風云氣象衛星微波大氣探測回顧與展望*

何杰穎 張升偉 王振占 張 瑜

1（中國科學院國家空間科學中心 微波遙感技術重點實驗室 北京 100190）

2（中國科學院大學 北京 100049）

0 引言

大氣溫度和濕度是全球數值天氣預報和氣候變化研究的關鍵要素，是描述大氣熱力學狀態的兩個重要參數，直接影響太陽短波輻射與地-氣系統長波輻射之間的相互作用，進而影響全球輻射能量收支平衡。星載微波遙感觀測具有覆蓋廣、觀測連續、經濟效益高等優點，是全球海洋、大氣研究不可或缺的數據來源，以及氣候和氣象研究的重要手段[1]。美國、歐洲、俄羅斯等國家和地區的極軌氣象衛星均先后搭載了大氣溫濕度微波探測儀，并在未來規劃中仍將微波大氣探測儀作為標配載荷[2]。

中國從20 世紀70 年代開始獨立自主發展風云系列氣象衛星。2008 年成功發射的FY-3A 星開啟了中國第二代極軌系列氣象衛星的時代，有效載荷包括光學、紅外、微波遙感器及空間環境監測器等，其目標是實現全球全天候、多光譜、三維定量探測，以及云和降水參數的探測，監視大范圍的自然災害和生態環境變化[3-5]。FY-3 衛星分為01，02，03 和04 四個批次，計劃發射衛星10 顆，截至2023 年10 月，已成功發射7 顆。其中：01 批包括 A，B兩顆衛星；02 批包括C，D 兩顆衛星；03 批包括E，F，G（降雨星），H 四顆衛星；04 批包括一顆降水星和一顆綜合星，指標與03 批次一致[6]。

經過10 多年的發展，中國風云氣象衛星微波大氣濕度探測技術從無到有，從單一濕度探測發展到溫度和濕度多通道同步探測，FY-3 衛星微波濕度計利用其微波探測優勢，能全天時、全天候觀測大氣溫濕度的垂直分布（廓線）、水氣含量和降雨量等空間氣象資料，為數值天氣預報、氣候變化研究和環境監測提供了重要參數，在大氣探測領域特別是災害性天氣的預報和跟蹤監測等方面發揮了重要作用。FY-3 衛星微波濕度計代表了目前中國星載微波輻射計的最高頻率載荷，在軌表現良好，在國際氣象組織中產生了積極影響。

1 風云衛星微波大氣濕度探測歷史回顧

1.1 風云三號01 批微波濕度計

微波濕度計（MWHS）是FY-3 衛星上的主載荷之一（見圖1），可全天時、全天候探測全球大氣濕度的垂直分布、水氣含量和降雨量等空間氣象資料[7]。搭載于FY-3A，B 星上的微波濕度計包括150 和183.31 GHz 兩個探測頻率，其中150 GHz 區別于國際同類設備，分為垂直（V）和水平（H）極化兩個通道；183.31 GHz 包括 183.31±1， 183.31±3， 183.31±7 GHz三個通道，是當時中國頻率最高的微波輻射計。FY-3A，B 星分別于2008 年5 月27 日和2010 年11 月5 日發射，在軌運行期間提供了全球、全天候大氣濕度廓線，水氣含量和降雨量等空間氣象資料，獲取了全球與臺風暴雨等強對流天氣現象密切相關的云雨大氣參數，為數值天氣預報業務和災害性天氣預警預報提供了支持。歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）于2014 年9 月24 日正式在業務預報模式中同化了風云三號 B 星微波濕度計 MWHS 在海洋上空的觀測資料。這是ECMWF 歷史上首次業務使用中國的衛星觀測資料，也是中國的衛星觀測資料首次在境外的業務預報中心得到應用，改進了對對流層中層和高層濕度場的分析模式，增強了衛星觀測系統的魯棒性[8]。除了作為首個微波載荷被植入歐洲數值預報模式外，B 星微波濕度計還是目前中國在軌壽命最長的微波輻射計，在軌工作壽命超過10 年。

