空间中心科研人员在利用被动微波遥感探测反演热带气旋海面气压研究方面取得重要进展
　　热带气旋的海面气压场数据能够反映气旋的强度、结构和尺度特征，在热带气旋分析中起关键作用。另外，气压场反映的水平气压梯度力是热带气旋移动的主要动力，气压场数据是热带气旋移动路径和发展趋势预报的重要参考数据。过去，海上热带气旋气压的观测主要依赖于飞机投放无线电探空仪进行观测。然而下投探空仪仅能提供有限的点的气压信息，并且难以落到眼区进行中心气压的观测。
　　2018年，国家空间科学中心微波遥感技术院重点实验室的张子瑾、董晓龙创新性的提出一种基于被动微波遥感的海面气压测量理论和方法，实现全球海面气压高时空分辨率测量，成果发表在国际地球科学领域著名期刊Journal of Geophysical Research：Ocean上。最近，该项研究又取得重要进展，他们最新的研究成果将这种方法从中低海况海面气压场进一步发展到热带气旋等高海况条件，为台风、飓风的预报、分析和灾害预警、监测与评估提供关键数据。针对热带气旋条件下大气温湿度异常对海面气压反演的影响，该项研究提出了一种同时使用微波辐射计观测亮温和热带气旋暖心亮温距平反演热带气旋海面气压场的算法。他们使用美国新一代极轨气象卫星SNPP搭载的50~60 GHz微波辐射计ATMS和我国FY-3C卫星搭载的118GHz微波辐射计MWHTS实测数据实现了热带气旋海面气压场反演，经过与分析数据、现场观测数据的比较，表明算法对热带低压或热带风暴、台风或飓风以及强台风或强飓风的中心气压的估计精度分别优于6.0 hPa、8.0 hPa和10.0 hPa，内核区域估计精度分别优于4.0hPa、5.0hPa和8.0hPa。上述高风速（15m/s<风速）和极高风速条件下（风速>26 m/s）的气压反演精度远高于目前利用风场数据的间接推演精度。
　　此项研究是国际上首次实现热带气旋海面气压场遥感探测直接反演，能够为热带气旋预报和分析人员实时提供高时空分辨率、高精度的热带气旋海面气压场数据，具有重大意义。研究成果近日发表于地球物理学国际权威期刊Journal of Geophysical Research：Oceans。
　　文章及链接：
　　Zhang, Z., Dong, X., Hon, K. K., & Liu, L. (2019). Tropical cyclone surface pressure field estimation using satellite passive microwave observations over the oceans. Journal of Geophysical Research: Oceans, 124. http://doi.org/10.1029/2019JC015136
　　http://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2019JC015136
　　图一：(a)(c)(e)SNPP/ATMS数据反演的台风“山竹”(1822)在2018年9月13日05时18分、9月14日17时31分和9月16日06时04分的海面气压场 (b)(d)(f)对应时刻的NCEP GDAS/FNL表面气压场
　　图二：(a)(c)(e)(g)(i)FY-3C/MWHTS数据反演的台风“山竹”(1822)在2018年9月8日23时33分、9月10日12时08分、9月11日11时54分、9月12日00时29分和9月14日12时51分的海面气压场 (b)(d)(f)(h)(j)对应时刻的NCEP GDAS/FNL表面气压场
　　图三：(a)由SNPP/ATMS数据反演得到的中心气压与现场观测数据的对比 (b)热带气旋内核区域反演结果与现场观测数据的对比 (c)热带气旋外围反演结果与现场观测数据的对比
