风云卫星遥感科学应用
1、卫星遥感数据定标研究
当前在国际上有少量科研机构包括美国NASA的X-Cal小组、遥感系统实验室和欧洲宇航局等从事多仪器一致性校准的研究，但普遍仅对定标偏差进行了校正，却忽略了仪器自身误差或硬件差异，这使得不同仪器的观测亮温仍存在偏差。王雨教授的研究团队针对从1980年至今的多个国际卫星，研发了冷参考点法、基于卫星姿态参数的亮温拐点调整算法、模式双差法、冷暖源定标偏差校准方案，以及PCA方法等多种技术，对包括SSMI系列、AMSR系列和GPM星座在内的多种星载被动微波仪器间观测亮温偏差进行校准，使得不同仪器各个通道观测偏差均被降到0.5K以下。拟针对风云3号系列卫星（FY3A-FY3F）所搭载的被动微波仪器，以FY3G星MWRI-RM为观测基准，开展相应的仪器重定标研究，由此获得具有高度一致性的风云3号全系列被动微波仪器的“类MWRI-RM”观测亮温数据集，用于支撑国家卫星气象中心MWRI-RM/L1X业务数据的发布。
2、云和降水反演研究
对于强天气系统的连续监测及其降水强度实时反演，极轨和静止卫星联合探测具有独到优势。如何利用新一代风云极轨和静止卫星多源传感器观测资料，针对强降水系统提升降水反演水平，对于防灾减灾具有重要意义。机器学习能够克服卫星传统降水反演方法的缺陷，是当前人工智能技术在气象领域的重要应用方向之一。李锐、王雨、刘奇等的团队利用多光谱、主被动联合、物理反演与人工智能相结合等方法，在云和降水垂直结构、潜热反演等领域积累了一大批先进成果。目前，他们开发的降水潜热、水凝物廓线等算法已被接收为FY3G L2级业务算法、实现了工程化，后期将在这一方面持续努力，直接服务于风云降水星及下一代低轨卫星对云和降水及其内部热动力参数遥感反演算法的开发。
3、大气和地球系统模式应用研究
大气模式发展：目前全球大气模式的发展主要是基于区域地面观测，缺乏融入卫星的大尺度观测数据。同化遥感观测的大范围温湿等数据，有利于更充分地发挥全球大气模式在大尺度大气环流的模拟优势，对于提高云和降水预测具有重要研究意义。此外，研究卫星遥感数据对大气污染数值模拟理化过程的改进效果，能促进我国风云系列卫星的气溶胶数据在空气质量模式中的广阔应用。中国科学技术大学大气科学先进计算实验室发展和应用全球变网格模式iAMAS进行了一系列全球变分辨率模拟和预报试验，开展了降水、云和气溶胶反馈机制相关研究。该实验室还对公开版本的WRF-Chem进行改良，构建了中国区域和城市空气质量预报系统。拟基于风云系列卫星（FY3A-FY3F）搭载的微波温度计、微波湿度计、降水测量雷达、可见光红外扫描辐射计、紫外臭氧垂直探测仪和中分辨率光谱成像仪等仪器探测的大气温湿度廓线、降水率、潜热、云顶温度、沙尘、臭氧廓线和气溶胶光学厚度等资料，评估和优化全球变分辨率大气-化学全耦合模式iAMAS的云、降水、气溶胶反馈过程的模拟能力，并通过同化上述卫星反演数据，提高对云、降水、气溶胶的数值模拟和预报能力，从而辅助制定更有效的极端天气和环境污染应对政策。
气候灾害监测与模拟：随着全球气候变化加剧，包括我国在内的全球广大地区均面临不断上升的气候灾害风险威胁。相较传统的单因子或单变量极端事件(如极端高温、极端降水)，复合型极端事件及相关灾害包含复杂气候系统中的多个变量，并牵涉到诸多自然与人为活动交互作用。中科大邹宇飞特任教授研究组针对这一问题开展了系统性的模式开发及应用研究，采用地球系统模式、区域大气化学模式和机器学习等多种模拟手段结合卫星遥感监测产品取得了一系列创新性研究成果，包括：（1）基于VIIRS卫星火点遥感监测产品和机器学习算法开发了区域高分辨率火灾风险评估预测系统，为商业保险产品风险定价奠定基础；（2）基于MODIS卫星气溶胶光学厚度（AOD）产品和大气化学传输模式，采用机器学习算法开发了区域高分辨率野火烟尘浓度数据融合系统，量化评估了燃烧排放对区域空气质量和人群健康的影响并实现业务化运行；（3）基于MODIS卫星火点、燃烧面积、AOD等多种卫星遥感产品和地球系统模式，详细评估了包含动态野火扰动及其生态气候反馈作用的全球野火模拟结果，并开展了中国中东部灰霾重污染气候归因分析研究。在加入风云卫星遥感联合实验室后，课题组拟采用搭载于风云3号/4号卫星的火点、热源点、及气溶胶光学厚度等多种遥感产品，开发改进地球系统模式中的高分辨率气候灾害模型，深入开展复合型气候灾害监测模拟研究，服务于我国防灾减灾工作。