圖1 FY-3A/B 星微波濕度計Fig. 1 FY-3A/B MWHS

1.2 風云三號02 批微波濕度計

在風云三號01 批次A，B 星微波濕度計的基礎上，02 批C，D 星微波濕度計實現了升級換代（見圖2），增加了89，118.75 GHz 兩個探測頻率，探測通道也由5個增加到15 個。02 批微波濕度計被命名為微波濕度計II 型（MWHS-II），能同步觀測大氣濕度和溫度，且實現了多通道的細分探測。風云三號（FY-3）C 星和D 星分別于2013 年9 月23 日和2017 年11 月15 日發射，是中國低軌道上午和下午觀測的主業務衛星，共同組網工作，進一步提高了大氣探測精度。MWHS-II 經過在軌測試，各項指標均優于FY-3A，B 星的MWHS。MWHS-II 在國際上首次將118.75 GHz 用于星載下視大氣探測，同時由于增加了探測通道，垂直分辨率和冰云探測能力顯著提高，對改善數值天氣預報模型，提高中長期全球氣候預報準確度是一次非常有意義的探索。風云三號C 星微波濕度計觀測資料于2016 年4 月正式在歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）業務預報模式中啟用[9]，FY-3 D 星微波濕度計資料經過嚴格的在軌測試和試運行，目前也成功植入業務模式。

圖2 FY-3C/D 星微波濕度計Fig. 2 FY-3C/D MWHS

1.3 風云三號03 批微波濕度計

風云三號E 星是03 批的首發星，也是世界首個民用晨昏軌道氣象衛星，于2021 年7 月5 日在酒泉發射，該星的發射進一步發展和完善了中國氣象衛星的觀測業務體系[10]。03 批微波濕度計MWHS-II 作為02 批微波濕度計的改進型，仍是主載荷之一，這在國際民用晨昏軌道衛星中尚屬首次，為歐洲中心、英國氣象局和數值預報中心業務同化提供了不可或缺的觀測資料。FY-3 E 星MWHS-II，整體延續了C/D星微波濕度計的系統配置，主探測頻率為183.31 和118.75 GHz，極化方式為水平極化，其中118 GHz 在國際軍民晨昏軌道首次使用，窗區探測頻率由150 GHz更改為166 GHz，即輔助探測頻率為89 和166 GHz，極化方式為垂直極化，星下點分辨率15 km。通過完善系統設計，避免了通道諧波干擾。作為03 批首發星微波探測載荷，FY-3 E 星MWHS-II 大幅度提高了系統性能指標，靈敏度優于0.4 K，除20 M 帶寬的118 GHz 第一通道外，定標精度優于0.7 K，達到國際先進水平。經ECMWF 評估，E 星微波濕度計在上下午軌道微波溫濕度觀測的基礎上，有效彌補了晨昏軌道信息，同化正效果顯著。

2023 年8 月3 日FY-3 F 星發射，作為一顆上午星其主要作用是替代即將退役的FY-3C 星，實現大氣觀測任務，其上搭載的MWHS-II 與E 星的設計指標一致[11]。MWHS-II 按照黎明、上午、下午三條軌道，四星組網觀測，每天可以為天氣預報提供黎明和傍晚兩個時次寶貴的大氣溫度和濕度垂直分布探測資料，實現每4～6 h 的全球資料完全覆蓋，提升大氣高精度探測能力，為數值天氣預報提供及時準確的大氣初始場信息，提升對臺風、暴雨災害性天氣的預警能力，滿足數值天氣預報資料同化的需求，提高和改進預報精度和預報時效，同時也將為氣候和氣候變化提供可靠的衛星觀測數據集。

截至目前，FY-3（08 星）作為03 批第二顆下午星，主載荷之一的微波濕度計已完成發射前真空定標測試，指標與前序載荷指標相當，預計將于2024 年發射。圖3 給出了03 批微波濕度計15 個通道的驗收靈敏度，可見實測指標均優于指標要求。02 批和03 批微波濕度計實測指標見表1。

