Powiązanie pomiarów satelitarnych z obserwacjami zachmurzenia Centrum UNEP/GRID-Warszawa, Krajowy Koordynator Programu GLOBE VIII Ogólnopolska Konferencja Nauczycieli Warsztaty trenerów Regionalnych Projektów Badawczych Warszawa, 14-16. 01. 2010 Powiązanie pomiarów satelitarnych z obserwacjami zachmurzenia dr Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja Program GLOBE UW: http://www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja/globe.php

Powiązanie obserwacji zachmurzenia z pomiarami satelitarnymi Obserwacje satelitarne są bogatym źródłem informacji o zachmurzeniu. Umożliwiają pomiar zachmurzenia, rodzajów chmur, wysokości wierzchołków oraz własności mikrofizycznych. Przetwarzanie danych satelitarnych nie jest jednak zadaniem prostym i wymaga walidacji z pomiarami prowadzonymi z powierzchni Ziemi. Pomiary GLOBOWE zachmurzenia idealnie wpisują się w to zadanie.

Satelita MSG Satelita geostacjonarny Meteosat drugiej generacji (MSG) jest następcą długiej serii europejskich satelitów meteorologicznych METOSAT. Za pomocą detektora SEVIRI wykonuje zdjęcia (tak naprawdę skanowanie) Globu co 15 minut w 12 kanałach spektralnych. Rozmiar pojedynczego piksela nad Polską wynosi od 3 do 5 km w zależności od kanału spektralnego.

Kanały spektralne MSG Channel & wavelength (microns) Spectral Band upper-lower wavelengths (microns) Spatial Resolution (kilometers) Principal Sensitivity HRV 0.75 0.6-0.9 1 km cloud texture, winds VIS 0.64 0.56-0.71 3 km cloud over land, winds VIS 0.81 0.74-0.88 cloud over water, vegetation NIR 1.6 1.50-1.78 cloud over snow MIR 3.8 3.48-4.36 low cloud IR 6.2 5.35-7.15 high water vapor IR 7.3 6.85-7.85 middle water vapor IR 8.7 8.30-9.10 total water vapor IR 9.7 9.38-9.94 total ozone IR 10.8 9.80-11.80 surface & cloud top temp., winds IR 12.0 11.00-13.00 surface temp. correction IR 13.4 12.40-13.40 higher clouds Kanały spektralne MSG Kanał (microns) Zakres spektralny Rozdzielczość spektralna nad równikiem Przeznaczanie kanału do pomiarów meteorologicznych HRV 0.75 0.6-0.9 1 km Chmury, wiatr VIS 0.64 0.56-0.71 3 km Chmury nad lądem, wiatr VIS 0.81 0.74-0.88 Chmury nad wodą, wegetacja NIR 1.6 1.50-1.78 Chmury nad śniegiem MIR 3.8 3.48-4.36 Chmury niskie IR 6.2 5.35-7.15 Para wodna w górnej troposferze IR 7.3 6.85-7.85 Para wodna w środkowej troposerze IR 8.7 8.30-9.10 Całkowita zawartość pary wodnej IR 9.7 9.38-9.94 Całkowity zawartość ozonu IR 10.8 9.80-11.80 Temperatura ziemi i wierzchołków chmur, wiatr IR 12.0 11.00-13.00 Korekcja temperatury ziemi IR 13.4 12.40-13.40 Chmury wysokie

Co możemy wyznaczyć na podstawie zdjęcia z satelity MSG? temperaturę (wysokość) górnej granicy chmur stopnień zachmurzenia (analiza albeda sąsiednich pikseli) temperaturę powierzchni Ziemi.

Zdjęcie w obszarze widzialnym

Powierzchnia Ziemi Kanał 01 (VIS0.6) Chmury wysoki współ. odbicia grube chmury Cienkie chmury nad lądem Cienkie chmury nad oceanem Niski współ. odbicia Sun Glint śnieg Pustynie naga gleba lasy Oceany i morza

Powierzchnia Ziemi Kanał 02 (VIS0.8) Chmury wysoki współ. odbicia grube chmury Cienkie chmury nad lądem Cienkie chmury nad oceanem Niski współ. odbicia Sun Glint śnieg Pustynie Lasy naga gleba Oceany i morza

Powierzchnia Ziemi Kanał 04 (IR3.9) Chmury gorąco Niskie chmury Średnie chmury Wysokie chmury zimno Pożary Gorące powierzchnie tropikalnych oceanów, jezior Zimne powierzchnies (lody arktyczne)

Para wodna Kanał 05 (WV6.2) chmury gorąco Wysokie chmury zimno Niskie wilgotności w troposferze Wysokie wilgotności w troposferze

