利用风云卫星获取自主可控的全球全天候地表微波比辐射率数据

中国科学技术大学地球和空间科学学院、火灾科学国家重点实验室的李锐教授团队，国家气象局卫星气象中心的张鹏研究员团队，中国科学院空天信息创新研究院胡斯勒图研究员团队共同合作，利用再定标后的我国风云极轨卫星微波成像仪的高精度历史数据，辅以时空匹配的光学遥感云特征参数，经过辐射传输正反演计算，定量移除云层的干扰，实现了晴天和非降水云条件下，全球全天候地表比辐射率特征的高精度监测，形成了4年的历史资料数据集。该数据集将在大范围干旱监测、森林可燃物和含水量调查、火灾风险评估和预测、森林碳汇估算、青藏高原科学考察等重要国家需求领域有着巨大的应用潜力。

Questions

地球陆地表面温度多高？

地面植被状态如何？

土壤含水量有多少？

要回答这些重要的科学问题，在卫星微波遥感中首先要解决地表微波比辐射率（地表发射微波辐射的相对能力参数）的监测问题。毫不夸张的说，微波比辐射率是记录地表状态的指针。而且同传统光学遥感相比，微波波长更长，可以穿透云层获取云下地表的状态信息；还可以穿过森林上部冠层，探测森林下部和土壤深层。

被动微波遥感的原理及其重要意义

图1.被动微波遥感原理及其在植被遥感方面的应用

我们的陆地表面，无论是土壤还是覆盖的植被都或多或少蕴含着水分。这些“不安分”的极性水分子(正负电荷不重合)会因为自身电偶极子的转动而主动放射出一种波长从毫米到分米级的电磁波，也就是我们常说的微波。水分子同时会感应外界微波电磁场的变化而转动，从而对微波传输能量产生消耗。地表辐射出的微波的强度既取决于植被和土壤的含水量，又取决于环境温度和地表的粗糙程度。借助先进的辐射测量仪器，比如搭载在卫星上的和地基的微波辐射计，可以实现对这种微波辐射强度的测量，进而获取到地表植被和土壤的含水量信息。由于这些仪器是被动接收地表发射的微波辐射，我们将这种测量方式称为被动微波遥感。

被动微波遥感所获取的地表微波特征，可以进一步的用来推算土壤含水量、植被的含水量，光合作用，蒸腾作用释放水和挥发性有机物的速率，还可以用来指示林火发生的可能性。

获取全球长时间序列地表比辐射率特征的难点

地表发射的微波信号在到达天顶的卫星传感器之前，会受到大气中的气体分子，如水汽、氧等的吸收，也会受到云中液态和固态冰颗粒的吸收和散射，导致信号受到衰减或增强。传统的卫星被动微波对地遥感很多没有考虑大气气体分子的影响，在有云的情况下也无有效的观测。

装载于风云三号A卫星的我国首台微波辐射计MWRI（MicroWave Radiation Imager）自2008年发射升空后，已经积累了长达15年的全球微波观测资料，但是受到遥感仪器在轨状态变化、性能衰减、仪器更替等因素影响，长序列的资料存在时空精度不一致的问题，制约了长序列全球资料的定量应用精度。在国家重点研发计划“国产多系列遥感卫星历史资料再定标技术”项目支持下，国家卫星气象中心张鹏研究员团队攻克了遥感仪器在轨状态重建、全生命周期衰减特征订正、星星之间辐射基准传递等关键技术，实现了微波成像仪历史观测高精度再定标，获取了时空性能一致的长序列历史资料基础数据FCDR（Fundamental Climate Data Record）。该基础数据集对对地遥感来说意义重大，在此基础上可以实现全球全天候条件下的地表状态特征提取。15年的微波成像仪基础数据集的DOI识别号为10.12185/NSMC.RICHCEOS.FCDR.MWRIRecalOrb.FY3.MWRI.L1.GBAL.POAD.NUL.010KM.HDF.2021.2.V1，可以在http://www.richceos.cn获取。

最新进展

中国科学技术大学李锐教授团队、国家气象局卫星气象中心的张鹏研究员（本文通讯作者）团队、中国科学院空天信息创新研究院胡斯勒图研究员团队共同合作，利用风云3B卫星的MWRI再定标处理的FCDR数据，实现了从2015年7月至2019年6月的晴空和非降水云条件下中国地区地表微波比辐射率的反演。该工作利用大气温度、湿度、云的含水量等信息对微波辐射传输过程进行了细致的大气订正计算，由大气顶微波亮温一直推算到地表微波特征。获得了中国地区地表微波辐射特性的时空分布格局。

图2. 联合风云3B星的被动微波观测和葵花8号卫星的云观测反演微波地表比辐射率

从空间分布来看，10.65、18.7和36.5 GHz水平极化通道的微波地表比辐射率（MLSE）的高值出现在中国南部的植被茂密区，低值则出现在中国西北的植被稀疏区，最大值出现在秦岭-太行山脉和青藏高原东缘。这种分布格局与基于AMSR-E观测的类似MLSE数据集高度一致，这不仅验证了再定标后的风云3B MWRI FCDR数据的可靠性，也证实了本研究使用的MLSE反演算法的先进性。

图3.基于风云3B MWRI（左列）和美国水卫星AMSR-E反演（中、右列）的中国夏季微波地表比辐射率空间分布

在季节变化方面，中国地区MLSE的季节性受到了植被，降雨和积雪的综合控制。在热带和南部的森林区域，微波信号受到植被增强和降水抑制作用的平衡，MLSE表现为较弱的季节性。而在中国北方区域，积雪对高频波段的MLSE，如36.5 GHz，存在明显的抑制作用，对于低频MLSE的影响则较弱。

在年际变化方面，该数据集在跨十年的尺度上，与国际上的类似数据集表现出相当的一致性，并且在4年的时间内表现出一定的年际变化特征。

图4. 风云3B MWRI反演的中国典型区域月平均微波地表比辐射率时间变化序列

图5. 风云3B MWRI和美国水卫星 AMSR-E微波地表比辐射率产品在长期变化趋势上具有很好的一致性

未来计划

该工作是首次实现基于国产卫星微波探测器的大范围全天候地表微波辐射特性反演，接下来，将应用该成果，定量估算陆地生态系统水汽蒸散发，植被总初级生产量、进行森林火险等级评估与预测，为应对气候变化、实现双碳战略目标提供中国气象卫星的观测依据。