● 文 |国家卫星海洋应用中心 黄磊 周武 石立坚 奚萌

海洋二号卫星A星（HY-2A）是我国自主研制的海洋动力环境卫星，其上搭载的扫描微波辐射计，具备5个频率、9个观测通道，通过圆锥扫描的方式,对海面和大气等目标进行全天时全天候探测，定量化获取海面温度、海面风场、大气水蒸气含量、大气液态水含量、海冰等海洋大气物理参量，直接为海洋防灾减灾、海洋环境保护、海洋科学研究以及国防建设提供服务支撑。

一、HY-2A卫星扫描微波辐射计

HY-2A卫星扫描微波辐射计设计有6.6GHz、10.7GHz、18.7GHz、23.8GHz和37GHz 5个观测频段，除了23.8GHz仅有垂直极化通道外，其他4个频率都有垂直和水平极化双通道，HY-2A卫星扫描微波辐射计详细指标参数参见表1。

整个辐射计采用两组馈源设计，通过一个1m的抛物面天线，对地球表面进行扫描观测，在卫星前进方向上大约±70°的前视方位角范围内提供1600km扫描刈幅宽度，一天可以覆盖全球90%以上的海域面积，除了极区外，在不到两天的时间内，结合升轨和降轨可以将全球覆盖一次，同时测量海面温度、海面风场、大气水蒸气含量、大气液态水含量和海冰等海洋大气物理参量，并兼具实时、全球和全天候的观测特性，在美国地球观测卫星系统（EOS）中ADEOS-II卫星上搭载的高级微波扫描辐射计（AMSR-E）停止工作后，HY-2A卫星微波辐射计成为当时全球唯一在轨运行的同类型微波辐射计。为数值气象预报模式提供初始场，有效提升了预报模式精度，并为极地海冰监测、风暴潮监测、海气互作用研究等方面提供了重要数据源和基础支撑。

表1 HY-2A 扫描微波辐射计仪器指标参数

二、HY-2A卫星亮温观测

HY-2A卫星扫描微波辐射计观测的主要是来自于海面和大气的微波辐射，通过星上两点定标的方式，以冷空天线反射的宇宙背景辐射为冷源，以星上的恒温辐射黑体为热源，结合馈源观测的电压值信号，计算进入天线的地球辐射亮温。5个频率、9个通道，频率越高，其观测分辨率越高。图1为9个通道观测的亮温图像。5个频率分别对应不同海洋大气参数的测量，其中6.9GHz通道主要用于海面温度的观测，10.7GHz和18.7GHz主要用于海面粗糙度的测量，可以用来反演海面风速，23.8GHz和37GHz通道则更侧重于大气中水蒸气和液态水含量的测量，通过多通道联合同步观测，能够消除大气对海面微波辐射的影响，获取海面辐射发射和反射信息，进而可以反演得到海面温度和海面风速等海洋动力环境信息。

受限于设计方法和结构，HY-2A卫星扫描微波辐射计冷空反射面小于主反射面，在冷空观测过程中，主反射器反射的地球信号不可避免地绕过冷空反射器进入观测馈源，对冷空观测带来一定的影响，从而影响了低频观测通道的观测亮温结果。周武等[1]基于辐射计观测几何，建立了地面观测亮温的冷空反射器权重系数矩阵，修正冷空观测信号。赵屹立等[2]通过误差分析，建立统计再定标算法，对观测亮温进行了修正，消除了亮温中的季节变化误差和总体偏差，提升了HY-2A卫星扫描微波辐射计海面亮温观测的精度。黄磊等[3]利用Backus-Gilbert（BG）算法，对HY-2A卫星扫描微波辐射计各频率观测亮温进行了重采样，解决了辐射计多通道观测地面像元位置和分辨率不匹配的问题，并且不另引入噪声。

三、海洋参数反演

利用HY-2A卫星扫描微波辐射计多通道观测亮温，可以反演得到多个海洋和大气物理参数，主要的反演方法包括多源线性回归算法、非线性叠代算法和发射后现场回归算法，前两种算法是用辐射传输理论进行推导的物理算法，第三种统计算法则是在不考虑物理意义的情况下，根据实测进行统计回归。周武等[1]基于辐射传输模型，根据全球经验数据库，结合全球不同区域和时期的海水盐度、海面温度、海面风速、风向、水汽含量和液水含量的组合，计算9个通道的亮温值，建立半物理半经验的反演算法，通过与windsat产品的比对，海面温度的均方根误差在1.45℃，海面风速的均方根误差为1.34 m / s，图2-图4为HY-2A卫星扫描微波辐射计海面温度、海面风速和大气水蒸气含量日观测结果图。