4、陆面过程研究
陆面碳水循环：多源卫星遥感全天候探测陆面特性及其碳水循环对研究陆-气相互作用、准确评估中国和全球碳收支具有重要意义。目前卫星探测有云覆盖下的陆面关键过程是一个国际难题。风云极轨系列卫星多频被动微波遥感具备全天候探测、采样频率高、时空连续性强和空间探测范围广等优势，是全天候探测区域和全球陆表过程不可替代的手段，但仍未在在陆面和生态过程研究中发挥作用。中国科学技术大学李锐教授团队瞄准中国卫星遥感核心关键技术和国家重大战略需求，针对卫星难以在有云条件下探测地表特征的国际难题，研发了多套具有国产知识产权且自主可控的卫星遥感反演关键技术和高级基础数据产品，并首次实现了基于国产风云卫星微波探测器的大范围全天候地表微波辐射特性反演，反演算法已在中国首颗风云降水测量卫星（G星）实现业务应用。相关数据产品被应用于东亚大尺度陆-气相互作用、生态系统碳水循环、以及森林火灾探测预警等多个领域，具有一定潜力。团队针对风云系列卫星在陆面和生态过程监测评估、新型遥感应用的需求，拟利用风云静止、极轨和降水测量等多星协同观测，并结合人工智能技术，持续推进和提升高级陆面关键参量（微波发射率、植被含水量、蒸散发、植被总初级生产力等）反演技术研发，建立基于风云微波和光学融合的高分辨率陆气碳水通量数据产品，为应对气候变化和国家双碳战略目标提供国产技术和数据支撑。
地表通量：陆气交界面上的关键参数对陆气水热交换过程具有重要影响，而星载传感器在陆面关键参数的探测方面具有广泛的应用前景。但目前无论是国内还是国外，均缺少全天空条件下的地表特征参数和地气水热通量产品。为此中国科学技术大学仲雷教授团队针对多源极轨卫星资料，发展了基于穿透效应的光学与微波地表温度反演和融合方法。建立了基于风云静止卫星资料的地气水热通量遥感估算参数化方案。拟针对FY3D上搭载的中分辨率光谱成像仪（ MERSI-II型）和微波成像仪（MWRI-I型），开展全天空地表温度的遥感反演和数据融合工作，建立全天空地表温度时间序列产品。针对FY-4B上携带的先进的静止轨道辐射成像仪（AGRI），开展地表感热通量和潜热通量的卫星遥感估算工作，并建立小时分辨率的地表通量产品。
5、雷电探测研究
云顶袖珍放电是一类产生穿透性云顶附近的蓝色放电现象，作为对流层雷暴向平流层能量和物质注入的最直接一环，会对平流层温室气体含量产生重要影响。然而，由于缺乏对广域雷暴的地基-空基光电协同观测，关于其产生机制仍然缺乏认识。近期，中国科学技术大学祝宝友和刘非凡研究团队基于国际空间站搭载的闪电成像仪，结合自主架设的地基闪电观测站网，在国际上首次发现了雷暴云顶放电会产生明显区别于普通闪电的光谱特征，并不伴随普通闪电的777.4 nm谱段。拟开展工作：利用课题组自主架设的混合长基线天线阵列，结合风云4号卫星搭载的闪电成像仪（LMI），开展云顶放电与强对流激增的相关性研究，探究云顶放电雷暴云的气象要素特征和闪电特征，分析云顶放电与穿透性云之间的对应关系，厘清云顶放电与普通闪电的发展特征，为我国风云卫星闪电成像仪监测强对流提供必要的理论基础。
风云卫星探测设备研发
1、空间磁场与等离子体探测研究
