)于TRMM，部分關(guān)鍵探測(cè)能力也要優(yōu)于GPM。本文將對(duì)風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星的探測(cè)能力和應(yīng)用展開(kāi)詳細(xì)描述。

1　風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)

降水測(cè)量衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)決定了衛(wèi)星測(cè)量降水的地域覆蓋能力。TRMM衛(wèi)星重點(diǎn)關(guān)注熱帶地區(qū)降水，軌道高度350km，傾角35°，只能覆蓋以赤道為中心南北、緯38°之間的區(qū)域，無(wú)法滿足我國(guó)北方廣闊地區(qū)的降水測(cè)量需求[3]；GPM核心衛(wèi)星軌道高度407km，傾角65°，可覆蓋地球表面90%的區(qū)域[4]。風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量雷達(dá)衛(wèi)星著力于臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣系統(tǒng)強(qiáng)降水的監(jiān)測(cè)，提供全球中低緯度地區(qū)降水的三維結(jié)構(gòu)信息，彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)地基雷達(dá)觀測(cè)范圍受限的弱點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要科學(xué)設(shè)計(jì)風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星的軌道高度和傾角。

1.1軌道高度設(shè)計(jì)

衛(wèi)星軌道高度和星上載荷對(duì)地視場(chǎng)角確定后，衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)的幅寬就確定下來(lái)了，衛(wèi)星軌道高度越高，星上載荷的觀測(cè)刈幅越寬。降水測(cè)量衛(wèi)星主載荷降水測(cè)量雷達(dá)設(shè)計(jì)上將進(jìn)行約±20.3°的交軌方向掃描，其觀測(cè)刈幅寬度與衛(wèi)星軌道高度間在小視場(chǎng)角條件下近似呈線性關(guān)系（圖1）。

圖1　降水雷達(dá)觀測(cè)幅寬與衛(wèi)星軌道高度的關(guān)系Fig. 1 The relationship between the observation swaths and the altitudes of FY-3 RM

衛(wèi)星軌道高度不僅決定了載荷的觀域，還會(huì)影響降水的測(cè)量精度。對(duì)于星載降水測(cè)量雷達(dá)而言，地表的后向散射回波要比降水粒子的回波強(qiáng)很多。當(dāng)降水測(cè)量雷達(dá)進(jìn)行交軌方向掃描時(shí)，地面雜波會(huì)通過(guò)天線主瓣和旁瓣污染降水回波。衛(wèi)星軌道高度越高，降水回波受地面雜波的干擾就越嚴(yán)重。

表1　FY-3 RM、GPM和TRMM衛(wèi)星降水探測(cè)能力對(duì)比Table 1 Comparisons of measurement power between FY-3 RM， GPM and TRMM

圖2給出了Ku波段降水測(cè)量雷達(dá)在不同軌道高度時(shí)雜波的干擾情況。圖中橫坐標(biāo)表示天線掃描角度，縱坐標(biāo)表示計(jì)算點(diǎn)沿天線視軸方向到海面的傾斜距離（即傾斜高度），圖2a右側(cè)的色標(biāo)表示降水回波與雜波比值（SCR）的色彩值映射關(guān)系。一般認(rèn)為SCR值大于0dB就能夠測(cè)量到降水，從圖中可以看到0dB對(duì)應(yīng)的等值線高度以上區(qū)域降水測(cè)量基本不受地表雜波干擾。風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量雷達(dá)天線掃描角最大約為20.3°，衛(wèi)星的軌道高度越高，地表雜波干擾層的高度也越高，為了盡可能提高近地面降水測(cè)量精度，衛(wèi)星軌道高度不宜設(shè)計(jì)過(guò)高。表2給出了衛(wèi)星軌道高度和地表雜波干擾高度之間的關(guān)系。

圖2　Ku波段400km（a）和700km（b）衛(wèi)星軌道高度對(duì)應(yīng)的SCR比值Fig. 2 The SCR values for Ku band PMR at different altitudes of the FY-3 RM：（a）400km；（b）700km

