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Retrieval of snow depth on Antarctic sea ice from the fy-3d MWRI data

Acta Oceanologica Sinica 2023年第12期42卷 105-117页

作者： Zhongnan Yan Xiaoping Pang Qing Ji Yizhuo Chen Chongxin Luo Pei Fan Zeyu Liang Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping Wuhan UniversityWuhan 430079China Key Laboratory of Polar Surveying and Mapping Science Ministry of Natural ResourcesWuhan 430079China

The snow depth on sea ice is an extremely critical part of the *** and understanding changes of snow depth on Antarctic sea ice is beneficial for research on sea ice and global climate *** Microwave Radiation Imager(MWRI)sensor aboard the Chinese FengYun-3d(fy-3d)satellite has great potential for obtaining information of the spatial and temporal distribution of snow depth on the sea *** comparing in-situ snow depth measurements during the 35th Chinese Antarctic Research Expedition(CHINARE-35),we took advantage of the combination of multiple gradient ratio(GR(36V,10V)and GR(36V,18V))derived from the measured brightness temperature of fy-3d MWRI to estimate the snow *** method could simultaneously introduce the advantages of high and low GR in the snow depth retrieval model and perform well in both deep and shallow snow *** on this,we constructed a novel model to retrieve the fy-3d MWRI snow depth on Antarctic sea *** new model validated by the ship-based observational snow depth data from CHINARE-35 and the snow depth measured by snow buoys from the Alfred Wegener Institute(AWI)suggest that the model proposed in this study performs better than traditional models,with root mean square deviations(RMSds)of 8.59 cm and 7.71 cm,respectively.A comparison with the snow depth measured from Operation IceBridge(OIB)project indicates that fy-3d MWRI snow depth was more accurate than the released snow depth product from the *** Snow and Ice data Center(NSIdC)and the National Tibetan Plateau data Center(NTPdC).The spatial distribution of the snow depth from fy-3d MWRI agrees basically with that from ICESat-2;this demonstrates its reliability for estimating Antarctic snow depth,and thus has great potential for understanding snow depth variations on Antarctic sea ice in the context of global climate change.

关键词： snow depth Antarctic sea ice passive microwave fy-3d

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fy-3d MERSI-Ⅱ反射太阳波段长期响应衰减估计及订正方法

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光谱学与光谱分析 2024年第7期44卷 2045-2055页

作者：王玲胡秀清张北徐寒列何兴伟漆成莉张晓涵司一丹徐娜陈林国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) 中国气象局北京100081 许健民气象卫星创新中心中国气象局北京100081 中国气象局遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室中国气象局北京100081

遥感仪器的长期辐射响应衰减估计与订正是提高卫星遥感数据稳定性和准确性的关键。利用MERSI-Ⅱ在沙漠和dCC稳定目标上空的长时间观测数据,建立仪器辐射响应与时间的函数关系模型,并通过逆方差加权平均方法融合两种稳定目标的结果,获取... 详细信息

遥感仪器的长期辐射响应衰减估计与订正是提高卫星遥感数据稳定性和准确性的关键。利用MERSI-Ⅱ在沙漠和dCC稳定目标上空的长时间观测数据,建立仪器辐射响应与时间的函数关系模型,并通过逆方差加权平均方法融合两种稳定目标的结果,获取仪器辐射响应退化量和辐射定标系数的序列估计。辐射响应衰减跟踪监测结果表明,MERSI-Ⅱ自在轨开始业务运行到2022年9月,波长小于500 nm的3个蓝光波段(通道1,通道8—9)和波长大于1000 nm的4个近红外-短波红外波段(通道5—7,通道19)存在明显衰减,年衰减率为1.47%~4.32%。L1级产品精度检验也发现,7个明显衰减通道的业务定标偏差均超过±5%,其中通道5和8偏差最大,约为-20%。应用本研究获取的辐射定标系数序列后,L1产品辐射定标精度随时间变化平稳,定标偏差维持在±3%以内,同时L2级产品精度也明显提升,表明了该研究建立的辐射衰减估计与订正方法的有效性。

关键词：反射太阳波段辐射响应衰减 MERSI-Ⅱ fy-3d 稳定目标

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结合辐射传输模拟与浅层神经网络的fy-3d MERSI影像云识别

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遥感学报 2022年第11期26卷 2136-2146页

作者：金适宽马盈盈龚威叶志伟夏小鱼武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室武汉430072 武汉大学电子信息学院武汉430072 湖北工业大学计算机学院武汉430068

