Podstawy detekcji temperatury morza z poziomu satelitarnego

Podstawy detekcji temperatury morza z poziomu satelitarnego
Adam Krężel Instytut Oceanografii Zakład Oceanografii Fizycznej

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5
Podstawy fizyczne (1) Bezkontaktowe określanie temperatury morza jest możliwe dzięki właściwości ciał fizycznych polegającej na zdolności emitowania energii elektromagnetycznej Wielkość radiacji ciała doskonale czarnego zależy od temperatury T i długości fali λ w sposób, który opisuje prawo Plancka: W rzeczywistości powierzchnia morza nie jest idealnym emiterem (ciałem doskonale czarnym) i powyższe równanie musi być zmodyfikowane Wprowadza się współczynnik, tzw. spektralną emisyjność ε, która z definicji jest stosunkiem Er (λ) (rzeczywista powierzchnia o temp. T) i E(λ) (ciało doskonale czarne o temp. T) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Podstawy fizyczne (2) Temperatura ciała szarego określona z prawa Plancka z pominięciem emisyj-ności określana jest jako temperatura radiacyjna W przypadku powierzchni morza moż-na przyjąć, że mamy do czynienia z ciałem "prawie" doskonale czarnym o temperaturze od -2 do 45°C, tzn. od 271 do 318 K Maksimum emisji takiego ciała przy-pada na pasmo spektralne wokół ok. 10 µm W pobliżu Ziemi promieniowanie sło-neczne jest na tyle silne, że w dzień korzystamy tylko z kanałów spektral-nych w zakresie ok µm Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Temperatura przypowierzchniowej warstwy morza
Optymalnym pasmem dla zdalnego określania temperatury morza jest przedział pomiędzy 3 i 15 µm. Wynika to z faktu, że: maksimum radiacji takiego ciała przypada na przedział µm wokół 3.5, 11 i 12 µm znajdują się tzw. okna atmosferyczne dla promieniowania elektromagnetycznego Współczynnik absorpcji wody morskiej w tej części widma wynosi od 1.086·106m-1 dla 3 µm do 6.68·104m-1 dla 10 µm. Jeśli przyjmiemy jako reprezentatywną wartość 105m-1 to na mocy prawa Bouguera-Lamberta głębokość penetracji dla tego promieniowania wynosi 10 µm. Fresnelowski współczynnik odbicia w rozpatrywanym przedziale jest najniższy dla 11 µm - 0.7%, a najwyższy dla 15 µm - ok. 4%. 26 marca 2017 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