表1 微波濕度計設計性能指標Table 1 Design performance index of MWHS

圖3 代際間微波濕度計靈敏度對比Fig. 3 Sensitivity comparison of MWHS between different generations

1.4 風云衛星微波濕度計應用

1.4.1 數值天氣預報

數值天氣預報（Numerical Weather Prediction，NWP）的準確性在很大程度上取決于初始場的質量，而用于為數值模式提供準確、合理的初始條件的資料同化，越來越受到重視。微波濕度計作為氣象衛星的重要載荷之一，能夠探測大氣垂直方向上的溫濕信息，生成更真實的溫濕度分析場，因此同化微波濕度計資料對于改善初始場進而提高預報精度有重要意義和作用。微波濕度計儀器精度可靠，數據質量已在ECMWF 和英國氣象局進行了評估和驗證，其晴空資料對預報精度的改進效果也在ECMWF 得到了充分的證明[12]。

1.4.2 大氣溫濕度廓線反演

針對 FY-3C/MWHS 在晴空條件下的海洋上空觀測資料建立了基于物理反演方法的海洋晴空溫濕廓線反演系統?；谖锢矸囱莘椒ǖ囊痪S變分反演算法，反演海洋晴空反溫濕度參數，并評價 MWHS-II溫濕探測能力與數據質量[13]。圖4 給出了單點反演結果與ECMW 再分析數據的對比情況。

圖4 單點反演結果與ECMWF 再分析數據對比Fig. 4 Comparison between single point retrieval results and ECMWF reanalysis data

結果顯示，反演溫度廓線、背景溫度廓線與ECMWF 溫度廓線在總體廓線結構上一致性較高。對于溫度反演廓線來說，除在600 hPa 出現最大偏差1.83 K 外，其余壓強處的偏差均保持在1.0 K 以內。而對于背景溫度廓線來說，最大偏差同樣出現在600 hPa，為1.45 K。因此反演溫度的最大偏差可能是背景溫度廓線與真實廓線的偏離所導致的。從溫度偏差的對比圖中可以看出，在10～70，120～150，200～500，650～775 hPa 范圍內，反演溫度偏差小于背景溫度偏差，反演溫度廓線對背景廓線精度提高有貢獻。

反演濕度廓線、背景濕度廓線與ECMWF 濕度廓線總體趨勢上保持了一致。對于反演濕度廓線和背景濕度廓線來說，在750～900 hPa 范圍內均出現最大偏差，其原因同樣可能是因為背景廓線的偏離導致的，但偏差都保持在18%以內。從濕度偏差的對比圖中可以看出，在250～350 hPa 范圍內反演濕度偏差明顯小于背景濕度的偏差，而對于其他范圍來說，除了850 hPa 外，反演濕度偏差均小于背景濕度偏差，因此可以說明在這一地點的反演濕度廓線對該點的預報廓線精度的提高有很大貢獻。

1.4.3 大氣降水檢測與反演

通過分析微波濕度計15 個通道在不同天氣（晴空、水云、雨云）條件下的仿真亮溫響應，提出了針對微波濕度計在軌遙感數據的全球降水檢測算法，包括全球海洋降水檢測算法和全球陸地降水檢測算法[14]。圖5 給出了2016 年9 月24 日 12:18 UTC—14:10 UTC，FY-3C 微波濕度計觀測到臺風時的降水檢測數據與TMPA/3 B42 降水數據以及FY-3C/MWHS-II降水反演數據。圖5 中的色卡代表降水檢測結果，圖5（c）中用紅色標記的橢圓區域A 是非降水區域，但圖5（a）（b）（d）顯示為降水區域。結果表明兩種數據顯示了兩種不同的結果，這說明臺風地區的降水難以確定，微波濕度計提供的更精確的降水數據集對于確定降水是非常重要的。海洋和陸地降水檢測結果準確率分別達到99% 和96%，降水檢測結果準確率較高，運用該全球降水檢測算法能夠有效判別降水事件，具有較高的應用價值。

