Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

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

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Podstawy detekcji temperatury morza z poziomu satelitarnego Adam Krężel Instytut Oceanografii Zakład Oceanografii Fizycznej."— Zapis prezentacji:

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

2 13 stycznia 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 E r (λ) (rzeczywista powierzchnia o temp. T) i E(λ) (ciało doskonale czarne o temp. T) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

3 13 stycznia 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

4 13 stycznia 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 1.086·10 6 m -1 dla 3 µm do 6.68·10 4 m -1 dla 10 µm. Jeśli przyjmiemy jako reprezentatywną wartość 10 5 m -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%. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

5 13 stycznia 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

6 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 do 10 3 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. https://www.ghrsst.org/ 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 6 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).

7 Temperatura powierzchni morza 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 7

8 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 homepageAMSR-E homepage –AATSR of LeicesterAATSR of Leicester –ATSR –SSM/I dataSSM/I data –TRMM TMI real-time data (Wentz)TRMM TMI real-time data (Wentz) –Meteosat Next Generation (MSG)Meteosat Next Generation (MSG) –GOES projectGOES project –GMS-5 data (Japan Meteorlogical Agency Satellite CenterGMS-5 data (Japan Meteorlogical Agency Satellite Center –AVHRR Pathfinder Oceans Project at the University of Miami's RSMASAVHRR Pathfinder Oceans Project at the University of Miami's RSMAS –http://www.ospo.noaa.gov/Products/ocean/sst/anal_fields.htmlhttp://www.ospo.noaa.gov/Products/ocean/sst/anal_fields.html –MODISMODIS –ASTER homepageASTER homepage –DMI - Weekly and daily SST analysis from satellite observationsDMI –BSH - Sea Surface Temperature: Weekly mean, daily meanBSH In situ SST data: –NOAA National Oceanographic Data Center The world's largest collection of publicly available oceanographic data.NOAA National Oceanographic Data Center –NOAA Pacific Marine Environmental Laboratory Archive for in-situ data including the TOGA TAO Buoy Data.NOAA Pacific Marine Environmental Laboratory –NOAA National Data Buoy Center Archive for moored and drifting buoy data.NOAA National Data Buoy Center –BOOS SST-OBSBOOS –AVHRR Pathfinder Oceans Matchups DatabaseAVHRR Pathfinder Oceans Matchups Database –ISAR VOS in situ radiometerISAR VOS in situ radiometer –SISTeR in situ radiometerSISTeR in situ radiometer –ODAS buoys around the UKODAS buoys around the UK 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 8

9 13 stycznia Efekt naskórkowy (3) Model Solovieva i Schlüssela (1994) Pr - liczba Prandtla, R f - liczba Richardsona, Ke - liczba Keulegana, R fcr - krytyczna liczba Richardsona, K ecr - krytyczna liczba Keulegana, Λ 0 - stała bezwymiarowa równa 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

10 10 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) 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

11 13 stycznia 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

12 13 stycznia Obiekty wzorcowe ciało doskonale czarne podgrzewane do temperatury ok. 288 K przestrzeń kosmiczna (0 K) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

13 13 stycznia Ramka HRPT Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

14 13 stycznia Temperatura wzorca Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

15 13 stycznia Radiacja Zmierzone wielkości radiacji odpowiadające temperaturze wzorca (N T ) w każdym z trzech kanałów AVHRR (3b, 4, 5) i przestrzeni kosmicznej (N sp ) 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

16 13 stycznia Kalibracja - znormalizowana funkcja czułości detektora dla liczby falowej k j stablicowana dla każdego kanału spektralnego i egzemplarza AVHRR, a B - prawo Plancka zapisane dla liczby falowej: i określa numer kanału spektralnego a radiacja L zależy od temperatury i charakterystyki czułości spektralnej tego kanału Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

17 13 stycznia Temperatura radiacyjna (1) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

18 13 stycznia Temperatura radiacyjna (2) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

19 13 stycznia Współczynniki kalibracyjne Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

20 13 stycznia ! 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 E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E+00 ! Channel 4 avhrr_response AVHRR CHANNEL 4 STARTING WAVE # INCREMENT NUMBER OF POINTS 60 ! Starting WAVE #: Increment: E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E 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 E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E 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 p0 p1 p3 nonlin_poly nonlin_poly nonlin_poly ! Space Radiance value ! CH RSP space_radiance space_radiance space_radiance Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

21 13 stycznia 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

22 13 stycznia 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

23 13 stycznia 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

24 24 Metoda rozszczepionego okna T sclim - wartość klimatyczna temperatury secθ = 1/cos θ – 1 θ – kąt zenitalny satelity a, b,..., m, n - współczynniki określane na podstawie analizy regresji W = W 0 /cos θ W 0 = zawartość pary wodnej w pionowej kolumnie atmosfery

25 Zestaw współczynników równań (1) i (2) dla poszczególnych satelitów i pory dnia Algorithm MCSST SatelliteTime Coefficients a1a1 a2a2 a3a3 a4a4 NOAA-12DAY NOAA-12NIGHT NOAA-14DAY NOAA-14NIGHT NOAA-15DAY NOAA-15NIGHT NOAA-16DAY NOAA-16NIGHT NOAA-17DAY NOAA-17NIGHT Algorithm NLSST b1b1 b2b2 b3b3 b4b4 NOAA-12DAY NOAA-12NIGHT NOAA-14DAY NOAA-14NIGHT NOAA-15DAY NOAA-15NIGHT NOAA-16DAY NOAA-16NIGHT NOAA-17DAY NOAA-17NIGHT

26 13 stycznia Metoda potrójnego okna a, b,..., i - współczynniki określane na podstawie analizy regresji (mogą zależeć liniowo od kąta zenitalnego satelity θ) T chi i T chj - temperatura radiacyjna w jednym z kanałów ze środkiem w 11, 12 lub 3.7 µm Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

27 13 stycznia 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) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

28 13 stycznia Serwis satelitarny (2) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

29 29 Serwis satelitarny (3) 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

30 13 stycznia Serwis satelitarny (4) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

31 13 stycznia 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

32 32 Maskowanie chmur (2) T 4 i T 5 - temperatura radiacyjna w kanałach 4 i 5, R 1, R 2, R 3 - współczynniki odbicia w kanałach 1, 2 i 3, R 21 =R 2 -R 1, T 4w - średnia temperatura radiacyjna w kanale 4 dla wszystkich pikseli zidentyfikowanych jako woda, lód (indeks i) lub chmury (indeks c), T 2w - średnie albedo w kanale 2 dla wszystkich pikseli zidentyfikowanych jako woda 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

33 33 Temperatura powierzchni morza 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

34 13 stycznia Temperatura powierzchni morza Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

35 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 35 Temperatura powierzchni morza

36 3613 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

37 13 stycznia Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

38 3813 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

39 13 stycznia TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) –TMI ( TRMM Microwave Imager ) Rozdzielczość przestrzenna 30 km Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

40 13 stycznia Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

41 4113 stycznia 2014

42 42 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

43 https://www.ghrsst.org/ 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5 43


Pobierz ppt "Podstawy detekcji temperatury morza z poziomu satelitarnego Adam Krężel Instytut Oceanografii Zakład Oceanografii Fizycznej."

Podobne prezentacje


Reklamy Google