四、典型应用

1. 海面温度融合及应用

HY-2A卫星扫描微波辐射计每天能够获取全球80%海域的海面温度信息，利用最优插值算法和时空权重插值法对HY-2A卫星微波扫描辐射计海表温度数据和 EOS/MODIS 等卫星的海温数据进行融合，可以使一天覆盖的卫星数据在不降低分辨率的基础上融合为100%覆盖全球海域，弥补了HY-2A卫星数据不能单天覆盖全球海域的缺憾，并作为初始场应用到海温数值预报系统中（图5），提高了海温数值预报的精度和时效性，并通过中央电视台、网络等媒体向公众发布。图6为每周六中午在中央电视台新闻频道“海洋预报”节目中滚动播放最新一周每天白天的HY-2A卫星海表温度数据。

2.台风监测

微波辐射计不受云的影响，在台风发生期间，能够透过云层观测到台风区域内部的信息，是台风跟踪监测的重要手段之一。国外的微波辐射计进行台风监测主要依据89GHz频段可以有效观测到台风降水，由于HY-2A卫星扫描微波辐射计没有89GHz频段，但搭载的37GHz频段对大气云层和水汽含量也很敏感，通过亮温可以观测到降雨云层的形态，从而捕捉到台风的形态，图7为2016年7月7日和8日在“尼伯特”台风登陆台湾岛时，通过HY-2A卫星扫描微波辐射计37GHz垂直极化和水平极化亮温图像分辨出台风的螺旋形态，为台风影响区域降雨强度估算提供了依据。

3.极地海冰监测

极地海冰作为气候系统中的敏感因子，受大气和海洋条件的影响，同时通过改变表面反照率、大气与海洋之间的热量、水汽和动量交换以及深水层的上层海洋层结，反过来影响气候，它的反照率高达80%以上，其时空变化构成了北半球高纬度气候干扰的一个诱发因子，是研究全球气候变化的重要影响因素之一。利用HY-2A卫星扫描微波辐射计可连续监测极地海冰密集度变化，图8为2012年11月10日HY-2A卫星观测到的南北极海冰密集度产品，通过长周期的连续观测，可以对极地海冰漂移、海冰融化进行跟踪监测，为研究极地海冰季节变化、年际和年代变异特征、预测气候变化趋势等提供重要的数据资源。

4. 远洋渔业渔情分析与预报

HY-2A卫星扫描微波辐射计能够每日提供全球海洋的海面温度产品，特别是为在西北和东南太平洋区域中探测大洋渔场提供支持。通过HY-2A卫星的观测，结合国外海洋卫星资料，可以对全球三大洋业务化渔情分析与预报提供海面温度、海面风速等海况信息支撑，为近实时在线的海况分析和渔情预报提供数据资源，为我国远洋鱿钓渔船、金枪鱼延绳钓渔船、大型拖网渔船和金枪鱼围网渔船的科学生产提供技术支撑，取得了显著的经济效益。图9为利用HY-2A卫星观测的海面环境参数开展的东南太平洋智利竹莢鱼作业渔场渔情预报结果。

五、发展展望

HY-2A卫星已在轨运行将近7年，其搭载的扫描微波辐射计为全球海洋气候环境预报、防灾减灾、远洋渔业等方面提供了大量的支撑数据。通过微波辐射计海洋参数监测及业务应用，掌握了微波辐射计全球海洋观测中的重要关键技术，积累了大量的亮温观测及校正技术方面的经验。我国即将发射海洋二号卫星B星（HY-2B），其搭载的扫描微波辐射计将与HY-2A卫星形成组网观测，提供更高覆盖频次和时效的观测数据，为海洋遥感应用服务。

[1]周武，林明森，李延民，等. 海洋二号扫描微波辐射计冷空定标和地球物理参数反演研究[J]. 中国工程科学，2013(7)：75-80.

[2]Yili Zhao, Huimin Li, Chuntao Chen, Jianhua Zhu,“Verification and ReCalibration Testing of HY-2A Microwave Radiometer Brightness Temperature”,submitted to Remote Sensing.

[3]黄磊，周武，李延民. HY-2卫星扫描微波辐射计多通道分辨率匹配技术研究[J]. 中国工程科学，2014(6)：65-69.