[科普中国]-热带降雨测量任务卫星

项目概况

降水是地球气候系统的关键部分,它通过潜热释放对大气环流系统产生很大影响。大气所得到的能量中有四分之三来自于降水的潜热释放,而地球上有三分之二的降水是发生在热带地区。但由于热带地区主要是海洋,我们对地球气候系统的关键部分即热带地区降水并没有足够的认识,因此人们一直在谋求一种能够对热带降水进行详细测量的方法。2

TRMM卫星是1997年11月27日发射成功的。它是由美国NASA(NationalAeronautical and Space Ad-ministration)和日本NASDA(National Space Develop-mentAgency)共同研制的试验卫星。自成功发射以来,它为气象工作者提供了大量热带海洋降水、云中液态水的含量、潜热释放等气象数据。2

TRMM卫星在2001年8月6日以前高度约为350 km,轨道范围为35°S～ 35°N。图1为TRMM卫星扫描方式示意图。它的原设计寿命为3年,经历了近4年的运行,卫星及其搭载的仪器工作状态仍然良好,因此NASA决定让它继续服务。在2001年8月以后,为减少功耗将轨道高度提升到距地面403 km,因此所有仪器的探测范围均有所增加。

TRMM卫星共搭载5种遥感仪器,分别为:可见光和红外扫描仪VIRS(Visible and Infrared Scanner)、TRMM微波图像仪TMI(TRMM MicrowaveImager)、降水雷达PR(Precipitation Radar)、闪电图像仪LIS(Lighting Imaging Sensor)及云和地球辐射能量系统CERES(Clouds and the Earth' s RadiantEnergy System),其中VIRS、TMI和PR为TRMM卫星的基本降水测量仪器。2

主要参数TRMM卫星运行在倾角35°、高度(350±1.25)km、周期91.3min的非太阳同步近圆轨道上，质量3524kg，尺寸2.4m X 2.4m X4.4m，设计寿命3年。卫星为三轴姿态稳定，太阳翼呈桨形分布于卫星两侧，峰值功率1100W。通过“跟踪与数据中继卫星”(TDRS)进行实时传输的数据率为32kbit/s，延时传输的数据率为2Mbit/s。

有效载荷TRMM卫星主要有效载荷：

“测雨雷达”，为电扫描主动相控阵微波雷达，由日本宇宙开发事业团和日本通信研究实验室联合研制。工作频率13.796GHz和13.802GHz，可以提供三维降雨分布和陆地、海面上的定量降雨数据。该仪器质量465kg，功率250W，数据率93.2kbit/s。观测灵敏度优于0.7mm/h，水平分辨率4/3kin(天底点)，垂直分辨率0.25km(天底点),幅宽215km。1

“可见光红外扫描仪”，为被动穿轨扫描辐射计，由NASA/戈达德航天中心(GSFC)提供，休斯公司制造，共有0.63μm、1.69μm、3.75μm、10.8μm和12.0μm五个通道，可为降水测量提供云高和云类型等信息，也可单独进行降水估算。该仪器质量48.6kg，功率51.2W，数据率49.8kbit/s(白天)、28.8kbit/s(夜间)。空间分辨率2.2km，幅宽720km；视场+45°。1

“微波成像仪”，为被动多通道/双极化微波辐射计，NASA提供，由波音卫星系统公司制造，可以根据亮温探测地球表面和大气中的微波能量，频率分别为10.7GHz、19.4GHz、21.3GHz、37.0GHz和85．5GHz(除21.3GHz采用垂直极化外，其余频率均为双极化)，采用圆锥扫描方式。仪器质量66.5kg，功率54.1 w，数据率8.5kbit/s。采用偏置抛物面反射器(天线孔径61cm)，天线扫描最大天底角为49°。水平分辨率4.6～37km，幅宽760km。1

“闪电成像仪”，为凝视型望远镜/滤波器成像系统，NASA马歇尔航天飞行中心提供，用来测量地球上的闪电分布和变化。质量20kg，功率33W，数据率6kbit/s。视场800×800，空问分辨率5km，时间分辨率2ms。

“云和地球辐射能量系统”，为3通道(0.3～100μm、0.3～5μm和8～12μm)宽带辐射计，由NASA兰利研究中心提供，用来测量地表及大气发射和反射的辐射能及其分布。扫描角度±78°。空间分辨率10km。1

数据处理图2为TRMM卫星资料处理流程示意图。TRMM科学数据信息系统TSDIS(TRMM ScienceData Information System)承担了TRMM卫星资料的接收、实时处理和后处理工作。TSDIS接收TRMM卫星观测的原始资料几乎与卫星扫描同步进行。TRMM数据共有5个层次(0～ 4),它们分别代表经过不同处理的资料:第0层,以时间为序并且有质量控制的原始卫星数据;第1层,标定后的VIRS反射率/亮温,TMI的亮温,PR的回波功率和反射率数据,它们的分辨率等于观测仪器的像素点的大小;第2层,用第1层数据计算出的大气状况数据(如:降水、云中液态水的含量、潜热释放等),它具有与第1层数据相同的分辨率;第3层,经过空间和时间平均后得到的格点形式的气象数据;第4层,资料分析产品和TRMM资料与其它探测资料联合反演得到的数据产品。

意义TRMM卫星资料在热带降水的测量、降水预报准确率的提高、暴雨研究、预报模式的数据同化、热带海面温度反演、热带气旋的观测等方面的均有较好应用。另外,它的闪电图像仪及云和地球辐射能量系统的测量资料在热带和亚热带的闪电分布和气候模式研究方面也有很大的应用价值。2

可以充分地利用TRMM的数据资源来改进天气、气候预报的精度,同时加深对热带和亚热带地区降水特性的理解。2