团队主要面向国家重大航天工程任务和深空探测需求，开展前沿的空间磁场和粒子探测设备的研究与开发，并开展空间天气监测、极端空间天气事件起源与演化、内磁层等离子体基础物理过程等科学与应用研究。牵头承担并成功完成了我国首次火星探测任务天问一号“火星磁强计”和北斗三号同步轨道G3星“全向离子探测器”等重大航天工程任务，同时参与承担并成功完成了天问一号“火星离子与中性粒子分析仪”的研制任务。先后形成工程样机6套，正样产品3套，实现了国际先进的空间磁场和粒子探测能力。目前团队针对风云系列同步轨道卫星和日地L1点探测计划提出了磁强计、低能粒子能谱仪和法拉第杯等有效载荷，配合国家卫星气象中心等单位，开展科学目标论证、有效载荷论证和地面应用系统论证等工作，争取在未来相关卫星项目上承担有效载荷任务。
2、边界层激光雷达研究
边界层结构和演化规律对于各种天气和气候数值模式的改进都十分重要。如何开发具有全球复杂多样性的边界层参数化方案仍然是天气预报和气候预测中尚未解决的挑战之一。造成这一困境的主要原因在于对边界层高度全球一致性观测的缺乏。作为目前最常用的星载激光雷达系统，CALIPSO由美国航天局和法国国家空间研究中心在2006年4月28日联合发射，CALIPSO促进了世界对气候、天气和空气质量的了解。但CALIPSO存在一些不足，如受限于激光雷达模块的功率、探测器量子效率和积分时间等，导致CALIPSO在白天的信噪比低，通过寻找气溶胶浓度的最大梯度来识别边界层高度难度大，精度差，这也使得CALIPSO没有官方边界层高度产品。第三方使用CALIPSO数据进行边界层高度反演，误差通常大于25%。2023年8月1日，CALIPSO结束了它长达17年的科学任务，不再提供新的观测数据。目前暂时没有提供全球边界层高度探测的载荷。在激光雷达研究领域，从理论研究、数值模拟、资料分析、观测研究和设备研制等方面都取得了卓越的成绩。已分别研发了包括国际首部基于上转换量子探测器的1550nm单光子气溶胶激光雷达和首部基于量子铟镓砷探测器的1064nm单光子气溶胶激光雷达等在内的10余部不同型号和用途的激光雷达设备，并获得多项国家和省部级奖励；在大气探测研究领域具有突出特色，尤其在气溶胶-云-降水遥感探测研究方面具有很强的研究实力，在主被动遥感数据处理和大气参数反演方向具有丰富的技术积累；已为气象、环保和国防等部门开发近30套专用业务化信息系统，有着丰富的信息化经验。本项目拟研制一台高分辨大气边界层激光探测载荷，搭载在风云系列卫星上，对全球范围内的边界层高度进行探测，实现边界层高度和气溶胶分布廓线的三维测量。研究目标：发射激光1064nm，同时测量大气退偏比，可以分辨边界层区域气溶胶类型，揭示不同下垫面区域边界层高度和气溶胶垂直结构的昼夜差异，及随季节的变化；研究边界层高度与气溶胶的变化如何影响低层云分布；研究源于沙尘暴、森林大火或其他大的气溶胶排放事件远距离迁徙的时空尺度。
3、光学载荷研究
地球大气层是相互耦合的一个整体，中高层大气环境对于低层大气预报、人类航空航天安全和空间环境预报都有着非常重要的科学意义和战略意义。然而，目前国内外对于中高层大气环境的监测非常有限，大部分是地基的一些局部站点监测，卫星全球监测非常稀少，为保障低层大气天气预报和空间环境预报精度，我国进行中高层大气环境的卫星监测非常必要。本研究团队已长期致力于光谱遥感和激光遥感技术近二十余年，积累了丰富的光学遥感技术经验。为适配风云卫星观测需求，本团队可从以下几个方面开展载荷研究工作：1、研制气辉/极光广角成像光谱仪器，对中间层大气温度随高度分布进行高精度探测，同时通过研究极光的动态变化，用于研究地球磁暴和地球亚爆期间磁场的扰动和磁层中等离子体的注入过程，以及研究太阳风变化导致的地球电离层的扰动等空间物理现象。 2、研制高光谱分辨率大气成分探测光谱仪载荷，对全球范围内的大气成分浓度以及大气参数结构进行高精度探测，反演大气温度、大气湿度、甲烷、二氧化碳等气体成分廓线，为研究中高层大气动力学过程提供数据支撑，为国家的双碳计划提供高质量观测数据。