Podstawy detekcji temperatury morza z poziomu satelitarnego

1
Podstawy detekcji temperatury morza z poziomu
satelitarnego

• Adam Krezel
• Instytut Oceanografii
• Zaklad Oceanografii Fizycznej

2
Podstawy fizyczne (1)

• Bezkontaktowe okreslanie temperatury morza jest
  mozliwe dzieki wlasciwosci cial fizycznych
  polegajacej na zdolnosci emitowania energii
  elektromagnetycznej
• Wielkosc radiacji ciala doskonale czarnego zalezy
  od temperatury T i dlugosci fali ? w sposób,
  który opisuje prawo Plancka

• W rzeczywistosci powierzchnia morza nie jest
  idealnym emiterem (cialem doskonale czarnym) i
  powyzsze równanie musi byc zmodyfikowane
• Wprowadza sie wspólczynnik, tzw. spektralna
  emisyjnosc e, która z definicji jest stosunkiem
  Er (?) (rzeczywista powierzchnia o temp. T) i
  E(?) (cialo doskonale czarne o temp. T)

3
Podstawy fizyczne (2)

• Temperatura ciala szarego okreslona z prawa
  Plancka z pominieciem emisyj-nosci okreslana jest
  jako temperatura radiacyjna
• W przypadku powierzchni morza moz-na przyjac, ze
  mamy do czynienia z cialem "prawie" doskonale
  czarnym o temperaturze od -2 do 45C, tzn. od
  271 do 318 K
• Maksimum emisji takiego ciala przy-pada na pasmo
  spektralne wokól ok. 10 µm
• W poblizu Ziemi promieniowanie slo-neczne jest na
  tyle silne, ze w dzien korzystamy tylko z kanalów
  spektral-nych w zakresie ok. 10-12 µm

4
Temperatura przypowierzchniowej warstwy morza

• Optymalnym pasmem dla zdalnego okreslania
  temperatury morza jest przedzial pomiedzy 3 i 15
  µm. Wynika to z faktu, ze
• maksimum radiacji takiego ciala przypada na
  przedzial 9.3-10.7 µm
• wokól 3.5, 11 i 12 µm znajduja sie tzw. okna
  atmosferyczne dla promieniowania
  elektromagnetycznego
• Wspólczynnik absorpcji wody morskiej w tej czesci
  widma wynosi od 1.086106m-1 dla 3 µm do
  6.68104m-1 dla 10 µm. Jesli przyjmiemy jako
  reprezentatywna wartosc 105m-1 to na mocy prawa
  Bouguera-Lamberta glebokosc penetracji dla tego
  promieniowania wynosi 10 µm. Fresnelowski
  wspólczynnik odbicia w rozpatrywanym przedziale
  jest najnizszy dla 11 µm - 0.7, a najwyzszy dla
  15 µm - ok. 4.

5
Efekt naskórkowy (1)

• Wynik wymiany energii pomiedzy atmosfera i morzem
  (utajone cieplo parowania, strumien ciepla
  wyczuwalnego (sensible) oraz dlugofalowe i
  krótkofalowe promieniowanie sloneczne)
• Warstwa naskórkowa ma grubosc ok. 0.5 mm. Zalezy
  od warunków mieszania wiatrowego i przeplywu
  ciepla w wyniku przewodnictwa molekularnego
• W zaleznosci od kierunku przeplywu ciepla warstwa
  naskórkowa moze byc cieplejsza lub chlodniejsza
  od warstwy mieszania

6
Co to jest temperatura powierzchniowa?

• Definicje SST (zgodnie z GHRSST-PP)
• Temperatura powierzchni morza (The interface
  temperature) SSTintIstnieje w teorii nie ma
  mozliwosci jej pomiaru przy uzyciu aktualnych
  mozliwosci technicznych.
• Temperatura naskórkowa (The skin sea surface
  temperature) STskin
• Temperatura wyznaczana przez radiometry czule na
  promieniowanie podczerwone w przedziale 3.7-12 µm
  temperatura warstwy wody do gleokosci 10-20
  µm.
• Temperatura podpowierzchniowa (The sub-skin sea
  surface temperature) SSTsub-skin
• Temperatura warstwy ponizej poprzedniej (at the
  base of the conductive laminar sub-layer of the
  ocean surface). Praktycznie mozna ja wyznaczyc
  przy pomocy radiometru mikrofalowego pracujacego
  w przedziale 6-11 GHz.
• Temperatura powierzchniowa (The surface
  temperature) SSTz lub SSTdepth
• Temperatura warstwy wody od warstwy poprzedniej
  do glebokosci z mierzona tradycyjnie zazwyczaj w
  przedziale glebokosci od 10-2 do 103 m.
• Temperatura podstawowa (The foundation
  temperature) SSTfnd
• Z definicji jest to temperatura wody na
  glebokosci gdzie nie dociera wplyw zmian dobowych
  (ocieplania dziennego lub ochladzania 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 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
8
Zródla 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 homepage_at_University of Leicester
• ATSR homepage_at_RAL
• 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
• http//www.ospo.noaa.gov/Products/ocean/sst/anal_f
  ields.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