圖5 2016 年9 月24 日 12:18 UTC—14:10 UTC FY-3C 微波濕度計觀測到臺風時的降水檢測數據（a），TMPA/3 B42 降水數據（c）和FY-3C/MWHS-II 降水反演數據（b）（d）Fig. 5 FY-3C MWHS observed the precipitation detection data when typhoon occurred （a）, TMPA/3 B42 precipitation data （c） and FY-3C/MWHS-II precipitation retrieval data （b）（d）on 24 Sept. 2016 from 12:18 UTC to 14:10 UTC

1.4.4 熱帶氣旋監測與預報

直接同化 FY-3C/MWHS-II 觀測數據，其數值模式的改進程度遠遠超過了單獨同化常規觀測數據，比僅僅同化常規觀測數據效果好。在臺風環流初始狀況和溫濕度條件方面，模型的初始風場更加合理，臺風中心位置也進行了調整[15]?？梢娢⒉穸扔嬞Y料可以有效地改善臺風的數值預報，而且輻射同化比檢索資料有更大的改善。結合星基微波有效載荷的模擬和觀測，颶風路徑預報與實際路徑預報的比較結果表明微波濕度計資料在臺風監測和預報中有非常大的潛力。圖6 顯示了微波濕度計在熱帶氣旋同化試驗中的作用。

圖6 微波濕度計在熱帶氣旋同化試驗中的作用Fig. 6 Role of MWHS in tropical cyclone assimilation experiment

準確預測颶風路徑和強度變化仍然是一個具有挑戰性的問題。由于缺乏颶風初始化的現場數據，運行中心的大規模分析所提供的初始漩渦往往定義不當或過于微弱，有時還會出現錯位。通過在數據同化中提供118 GHz 新的云冰信息，提高了分析和預報的準確性。

2 新一代氣象衛星發展現狀

2.1 國外研究現狀

歐洲正在運行的氣象衛星包括兩個系列：Metop 系列和Metop-SG 系列[15]。Metop 系列為業務氣象衛星，共包含3 顆衛星：2006 年發射的Metop-A 衛星，2012 年發射的Metop-B 衛星和2018 年發射的Metop-C 衛星[16]。3 顆衛星上均搭載了微波濕度計（Microwave Humidity Sounder，MHS）和先進微波探測儀-A（Advanced Microwave Sounding Unit-A，AMSU-A）。MHS 包含5 個探測通道，頻率為 89，157，183±1，183±3，190.31 GHz，可以獲得全天候的大氣濕度廓線以及降水量數據。AMSU-A 包含15 個探測通道，頻率范圍為23.8～89 GHz，用于獲得全天候的大氣溫度參數信息。Metop 的第二代氣象衛星系列為 Metop-SG，包含A 系列和B 系列。Metop-SG-A 系列衛星上均攜帶了微波探測儀（Microwave Sounder，MWS）。該儀器包含24 個探測通道，頻率范圍為 23.8～229 GHz，覆蓋50～60 GHz 氧氣吸收譜線和183.31 GHz 水氣吸收譜線，可以實現高精度的大氣溫度和濕度廓線探測。Metop-SG-B 系列衛星上均攜帶了微波成像儀（Microwave Imager，MWI）。該儀器包含26 個探測通道，頻率范圍為18.7～183.31 GHz，主要用于探測大氣溫度和濕度廓線以及降水量等參數。

美國新一代極軌業務環境衛星系統 JPSS 是在國家極軌業務環境衛星系統NPOESS 的基礎上組建的，計劃運行時間為 2011—2038 年[17]。JPSS 包含5 顆衛星系列：2011—2019 年SNPP 系列，2017—2024 年NOAA20 系列，2022—2029 年JPSS-2 系列，2026—2033 年 JPSS-3 系列和2031—2038 年JPSS-4 系列。這5 顆衛星系列均攜帶先進微波探測儀（Advanced Technology Microwave Sounder，ATMS）。該儀器是 NOAA15-19 衛星上搭載的 AMSU-A 和NOAA15-17 衛星上搭載的AMSU-B 的結合，探測頻率為 23.8，31.4，50～60，88.2，165.5 和183.31 GHz，可以獲得全天候的大氣溫度和濕度廓線，提高了中短期天氣預報精度，可以更好地應用于數值天氣預報系統。此外，美國還開展了小衛星微波輻射計載荷的研制和衛星試驗。