由于星載降水測(cè)量雷達(dá)所測(cè)量的降水的最大等效反射率因子通常出現(xiàn)在3km左右，因此需要地表雜波的干擾要低于3km，這意味著此時(shí)衛(wèi)星的軌道高度應(yīng)低于500km。

另外，當(dāng)降水測(cè)量雷達(dá)進(jìn)行交軌方向的掃描時(shí)，在掃描刈幅的邊緣展開(kāi)的天線波束會(huì)造成同一掃描單元（即雷達(dá)分辨體積）涵蓋了不同高度的降水層，形成所謂的分辨率垂直拖影。風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量雷達(dá)的天線半功率波束寬度約為0.71°，最大掃描角為20.3°，不同軌道高度情況下計(jì)算得到的最大掃描角時(shí)的分辨率垂直拖影如圖3所示。通常最薄的層狀云降水只有3km左右，而融化層的厚度最厚可以達(dá)到1km。在這種極端情況下，如果分辨率的垂直拖影高度大于2km，那么此時(shí)地表附近的雷達(dá)分辨體積內(nèi)就會(huì)包含多種相態(tài)的水凝物，甚至無(wú)法識(shí)別出融化層，同時(shí)較強(qiáng)的地表雜波干擾也會(huì)直接從天線主瓣進(jìn)入，從而造成降水反演的難度，加大反演誤差。因此，需要分辨率垂直拖影的高度低于2km，這意味著在0.71°的波束寬度下，衛(wèi)星的軌道高度不能超過(guò)420km。綜合上述分析并考慮衛(wèi)星軌道高度的漂移，風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星的標(biāo)稱軌道高度設(shè)計(jì)為407km。

表2　衛(wèi)星軌道高度與地表雜波干擾高度的關(guān)系Table 2 The Relationship between the clutter effected heights and the altitudes of FY-3 RM

圖3　分辨率垂直拖影高度與軌道高度的關(guān)系Fig. 3 The relationship between the vertical resolution smearings and the altitudes of FY-3 RM

1.2軌道傾角設(shè)計(jì)

風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星的重要科學(xué)目標(biāo)是探測(cè)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水，揭示臺(tái)風(fēng)降水內(nèi)部的三維物理結(jié)構(gòu)，為預(yù)測(cè)和評(píng)估臺(tái)風(fēng)災(zāi)害提供服務(wù)。因此，降水測(cè)量衛(wèi)星軌道傾角的設(shè)計(jì)原則是降水測(cè)量衛(wèi)星的觀測(cè)范圍應(yīng)覆蓋我國(guó)受臺(tái)風(fēng)影響的絕大部分區(qū)域。

為分析影響我國(guó)的臺(tái)風(fēng)登陸路徑和影響范圍，收集了2001—2008年我國(guó)登陸臺(tái)風(fēng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（圖4）。影響我國(guó)的絕大部分臺(tái)風(fēng)都在40°N以南消亡，少數(shù)可以發(fā)展到45°W附近。但是，對(duì)臺(tái)風(fēng)降水的研究表明，在東北一些高緯度地區(qū)受臺(tái)風(fēng)影響程度也日趨嚴(yán)重，臺(tái)風(fēng)暴雨占當(dāng)?shù)貜?qiáng)降雨比例較高[5]。

為使風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星的有效探測(cè)范圍覆蓋我國(guó)北方廣大受臺(tái)風(fēng)暴雨影響的區(qū)域，風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星軌道傾角最終設(shè)計(jì)為50°，以測(cè)量南、北緯50°范圍內(nèi)降水系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)。

2　降水測(cè)量衛(wèi)星探測(cè)能力分析

2.1載荷配置分析

圖4　2001—2008年影響我國(guó)的臺(tái)風(fēng)登陸路徑和影響范圍Fig. 4 The landing route and effected regions of all the typhoons effected on China during years 2001-2008