Efekt naskórkowy (1) Wynik wymiany energii pomiędzy atmosferą i morzem (utajone ciepło parowania, strumień ciepła wyczuwalnego (sensible) oraz długofalowe i krótkofalowe promieniowanie słoneczne) Warstwa naskórkowa ma grubość ok. 0.5 mm. Zależy od warunków mieszania wiatrowego i przepływu ciepła w wyniku przewodnictwa molekularnego W zależności od kierunku przepływu ciepła warstwa naskórkowa może być cieplejsza lub chłodniejsza od warstwy mieszania Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Co to jest temperatura powierzchniowa?
Definicje SST (zgodnie z GHRSST-PP*) Temperatura powierzchni morza (The interface temperature) – SSTint Istnieje w teorii – nie ma możliwości jej pomiaru przy użyciu aktualnych możliwości technicznych. Temperatura naskórkowa (The skin sea surface temperature) – STskin Temperatura wyznaczana przez radiometry czułe na promieniowanie podczerwone w przedziale µm – temperatura warstwy wody do głęokości ~10-20 µm. Temperatura podpowierzchniowa (The sub-skin sea surface temperature) – SSTsub-skin Temperatura warstwy poniżej poprzedniej (at the base of the conductive laminar sub-layer of the ocean surface). Praktycznie można ją wyznaczyć przy pomocy radiometru mikrofalowego pracującego w przedziale 6-11 GHz. Temperatura powierzchniowa (The surface temperature) – SSTz lub SSTdepth Temperatura warstwy wody od warstwy poprzedniej do głębokości z mierzona tradycyjnie zazwyczaj w przedziale głębokości od 10-2 do 103 m. Temperatura podstawowa (The foundation temperature) – SSTfnd Z definicji jest to temperatura wody na głębokości gdzie nie dociera wpływ zmian dobowych (ocieplania dziennego lub ochładzania nocnego). Odpowiada ona temperaturze podpowierzchniowej w przypadku braku zmian dobowych na powierzchni morza. The hypothetical vertical profiles of temperature for the upper 10 m of the ocean surface in low wind speed conditions during the night and day shown in the figure encapsulate the effects of the dominant heat transport processes and time scales of variability associated with distinct vertical and volume regimes (horizontal and temporal variability is implicitly assumed). SST is a difficult parameter to define exactly because the upper ocean (~10 m) has a complex and variable vertical temperature structure that is related to ocean turbulence and the air-sea fluxes of heat, moisture and momentum. A theoretical framework is required to understand the information content and relationships between measurements of SST made by different satellite and in situ instruments, especially if these are to be merged together. The definitions of SST developed by the GHRSST-PP SST Science Team (agreed at the 2nd and 3rd GHRSST-PP workshops) achieve the closest possible coincidence between what is defined and what can be measured operationally, bearing in mind current scientific knowledge and understanding of how the near surface thermal structure of the ocean behaves in nature. It is named to indicate that it is the foundation temperature from which the growth of the diurnal thermocline develops each day (noting that on some occasions with a deep mixed layer there is no clear SSTfnd profile in the surface layer). Only in situ contact thermometry is able to measure SSTfnd and analysis procedures must be used to estimate the SSTfnd from radiometric satellite measurements of SSTskin and SSTsubskin. SSTfnd provides a connection with the historical concept of a "bulk" SST considered representative of the oceanic mixed layer temperature and represented by any SSTdepth measurement within the upper ocean over a depth range of 1-20+m. SSTfnd provides a more precise, well-defined quantity than previous loosely defined "bulk" SST and consequently, a better representation of the mixed layer temperature. In general, SSTfnd will be similar to a night time minimum or pre-dawn value at depths of ~1-5 m, but some differences could exist. Note that SSTfnd does not imply a constant depth mixed layer, but rather a surface layer of variable depth depending on the balance between stratification and turbulent energy and is expected to change slowly over the course of a day. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Temperatura powierzchni morza
Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Źródła danych SST Input Data to the GHRSST-PP The GHRSST-PP uses a variety of input data that are indexed in this page. Follow the links below for a full description the GHRSST-PP data products you are interested in. Satellite data AMSR-E homepage AATSR of Leicester ATSR SSM/I data TRMM TMI real-time data (Wentz) Meteosat Next Generation (MSG) GOES project GMS-5 data (Japan Meteorlogical Agency Satellite Center AVHRR Pathfinder Oceans Project at the University of Miami's RSMAS MODIS ASTER homepage DMI - Weekly and daily SST analysis from satellite observations BSH - Sea Surface Temperature: Weekly mean, daily mean In situ SST data: NOAA National Oceanographic Data Center The world's largest collection of publicly available oceanographic data. NOAA Pacific Marine Environmental Laboratory Archive for in-situ data including the TOGA TAO Buoy Data. NOAA National Data Buoy Center Archive for moored and drifting buoy data. BOOS SST-OBS AVHRR Pathfinder Oceans Matchups Database ISAR VOS in situ radiometer SISTeR in situ radiometer ODAS buoys around the UK Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Efekt naskórkowy (3) - Model Solovieva i Schlüssela (1994) Pr - liczba Prandtla, Rf - liczba Richardsona, Ke - liczba Keulegana, Rfcr - krytyczna liczba Richardsona, Kecr - krytyczna liczba Keulegana, Λ0 - stała bezwymiarowa równa 13.3. W modelu tym, przejście od wolnej do wymuszonej konwekcji określa krytyczna liczba Richardsona, a przejście od średnich do dużych prędkości wiatru i warunki załamywania się fal - krytyczna liczba Keulegana Prognoza efektu naskórkowego w modelu Fairal (wykres po lewej) i Soloviev Schlüssel (po prawej). Obliczenia wykonano na podstawie szacunku strumieni i energii mieszania wiatrowego w modelu UKMO dla okresów bezchmurnych nad Atlantykiem w 1997 r. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Temperatura powierzchni morza z poziomu satelitarnego
Pomiar radiacji przez radiometr zainstalowany na pokładzie satelity Zamiana radiacji na temperaturę radiacyjną korekcja instrumentalna korekcja atmosferyczna Maskowanie obszarów niewidocznych w kanałach spektralnych radiometru Korekcja geometryczna i dowiązanie geograficzne Zamiana temperatury radiacyjnej na temperaturę powierzchni morza Określenie temperatury w obszarach niewidocznych dla satelity (np. zasłoniętych chmurami) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Temperatura powierzchni morza na podstawie surowych danych AVHRR
określenie tzw. punktów kalibracyjnych wyznaczenie krzywej kalibracji określenie temperatury radiacyjnej kalibracja atmosferyczna Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Obiekty wzorcowe ciało doskonale czarne podgrzewane do temperatury ok. 288 K przestrzeń kosmiczna (0 K) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Ramka HRPT Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Temperatura wzorca 26 marca 2017 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