俄羅斯業務氣象衛星系列計劃包括 9 顆衛星：2001—2006 年1 顆試驗衛星Meteor-3 M，2001—2030年5 顆Meteor-M 系列衛星和3 顆Meteor-MP 系列衛星[18]。試驗衛星Meteor-3 M 上攜帶了成像微波輻射計（ Imaging/Sounding Microwave Radiometer，MTVZA）。該儀器包含26 個探測通道，頻率范圍為18.7～183.31 GHz，可以實現大氣溫度和濕度廓線探測。Meteor-M 系列衛星上都搭載了基于MTVZA 的改進版輻射計 MTVZA-GY。該輻射計包含 29 個探測通道，頻率范圍為10.65～191 GHz，可以有效探測大氣溫度、濕度、海表溫度和風速等信息。Meteor-MP 系列衛星均攜帶了微波輻射計 MTVZA-GYMP。該輻射計包含 29 個探測通道，頻率范圍為6.9～191 GHz，可以探測高精度的大氣溫度和濕度廓線并且改善降水量的探測精度。

2011 年美國林肯實驗室提出“微波高光譜”的概念[19]，并給出微波高光譜的定義：包含50 個或者更多連續窄帶頻譜通道。2012 年美國林肯實驗室成功研制了機載微波輻射計（Hyperspectral Microwave Atmospheric Sounder，HyMAS），通過108～119 GHz范圍內的16 個探測通道和173～183 GHz 范圍內的36 個探測通道，顯著提升了大氣溫度和濕度廓線的探測能力。2015 年聯合論證小組通過對比分析，證實精細化通道能在晴空條件下改善溫度和濕度廓線探測能力，有效提升大氣溫度和濕度廓線的探測精度和垂直分辨率。

2.2 中國研究現狀

隨著中國FY-3 衛星從01 批到04 批的發展，微波濕度計從單一的濕度探測發展為大氣溫濕度同步探測，靈敏度和定標精度不斷提高，關鍵技術逐項突破，從A、B 星MWHS 的150 GHz 在國際上首次采用準光技術實現極化分離，到C、D 星 MWHS-II 增加8 個118.75 GHz 探測通道，183.31 GHz 探測通道細化到5 個，并增加89 GHz 窗區頻率，微波濕度計的探測能力顯著提升，實現了多通道的細分探測，并具有大氣溫度、濕度同步探測的功能，且118 GHz 首次實現了星載非臨邊大氣探測；03 批MWHS 將包括探測頻率4 個、探測通道15 個，窗區探測頻率由150 GHz 更改為166 GHz，并大幅提高靈敏度、定標精度等系統性能指標，與國際同類載荷一致。

同時，風云衛星上另一微波探測載荷-微波溫度計，經歷了MWTS-I （FY-3 01 批）、MWTS-II （FY-3 02 批）、MWTS-III （FY-3 03 批）的發展，具體體現在通道擴展和性能提升，詳見參考文獻[20-24]。

目前數值天氣預報系統對大氣溫度和濕度廓線的探測精度和垂直分辨率提出了更高的要求，因此需要探索新的技術手段來提升大氣溫度和濕度廓線的探測能力。目前國內外還沒有在軌運行的星載高光譜微波探測儀。

中國在后續風云氣象衛星上計劃搭載高光譜微波大氣探測儀，通過提高觀測的頻譜分辨率達到提高垂直分辨率的目的，進一步提高數值天氣預報模型精度；通過突破高光譜探測的關鍵技術，經過全面系統的分析論證，形成滿足新一代氣象探測應用需求的高光譜微波探測設計方案，并經過觀測系統仿真試驗進行驗證，利用反演和同化預報手段，先行驗證在軌性能和效果。

