基于双差分模型的星载微波辐射计亮温校正方法研究

The space-borne microwave radiometer as an passive microwave sensor working at all day and all weather can extract the global sea surface temperature, sea surface wind speed and other environment parameters of ocean and atmospheric by observing brightness temperature data. Therefore, the calibration accuracy of brightness temperature will directly affect the retrieval accuracy of these ocean environmental parameters. With vicarious calibration using typical objects, the existing surface emissivity model parameters can not be fully applicable to of the actual observation angle and frequency. While inter-calibration limitations is due to the difference of observation geometry and frequency between different radiometers. In this study, the brightness temperature collocated dataset between AMSR2 observations and theoretical simulations based on the marine-atmospheric radiative transfer model is set up for the HY-2 microwave radiometer L1B data with the microwave radiative characteristics of tropical rain forest region and global calm sea surface; To correcting the L1B data of HY-2 microwave radiometer, the double difference calibration model of the brightness temperature is developed by using the collocated dataset; Then, the retrieval accuracy of calibrated brightness temperature are validated with the global buoy data and reanalysis data, and the robustness of methodology of double difference calibration is evaluated. This research finding will complement the space-borne radiometer vicarious calibration method, which is significant for the improvement of precision for the HY-2 series microwave radiometer environmental parameters.

星载微波辐射计作为一种全天时、全天候的被动微波遥感器利用获得的亮温数据可以提取全球海面温度、海面风速等海洋大气环境参数，因此亮温定标精度将直接影响海洋环境参数反演精度。利用典型地物进行亮温替代定标时，现有表面发射率模型参数无法完全匹配微波辐射计实际观测角和频率；而星星交叉定标局限同样在于不同辐射计频率、观测几何等参数的差异。本项研究针对HY-2微波辐射计在轨期间亮温数据，利用热带雨林区域和平静海面等典型地物的微波辐射特性，结合海洋-大气辐射传输模型，建立理论模拟亮温与AMSR2实测亮温时空匹配数据集，开展亮温双差分校正模型研究，实现对HY-2辐射计亮温校正；利用全球浮标数据和再分析数据检验双差分校正后亮温的反演精度，评估双差分定标方法的鲁棒性。本项目研究成果可以完善星载辐射计替代定标方法，对改进HY-2系列后续星载辐射计环境参数反演精度具有重要意义。

星载微波辐射计观测得到的亮温数据可以提取全球海面温度、海面风速等海洋大气环境参数，亮温定标精度将直接影响海洋环境参数反演精度。传统定标方法，如地物替代定标、星星交叉定标，受限于不同星载辐射计的观测角、观测频率，会在定标过程中引入误差。本研究以海洋-大气系统辐射传输为理论基础，在传统星星定标方法中引入“双差分模型”概念，有效解决了定标过程中不同辐射计特征参数（入射角、频率和极化方式）差异的局限性，实现了精准快速的对星载辐射计亮温数据进行评估与校正。.本研究从辐射传输理论出发，对无降雨条件下经典大气吸收系数模型中大气主要成分的吸收衰减影响进行了研究；分析了泡沫对粗糙海面发射率的影响，研究发现当泡沫厚度超过1cm时，所有通道的发射率均达到饱和趋近于1；并重建了基于小斜率近似（SSA）的微粗糙泡沫覆盖海面散射率模型。结合大气吸收与海面发射率模型的研究结果，利用Matrix-doubling矢量辐射传输方法，实现了对多通道亮温理论模拟计算，并给出了微粗糙海面亮温初猜模型。选取准平静全球大洋海面作为低温参考源，采用最冷亮温直方图方法分析了模拟的定标参考值稳定性，结果显示受到海面温度和水汽的影响，23.8V和36.5V两个通道的变化幅度较其他通道大很多，分别达到了4.7K和3.4K。对于选取地物目标模拟高温参考源，利用归一化植被指数（NDVI）分析了亚马逊地区目标均匀性，以极化亮温差为判据给出了有效定标窗口，分析结果显示所选区域内参考亮温值年同期变化小于0.8K。.基于以上研究结果，我们建立了理论模拟亮温与AMSR2实测亮温的匹配数据集，作为改进的双差分线性定标模型的输入，对同期HY-2微波辐射计全球观测亮温数据进行了校正。为验证校正方法的有效性，将矫正后的多通道亮温带入Wentz（1999）物理统计反演模型得到海面温度与风速。利用Argo浮标数据和NDBC浮标数据与反演结果进行比对，结果显示相较于未经校准亮温反演的海面温度与风速，其精度分别提升了9.6%和15.3%。本项目研究成果可以补充星载辐射计替代定标方法，对改进HY-2系列后续星载辐射计环境参数反演精度具有重要意义。