Radiacja Zmierzone wielkości radiacji odpowiadające temperaturze wzorca (NT) w każdym z trzech kanałów AVHRR (3b, 4, 5) i przestrzeni kosmicznej (Nsp) we wszystkich pięciu kanałach, umieszczane są po dziesięć odczytów w każdej skanowanej linii Zaleca się, aby do określania krzywej kalibracji posługiwać się powyższymi danymi uśrednionymi dla każdego kanału spektralnego z przynajmniej 50 linii Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Kalibracja i określa numer kanału spektralnego a radiacja L zależy od temperatury i charakterystyki czułości spektralnej tego kanału - znormalizowana funkcja czułości detektora dla liczby falowej kj stablicowana dla każdego kanału spektralnego i egzemplarza AVHRR, a B - prawo Plancka zapisane dla liczby falowej: 26 marca 2017 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

Temperatura radiacyjna (1)
26 marca 2017 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

Temperatura radiacyjna (2)
26 marca 2017 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

Współczynniki kalibracyjne

! Table D Normalized response functions (60 point spline) for the ! NOAA-K AVHRR/3 thermal channels. ! ! Channel 3B ! AVHRR Normalized Response Functions avhrr_response AVHRR CHANNEL 3 !3B STARTING WAVE # INCREMENT NUMBER OF POINTS 60 E E E E E+00 E E E E E-06 E E E E E-03 E E E E E-02 E E E E E-02 E E E E E-02 E E E E E-05 E E E E E-06 E E E E E-06 E E E E E-07 E E E E E-06 E E E E E+00 ! Channel 4 AVHRR CHANNEL 4 STARTING WAVE # INCREMENT ! Starting WAVE #: Increment: E E E E E+00 E E E E E-04 E E E E E-03 E E E E E-01 E E E E E-01 E E E E E-01 E E E E E-04 E E E E E-05 E E E E E-05 E E E E E-06 E E E E E+00 E E E E E+00 Channel 5 avhrr_response AVHRR CHANNEL 5 STARTING WAVE # INCREMENT NUMBER OF POINTS 60 ! Starting WAVE #: Increment: E E E E E-05 E E E E E+00 E E E E E+00 E E E E E-01 E E E E E-01 E E E E E-01 E E E E E-04 E E E E E+00 E E E E E+00 E E E E E+00 ! Table D.1-11 contains the radiance-to-temperature coefficients for NOAA-K ! AVHRR/3 Channels 3B, 4 and 5. ! ! Vc A B ! Channel 3B ! Channel ! Channel ! AVHRR IR channel non-linearity correction ! Using RAD = p0 + p1*RLIN + p2*RLIN^2 ! (where p0=C p1=A and p2=B) ! CH p p p3 nonlin_poly nonlin_poly nonlin_poly ! Space Radiance value ! CH RSP space_radiance space_radiance space_radiance Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Transmisja promieniowania podczerwonego przez atmosferę
W paśmie 3-15 µm podstawo-wymi procesami współ-oddziaływania atmosfery ziemskiej z promieniowaniem elektromagnetycznym są procesy absorpcji i reemisji Procesy rozpraszania praktycznie mogą być pominięte Najważniejszymi składnikami atmosfery absorbującymi promieniowanie w tej części widma są: para wodna, ozon i dwutlenek węgla Efekt reemisji wynika z różnicy temperatur pomiędzy atmosferą i morzem. Będąc zazwyczaj chłodniejszą od morza, atmosfera absorbuje jego promieniowanie, a następnie emituje je zgodnie z prawem Plancka. Maksimum tej emisji jest, zgodnie z prawem Wiena, przesunięte w stronę fal dłuższych i słabsze. W rezultacie prowadzi to do zmniejszenia radiacji dochodzącej do satelity czyli do zaniżenia temperatury morza mierzonej z orbity w stosunku do rzeczywistej. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Strategia korekcji atmosferycznej
Do czujnika na pokładzie satelity dociera radiacja: emisja powierzchni morza: emisja atmosfery: promieniowanie słoneczne odbite od powierzchni morza: promieniowanie atmosfery odbite od powierzchni morza: Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Praktyczne sposoby korekcji atmosferycznej
Metoda pojedynczego kanału Metody wielokanałowe rozszczepionego okna podwójnego okna potrójnego okna metoda sondowania mikrofalowego metoda 'wielospojrzenia' Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Metoda rozszczepionego okna
Tsclim - wartość klimatyczna temperatury secθ = 1/cos θ – 1 θ – kąt zenitalny satelity a, b, ..., m, n - współczynniki określane na podstawie analizy regresji W = W0/cos θ W0 = zawartość pary wodnej w pionowej kolumnie atmosfery