Powierzchnia Ziemi Kanał 10 (IR12.0) Chmury gorąco Niskie chmury Średnie chmury Wysokie chmury zimno Gorące powierzchnie Ziemi Gorące morza tropikalne, oceany, jeziora) lakes) Chłodne lądy (lód arktyczny

Detekcja chmur na podstawie progowej wartości albeda Chmury mają na ogół wyższe albedo od powierzchni ziemi (za wyjątkiem śniegu) co pozwala je wykrywać na zdjęciach satelitarnych wykonywanych w obszarze widzialnym. Albedo pojedynczego piksela na zdjęcie zdefiniowane jest zgodnie ze wzorem: gdzie R współczynnik odbicia dla długości fali , I () – natężenie promieniowania rejestrowane przez detektor satelitarny, F o () stała słoneczna (natężenie promieniowania słonecznego docierająca do górnych granic atmosfery), o kat zenitalny Słońca. Analizując albedo sąsiednich pikseli i porównując je do wartości dla bezchmurnego nieba można oszacować stopień zachmurzenia.

Wyznaczanie temperatury wierzchołków chmur lub powierzchni Ziemi na podstawie wzoru Plancka Promieniowanie długofalowe odbierane przez detektor satelitarny zależy od temperatury chmury lub powierzchni Ziemi o ile zachmurzenie nie występuje. Relację tę opisuje wzór Plancka w postaci: gdzie Io(T) – natężenie promieniowania podczerwonego rejestrowane przez detektor satelitarny dla długości fali , T - temperatura w [K], h - stała Plancka 6.626·10-34 Js, c - prędkość światła 3·108 m/s, k - stała Boltzmanna 1.3806·10-23 J/K. Odwracając relację można wyznaczyć temperaturę T. Jest to tak zwana temperatura radiacyjna. W przypadku gdy występują chmury na podstawie temperatury radiacynej można określić wysokości ich wierzchołków.

Realizacja Projektu CCDMSG – Cloud Contamination Detection from Meteosat Second Generation Koordynatorem projektu jest Instytut Geofizyku UW, który odbiera i przetwarza dane z satelity MSG. Dane te są obecnie wizualizowane na stronie http://www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja/MSG.php w trybie 30 minutowym. Szkoły który przystąpią do projektu będą mogły pobierać dane o temperaturze radiacyjnej chmur, wysokości chmur oraz stopniu zachmurzenia po wcześniejszym przesłaniu współrzędnych określających lokalizację szkołę. W ramach projektu przewiduje się porównanie wartości obserwacyjnych w ramach obserwacji GLOBOWYCH (stopnia zachmurzenia oraz piętra występowania chmur) z wartościami wyznaczonym na podstawie pomiarów satelitarnych. Więcej szczegół technicznych pojawi się na stronie: http://www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja/globe.php

Wersja rozszerzona projektu – Kamera nieba W kamerach nieba wykorzystuje się matryce CCD do obrazowania cyfrowego nieboskłonu. Stosuje się dwie metody obrazowania nieboskłonu przy pomocy obiektywu rybie oko lub zwierciadła. Dodatkowo w celu zasłonięcia tarczy słonecznej stosuje się ruchomy przysłony. Przy użyciu odpowiednich algorytmów szacuje się stopień pokrycia nieba chmurami. W najprostszej wersji (bez ruchomej przysłony) przyrząd jest bardzo tani!

Kamera nieba w wersji komercyjnej – koszt to ponad 10 tyś Euro co uniemożliwia jej zakup w warunkach szkolnych.

Kamera nieba wersja II Oparta na szerokokątnym obiektywie (rybie oko)

Przykładowe obrazy z kamery nieba

Algorytmy detekcji chmur Większość algorytmów wykorzystuje fakt, iż chmury rozpraszają niezależnie od długości fali podczas gdy obszary bezchmurne znacznie silniej rozpraszają fale krótsze. R, G, B składowe spektralne zdjęcia cyfrowego Detekcja obszarów chmurowych opiera się na progowej wartości odpowiedniego indeksu.

Przykłady działania różnych algorytmów

Balans Bieli – kalibracja matrycy CCD Jeden w większych problemów stanowi kalibracja kanałów R, G, B matrycy CCD. Dzięki właściwej kalibracji – balansowi bieli barwy na zdjęciu są rzeczywiste. Najczęściej wykorzystuje się w nich fakt, iż obserwowana przez nas biała kartka papieru widoczna jest jako białą niezależnie od jej oświetlenia. W rzeczywistości białą kartka oświetlona światłem czerwonym ma odcień czerwony. Tak, więc stosowany w aparatach balans bieli jest mało użyteczny w przypadku kamer nieba.

Automatyczny balans bieli Korekcja balansu bieli