風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星的主要科學(xué)應(yīng)用目標(biāo)是提高天基降水測(cè)量能力，加深對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨結(jié)構(gòu)、降水微物理特征參數(shù)等的理解。根據(jù)這一科學(xué)應(yīng)用目標(biāo)，風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星配置了雙頻降水測(cè)量雷達(dá)、微波成像儀、可見(jiàn)光紅外掃描成像儀和GNSS掩星大氣探測(cè)儀。表3列出了風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星、GPM核心衛(wèi)星以及下一代歐美業(yè)務(wù)極軌氣象衛(wèi)星NPP和EPS-SG上的降水測(cè)量載荷配置的情況。

表3　低軌衛(wèi)星降水測(cè)量載荷配置比較Table 3 The payloads of various low orbit precipitation measuring satellites

風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星和GPM核心衛(wèi)星的主載荷都是一部Ku和Ka波段雙頻降水測(cè)量雷達(dá)[4]。雙頻降水測(cè)量雷達(dá)能觀測(cè)臺(tái)風(fēng)、暴雨、暴雪等大氣降水的三維滴譜特性，其測(cè)量參數(shù)獨(dú)立于背景輻射且與降水直接相關(guān)，反演得到比被動(dòng)遙感更準(zhǔn)確的降水強(qiáng)度，還可以獲得降水類(lèi)型、降水層高度等其他豐富的降水信息。

風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星上的另一個(gè)重要載荷是微波成像儀，將設(shè)置在大氣窗區(qū)和吸收線附近的不同微波通道有機(jī)結(jié)合起來(lái)使用，能有效地降低被動(dòng)微波降水反演的不確定性。被動(dòng)的微波輻射計(jì)和主動(dòng)的降水測(cè)量雷達(dá)在降水測(cè)量上具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，降水測(cè)量雷達(dá)能得到降水的廓線信息，而微波輻射計(jì)得到的是整個(gè)傳播路徑上的總降水；降水測(cè)量雷達(dá)的觀測(cè)刈幅較窄但精度高，微波輻射計(jì)的寬刈幅能夠大大提高降水測(cè)量的地面覆蓋率。同時(shí)，降水測(cè)量雷達(dá)和微波輻射計(jì)的聯(lián)合測(cè)量為被動(dòng)微波反演提供了共同的云/輻射數(shù)據(jù)庫(kù)，這對(duì)將風(fēng)云三號(hào)極軌氣象衛(wèi)星星座多星裝載的微波成像儀和微波大氣探測(cè)儀在統(tǒng)一的框架下建立反演模型并得到全球一致的降水產(chǎn)品來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。

風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星搭載的簡(jiǎn)化型中分辨率光譜成像儀主要用于獲取可見(jiàn)光/紅外云圖、云頂溫度、云頂高度、有效粒子半徑和云形態(tài)學(xué)方面的參數(shù)，進(jìn)而輔助判斷降水云的存在，并可以改進(jìn)微波降水的反演結(jié)果。另外，由于目前靜止軌道氣象衛(wèi)星上還沒(méi)有配備微波遙感儀器，靜止氣象衛(wèi)星使用紅外通道來(lái)估計(jì)降水，所以風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星上的光學(xué)輻射計(jì)還是聯(lián)系低軌道衛(wèi)星微波降水測(cè)量結(jié)果和靜止軌道衛(wèi)星紅外降水估計(jì)結(jié)果的橋梁。

風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星還搭載了GNSS掩星探測(cè)儀，能夠獲得高垂直分辨率的大氣溫度和濕度廓線。高垂直分辨率的大氣參數(shù)廓線可以用來(lái)判斷降水粒子的相態(tài)和融化層的位置，有助于區(qū)分對(duì)流/層狀降水結(jié)構(gòu)，從而提高后續(xù)降水測(cè)量雷達(dá)反演降水的精度。

