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1、国家标准极轨气象卫星大气垂直探测资料LIC数据格式辐射率编制说明一、工作简况1 .任务来源该标准由中国气象局提出，由全国卫星气象与空间天气标准化技术委员会（SACfC347）归口，计划项目名称为极轨气象卫星大气垂直探测资料LlC数据格式辐射率，立项编号为20213633-T-416,由国家卫星气象中心负责。2 .协作单位国家气象信息中心、中国气象局干部培训学院和国防科技大学参加了起草。3 .标准编制的意义多行业通用：LIC产品辐射率行业标准可以在其他行业应用，可外延到海洋卫星、高分卫星和国外卫星的辐射率数据格式中。军民融合应用：风云卫星接收、生产为辐射率Lle数据，通过气象通信系统分发到数值预
2、报部门、军队数值预报部门和国外数值预报部门。通过实时资料下载平台/卫星广播系统/气象大数据云平台共享给各个地方气象部门，通过国际通信系统交换到国外数值预报部门。应用效益显著：辐射率产品在我国数值预报中是同化最多、应用正效果最显著的卫星产品，在各类卫星资料当中辐射率资料对全球数值预报的贡献最大。该产品被应用于国产数值预报系统CMA模式，能够有效改进预报效果。预报产品被用来服务军民融合和一带一路，实现国家对“保障监测精密、预报精准和服务精确”的战略要求。服务全球：BUFR格式是气象组织社区（以及欧洲气象卫星基金会）数值预报系统的首选格式，LIC数据BUFR编码格式的制定，对于我国风云卫星参与国际交
3、换共享、服务全球气象卫星用户，以及通过双赢合作实现国内外卫星观测互补都具有重要意义。行标使用情况：气象行业标准QX/T139-2020极轨气象卫星大气垂直探测资料LlC数据格式辐射率，对应的WMo码表主表版本号是30,目前WMo发布的最新版本是39。项目组成员核对后发现在最新版本里相关的比例因子、基准值和数据宽度这些都没有变化,说明该行业标准与WMo最新版主表仍保持一致。4 .主要工作过程（1）行业标准阶段本国家标准的基础是在现行气象行业标准极轨气象卫星大气垂直探测资料LlC数据格式辐射率QX/T1392020基础上研制的，该气象行业标准于2020年1月21日发布，5月1日实施，至今在气象行业
4、及部队单位得到较好应用。(2)起草阶段项目下达后，由军地人员组成的起草组制定标准编制计划，并进行了分工。2021年9月-2021年10月：前期需求调研。在标准制定过程中，对目前数值预报中卫星资料同化业务进行了大量的调研工作，充分了解数值预报同化业务特点，依据数值预报中卫星资料同化业务发展对数据归档、存储格式的需求进行标准草案进行修改完善。2021年10月-12月：军地起草组成员开展了内部研讨，对标准草案的框架和编码格式的表示进行讨论。2022年1月-10月：在军地业务中，调研军方需求，军地联合开展试验工作，撰写编制说明初稿。2022年11月-12月：召开专家咨询会,对标准文本进行修改。5 .标
5、准主要起草人及其所做的工作本标准主要起草人为希爽、薛蕾、马刚、龙智勇和纪翠玲，分工如下：希爽，负责标准编制计划、技术方案的制定和标准文本编写；薛蕾，负责BUFR编码的把关、参加编制说明编写；马刚，负责标准文本修改的把关、参加编制说明编写；龙智勇，负责军方需求调研、军方应用验证工作、参加编制说明编写；纪翠玲，负责标准材料编写指导和规范化把关、参加编制说明编写。二、标准编制原则和确定标准主要内容的论据1 .编制原则本标准统筹考虑了国内外极轨卫星观测业务发展、卫星垂直大气探测辐射率LlC资料在数值预报业务中实际应用、数据传输、数据格式的可扩展性和适用性各方面的需求。(1)科学性对目前的国内外极轨卫星
6、和极轨卫星数据来源进行了大量的调研工作，在充分了解数值预报同化业务特点的基础上，充分借鉴和参考了国家标准和气象行业标准，力求吸收气象行业内外标准的先进经验和做法，保证标准的科学性。(2)适用性QX1392020和其前身卫星大气垂直探测资料的格式和文件命名(QXTT1392011）分别于2020年和2011年发布实施，在业务运行过程中一直被作为卫星大气垂宜探测资料存储和数据加工使用的依据，适用于目前的数值预报卫星资料同化业务。（3）前瞻性随着观测业务的发展，卫星的种类和要素名称都持续有新增项，数值预报中所使用的卫星资料也不只来自气象卫星，也扩展到海洋卫星、陆地卫星甚至高分卫星等。所以本标准编制过