本文结合辐射传输模型和机器学习提出了一种从fy-3d卫星MERSIⅡ传感器光学影像中识别云像元的方法CRMC(Combine Reflectance simulation and Machine learning for Cloud detection)。该方法通过设置变化的地物和大气内在光学特性IOPs(I... 详细信息

本文结合辐射传输模型和机器学习提出了一种从fy-3d卫星MERSIⅡ传感器光学影像中识别云像元的方法CRMC(Combine Reflectance simulation and Machine learning for Cloud detection)。该方法通过设置变化的地物和大气内在光学特性IOPs(Inherent Optical Properties),达到考虑多种下垫面的二项反射特征和不同大气条件下气溶胶和云参数的目的。CRMC方法主要包含3个步骤:(1)通过聚类分析从MOdIS二项反射参数产品中分离出11种典型下垫面地表反射参数;(2)将随机设置的气溶胶和云参数以及地表反射率参数(即IOPs)输入SBdART辐射传输模型,得到模拟的反射率值数据集,并以此训练浅层神经网络模型;(3)利用浅层神经网络模型逐像元预测云概率,并根据实际需要确定区分云像元和非云像元的云概率阈值。通过与CALIPSO垂直特性掩膜产品(VFM)逐像元对比验证发现,CRMC方法总正确率为79.6%,且在陆地和海面上分别为78.5%和81.2%。通过与MOdIS云掩膜产品横向对比(MYd35)发现,当云阈值设定为0.2时,CRMC方法在陆地,主要是阔叶林、农田、城市和裸土等地表上的云识别效果较好,但在海面的云识别效果仍待进一步提高。

关键词：云检测辐射传输模拟神经网络 fy-3d MERSIⅡ

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针对海洋水域的fy-3d MERSI Ⅱ数据质量评估

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光学学报 2021年第12期41卷 11-30页

作者：张靖玮丘仲锋南京信息工程大学海洋科学学院江苏南京210044

为促进MERSI Ⅱ数据在海洋上的应用,采用目前水色遥感主流传感器中的可见光红外光学成像遥感仪器(VIIRS)作为参照,从信噪比(SNR)等方面对MERSI Ⅱ数据质量进行了初步评估。结果显示:MERSI Ⅱ的信噪比在可见光波段高于300,最大可达到900... 详细信息

为促进MERSI Ⅱ数据在海洋上的应用,采用目前水色遥感主流传感器中的可见光红外光学成像遥感仪器(VIIRS)作为参照,从信噪比(SNR)等方面对MERSI Ⅱ数据质量进行了初步评估。结果显示:MERSI Ⅱ的信噪比在可见光波段高于300,最大可达到900,满足水体监测要求;在可见光波段及近红外波段略低于VIIRS,在短波红外波段与VIIRS信噪比相差不大;经辐射定标后的MERSI Ⅱ各波段大气层顶反射率数据与VIIRS数据具有较好的一致性,其决定系数(R2)均高于0.5,其中蓝光波段R2可达0.9以上,平均绝对百分比误差(EMAPE)小于30%。西太平洋区域670~865 nm波段R2约为0.5,EMAPE在5%~15%;中国近岸海域670~865 nm波段R2可达0.8,EMAPE在7%~24%。经简单线性拟合后,MERSI Ⅱ大气层顶反射率数据与VIIRS数据更加接近,可见光波段的EMAPE降至8%,其中,蓝光波段降至3%。上述结果表明,MERSI Ⅱ数据质量与VIIRS具有可比性,可用于海洋遥感应用。

关键词：海洋光学 fy-3d MERSIⅡ VIIRS 信噪比大气层顶反射率

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基于fy-3d卫星的微波与光学陆表温度融合研究

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气象 2024年第1期50卷 1-17页

作者：刘勇洪翁富忠徐永明韩秀珍段四波唐世浩叶成志中国气象局地球系统数值预报中心北京100081 灾害天气国家重点实验室北京100081 南京信息工程大学遥感与测绘工程学院南京210044 国家卫星气象中心北京100081 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所北京100081 湖南省气象局长沙410118

目前还没有基于国产卫星的1 km分辨率的全天候陆表温度(LST)产品,fy-3d卫星提供了中分辨率成像仪(MERSI)Ⅱ型1 km分辨率晴空LST产品与微波成像仪(MWRI)25 km全天候LST产品,因此可结合两者优势开展全天候1 km分辨率LST的融合研究。基于... 详细信息