2.2降水測(cè)量雷達(dá)探測(cè)能力分析

降水測(cè)量雷達(dá)是降水測(cè)量衛(wèi)星的核心載荷，表4比較了風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星降水測(cè)量雷達(dá)和TRMM衛(wèi)星PR[3]以及GPM核心衛(wèi)星DPR[4]的主要性能參數(shù)。風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量雷達(dá)和DPR相比PR都增加了Ka頻段的雷達(dá)，能夠獲得比單頻雷達(dá)更高精度的降水測(cè)量結(jié)果。在水平分辨率相當(dāng)?shù)那闆r下，風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量雷達(dá)的刈幅寬度要大于PR和DPR，從而可以捕捉到更多的降水事件。另外，風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量雷達(dá)的天線旁瓣電平要比DPR和PR的低，有利于抑制地面雜波的影響、減小測(cè)量誤差。對(duì)比分析表明，風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量雷達(dá)與在軌的GPM衛(wèi)星的DPR降水探測(cè)能力相當(dāng)，優(yōu)于TRMM衛(wèi)星PR的降雨測(cè)量能力。

表4　FY-3 RM PMR與PR、DPR主要性能參數(shù)Table 4 The main characteristics of the PMR， PR and DPR

2.3微波成像儀降水探測(cè)能力分析

降水測(cè)量衛(wèi)星上裝載的微波成像儀為降水測(cè)量提供了寬刈幅降水測(cè)量觀域，表5列出了風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星上微波成像儀（MWRI）、GPM核心星上的微波成像儀GMI和歐洲下一代極軌業(yè)務(wù)衛(wèi)星EPS-SG上裝載的用于降水測(cè)量的微波成像儀（MWI）的通道頻點(diǎn)設(shè)置參數(shù)。FY3-RM/MWRI相比GPM/GMI多了52.0GHz和118.0GHz兩組大氣氧氣吸收線附近的8個(gè)探測(cè)通道，對(duì)陸地弱降水探測(cè)和融化層位置及厚度的探測(cè)具有優(yōu)勢(shì)；FY-3/MWRI相比EPS-SG/MWI多了低頻10.6GHz的窗區(qū)通道，對(duì)陸地強(qiáng)降水探測(cè)具有優(yōu)勢(shì)。對(duì)比分析表明，F(xiàn)Y-3/MWRI與未來(lái)在軌的EPS-SG/ MWI的性能相當(dāng)，優(yōu)于GPM/GMI。

表5　MWRI、GMI和MWI通道頻點(diǎn)設(shè)置Table 5 The frequency channels of the MWRI， GMI and MWI

3　風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星應(yīng)用

3.1大氣雙氧吸收通道聯(lián)合探測(cè)陸地弱降水分析

陸地弱降水反演是降水反演中最為困難的問(wèn)題。以云中液態(tài)水為主的弱發(fā)射/吸收信號(hào)淹沒(méi)在紛雜的強(qiáng)地表熱輻射背景中，使得我們很難區(qū)分它們。晴空背景差、極化亮溫差等方法都試圖利用輻射變化量反演降水，但也都遇到了地表極化差強(qiáng)弱不一、晴空亮溫推算誤差大等問(wèn)題[6]。風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星上裝載的微波成像儀分別在50～54和118GHz大氣氧氣吸收線附近設(shè)置了兩組探測(cè)通道，對(duì)于同一中心頻點(diǎn)的通道而言，地表比輻射率相同，將這些通道的輻射傳輸方程聯(lián)立，降低了方程組中未知變量的個(gè)數(shù)，有效抑制了方程組的非適定性，使得陸地弱降水的物理反演成為可能[7]。