7、程中，前瞻性考虑了标准格式对未来数值预报中卫星资料同化业务发展的适用性和可扩展性。2 .标准主要内容本标准规定了极轨气象卫星大气垂直探测资料中辐射率资料的名称，格式和信息内容,规定了可用于全球交换的世界气象组织通用的二进制编码，辐射率是数值天气预报模式直接同化的资料，反映了气象卫星垂直探测的大气温度湿度等信息。本资料包括基本信息和扩展信息，其中基本信息包括：辐射亮温、时间、经纬度、太阳天顶角、太阳方位角、卫星天顶角和卫星方位角，扩展信息包括云检测、降水检测、质量标识、地表/海表信息（如积雪、海冰、海表风和海表温度等）。3 .编制依据（1）气象卫星数据分级和风云三号卫星LIC产品生成过程根据我国
8、学者制定的气象卫星数据分级标准，0级（LO）数据指地面系统接收的卫星原始数据，1级（Ll）数据指0级数据经过质量检验和图像定位、辐射定标处理得到的基础数据。2级（L2）数据指1级数据经过数据变换、反演或者其他计算得到的各种应用数据。国家卫星气象中心是我国国产卫星的卫星垂直大气探测资料的生产单位，承担着所有风云卫星地面产品生成的任务。编写组成员在作风云三号卫星第一颗业务卫星C星LlC产品检验时，对FY3CLlC产品的格式作了修订，本标准在修订时也吸纳了这些工作。后续FY-3D卫星LIC产品延续了FY-3C卫星LlC产品算法。图1FY-3CIRASMWTS2MWHS2产品处理软件流程图FY-3C卫
9、星工程中VASSlRASMWTS-2ZMWHS2LlC产品生成过程如图1所示。包括以下部分：（1）数据输入：输入IRASMWTS-2MWHS-2Ll数据、匹配到IRAS/MWTS-2/MWHS-2仪器像元的VIRR云检测数据和MWHS降水检测数据；（2）质量控制：对1RAS/MWTS-2/MWHS-2Ll数据进行质量控制，给出像元质量标识；（3）产品输出：按LlC格式输出数据到IRASMWTS-2MWHS-2LlC产品。由于LlC数据不仅包含了Ll级数据的辐射亮度温度，也包含了经过数据插值得到的像元云检测（L2级）数据，因此总体上属于2级数据。（2）辐射率LlC数据内容的确定同样，NOAA（N
10、ationalOceanicandAtmosphericAdministration）将TOVS（TIROS（TelevisionandInfraredObservationalSatellite）OperationalVerticalSounder）/ATOVS探测数据划分为LIA、LIB、LIC和LID四个等级的数据集，其中LIA数据集主要是解码卫星下传遥测与探测数据包等0级原始资料，选择0级数据中空间定位和辐射定标处理所必要的信息，生成LIA数据集。基于LlA数据，经过定位、定标、质量控制后生成LlB数据集，主要包括仪器通道多光谱观测的计数值、探测像元的地理位置、定标系数、质量控制标记等
11、信息。对LlB数据集中的通道计数值做亮温转化和订正等质量控制后生成LlC数据集。将不同仪器UC数据集中位于各自探测像元的数据融合成单一仪器像元的“并流”观测信息，并完成地形匹配、云和降水检测等处理，生成LlD数据集（MCmilIin等，1982;Reale等，1986）,该数据集也称为晴空辐射数据集。TOVS/ATOVSLlB和LlC数据都是同一-处理级别的卫星观测数据预处理输出，都是ToVS/ATOVS观测的原始数据。LIB数据集包含了影响卫星定标、定位精度等对卫星研发和卫星数据处理至关重要的信息。LlB数据集可以看做是卫星观测数据的“强”预处理输出（Eyre等，2019）。LlC数据集则删
12、除了影响卫星定标、定位精度的相关数据，观测数据表达为通道亮度温度。相对LlB的“强”预处理输出，LlC数据集是针对卫星资料应用的一种弱预处理输出的数据集。NCEP/ECMWF在以BUFR格式传输的LlB数据集中，删除了与定位定标相关的辅助信息，并将通道观测数据从LIB的计数值形态转化成了亮度温度，使BUFR文件中的LlB与LIC两个数据集的内容基本相同。由此可见，在当前的同化框架下，LIC数据集中的信息几乎全部可以用于支撑卫星观测数据的变分同化。当同化LlB数据集中用计数值表达的通道辐射时，需要在同化算子中引入卫星数据定标过程，以实现从观测计数值到模式温湿度廓线的函数映射。由于定标中非线性的影
13、响导致此时的函数映射非线性，在同化中将引入额外的误差。LlC中通道亮温形态的卫星观测在同化中可以避免此种情况发生。TOVS/ATOVSLIC数据集逐渐成为数值预报同化的主要数据源，随着高光谱大气探测仪等更先进的卫星大气探测器投入使用，参照TOVS/ATOVSLlC格式生成的新型卫星探测器预处理数据集也成为数值预报资料同化的重要资料源。（3）辐射率LIC数据内容和格式的确定参考NESDIS在同化系统中使用的AToVSLlC数据结构，提出了用于数值预报资料同化的卫星大气垂直探测辐射数据文件的信息格式、信息内容。目前处理的资料格式为二进制，信息内容包含基本的扫描点要素信息、质量信息，还包含数值预报中
