中国科大利用国产风云卫星获取自主可控的全天候地表微波遥感关键数据集

近日，为了服务国家在森林碳汇估算、青藏高原科学考察、大范围干旱监测、森林火灾风险评估和预测等领域的一系列重大需求，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，首次利用再定标后的我国风云系列极轨卫星搭载的微波成像仪高精度历史数据，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。相关工作以“Spatiotemporal variations of Microwave Land Surface Emissivity (MLSE) overChina derived from 4-Year Recalibrated Fengyun 3B MWRI data”为题预发表于Advances in Atmospheric Sciences（中国科技期刊卓越行动计划，影响因子3.16），并获得编辑推荐，在Advances in Atmospheric Sciences官方公众号重点宣传

陆地表面的土壤和植被中蕴含的水分会主动放射出微波辐射。通过搭载在卫星上的微波辐射计可以实现对这种微波辐射强度的测量，这种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，蒸腾作用释放水分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，在生态遥感领域具有重要的价值。

图1.被动微波遥感原理及其在植被遥感方面的应用

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）。

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，实现了在晴空和非降水云条件下中国地区地表微波比辐射率（MLSE）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（图3），10.65、18.7和36.5 GHz水平极化通道的微波地表比辐射率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美国水卫星搭载的AMSR-E观测的类似MLSE数据集高度一致。在季节变化方面，中国地区比辐射率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，积雪对高频波段的比辐射率，如36.5 GHz，存在明显的抑制作用，对于低频比辐射率的影响则较弱。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

国家卫星气象中心副主任张鹏研究员对该研究成果和合作前景给予了高度的评价：“我们在尝试一种“业务+科学家”的模式，卫星中心提供高质量的基础数据，科学家团队在此基础上构建地球物理参量的高级专题遥感产品，冠以科学家团队的名称在风云卫星的业务平台上共享，李锐教授是第一个吃螃蟹的……”。

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。 后续研究团队将应用该成果，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。

李锐教授为被论文的第一作者，国家卫星气象中心张鹏研究员为通讯作者，主要作者包括博士研究生胡继恒，国家卫星气象中心武胜利高级工程师，中科院空天信息创新研究院胡斯勒图研究员，地球和空间科学学院王雨教授等。研究受到国家重点研发计划课题、国家自然科学基金重点项目、中科院“百人计划”项目和江苏省气候变化创新合作中心项目等的资助。

参考文献

Li, R.,and Coauthors, 2022: Spatiotemporal variations of Microwave Land SurfaceEmissivity (MLSE) over China derived from four-year recalibrated Fengyun 3BMWRI data. Adv. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1007/s00376-022-1314-0

原文链接

http://www.iapjournals.ac.cn/aas/en/article/doi/10.1007/s00376-022-1314-0