Algorithm MCSST Satellite Time Coefficients a1 a2 a3 a4 NOAA-12 DAY NIGHT NOAA-14 NOAA-15 NOAA-16 NOAA-17 Algorithm NLSST b1 b2 b3 b4 Zestaw współczynników równań (1) i (2) dla poszczególnych satelitów i pory dnia

Metoda potrójnego okna
a, b, ..., i - współczynniki określane na podstawie analizy regresji (mogą zależeć liniowo od kąta zenitalnego satelity θ) Tchi i Tchj - temperatura radiacyjna w jednym z kanałów ze środkiem w 11, 12 lub 3.7 µm 26 marca 2017 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

Serwis satelitarny (1) Serwis operacyjny od roku 1970 oparty na danych satelitów meteorologicznych z serii TIROS N/NOAA Podstawowe parametry radiometru AVHRR Orbita heliosynchroniczna poranna popołudniowa Szerokość ścieżki 2580 km Tryb pracy HRPT (w czasie rzeczywistym i pełną dziesięciobitową rozdzielczością) GAC (wartości uśrednione co trzecią linię i co czwarty piksel w linii, na sygnał ze stacji odbiorczej) LAC (z pełną rozdzielczością, rejestrowane przez 10 minut nad określonym z Ziemi obszarem i transmitowane na sygnał stacji odbiorczej w czasie przelotu w zasięgu jej odbioru) APT (ze zredukowana rozdzielczością przestrzenną do ok. 4 km i instrumentalną (do 8 bitów) oraz liczbą kanałów ograniczoną do dwóch dowolnie wybieranych, w czasie rzeczywistym, w postaci analogowej) 26 marca 2017 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

Serwis satelitarny (2) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Maskowanie chmur Badanie wartości temperatury radiacyjnej w kanałach 11 i 12 µm Np.: scena jest bezchmurna jeśli spełniony jest warunek Wykorzystanie informacji z kanałów w zakresie widzialnym (tylko pora dzienna) Metody analizy obrazu Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Maskowanie chmur (2) T4 i T5 - temperatura radiacyjna w kanałach 4 i 5, R1, R2, R3 - współczynniki odbicia w kanałach 1, 2 i 3, R21=R2-R1, T4w - średnia temperatura radiacyjna w kanale 4 dla wszystkich pikseli zidentyfikowanych jako woda, lód (indeks i) lub chmury (indeks c), T2w - średnie albedo w kanale 2 dla wszystkich pikseli zidentyfikowanych jako woda Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

Temperatura powierzchni morza

Temperatura powierzchni morza Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

26 marca 2017

TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) TMI (TRMM Microwave Imager) Rozdzielczość przestrzenna 30 km Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 26 marca 2017

26 marca 2017

Podstawy detekcji temperatury morza z poziomu satelitarnego

Podobne prezentacje

Prezentacja na temat: "Podstawy detekcji temperatury morza z poziomu satelitarnego"— Zapis prezentacji:

Podobne prezentacje

О projekcie

Zwrotny adres

Wejść

Zaloguj się poprzez sieć społeczną:

Podstawy detekcji temperatury morza z poziomu satelitarnego

Podobne prezentacje

Prezentacja na temat: "Podstawy detekcji temperatury morza z poziomu satelitarnego"— Zapis prezentacji:

Podobne prezentacje

О projekcie

Zwrotny adres