14、所需要的云检测和降水检测信息。本标准具体要求处理的卫星辐射资料文件包含卫星标识、仪器标识、扫描线标识、扫描点序号、扫描线的年、月、日、时、分、秒的计数，扫描点的经纬度，扫描点的海拔高度、扫描点的局地天顶角、局地方位角、太阳天顶角、太阳方位角，卫星轨道高度，扫描点观测资料质量标记，星载仪器光谱通道辐射亮温（通道），以及扫描点云量和强降水标记。这些信息在数值预报卫星资料同化中，对于云和降水识别，资料剔除和质量控制有重大意义。随着卫星资料相关业务和研究工作日益深入，对卫星资料辅助数据的需求也日益增加,如下垫面信息（积雪、积水、地面温度等）对卫星辐射正演计算和卫星辐射率资料同化影响很大，因此需要不断扩
15、充LlC数据格式的信息内容和信息含义。同时随着能够进入同化系统的辐射率资料的卫星种类和仪器类型仪器类型会越来越多，要求格式规范除了具有统一的功能，还必须具有良好的扩展性。(4)辐射率LIC数据格式的确定在早期的FY-3A/B/C/D的LlC产品一直采用直接读取的二进制格式，并被CMA模式同化应用；后来应国际上对FY-3LlC产品数据同化和全球交换的需求，开发了BUFR格式，制定了BUFR编码模板，应用在全球交换中；到了FY-3E,在CMA模式中则直接用1级数据(没有云检测等附加信息)和在模式中进行云检测。目前起草国标时沿用已发布行标的二进制格式，包含直接读取和BUFR编码格式，未来采用的格式类
16、型仍需广泛征求意见和商讨决定。参考文献：AnderssonE,PailleuxJ,ThepautJ-N,EyreJR,McNallyAP,KellyGA,CourtierP.1994.Useofcloud-clearedradiancesinthreefur-dimensionalvariationaldataassimilation.Q.J.R.Meteorol.Soc.120:627-653.https:/doi.org/10.1002/qj.49712051707DerberJC,WuWS.1998,TheUseofTOVSCloud-CIearedRadiancesintheNCEPS
17、SIAnalysisSystemJ.MonthlyWeatherReview,126(8):2287-2299.EyreJR,EnglishSJ,ForsytheM.2019,Assimilationofsatellitedatainnumericalweatherprediction.PartI:TheearlyyearsJ.QuarterlyJournaloftheRoyalMeteorologicalSociety,146(726).FY-3C星VASSIRASMWTS-2MWHS-2LlC产品生成文档McMillin,L.M.,andC.Dean,1982:Evaluationofan
18、ewoperationaltechniqueforproducingclearradiances.J.Appl.Meteor.,21,1005-1014.QX/T1582012气象卫星数据分级QX1392020极轨气象卫星大气垂直探测资料LlC数据格式辐射率Reale,A.,D.Gray,M.Chalfant,etal,1986:Higherresolutionoperationalsatelliteretrievals.Preprints,SecondConf,onSatelliteMeteorologyZRemoteSensingandApplications,Williamsburg,V
19、A,Amer.Meteor.Soc.,16-19Weng,EZ.,L.M.Zhao,R.R.Ferraro,etal.,2003:Advancedmicrowavesoundingunitcloudandprecipitationalgorithms.RadioSci.,38,8068,doi:10.10292002RS002679Yang,Z,Lu,etal.OverviewofFY-3PayloadandGroundApplicationSystemJ.IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,2012.YuanB,GangM,ZhangP,