　　图四：(a)由FY-3C/MWHTS数据反演得到的中心气压与现场观测数据的对比 (b)热带气旋内核区域反演结果与现场观测数据的对比 (c)热带气旋外围反演结果与现场观测数据的对比
　　

空间中心1篇博士毕业论文入选2019年度中国科学院优秀博士学位论文
　　近日，2019年度中国科学院优秀博士学位论文和优秀导师奖评审揭晓。中科院国家空间科学中心微波室2018届博士毕业生蒋茂飞的毕业论文《HY-2A卫星雷达高度计测高误差校正和海陆回波信号处理技术研究》被评为2019年度中国科学院优秀博士学位论文，他的导师许可研究员荣获2019年度中国科学院优秀导师奖。在此对获奖的博士生及其导师表示热烈祝贺。望广大师生以他们为榜样，为空间中心增光添彩！
　　中国科学院优秀博士学位论文是为激励博士研究生开展原创性的科学研究工作而设立的专门奖项，评选工作每年进行一次，每年评选出不超过100篇的优秀博士学位论文。
　　

　　2019年9月9日，中法海洋卫星在轨测试在北京通过评审。2018年10月29日成功发射入轨以来进行的卫星和有效载荷测试结果表明，该卫星工作稳定，各项功能和性能符合研制总要求。作为主载荷的微波散射计工作稳定，遥感数据质量良好，已经具备投入业务应用能力。数据处理产品经过与中外多种浮标和多卫星反演产品比较检验，其精度优于设计要求，微波散射计全球后向散射系数空间分辨率达到10.5千米，海面风场产品空间分辨率12.5千米，精度优于1.5米/秒，处于世界领先水平。中法海洋卫星微波散射计是国际上首个采用扇形波束扫描体制的新型雷达散射计，具有观测视角多、分辨率高的特点，在轨测试结果表明，其对台风和近海风场的观测能力具有优势。试运行期间，该卫星获取的全球海面风场、海浪谱产品在台风、飓风、海浪、南北极海冰监测示范应用中效果显著，应用潜力巨大。
　　图一：全球海面风场专题图（图片来源：国家海洋局）
　　中法海洋卫星由中法双方团队联合研制。中方唯一载荷微波散射计由中国科学院国家空间科学中心负责研制，法方载荷雷达波谱仪由法国国家空间研究中心负责研制，中法海洋卫星由航天东方红卫星有限公司抓总研制，自然资源部国家卫星海洋应用中心负责开发地面应用系统与数据研究应用。中法海洋卫星于2018年10月29日在酒泉成功发射，当日国家主席习近平同法国总统马克龙互致贺电，祝贺卫星发射成功。
　　图二：2019年第8、9、10、11、12、13号台风路径（图片来源：国家海洋局）
　　中法海洋卫星成功发射是两国航天合作最新成果，通过获取全球海浪谱、有效波高、海面风场等海洋动力参数，可以更好地了解、认识和掌握海洋动力过程及变化规律，为海洋预报提供海浪谱、海面风场等多参量的初始场信息，改进海况预报及同化模型，提高对巨浪、热带风暴、风暴潮等灾害性海况预报的精度与时效；并实现海浪、海面风场两种重要的海洋参数的大面积同步监测，为海洋科学研究、全球气候变化提供实测数据和积累长时间序列历史数据。
　　图三：中法海洋卫星在轨演示图（图片来源：法国国家空间研究中心）

地球观测与导航重点专项“大气海洋环境载荷星上处理及快速反演技术”项目顺利通过中期检查
　　2019年4月2日，国家重点研发计划“地球观测与导航”重点专项“大气海洋环境载荷星上处理及快速反演技术”项目,在北京通过了中期检查。“地球观测与导航”专项总体专家组专家、同行专家、项目负责人、项目参研单位的研究骨干及“地球观测与导航”重点专项管理办公室（以下简称“专项办”）成员共计40余人参加了本次会议。
　　本次检查采用会议和现场检查相结合的方式。会上，专项办介绍了中期检查的内容、要求和检查程序，并对专家履职尽责方面提出了具体要求。检查专家组听取了项目负责人董晓龙研究员关于项目中期进展情况的汇报，现场查验了星上处理原理样机及核心模块，就项目执行中存在的问题对项目负责人进行了质询。专家组对项目取得的阶段性成果给予了肯定，并一致认为项目完成了任务书规定的中期目标任务，达到了中期考核的指标要求。建议进一步分析各类应用场景，针对性的开展星上处理系统集成，希望项目组重视项目成果验收测试方法的论证和评审，同时加大预算执行率。