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,
?0 - stala bezwymiarowa równa 13.3. W modelu
tym, przejscie od wolnej do wymuszonej konwekcji
okresla krytyczna liczba Richardsona, a przejscie
od srednich do duzych predkosci wiatru i warunki
zalamywania sie 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.
10
Temperatura powierzchni morza z poziomu
satelitarnego

• Pomiar radiacji przez radiometr zainstalowany na
  pokladzie satelity
• Zamiana radiacji na temperature radiacyjna
• korekcja instrumentalna
• korekcja atmosferyczna
• Maskowanie obszarów niewidocznych w kanalach
  spektralnych radiometru
• Korekcja geometryczna i dowiazanie geograficzne
• Zamiana temperatury radiacyjnej na temperature
  powierzchni morza
• Okreslenie temperatury w obszarach niewidocznych
  dla satelity (np. zaslonietych chmurami)

11
Temperatura powierzchni morza na podstawie
surowych danych AVHRR

• okreslenie tzw. punktów kalibracyjnych
• wyznaczenie krzywej kalibracji
• okreslenie temperatury radiacyjnej
• kalibracja atmosferyczna

12
Obiekty wzorcowe

• cialo doskonale czarne podgrzewane do temperatury
  ok. 288 K
• przestrzen kosmiczna (0 K)

13
Ramka HRPT
http//www.ncdc.noaa.gov/oa/pod-guide/ncdc/docs/kl
m/html/c4/sec4-1.htm
14
Temperatura wzorca
15
Radiacja

• Zmierzone wielkosci radiacji odpowiadajace
  temperaturze wzorca (NT) w kazdym z trzech
  kanalów AVHRR (3b, 4, 5) i przestrzeni kosmicznej
  (Nsp) we wszystkich pieciu kanalach, umieszczane
  sa po dziesiec odczytów w kazdej skanowanej linii

Zaleca sie, aby do okreslania krzywej kalibracji
poslugiwac sie powyzszymi danymi usrednionymi dla
kazdego kanalu spektralnego z przynajmniej 50
linii
16
Kalibracja
i okresla numer kanalu spektralnego a radiacja L
zalezy od temperatury i charakterystyki czulosci
spektralnej tego kanalu
- znormalizowana funkcja czulosci
detektora dla liczby falowej kj stablicowana dla
kazdego kanalu spektralnego i egzemplarza AVHRR,
a B - prawo Plancka zapisane dla liczby falowej
17
Temperatura radiacyjna (1)
18
Temperatura radiacyjna (2)
19
Wspólczynniki kalibracyjne
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 0.00000E00 0.00000E00
  0.16012E-06 0.00000E00
• 0.00000E00 0.20434E-04 0.17275E-04
  0.00000E00 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

• 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
• 0.00000E00 0.96341E-06 0.00000E00
  0.00000E00 0.33594E-05
• 0.00000E00 0.00000E00 0.79902E-05
  0.00000E00 0.00000E00
• 0.00000E00 0.00000E00 0.00000E00
  0.00000E00 0.00000E00
• 0.00000E00 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 0.00000E00 0.11269E-04
  0.00000E00 0.00000E00
• 0.00000E00 0.00000E00 0.00000E00
  0.00000E00 0.00000E00

21
Transmisja promieniowania podczerwonego przez
atmosfere

• W pasmie 3-15 µm podstawo-wymi procesami
  wspól-oddzialywania atmosfery ziemskiej z
  promieniowaniem elektromagnetycznym sa procesy
  absorpcji i reemisji
• Procesy rozpraszania praktycznie moga byc
  pominiete

• Najwazniejszymi skladnikami atmosfery
  absorbujacymi promieniowanie w tej czesci widma
  sa para wodna, ozon i dwutlenek wegla
• Efekt reemisji wynika z róznicy temperatur
  pomiedzy atmosfera i morzem. Bedac zazwyczaj
  chlodniejsza od morza, atmosfera absorbuje jego
  promieniowanie, a nastepnie emituje je zgodnie
  z prawem Plancka. Maksimum tej emisji jest,
  zgodnie z prawem Wiena, przesuniete w strone fal
  dluzszych i slabsze. W rezultacie prowadzi to do
  zmniejszenia radiacji dochodzacej do satelity
  czyli do zanizenia temperatury morza mierzonej z
  orbity w stosunku do rzeczywistej.