3.2星載降水測(cè)量雷達(dá)反演應(yīng)用

按照星載降水測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)的配置，即用的是單參數(shù)雷達(dá)還是多參數(shù)（雙參數(shù)）雷達(dá)，有關(guān)的反演算法可以分為單頻和雙頻兩類(lèi)[8,9]。單頻反演的算法主要基于統(tǒng)計(jì)的雷達(dá)反射率因子和降水強(qiáng)度（Z-R）關(guān)系，由于在推導(dǎo)該關(guān)系過(guò)程中使用了大量的假設(shè)，它一般只適用于平均情況。星載降水測(cè)量雷達(dá)的工作頻率較高，在使用Z-R關(guān)系反演降水強(qiáng)度時(shí)，通常都要考慮衰減的影響。通過(guò)假設(shè)衰減與降水強(qiáng)度（k-R）的關(guān)系，就可以得到R的解析解，這種衰減校正的方法最早是Hitschfeld和Bordan依據(jù)工作在衰減頻率的地基雷達(dá)提出的[10]。Z-R關(guān)系與k-R關(guān)系都存在著很大的不確定性，地面參考技術(shù)（surface reference technique，SRT）可以利用星載雷達(dá)的一個(gè)獨(dú)立測(cè)量值——路徑積分衰減來(lái)克服數(shù)值不穩(wěn)定的問(wèn)題。當(dāng)衰減較小時(shí)，地面衰減截面的測(cè)量就會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。為此，可以在衰減較小時(shí)使用Hitschfeld-Bordan解法，而在衰減較大時(shí)使用SRT方法，TRMM/PR的降水反演算法就使用了這樣一種改進(jìn)的方法[11]。

雙頻降水測(cè)量雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)雙頻測(cè)量可以獲得粒子譜參數(shù)（drop size distribution，DSD）的信息，從而提高降水反演的精度。目前的雙頻反演算法主要有兩大類(lèi)，包括前向方法和后向方法。前向方法是從距離庫(kù)頂開(kāi)始反演，逐庫(kù)往下直到距離庫(kù)底。后向方法則相反，是從距離庫(kù)底開(kāi)始反演，逐庫(kù)往上直到距離庫(kù)頂。除了個(gè)別反演方法以外，大部分雙頻的反演算法都依賴于雙頻反射率比和中體積直徑之間的關(guān)系，最終既能重現(xiàn)雙波長(zhǎng)上的雷達(dá)反射率剖面結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能反演出作為推導(dǎo)DSD剖面分布約束條件的路徑衰減。然而，基于該關(guān)系反演降水的中體積直徑時(shí)可能存在兩個(gè)解[12-13]。因此，如何通過(guò)一些數(shù)學(xué)物理手段確定最優(yōu)解是目前雙頻反演算法面臨的最大問(wèn)題。

3.3星載多遙感器聯(lián)合反演降水能力分析

星載降水遙感技術(shù)始于靜止軌道的紅外/可見(jiàn)光降水估計(jì)，隨著遙感技術(shù)的進(jìn)步，逐步發(fā)展起來(lái)極軌被動(dòng)微波降水反演技術(shù)。大量對(duì)比研究[2,14-15]發(fā)現(xiàn)，在反演瞬時(shí)降水方面，極軌星載被動(dòng)微波輻射計(jì)反演降水的算法精度要高于光學(xué)成像儀算法[16-17]。2007年，世界氣象組織倡導(dǎo)并實(shí)施了衛(wèi)星遙感降水反演評(píng)估計(jì)劃[18]。在項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)目前的所有被動(dòng)遙感產(chǎn)品都還無(wú)法很好地反映陸地弱降水和極強(qiáng)降水的特征。

風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星裝載的降水測(cè)量型微波成像儀，在52.0和118GHz兩個(gè)氧氣吸收線附近設(shè)置了兩組探測(cè)通道，能彌補(bǔ)陸地弱降水星載探測(cè)能力的不足。同時(shí)，風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星裝載的降水測(cè)量雷達(dá)能活動(dòng)比被動(dòng)微波精度更高的降水估計(jì)，而主動(dòng)雷達(dá)的雙頻設(shè)置，也拓展了對(duì)弱降水和極強(qiáng)降水的探測(cè)能力。但是，降水測(cè)量雷達(dá)受技術(shù)等因素限制，觀測(cè)刈幅較窄，降低了降水事件的捕獲概率。結(jié)合不同遙感器的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行多遙感器聯(lián)合反演可以彌補(bǔ)單一傳感器反演算法的不足。和單一傳感器相比，主被動(dòng)聯(lián)合反演是通過(guò)聯(lián)合主動(dòng)雙頻雷達(dá)和被動(dòng)多通道微波輻射計(jì)的探測(cè)信息來(lái)進(jìn)行降水的估計(jì)，基于集合Kalman濾波與變分方法的混合方法是目前主被動(dòng)聯(lián)合反演的主要算法。這種算法獲得的降水產(chǎn)品精度較高，對(duì)1mm/h的降雨率，反演的偏差小于50%，10mm/h的降雨率，偏差小于25%，具有更加廣闊的發(fā)展前景[19]。