　　该项目面向大气海洋环境监测与预警服务对参数星上快速处理的需求，研究星上处理与快速反演数据与产品的应用模式，突破大气海洋环境参数快速反演、灾害性天气快速检测、星上处理平台与算法映射等关键技术，开展应用试验验证评估，为新型遥感卫星星上处理系统实现与应用提供关键技术支持。
　　

天宫二号三维成像微波高度计在轨运行888天，取得一系列亮点成果
　　随着2019年2月20日新一轮对地观测周期的结束，天宫二号三维成像高度计已在轨888天。迄今为止，天宫二号高度计已经获得了大量重点海区和典型陆地区域的观测数据。在海洋观测中，在进行海平面高度测量的同时，观测到了大量海面雨团、强降雨、内波、海洋锋面、涌浪、溢油、涡旋、浅海地形调制等典型海洋现象，这些观测数据将在海洋环境和海洋科学研究中发挥独特作用。在陆地观测中，天宫二号三维成像高度计成功获取了我国青藏高原湖泊以及大量的内陆湖泊、江河水体、典型沙漠、亚马逊热烈雨林等典型地表的观测数据。初步研究表明，其对较大湖泊水位高度变化的监测能力强于在轨的雷达高度计。由于对水体高度敏感，天宫二号高度计展现了对海岸带的独特观测能力。
　　近日，国家海洋局第二海洋研究所、国家卫星海洋应用中心和中科院国家空间科学中心研究人员在天宫二号高度计海面风速反演方法研究中取得了进展，实现了海面风速的高精度反演，研究成果最近在遥感领域重要期刊IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN APPLIED EARTH OBSERVATIONS AND REMOTE SENSING上发表。
　　星载雷达高度计是一种能够以厘米级的精度精确测量海平面高度的微波遥感器，是海洋动力环境观测的主要遥感器之一，其在海洋科学、海洋环境观测和预报、全球气候变化研究中发挥着不可替代的作用。
　　2016年9月15日22:04分，由中科院国家空间科学中心微波遥感技术院重点实验室研制的天宫二号三维成像微波高度计（以下简称天宫二号高度计）随天宫二号空间实验室在酒泉卫星发射基地发射升空，成为了国际上第一个突破传统星载高度计只能进行星下点沿飞行方向一维线观测、刈幅只有数公里的局限，单侧幅宽达到了数十公里、海平面高度相对测量精度达到厘米级、绝对测量精度达到分米级的宽刈幅雷达高度计（如果轨道高度800公里以上则能够实现单侧100公里以上的观测幅宽）。天宫二号高度计在实现宽刈幅海面测高的同时，可对海面三维形态以及海洋内波进行观测，还可对海面风速和海面有效波和波向进行测量。天宫二号高度计以前所未有的1-8度视角从太空对地球海洋和陆地进行雷达干涉成像观测，以这一独特的视角所获取的观测数据呈现了许多独特现象，例如对海面和陆表水体呈现强散射，有利于对地球水体的观测，对沙漠的干涉观测数据呈现出很好的相干性。
　　天宫二号高度计是继美国NASA奋进号航天干涉SAR（SRTM）试验（2000年）、欧空局测冰卫星Cryosat-2（2010年）的SIRAL之后国际上第三个星载双天线干涉雷达，同时也是迄今对地球进行成像观测的电磁波频率最高的雷达。
　　天宫二号高度计自2016年9月22日首次开机以来，设备工作状态良好，性能稳定，先后经历了在轨测试阶段和拓展试验阶段。在轨测试结果表明所有工程指标和仪器性能指标均达到或超过任务要求，观测刈幅超过了35公里，在没有搭载用于湿大气路径时延校正的微波辐射计的条件下，利用大气数值模型进行路径试验估计，使海平面相对测高精度达到了8.2厘米，在定轨精度为分米量级的情况下绝对测高精度达到了21厘米，海面风速测量精度约1.65米/秒，波向测量精度优于15度。