22
Strategia korekcji atmosferycznej

• Do czujnika na pokladzie
• satelity dociera radiacja
• emisja powierzchni morza
• emisja atmosfery
• promieniowanie sloneczne odbite od powierzchni
  morza
• promieniowanie atmosfery odbite od powierzchni
  morza

23
Praktyczne sposoby korekcji atmosferycznej

• Metoda pojedynczego kanalu
• Metody wielokanalowe
• rozszczepionego okna
• podwójnego okna
• potrójnego okna
• metoda sondowania mikrofalowego
• metoda 'wielospojrzenia'

24
Metoda rozszczepionego okna

• Tsclim - wartosc klimatyczna temperatury
• sec? 1/cos ? 1
• ? kat zenitalny satelity
• a, b, ..., m, n - wspólczynniki okreslane na
  podstawie analizy regresji
• W W0/cos ?
• W0 zawartosc pary wodnej w pionowej kolumnie
  atmosfery

25
Zestaw wspólczynników równan (1) i (2) dla
poszczególnych satelitów i pory dnia

Algorithm MCSST Algorithm MCSST Algorithm MCSST Algorithm MCSST Algorithm MCSST Algorithm MCSST
Satellite Time Coefficients Coefficients Coefficients Coefficients
Satellite Time a1 a2 a3 a4
NOAA-12 DAY 0.963563 2.579211 0.242598 -263.006
NOAA-12 NIGHT 0.967077 2.384376 0.480788 -263.940
NOAA-14 DAY 1.017342 2.139588 0.779706 -278.430
NOAA-14 NIGHT 1.029088 2.275385 0.752567 -282.240
NOAA-15 DAY 0.964243 2.712960 0.387491 -262.443
NOAA-15 NIGHT 0.976789 2.770720 0.435832 -266.290
NOAA-16 DAY 0.999314 2.301950 0.628976 -273.768
NOAA-16 NIGHT 0.995103 2.536570 0.753281 -273.146
NOAA-17 DAY 0.992818 2.499160 0.915103 -271.206
NOAA-17 NIGHT 1.010150 2.581500 1.000540 -276.590
Algorithm NLSST Algorithm NLSST Algorithm NLSST Algorithm NLSST Algorithm NLSST Algorithm NLSST
b1 b2 b3 b4
NOAA-12 DAY 0.876992 0.083132 0.349877 -236.667
NOAA-12 NIGHT 0.888706 0.081646 0.576136 -240.229
NOAA-14 DAY 0.939813 0.076060 0.801458 -255.165
NOAA-14 NIGHT 0.933109 0.078095 0.738128 -253.428
NOAA-15 DAY 0.913116 0.090576 0.476940 -246.887
NOAA-15 NIGHT 0.922560 0.093611 0.548055 -249.819
NOAA-16 DAY 0.914471 0.077612 0.668532 -248.116
NOAA-16 NIGHT 0.898887 0.083933 0.755283 -244.006
NOAA-17 DAY 0.936047 0.083867 0.920848 -253.951
NOAA-17 NIGHT 0.938875 0.086427 0.979108 -255.023
26
Metoda potrójnego okna
a, b, ..., i - wspólczynniki okreslane na
podstawie analizy regresji (moga zalezec liniowo
od kata zenitalnego satelity ?) Tchi i Tchj -
temperatura radiacyjna w jednym z kanalów ze
srodkiem w 11, 12 lub 3.7 µm
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
• popoludniowa
• Szerokosc sciezki 2580 km
• Tryb pracy
• HRPT (w czasie rzeczywistym i pelna
  dziesieciobitowa rozdzielczoscia)
• GAC (wartosci usrednione co trzecia linie i co
  czwarty piksel w linii, na sygnal ze stacji
  odbiorczej)
• LAC (z pelna rozdzielczoscia, rejestrowane przez
  10 minut nad okreslonym z Ziemi obszarem i
  transmitowane na sygnal stacji odbiorczej w
  czasie przelotu w zasiegu jej odbioru)
• APT (ze zredukowana rozdzielczoscia przestrzenna
  do ok. 4 km i instrumentalna (do 8 bitów) oraz
  liczba kanalów ograniczona do dwóch dowolnie
  wybieranych, w czasie rzeczywistym, w postaci
  analogowej)

28
Serwis satelitarny (2)
29
Serwis satelitarny (3)
30
Serwis satelitarny (4)
31
Maskowanie chmur

• Badanie wartosci temperatury radiacyjnej w
  kanalach 11 i 12 µmNp. scena jest bezchmurna
  jesli spelniony jest warunek
• Wykorzystanie informacji z kanalów w zakresie
  widzialnym (tylko pora dzienna)
• Metody analizy obrazu

32
Maskowanie chmur (2)
T4 i T5 - temperatura radiacyjna w kanalach 4 i
5, R1, R2, R3 - wspólczynniki odbicia w kanalach
1, 2 i 3, R21R2-R1, T4w - srednia temperatura
radiacyjna w kanale 4 dla wszystkich pikseli
zidentyfikowanych jako woda, lód (indeks i) lub
chmury (indeks c), T2w - srednie albedo w kanale
2 dla wszystkich pikseli zidentyfikowanych jako
woda
33
Temperatura powierzchni morza
34
Temperatura powierzchni morza
35
Temperatura powierzchni morza
36
(No Transcript)
37
(No Transcript)
38
(No Transcript)
39

• TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission)
• TMI (TRMM Microwave Imager)
• Rozdzielczosc przestrzenna 30 km

40
(No Transcript)
41
(No Transcript)
42
http//www.cdc.noaa.gov/map/clim/sst_olr/sst_anim.
shtml
43

• https//www.ghrsst.org/