風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星上同時(shí)裝載了光學(xué)和主被動(dòng)微波遙感器，為將高時(shí)間分辨率的靜止軌道光學(xué)遙感器降水反演結(jié)果與高精度的極軌主被動(dòng)微波降水反演的融合建立了橋梁，具有深遠(yuǎn)的應(yīng)用意義。

4　小結(jié)

風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星已列入我國(guó)第二代極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)（03）批，計(jì)劃裝載雙頻降水測(cè)量雷達(dá)、微波成像儀、GNSS掩星大氣探測(cè)儀和光學(xué)成像儀。經(jīng)本文分析得到如下結(jié)論：

1）從設(shè)計(jì)層面分析，風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星裝載的降水測(cè)量雷達(dá)與在軌的GPM核心星第二代降水雷達(dá)DPR的性能相當(dāng)。從載荷配置來(lái)看，風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星整星降水探測(cè)能力優(yōu)于GPM核心星；

2）風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)覆蓋了南50°N范圍內(nèi)的熱帶和中緯地區(qū)，對(duì)影響我國(guó)區(qū)域的臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有三維探測(cè)能力；

3）風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星上裝載的被動(dòng)微波輻射計(jì)中50～60和118GHz雙氧吸收通道的等權(quán)配置，對(duì)陸地弱降水反演和融化層位置及厚度探測(cè)等具有應(yīng)用潛力，同時(shí)為空中雪晶粒子的遙感探測(cè)帶來(lái)希望，而高頻水汽吸收線183GHz附近的一組探測(cè)通道可用于診斷分析強(qiáng)對(duì)流中心位置并反演云冰厚度信息。

總之，風(fēng)云三號(hào)降水測(cè)量衛(wèi)星通過(guò)提升我國(guó)星載降水探測(cè)能力，將促進(jìn)我國(guó)降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的提高，進(jìn)而增強(qiáng)我國(guó)應(yīng)對(duì)全球極端天氣和氣候變化的能力，加深對(duì)能量水循環(huán)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

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Analysis of Rainfall Measurement Power in the FY-3(03) Rain Measurement Satellite

Yin Honggang, Wu Qiong, Gu Songyan, Lu Naimeng, Shang Jian, Dou Fangli
（National Satellite Meteorological Centre， China Meteorological Administration， Beijing 100081）

As the third pitch of Chinese second generation operational meteorological satellites on polar orbits, FengYun-3 (03) pitch satellites consist of one early morning orbit satellite, one morning orbit satellite, one afternoon orbit satellite and one rain measurement satellite. The primary instruments being loaded on the FengYun-3 rain measurement satellite (FY3-RM) are the dual-frequency precipitation measuring radar (PMR), the microwave imager (MWRI), the simple type median resolution spectral imager (MERSI-S) and the global navigation satellite system (GNSS) radio occultation sounder. This article analyze the function, performance and the designed characteristics of the FY3-RM by using simulation technology, and discuisses its power of measuring precipitation. The analysis results show that, 1) the PMR has the same precipitation measuring ability as the Global Precipitation Measurement （GPM） dual-frequency precipitation radar （DPR）； 2） the FY3-RM can detect the three dimension structure of the typhoons effected on China； 3） the additional channels between 50 GHz and 60 GHz and channels around 118 GHz increase the MWRI sensitivity to light precipitation over land, comparing to the GPM microwave imager. Therefore, the whole power of precipitation measurement of the FY3-RM, altogether with other instruments onboarded, is better than that of the GPM satellite.

FengYun-3 (03) pitch satellites, rain measurement satellite, precipitation measuring radar, microwave imager

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.03.007

2015年9月18日；

2015年11月24日

尹紅剛（1979—），Email: yinhg@cma.gov.cn