　　天宫二号高度计实现了多方面的技术突破和创新：
　　在总体技术方面，在国际上首次试验验证了采用小入射角和短基线干涉测量技术以及新型高度跟踪技术实现宽刈幅海平面高度厘米级测量精度的工作机理，并在国际上首次获得了三维海面形态观测结果；在高相干雷达系统的设计、仿真、研制技术以及高精度信号处理技术方面，雷达系统的干涉相位测量精度达到了0.02度。所研制的高度跟踪器和自动增益控制算法实现了全球海陆观测的自动切换和自适应跟踪与控制。
　　在单项技术方面，星载 Ku 波段 300W 量级大功率脉冲固态功放自主设计和研制技术。在国际上首次星载应用 Ku 波段超过100W 大功率脉冲固态功放；凭借Ku 波段高增益波导缝隙阵天线技术，实现了一体化设计，加工和焊接的单体电尺寸达到国内最大；推动实现了高保相成像算法、高精度定位算法以及高精度干涉基线校正方法等信号处理方法和算法。
　　论文链接：http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp tp=&arnumber=8540380
　　图一： 天宫二号高度计与欧空局ASCAT风速反演精度对比。色标图中的数字代表入射角。
　　图二：. 天宫二号高度计与欧空局ASCAT风速反演精度散点图对比。对比的误差范围用黑色直线标出。色标图中的数字代表入射角。
　　图三至图九给出了天宫二号成像高度计所观测到的部分典型的海洋现象以及陆表水体和沙漠的观测结果。
　　图三：某海域的海面观测结果. 上图：幅度图像，下图：三维海面。幅度图像清楚反演了海浪的信息，而三维图像更加清楚地反映了涌浪的信息。三维海面原始的空间分辨率约为100m，可经多视处理成公里量级以消除海浪对海面测高的影响，得到厘米级精度的海平面高度。
　　图四：某海域的内波和海面溢油（上）、孤立波（左下）以及浅海地形调制现象（右下）的观测结果。结果表明，在小入射角情况下，内波和孤立波以及浅海地形对海面后向散射的调制仍可得到清楚地反映。
　　图五：菲律宾东的多个处于不同生长期的雨团：有的处于快速生长期，有的处于成熟期有的处于消亡期。由于小入射角观测的特点，雨团的后向散射系数随入射角的变化不再敏感，同时后向散射系数一般都大于10dB。雨团的空洞区域的后向散射系数比其它区域的后向散射系数一般低10-20dB。雨团是一种在热带和亚热带海域经常出现的反映大气与海洋相互作用过程的现象。通过对雨团的观测，有助于对海面强降雨形成机制的研究。
　　图六： 黄海海域不同大小船只的尾迹观测结果。四种船只尾迹，即开尔文、窄V、内波、湍流尾迹均在此场景中观察到。尤其是所观察到的窄V 和内波尾迹与理论模型高度一致。船只尾迹不仅在后向散射系数较弱的背景（低风速区）中，而且在后向散射系数较强的高风速区均能得到反映。说明在小入射角情况下，尾迹对海面粗糙度的调制作用仍可清楚地反映到后向散射系数的变化中。
　　图七：上图是武汉地区长江以及多个湖泊的成像结果。下图是将天宫二号高度计的幅度图像和三维高程图像与谷歌光学图像（上图）融合后的伪彩色图像。对比光学图像，融合后的图像中水体的颜色更加鲜明，地表信息更加丰富。
　　图八：江苏如东沿海海岸带的天宫二号高度计图像与哨兵1号光学图像的对比。天宫二号高度计图像中的水体呈现强散射，所反映的海岸带层次更加丰富。（图片来源：Google Earth）
　　图九：上图是澳大利亚Great Victoria 沙漠的成像结果：下图是将天宫二号高度计的幅度图像和三维高程图像与谷歌光学图像（上图）融合后的伪彩色图像。对比光学图像，融合后的图像沙漠纹理更加清晰，特征更加鲜明。
　　

中科院国家空间科学中心研制的两个主载荷随海洋二号B星顺利升空
　　2018年10月25日6时57分，我国在太原卫星发射中心用长征四号乙运载火箭，成功将海洋二号B卫星送入太空。海洋二号B星是海洋二号A星的后续星，是我国海洋动力环境监测网的首发星，也是空间基础设施海洋动力探测系列的首颗业务星。
