1 / 43

Podstawy detekcji temperatury morza z poziomu satelitarnego

Podstawy detekcji temperatury morza z poziomu satelitarnego. Adam Krężel Instytut Oceanografii Zakład Oceanografii Fizycznej. Podstawy fizyczne (1).

wardah
Download Presentation

Podstawy detekcji temperatury morza z poziomu satelitarnego

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

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

  2. 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

  3. 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. 10-12 µm Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

  4. 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 9.3-10.7 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%. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

  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

  6. Co to jest temperatura powierzchniowa? DefinicjeSST (zgodnie z GHRSST-PP*) • Temperatura powierzchni morza (The interface temperature)– SSTintIstnieje 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 3.7-12 µm – temperatura warstwy wody do głęokości~10-20 µm. • Temperatura podpowierzchniowa (The sub-skin sea surface temperature)– SSTsub-skin Temperaturawarstwy 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)– SSTzlub SSTdepth Temperatura warstwy wody od warstwy poprzedniej do głębokości z mierzona tradycyjnie zazwyczaj w przedziale głębokości od 10-2do 103m. • 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/ The hypothetical vertical profiles of temperature for the upper 10m 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). Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

  7. Temperatura powierzchni morza Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

  8. Źródła danych SST Input Data to theGHRSST-PP TheGHRSST-PPuses a variety of input data thatareindexedinthispage. Followthelinksbelow for a fulldescriptiontheGHRSST-PP data products youareinterested in. Satellite data • AMSR-Ehomepage • AATSR homepage@University of Leicester • ATSR homepage@RAL • SSM/I data • TRMM TMI real-time data (Wentz) • MeteosatNextGeneration (MSG) • GOES project • GMS-5 data (Japan MeteorlogicalAgencySatellite Center • AVHRR PathfinderOceans Project attheUniversity of Miami's RSMAS • http://www.ospo.noaa.gov/Products/ocean/sst/anal_fields.html • 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 CenterTheworld'slargestcollection of publiclyavailableoceanographic data. • NOAA Pacific Marine EnvironmentalLaboratoryArchive for in-situ data includingthe TOGA TAO Buoy Data. • NOAA National Data Buoy Center Archive for moored and driftingbuoy data. • BOOS SST-OBS • AVHRR PathfinderOceansMatchupsDatabase • ISAR VOS in situ radiometer • SISTeRin situ radiometer • ODAS buoysaround the UK Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

  9. 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

  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) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

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

  13. Ramka HRPT http://www.ncdc.noaa.gov/oa/pod-guide/ncdc/docs/klm/html/c4/sec4-1.htm Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

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

  15. 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

  16. 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: Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

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

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

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

  20. ! Table D.1-10. 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 # 2226.17993 INCREMENT 19.47456 NUMBER OF POINTS 60 0.22480E-06 0.00000E+00 0.00000E+00 0.16012E-06 0.00000E+00 0.00000E+00 0.20434E-04 0.17275E-04 0.00000E+00 0.10168E-06 0.75313E-06 0.40871E-05 0.17785E-04 0.74921E-04 0.22185E-03 0.48267E-03 0.74265E-03 0.99069E-03 0.15417E-02 0.27618E-02 0.39083E-02 0.39820E-02 0.40702E-02 0.42223E-02 0.41632E-02 0.40969E-02 0.40508E-02 0.39408E-02 0.37578E-02 0.35646E-02 0.32795E-02 0.12035E-02 0.18680E-03 0.34077E-04 0.71878E-05 0.16921E-05 0.55911E-06 0.88778E-06 0.00000E+00 0.16001E-06 0.00000E+00 0.55182E-07 0.35867E-06 0.33677E-07 0.20459E-06 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.68498E-07 0.00000E+00 0.23649E-06 0.45775E-07 0.90267E-07 0.19821E-06 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 ! Channel 4 avhrr_response AVHRR CHANNEL 4 STARTING WAVE # 782.47241 INCREMENT 6.10157 NUMBER OF POINTS 60 ! Starting WAVE #: 782.47241 Increment: 6.10157 0.91441E-05 0.11615E-04 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.11532E-04 0.00000E+00 0.32498E-05 0.00000E+00 0.20139E-04 0.14238E-03 0.94296E-03 0.37084E-02 0.81656E-02 0.10917E-01 0.11776E-01 0.11977E-01 0.11974E-01 0.11508E-01 0.11398E-01 0.11640E-01 0.11725E-01 0.11593E-01 0.11377E-01 0.11138E-01 0.10369E-01 0.76897E-02 0.40091E-02 0.13444E-02 0.29657E-03 0.54774E-04 0.13854E-04 0.93097E-05 0.53660E-05 0.41669E-05 0.67957E-05 0.36303E-05 0.46783E-05 0.00000E+00 0.11191E-04 0.51980E-05 0.58223E-06 0.20847E-06 0.00000E+00 0.00000E+00 0.76611E-06 0.53901E-05 0.78106E-05 0.00000E+00 0.19177E-05 0.00000E+00 0.00000E+00 0.63347E-05 0.31430E-05 0.00000E+00 0.00000E+00 Channel 5 avhrr_response AVHRR CHANNEL 5 STARTING WAVE # 714.28564 INCREMENT 4.92611 NUMBER OF POINTS 60 ! Starting WAVE #: 714.28564 Increment: 4.92611 0.00000E+00 0.96341E-06 0.00000E+00 0.00000E+00 0.33594E-05 0.00000E+00 0.00000E+00 0.79902E-05 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.29595E-04 0.34591E-03 0.36016E-02 0.11767E-01 0.13290E-01 0.13408E-01 0.13770E-01 0.14156E-01 0.14903E-01 0.15807E-01 0.16106E-01 0.15993E-01 0.16047E-01 0.15413E-01 0.13735E-01 0.12254E-01 0.10649E-01 0.16088E-02 0.89934E-04 0.15244E-05 0.00000E+00 0.11269E-04 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.11237E-06 0.00000E+00 0.76358E-06 0.79603E-06 0.00000E+00 0.55309E-06 0.00000E+00 0.28316E-05 0.00000E+00 0.00000E+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 2695.9743 -1.624481 1.001989 ! Channel 4 925.4075 -0.338243 1.001283 ! Channel 5 839.8979 -0.304856 1.000977 ! 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 3 0.0 1.0 0.0 nonlin_poly 4 4.76 0.9068 0.0004534 nonlin_poly 5 3.83 0.9341 0.0002811 ! Space Radiance value ! CH RSP space_radiance 3 0.0 space_radiance 4 -4.50 space_radiance 5 -3.61 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

  21. 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. Transmisja promieniowania podczerwonego przez atmosferę Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

  22. 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. 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. 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

  25. Zestaw współczynników równań (1) i (2) dla poszczególnych satelitów i pory dnia

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

  27. 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. Serwis satelitarny (2) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

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

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

  31. Maskowanie chmur • Badanie wartości temperatury radiacyjnej w kanałach 11 i 12 µmNp.: 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. 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

  33. Temperatura powierzchni morza Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

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

  35. Temperatura powierzchni morza Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

  36. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

  37. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

  38. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

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

  40. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

  41. http://www.cdc.noaa.gov/map/clim/sst_olr/sst_anim.shtml Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

  42. https://www.ghrsst.org/ Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 5

More Related