3 新一代微波大氣探測儀能力提升與在軌定量評估

結合世界氣象組織（WMO）全球綜合觀測系統2040 年愿景明確指出的具體要求，即提高遙感光譜分辨率、觀測精度、時空分辨率和長期穩定性，在微波遙感大氣探測方面，應致力于提高時空分辨率、精度要求、實時性需求、覆蓋區域、信息來源、置信度等，為數值天氣預報提供及時準確的大氣濕度和溫度初始場信息，提升對臺風、暴雨災害性天氣的預警能力。

目前空間中心已開展了新一代有效載荷技術研究（高光譜微波探測儀技術），提出了具有技術前瞻性和創新性的跨代載荷技術方案和指標論證，開展了有效載荷模擬數據研究，建立了載荷數據模擬數字化模型，結合大氣輻射傳輸模式（軌道參數、觀測時間、觀測空間分辨率、觀測頻率、觀測幾何參數和觀測方式等），生成了載荷模擬數據源，并同步開展了載荷技術指標論證，能夠滿足未來氣象、氣候應用領域發展需求。

仿真研究結果表明，微波高光譜大氣探測儀對近地邊界層和對流層頂等天氣敏感特征層具有比傳統微波大氣探測系統更大的優勢，權重函數如圖7所示。

圖7 50～60 GHz 權重函數分布。（a）微波模擬通道，（b）微波高光譜Fig. 7 50～60 GHz weight function distribution. （a） Microwave analog channel, （b） microwave hyperspectral

高光譜微波探測儀是傳統微波輻射計的升級改進版，對現有的微波溫度計、微波濕度計等成熟儀器進行集成一體化設計，在溫度廓線和濕度廓線的主探測頻段使用頻譜細分接收通道，主要表現為頻帶內光譜精細化采樣，實現近百個或更多的窄帶連續頻譜通道接收，對大氣在微波譜段的輻射信號進行近似連續的采樣，被動接收輻射能量以亮度溫度（亮溫）表達輻射能量，從而獲取幾乎連續的光譜信息。其理論基礎仍為大氣輻射傳輸，即利用大氣傳輸時的衰減規律及其相關的物理量來進行信息解譯。當電磁波通過某一介質時，一方面輻射能量會因與介質的吸收作用和介質對電磁波的散射而造成能量衰減，另一方面由于介質自身多次散射和自身發射作用使得輻射能量增強，高光譜微波大氣探測載荷可以穿透地球大氣層和一定的云雨層，測量地球特定頻率的微波輻射。由于大氣中的冰、云、雨、雪等粒子對地表微波輻射有一定的衰減作用，因此從不同通道中可以獲取到不同的大氣信息，通過定標和反演，可以得到對于地球大氣的準確描述。

從定量化業務應用角度出發，為提高探測大氣溫濕廓線的精度、垂直分辨率，提出星載高光譜微波輻射計的方法，對有效載荷核心技術指標-探測精度，從載荷設計、研制、試驗、在軌應用等方面進行論證分析，提出載荷定量化提升技術方案。包括中心頻率、帶寬、譜分辨率、極化方式、觀測角度、積分時間等，對敏感性和通道信息量進行分析，如不同通道頻率的敏感性、不同觀測角度的敏感性、不同極化方式的敏感性等，并通過反演和同化預報效果，確定載荷設計方案。

全鏈路定標是提升高光譜微波探測系統性能的關鍵，在射頻前端噪聲系數一定且積分時間不變的情況下，帶寬變窄會導致系統靈敏度變差，保證數據在反演和同化中的準確性和穩定性是前提。由于通道間存在信息冗余，利用通道優化算法結合仿真應用，確定最終可用的帶寬，并進行通道參數定型。在每個掃描周期內，微波探測儀采用在軌實時兩點周期定標，利用儀器觀測兩個定標基準源的輸出電壓計數值和輻射量可以建立計數值-輻射量轉化關系，結合熱真空定標提供的非線性參數進行非線性修正，實現儀器兩點實時定標。高低溫定標源與目標微波輻射信號經過相同光學路徑進入接收機，保證了定標精度分析的一致性。在軌定標過程中，根據微波濕度計自身系統設計低溫源為宇宙冷空間的背景輻射，而高溫源為儀器內部的定標體，建立黑體定標源測試電壓和冷空測試電壓與熱定標源亮溫和冷空亮溫的函數關系[24-26]。同時，考慮到微波輻射計系統本身的非線性特征，利用微波輻射計地面熱真空定標測量結果得到非線性因子用作在軌修正系數。微波輻射計在軌定標不確定度主要包括下述部分：熱源亮溫、冷空背景亮溫、熱源電壓計數值、冷空電壓計數值、系統非線性、天線方向圖、極化、掃描角度、平臺輻射等。