　　海洋二号B卫星共有4个主要有效载荷，中科院国家空间科学中心微波遥感技术院重点实验室承担了雷达高度计和校正辐射计两个分系统的研制，并参加微波散射计的研制工作。雷达高度计能够测量海面高度、有效波高及风速等海洋基本要素，测高精度最高可达2cm。校正辐射计是为雷达高度计提供大气路径延时校正的3频段微波辐射计。
　　海洋二号B卫星有效载荷计划于五日后择机开机，作为我国海洋卫星全球组网的首发星，标志着我国自主研制的海洋动力环境监测卫星正式进入业务运行阶段。
　　（图片来源：人民日报客户端）
　　

“863计划”中国区域上空电离层监测关键技术及增强模型研究项目顺利通过验收
　　“十二五”国家863计划项目“中国区域上空电离层监测关键技术及增强模型研究”于2018年10月18日顺利通过项目技术验收。项目验收评审由科技部国家遥感中心组织召开，科技部高新技术发展及产业化司信息处处长尉迟坚主持验收评审，中科院国家空间科学中心纪委书记库卫群参加了会议。
　　“中国区域上空电离层监测关键技术及增强模型研究”项目下设3个课题，分别由中科院电子学研究所方广有研究员、中科院国家空间科学中心蓝爱兰研究员和中科院地质与地球物理研究所赵必强研究员主持课题研究工作。国家空间科学中心为项目牵头单位，阎敬业研究员为首席专家。
　　项目针对我国电离层探测和应用上存在的探测范围有限、观测手段不足、反演模型精度低等不足，开展了天基电离层顶部垂直探测、地基相干高频雷达阵及中国区域TEC增强模型等方面的研究，突破了多项关键技术。项目执行过程中突破了电离层顶部探测仪的轻小型化，实现了大型地基相干高频雷达的国产化，填补了SuperDARN在我国区域上空的数据空白，并构建了中国地区高精度的电离层TEC模型，为我国电离层环境天地一体化监测体系的建立奠定技术基础。项目取得了丰硕的成果，为相关领域设备的研制提供了技术储备。目前部分成果已成功用于卫星载荷、地基设备和车道级导航中。
　　其中，地基相干高频雷达阵关键技术课题由空间中心微波室和天气室联合承担，该雷达不仅完成了关键技术攻关，并已可靠运行近一年，获得的数据明显提高了北半球电离层对流模式的探测精度。基于该项目成果，子午工程二期布局了北方中纬观测系统，对我国北方上游电离层动力学参数进行大范围监测，视场范围横跨8个时区，向北探测到北极圈。
　　与会专家听取了项目总结汇报，观看成果演示和样机。专家组对项目的完成情况给予了高度评价，一致同意项目通过验收。
　　（供稿：中科院微波遥感技术重点实验室）
　　图1 AgileDARN雷达数据对北半球对流图的贡献。AgileDARN雷达数据的加入明显改变了其FOV内电离层对流的走向，并极大地改变了跨极盖电势降。
　　图2 科技部组织专家进行项目技术验收评审
　　

三维成像微波高度计样机
　　2016年，天宫二号三维成像微波高度计成功发射和在轨运行，在国际上首次实现宽刈幅成像雷达测高技术的突破。
　　图为三维成像微波高度计样机。
　　

“863计划”地基相干高频雷达阵关键技术课题顺利通过验收
　　“地基相干高频雷达阵关键技术”是“十二五”863计划支持的课题，由中国科学院国家空间科学中心承担，佳木斯大学为子课题承担单位。在课题执行期间，阎敬业研究员、邱洪斌书记和蓝爱兰研究员带领课题组突破了地基相干高频雷达的多项关键技术，研制了一部灵敏型SuperDARN雷达原理样机（简称为AgileDARN雷达），坐落于黑龙江省佳木斯市郊，该样机于2017年10月完成调试，投入运行。通过应用示范，AgileDARN雷达的功能及性能得到了充分验证：在地磁平静期，可有效观测到电离层不规则体的运动；在磁暴期间可观测到亚极光区西向流的运动。AgileDARN雷达数据填补了SuperDARN雷达网络在我国中纬区域上空的数据空白，有效地提高北半球电离层对流模式图的准确性。