20、etal.APrecipitationDetectionMethodforMWTS-IIRadianceAssimilationinTyphnSimulationJ.JoumalofTropicalMeteorology,2020,26(2):150-160.三、主要试验(或验证)的分析、综述报告，技术经济论证，预期的经济效果本标准是在现行气象行业标准卫星大气垂直探测资料的格式和文件命名(QX/T1392011)基础上修改完善而来。QXZT1392011自2011年发布实施以来，在业务运行过程中一直作为卫星大气垂直探测资料存储和数据加工使用的依据，适用于目前的数值预报卫星资料同化业务，在本标准
21、编制过程中，在军方相关单位又进行了试验验证，保证了其可行性和应用效果。(1) .主要试验(或验证)的分析(1)国外卫星ATOVSLlC等数据的处理当前国内数值预报资料同化用户使用不同卫星大气垂直探测资料时，这些资料文件的格式，包含信息内容和文件命名方式各不相同，给业务卫星资料的处理和存档带来相当的困扰。早期国内同化使用ATOVSLevelId数据，随后使用了原始分辨率的卫星TOVS/ATOVS辐射资料。经过处理的ATOVS资料分别来自于NOAA15/16/17/18/19Metop-A/BAQUASNPP,以及FY3系列A、B、CD星及后续卫星的VASS(IRAS/MWTS/MWHS以及其他仪
22、器)资料等大气探测资料也陆续纳入或即将纳入业务处理和应用。原标准QX11,139-2011参考了NESDIS在同化系统中使用的ATOVSLlC数据结构，规范用于数值预报资料同化的卫星大气垂直探测辐射数据文件的信息格式、信息内容。国家卫星气象中心持续将中国气象局从多种渠道接收到的国外卫星大气垂直探测资料,处理为统一的LlC格式，以满足数值天气预报同化业务的需求。随着国外新卫星的发射和国内数值预报卫星资料同化业务的发展，陆续也将ATMS.IASLMWRI、CrIS等资料转换为LIC格式，用于接入同化系统，本标准在修订时增加了上述仪器的LIC产品规定。(2) FY3C卫星工程中VASSLlC产品分发
23、014年起FY3CVASSLlC产品通过CMACaSt下发，提供给全国各级气象台站、行业用户以及国外接收小站进行广播分发。接下来被发射的FY-3D和FY-3E产品也分别相继被应用在国产数值预报模式当中。1.IC产品的传播和获取方式1.lC产品被推送到中国气象局数值预报中心用于全球资料同化业务，是我国全球数值预报同化业务中应用最广最多的卫星资料。LlC产品也通过广播系统被下发给全国气象部门，目前各种来源的国外卫星LlC产品也成功被放在气象大数据云平台上，用户对LIC产品的获取和应用会变得更加方便、灵活和及时。因此，明确的界定LIC产品信息内容、格式还有数据源信息和各要素含义，能够帮助地方应用部门
24、或其他科研用户从统一的数据平台检索、下载和使用LIC产品。(3) FY3LlC产品在我国数值预报业务中的作用目前在我国数值预报业务CMA_GFS已经应用了ATOVSLlC产品和FY-3LIC产品，卫星大气垂直探测资料发挥了改进数值天气预报的作用，能够带来经济效益和社会效益。1.IC产品中的经纬度、海陆标识、局地方位角/天顶角等信息，为数值预报同化中资料预质量控制提供必要条件。用LlC云检测产品进行质量控制，使全球卫星资料偏差和标准差显著减小，改进了我国数值天气预报。参考文献：1.iJ,ZouXL.ImpactofFY-3AMWTSradiancesonpredictioninGRAPESwit
25、hcomparisonoftwoqualitycontrolschemes.Front.EarthSci.8,251-263(2014).https:/doi.org/10.1007/s11707-014-0405-31.iJ,LiuGQ.2016.DirectassimilationofChineseFY-3CMicrowaveTemperatureSounder-2radiancesintheglobalGRAPESsystem.AtmosphericMeasurementTechniques,9.doi:10.5194amt-9-3095-2016(4) FY3CLlC产品在国际上数值预