目前还没有基于国产卫星的1 km分辨率的全天候陆表温度(LST)产品,fy-3d卫星提供了中分辨率成像仪(MERSI)Ⅱ型1 km分辨率晴空LST产品与微波成像仪(MWRI)25 km全天候LST产品,因此可结合两者优势开展全天候1 km分辨率LST的融合研究。基于地理加权回归(GWR)方法,选择海拔、fy-3d归一化植被指数和归一化建筑指数等建立GWR模型对fy-3d/MWRI 25 km LST降尺度到1 km,并与MERSI 1 km LST进行融合;同时针对MWRI轨道间隙,利用前后1天融合后的云覆盖像元1 km LST进行补值,可以得到接近全天候下的1 km LST。基于以上融合算法,选择了中国区域多个典型日期fy-3d/MERSI和MWRI LST官网产品进行了融合试验,并利用公开发布的全天候1 km LST产品(TPdC LST)对fy-3d 1 km LST融合结果进行了评估。研究结果表明,基于GWR法的LST降尺度方法,可以有效避免传统微波LST降尺度方法中存在的“斑块”效应和局地温度偏低等问题;LST融合结果有值率从融合前的22.4%~36.9%可提高到融合后69.3%~80.7%,融合结果与TPdC LST的空间决定系数为0.503~0.787,均方根误差为3.6~5.8 K,其中晴空为2.6~4.9 K,云下为4.1~6.1 K;分析还表明目前官网产品fy-3d/MERSI和MWRI LST均存在缺值较多与精度偏低等问题,显示其存在较大改进潜力,这有利于进一步改进fy-3d LST融合质量。

关键词： fy-3d MERSI-Ⅱ fy-3d MWRI 全天候陆表温度地理加权回归

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基于fy-3d微波成像仪的中国陆地区域地表温度反演及验证

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大气科学学报 2022年第1期45卷 112-123页

作者：王博郭鹏孟春红王琦山东农业大学信息科学与工程学院山东泰安271018

地表温度是地表与大气热量平衡中的关键参数,在气候、生态、水文等研究领域发挥着重要作用。选取2019年11月—2020年10月风云三号d星(fy-3d)微波成像仪亮温数据,对其进行数据重采样和异常像元剔除等预处理,采用UMT(University of Montan... 详细信息

地表温度是地表与大气热量平衡中的关键参数,在气候、生态、水文等研究领域发挥着重要作用。选取2019年11月—2020年10月风云三号d星(fy-3d)微波成像仪亮温数据,对其进行数据重采样和异常像元剔除等预处理,采用UMT(University of Montana land surface retrieval algorithm,蒙大拿大学地表反演算法)微波反演算法中的物理模型反演中国区域地表温度,并利用fy-3d微波成像仪业务地表温度产品以及中国地面国家交换站的166个站点实测数据对反演结果进行了验证与分析。结果表明:同fy-3d微波成像仪业务地表温度产品相比,UMT反演结果在保证反演精度的同时,反演的数据量得到增加;在水陆混合像元地表温度反演结果验证中,UMT反演结果验证精度随像元内开放水体比例增大而提高,在[0.1,0.2)开放水体比例区间,UMT反演结果均方根误差与无偏均方根误差达到最小值,分别为4.239、4.233℃;当像元内开放水体比例较大时,UMT反演结果仍能较好地反映站点实测数据的时间序列变化;UMT反演结果能够反映中国地区地表温度的变化趋势与分布模式,同时补足了fy-3d微波成像仪业务地表温度产品在有较高开放水体比例像元内的数据缺失。

关键词：被动微波遥感地表温度 fy-3d UMT算法开放水体比例

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基于fy-3d/MERSI-Ⅱ的积雪面积比例提取算法

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遥感技术与应用 2018年第6期33卷 1004-1016页

作者：赵宏宇郝晓华郑照军王建李弘毅黄广辉邵东航王轩高扬雷华锦中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049 中国科学院黑河遥感试验研究站甘肃兰州730000 国家卫星气象中心北京100081 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心江苏南京210023 电子科技大学四川成都611731 太原理工大学山西太原030024

风云三号d星(fy-3d)是我国新一代极轨气象卫星。中分辨率光谱成像仪(MERSI-Ⅱ)是其携带的核心传感器之一,fy-3d对于全球数值天气预报、大气定量探测以及气候变化监测等具有重要意义。积雪面积比例产品是众多陆面产品之一,是水文模型和... 详细信息