　　2018年8月15日，科技部组织了专家组赴佳木斯进行现场验收，参观了佳木斯雷达站，听取了课题组对课题完成情况的汇报。验收专家组对课题的完成情况给予了高度评价，一致同意课题通过验收。“地基相干高频雷达阵关键技术”课题的研发技术成果将在子午二期工程中应用，为北半球电离层对流模式研究和子午二期实施提供支撑。
　　图一： AgileDARN雷达（上图：整部雷达；左图：子阵；右图：主阵）
　　(a)加入AgileDARN雷达前 (b)加入AgileDARN雷达后
　　图二：北半球电离层对流模式图
　　图三： 课题结题验收专家组与课题人员在AgileDARN雷达前合照
　　

微波遥感技术重点实验室科研人员利用被动微波遥感探测海面气压的研究取得突破性进展
　　海面气压是一个非常关键的气象要素，它在数值天气预报、气候学和大气动力学研究、热带气旋移动路径和强度预报、热带气旋结构和动力特征分析中都起着十分重要的作用。目前，海洋上气压观测手段非常缺乏，只能通过浮标和商船提供的气象资料来获取。而这些观测覆盖区域小，时空分辨率差，且探测精度不一，难以满足数值天气预报等应用的需求。因此，通过遥感手段获取高时空分辨率的海面气压信息，具有重大意义。
　　国家空间科学中心微波遥感技术院重点实验室的董晓龙、张子瑾创新性的提出通过被动微波遥感的手段获取高时空分辨率的海面气压信息。其原理是均匀混合气体其共振频率附近的辐射亮温观测值与其气柱总量密切相关，而均匀混合气体的气柱总量与海面气压成正比。为了证实该方法的可行性，他们使用美国新一代极轨气象卫星SNPP搭载的微波辐射计ATMS的观测数据开展了验证试验，并根据海面气压与氧气气柱总量的关系建立了反演算法。通过将反演结果与再分析数据和浮标数据进行对比，证实该方法对中低纬度区域（40°S - 40°N）晴空、云天和雨天的海面气压估计精度分别优于2 hPa、3 hPa和3.5 hPa。此项研究是国际上首次全球海面气压遥感探测反演，通过开展热带风暴天气的反演试验，证实该方法能够准确估计高风速情形下的海面气压场，并能对热带气旋中心进行准确的定位，这一方法在高风速条件下的气压反演精度远高于目前利用风场数据的间接推演数据精度。
　　本研究对实现海面气压的遥感观测具有突破性的意义，研究成果近日发表于地球物理学国际权威期刊Journal of Geophysical Research：Oceans。
　　文章及链接：
　　Zhang, Z., Dong, X., Liu, L., & He, J. (2018). Retrieval of barometric pressure from satellite passive microwave observations over the oceans. Journal of Geophysical Research: Oceans, 123. http://doi.org/10.1029/2018JC013847
　　http://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018JC013847
　　图一：（a）晴空（b）云天（c）雨天反演结果与ERA-Interim 再分析数据的对比。（d）所有天气条件下反演结果与ERA-Interim 再分析数据偏差的分布。
　　图二：（a）和（c）分别为反演的热带风暴飞燕（1309）在2013年8月1日06时04分和2013年8月1日18时35分的海面气压场分布。（b）和（d）分别为2013年8月1日06时00分和2013年8月1日18时00分的ERA-Interim再分析海面气压场。
　　图三：反演的飓风马修在2016年10月1日18时的海面气压场（hPa）以及对应的机载微波辐射计SFMR风场观测数据。