從不確定性定量化分析的角度出發，基于高光譜微波探測儀系統組成、不確定性項來源、定標靜態參數獲取、在軌定標方程等幾個方面，全面考慮微波濕度計在軌不確定性模型的組成、不確定項間的相關性、權重分配等，構建不確定性計算模型，針對確定衛星平臺的微波探測儀，交叉定標確定觀測值與背景仿真之差（O-B）是在軌質量評估非常有效的方法，但這種方法基于數據統計，所有不確定性混為一體，缺乏物理機理。針對新一代氣象衛星，有必要從系統組成、參數獲取、在軌定標等多個角度建立不確定性模型，對風云氣象衛星微波載荷開展在軌不確定性分析和研究。

4 高光譜微波大氣探測應用展望

在保證高性能高光譜大氣探測儀系統研制的基礎上，確保高光譜微波探測數據發揮效能的關鍵還包括大氣物理條件下精確輻射譜及云雨RTM。通過預先研究證實，利用高光譜微波探測體制所得觀測數據，對大氣變量分析增量的影響集中在探測敏感高度層附近，同一吸收線附近探測通道精細化能夠更細致地反映大氣變量垂直分布，且分析增量水平分布與大氣環流流形的契合程度高。53 GHz 吸收線探測通道細化并加以同化后，500 hPa 以下高度的位勢高度RMSE 在120 h 以內都有明顯減小，200 hPa 高度層的預報變量RMSE 也呈現相同規律。183.31 GHz 水氣吸收線加密設置，對對流層中上層的影響弱于對流層下層。全球預報溫度增量在數值上仍然較小，從溫度增量指數角度可以清晰顯示吸收線加密觀測同化對全球數值預報場的影響，并且預報增量指數能夠隨大氣環流形勢合理地演變[27]。對流層中的觀測通道加密以后，分析場的動力學及熱力學變量的RMSE均有所減小，并使業務同化方案中分析場的RMSE進一步減小。在模式背景場B 矩陣和平衡方程等約束下，通道加密觀測信息對通道探測高度以外的大氣變量RMSE 的減小也有正貢獻。因此，對于新一代微波大氣探測儀，精細化觀測通道，提高系統靈敏度和定標精度，利用多星組網，提高觀測頻次，是未來的發展趨勢。

5 結語

風云三號氣象衛星可有效獲取地球大氣環境的三維、全球、全天候、定量、高精度資料，其上搭載的微波濕度計經過了十余年的技術發展和性能考驗，技術和性能指標均達到國際先進水平，并從2014 年9 月起持續為歐洲中期數值天氣預報提供高質量數據支持，為天氣預報（特別是中期數值天氣預報）提供全球的溫、濕、云輻射等氣象參數，同時也為研究全球環境變化，探索全球氣候變化規律，并為氣候診斷和預測提供所需的地球物理參數。日前正在深化論證的第三代極軌衛星風云五號氣象衛星微波大氣探測載荷，將在此基礎上實現全方位探測能力提升以及數據質量質的飛躍，為改善數值天氣預報可靠性提供新的途徑，實現高質量氣象服務。

致謝中國氣象局國家衛星氣象中心在載荷指標體系論證、數據處理與應用方面進行了指導與合作；航天八院上海衛星工程研究所在載荷研制過程中給予指導與支持；航天科工203 所在真空定標試驗過程中通力合作。風云三號衛星微波濕度計項目組的全體人員對微波濕度計的研究與發展付出了努力。