风云三号d星(fy-3d)是我国新一代极轨气象卫星。中分辨率光谱成像仪(MERSI-Ⅱ)是其携带的核心传感器之一,fy-3d对于全球数值天气预报、大气定量探测以及气候变化监测等具有重要意义。积雪面积比例产品是众多陆面产品之一,是水文模型和区域气候模型的主要输入参数。基于MERSI-Ⅱ数据发展了业务化提取积雪面积比例的算法,算法核心是混合像元分解。空间光谱端元提取(SSEE)的方法自动提取端元,全约束最小二乘法(FCLS)求解线性混合模型。解混结果叠合云掩膜得到fy-3d/MERSI-Ⅱ积雪面积比例数据(fy-FSC)。以Landsat 8的积雪面积比例数据(L-FSC)作为参考值对fy-FSC进行验证,同时将fy-FSC和MOdIS积雪面积比例数据(M-FSC)进行比较。结果表明:fy-FSC的总体相关系数(R)为0.54,均方根误差(RMSE)为0.17,绝对平均误差(AME)为0.10;M-FSC总体R为0.41,RMSE为0.26,AME为0.29;利用积雪面积提取的精度评价因子K比较fy-FSC和M-FSC获取的总积雪面积的精度。结果表明:fyFSC和M-FSC数据的平均K值分别为88.51%和86.78%,fy-FSC精度高于M-FSC。fy-FSC将作为试验参数纳入fy-3d/MERSI-Ⅱ积雪覆盖业务产品中,可填补国产卫星业务化反演积雪面积比例参数的空白。

关键词： fy-3d MERSI-Ⅱ 端元提取混合像元分解积雪面积比例

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Test and Calibration for MWHTS Payload onboard Chinese fy-3d Satellite

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遥感科学（中英文版） 2016年第1期4卷 14-22页

作者：何杰颖张升伟 Key Laboratory of Microwave Remote Sensing National Space Science CenterChinese Academy of SciencesBeijing 100190China

The Microwave Humidity and Temperature Sounder(MWHTS)is the main payload of FengYun 3d(fy-3d),designed for atmospheric humidity and temperature sounding,and also for monitoring severe weather systems such as typhoons and rainstorms which will be launched in *** the launch of MWHTS,a series of experiments will be conducted in normal environment and a thermal/vacuum(T/V)chamber to determine radiometric characteristics of each channel,which are of very importance before the *** this paper,design and component description,as well as technical specifications and test results for RF and IF,will be *** T/V calibration results,such as bandwidth correction,nonlinear error,calibration accuracy and sensitivity for all channels.

关键词： Index Terms MWHTS fy-3d calibration

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fy-3d微波温度计资料同化对西南涡数值预报的影响

FY-3D微波温度计资料同化对西南涡数值预报的影响

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作者：杨子慧南京信息工程大学

学位级别：硕士

西南低涡是我国最强烈的暴雨系统之一,其带来的灾害性天气破坏性强,影响范围较大。但高原地区的常规观测资料网稀疏,同化卫星观测资料对西南涡的预报是有益的补充。卫星资料对于提高数值天气预报准确性的作用已被广泛认可,但是,利用风... 详细信息

西南低涡是我国最强烈的暴雨系统之一,其带来的灾害性天气破坏性强,影响范围较大。但高原地区的常规观测资料网稀疏,同化卫星观测资料对西南涡的预报是有益的补充。卫星资料对于提高数值天气预报准确性的作用已被广泛认可,但是,利用风云三号d星(fy-3d)微波温度计二型(Microwave Temperature Sounder-2,MWTS-II)资料进行资料同化对西南低涡降水预报的影响目前尚不清楚。为研究同化fy-3d MWTS-II资料对西南涡数值预报的影响,本文利用fy-3d MWTS-II资料及中分辨率光谱成像仪(MERSI-II)云检测段产品进行云检测,并针对高原区域,设计了质量控制及偏差订正。在此基础上,利用中尺度气象模式(Weather Research and Forecasting,WRF模式)及中尺度气象模式数据同化系统(Weather Research and Forecasting data Assimilation,WRFdA同化系统)对两次西南低涡降水过程进行同化研究,分析同化试验的改善效果。本文的研究结论如下:(1)本文根据前人研究及MWTS-II仪器特性,对MWTS-II在高原地区的误差特征进行全面分析,形成MWTS-II质量控制和偏差订正方案。质量控制方案有效剔除被云、卫星观测角度、地表等因素影响的数据;利用WRFdA的变分偏差订正模块(VARBC模块)进行变分偏差订正可以使偏差订正后观测残差的标准差减小,系统性偏差得到有效消除,满足资料同化的需求。(2)本文选取两个产生强降水的典型西南涡个例,WRF模式可以较好的模拟出两个例的天气系统情况,试验区域内卫星数据量充足。设计了一组控制试验(CTRL试验)及三组同化试验,同化了MWTS-II通道4至通道9的数据;对比分析降水预报结果与降水实况的差异得出:两个例的CTRL试验可以基本模拟出雨带的位置,对大雨至大暴雨位置及雨量的模拟有待改进;同化MWTS-II数据对预报小雨及中雨量级的降水有微弱的调整效果;在预报大雨、暴雨及大暴雨量级的降水方面有较为明显的正优化作用。(3)对比分析各高度场上四组试验与实况数据的温度及湿度均方根误差得出:三组同化试验的温度场均在650 h Pa至250 h Pa之间改善最明显,湿度场在800 h Pa至600 h Pa之间有改善但效果较弱;同化MWTS-II数据可有效改善温度及湿度的预报场。利用TS评分对预报结果进行评估得出:同化MWTS-II资料可以有效改善数值预报的初值,使得同化效果更为准确。