26、报模式中的应用我国FY3C微波湿度计的LlC产品在欧洲中期数值预报中心也得到了评估和同化应用,为此国际用户强烈呼吁将该产品纳入国际交换，本标准定义的BUFR编码格式正是应这种需求而产生。编写组成员参与了向WMo提交的新BUFR码表的提案，编制BUFR码期间，并与欧洲用户进行多次交流，在了解用户需求的基础上完成BUFR编码工作。FY3CVASSL1C产品已经于2017年12月19日通过GTS向全球进行分发共享。1.lC产品的扩展性和预期经济效益1.lC产品卫星/仪器种类的可扩展性：未来随着世界上气象卫星的持续快速发展，以及数值天气预报对卫星资料的持续需求，我国必然会能够接收应用更多地卫星和仪器的
27、辐射率产品，也必然有越来越多的卫星辐射率被处理成LIC产品，被用在数值天气预报中。1.lC产品信息内容的可扩展性：在生产微波成像仪资料LlC产品时，考虑到下垫面参数对辐射率的影响，在LIC产品中增加了积雪、海冰、海面风、地表发射率、海面温度和陆面温度等的信息内容和格式定义。近实时极轨卫星直接广播网络（DBNeDLIC产品：极轨卫星多站拼接的DBNet资料时效性高，覆盖范围广，被统一处理为LIC产品，若经过质量控制和深加工，在区域数值预报中具有很大的潜在效益。2.预期的应用效果该标准具有多行业通用的特点，资料对象可以从国产气象卫星资料外延到海洋卫星辐射率资料和国外卫星大气探测辐射率资料等，应用场
28、景可以从气象预报外延到海洋预报和水文预报等。军民融合应用：风云卫星接收、生产为辐射率LlC数据，通过气象通信系统分发到数值预报部门、军队数值预报部门和国外数值预报部门。通过实时资料下载平台/卫星广播系统/气象大数据云平台共享给各个地方气象部门，通过国际通信系统交换到国外数值预报部门。应用效益显著：辐射率产品在我国数值预报中是同化最多、应用正效果最显著的卫星产品，在各类卫星资料当中辐射率资料对全球数值预报的贡献最大。该产品被应用于国产数值预报系统CMA模式，能够有效改进预报效果。预报产品被用来服务军民融合和一带一路，实现国家对“保障监测精密、预报精准和服务精确”的战略要求。共同的数据标准，有利于
29、统合卫星资料应用。卫星资料仪器多，来源多，产品种类多,卫星资料在数值预报中应用需要各种信息，使得资料接口成为困扰数值预报卫星资料同化的首要问题。该标准的形成和发布实施，使共用的资料接口开发成为可能，帮助国内数值预报科研和业务研究部门把力量集中到卫星资料应用的关键科学问题的研究，省去花在共性的资料接口上的时间和精力。在格式、内容统一的资料和资料接口形成的资料同化框架下，有助于我国卫星资料同化事业“劲往一处使”和更快地前进。服务全球：BUFR格式是气象组织社区（以及欧洲气象卫星基金会）数值预报系统的首选格式，LlC数据BUFR编码格式的制定，对于我国风云卫星参与国际交换共享、服务全球气象卫星用户，
30、以及通过双赢合作实现国内外卫星观测互补都具有重要意义。四、采用国际标准和国外先进标准的程度，以及与国际、国外同类标准水平的对比情况，或与测试的国外样品、样机的有关数据对比情况本标准定义的辐射率产品的部分格式内容，在2018年被世界气象组织采纳并写入WMO码表，成为全球交换风右卫星LlC产品采用的格式(ManUalonCodesInternationalCodesVolume1.2:WMo-No.306Z.WMO,2015edition,updatedin2018)。五、与有关的现行法律、法规和强制性国家标准的关系本标准制定的内容符合国家相关法律、法规、政策的规定。六、重大分歧意见的处理经过和依
31、据无。七、标准作为强制性标准或推荐性标准的建议本标准作为推荐性国家标准。八、贯彻标准的要求和措施建议本标准适用于我国用于数值天气预报同化业务的卫星垂直大气探测的辐射率LlC产品，是对卫星观测的辐射率LlC产品进行归档、存储、管理的依据。为完整、正确、规范地记录数据及相关背景信息，便于数据的归档、存储、管理和使用，建议凡在我国境内用于数值天气预报同化业务的卫星垂直大气探测的辐射率LIC产品归档、存储、管理和使用的数据文件，统一采用该标准规定的数据格式，以便于资料的交换与应用。与该数据格式有关的业务软件技术、操作手册编制时应以本标准为依据，其内容不得与之相违背。由于本标准是军民通用标准，标准内容主要根据气象行业应用需求和业务能力现状，在军方相关单位进行了应用检验，建议在贯彻实施时加强在军方的做好宣传工作，说明采用LlC产品格式对于同化预处理所带来的益处。对准备采用标准的单位和部门进行有关使用该标准的培训和交流，以便使标准在数值预报卫星同化业务中投入应用，缩短卫星从发射成功到应用的研究周期。九、废止现行有关标准的建议建议废止卫星大气垂直探测资料的格式和文件命名(QX/T1392011)。十、其他应予说明的事项无。