关键词： fy-3d 微波温度计西南低涡资料同化降水预报

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基于fy-3d数据的极地海冰分类算法研究

基于FY-3D数据的极地海冰分类算法研究

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作者：殷千惠南京信息工程大学

学位级别：硕士

海冰是北极地区及其重要的环境因子之一,对全球及极地的气候、生态等有着重要影响,海冰类型作为表征海冰生成和发展过程的不同形式,能够为海冰参数反演、海上航道选择、全球气候预测等方面提供基础信息。我国自主研发的气象卫星fy-3d(Fe... 详细信息

海冰是北极地区及其重要的环境因子之一,对全球及极地的气候、生态等有着重要影响,海冰类型作为表征海冰生成和发展过程的不同形式,能够为海冰参数反演、海上航道选择、全球气候预测等方面提供基础信息。我国自主研发的气象卫星fy-3d(Fengyun-3d)具有较强的海冰监测能力,但目前基于该卫星的极地研究较少,尤其是极地海冰分类方面的研究尚显不足,且目前的海冰分类算法忽视了由于积雪过深引起的下垫面信息缺失的情况。因此亟需探究fy-3d的极地海冰分类可行性,并进一步探讨积雪存在情况下的海冰分类流程。本文基于fy-3d所搭载的中分辨率光谱成像仪MERSI(Medium Resolution Spectral Imager)和微波成像仪MWRI(Microwave Radiation Imager)数据开展了北极冰雪研究,并提出了fy-3d/MWRI的雪深反演算法和fy-3d/MERSI的海冰分类算法。本文研究内容如下:(一)对比现有积雪深度半经验反演算法,并基于误差特征(高低估偏差)使用最小二乘法对一年冰上积雪深度算法进行融合改进,消除偏差影响,形成积雪深度融合反演算法,经实测数据验证,融合后的雪深反演算法所得结果的RMSE为9 cm,较原算法存在1-2 cm的提高。其次结合MWRI现有波段对算法进行移植使用,构建了基于MWRI的雪深反演算法,结合OIB(Operation Ice Bridge)实测数据表明,该结果的RMSE为8-10 cm,同时与现有算法及业务化产品进行对比,对比结果表明该算法在雪深检测方面具有更高的准确性。(二)基于多通道固定阈值探究了晴空条件下海冰提取算法,完成了云检测算法的构建,经产品对比,其准确度可达0.85以上。其次结合一年冰与多年冰光谱特征完成差异性探究,提出了(B-R)/(B+R)、(B-G)/(B+G)、(R-N)/(R+N)三组判别因子,并结合动态阈值法完成极地海冰初分类,其准确度在0.75-0.98范围内,平均准确度可达0.93。然后,结合雪深结果完成海冰类型修正,形成一年冰、多年冰和模糊区三部分,经OSI SAT海冰类型产品对比验证,结果表明其准确度为0.80-0.99,且平均准确率高达0.95,与改进前相比具有明显上升。综上所述,本文主要结合实测数据对现有雪深反演算法进行了准确性评估,并提高了积雪深度反演算法反演精度;其次完成了海冰分类算法的理论研究。

关键词： fy-3d 北极海冰类型积雪深度

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