Advanced Very High Resolution Radiometer

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Advanced Very High Resolution Radiometer (w skrócie AVHRR, pol. zaawansowany radiometr bardzo dużej rozdzielczości) – radiometr umieszczony na orbicie okołoziemskiej na satelitach należących do Narodowej Administracji Oceanu i Atmosfery USA oraz innych organizacji. Instrumenty AVHRR służą do multispektralnych pomiarów promieniowania Ziemi, głównie w obszarze podczerwieni[1]. Dzięki tym pomiarom uzyskuje się informacje m.in. o temperaturze powierzchni oceanu.

Historia[edytuj | edytuj kod]

Pierwszy instrument został umieszczony na orbicie okołoziemskiej w październiku 1978 roku (satelita Tiros-N). Początkowo instrument był zaplanowany jako instrument do robienia zdjęć (obrazujący), a nie do jakościowej analizy stanu atmosfery i oceanu, ale z czasem został wykorzystany do jakościowej oceny wielu parametrów fizycznych. Instrumenty AVHRR/1 dokonywały obserwacji w czterech kanałach, natomiast seria instrumentów AVHRR/2 skonstruowana w latach 1980, dokonywała obserwacji w 5 kanałach i była umieszczona na satelitach NOAA-7 NOAA-14.

Charakterystyka[edytuj | edytuj kod]

AVHRR/3 jest także instrumentem obrazującym używanym do całoziemskiej analizy pokrywy chmur, temperatury oceanu, pokrywy lodu i roślinności. Obecnie (2009) instrumenty te są na pokładzie satelitów NOAA-15, -16, -17, -18 i Metop-A. AVHRR/3 jest instrumentem sześciokanałowym z trzema kanałami w świetle słonecznym i trzema kanałami w podczerwieni. AVHRR/3 ma dwa kanały o szerokości około 1 mikrometra pomiędzy 10,3 oraz 12,5 mikrometrów. Skanowanie odbywa się prostopadle do trajektorii lotu (skan poprzeczny). Kanały termiczne w podczerwieni oziębiane są do 105 K. Widmowe charakterystyki kanałów AVHRR/3 nie są identyczne z AVHRR/2. Kanał 3 jest podzielony na dwa kanały – 3a w obszarze słonecznym (1,6 mikrometra) oraz kanał 3b w obszarze 3,7 µm. Tylko pięć kanałów jest używanych jednocześnie. W czasie dnia używany jest kanał 3a, kanał 3b jest używany w nocy.

Pasmo Centralna długość Szerokość pasma (mikrometr)
1 0,630 0,580 – 0,680
2 0,865 0,725 – 1,000
3a 1,610 1,580-1,640
3b 3,740 3,550 – 3,930
4 10,800 10,300 – 11,300
5 12,000 11,500 – 12,500

Ilość informacji z instrumentu AVHRR/3 jest ograniczana w czasie rzeczywistym poprzez użycie i uśrednienie tylko czterech z pięciu pomiarów w kierunku linii skanu oraz przez użycie co trzeciego skanu w kierunku lotu satelity. Tworzony jest w ten sposób zbiór danych nazywany Global Area Coverage (GAC) o rozdzielczości 1,1 km na 4,4 km z przerwą 2,2 km pomiędzy pikselami w kierunku linii skanu. Sygnał pomiarowy jest zamieniany z dokładnością 10 bitów przez układ elektroniczny z sygnału analogowego na sygnał cyfrowy. Są to dane Poziomu 0.

Dane Poziomu 1 są przetwarzane na Ziemi i początkowo tworzone są dane Poziomu 1b. Zawierają one odbicie dla kanałów 1, 2 oraz 3a oraz wykalibrowane radiancje dla kanałów 3, 4 i 5. Zdjęcia są dodatkowo analizowane, głównie żeby zorientować się czy dany piksel pokazuje obszar atmosfery, w którym są, lub nie, chmury. Dane Poziomu 1b zawierają dodatkową informację o chmurach oraz informacje o geolokacji. Analiza polega na teście: (1) kanału T11, żeby ocenić obecność średnich i wysokich chmur, (2) T11-T12, żeby ocenić chmury typu cirrus, (3) test T11-T3.7 dla oceny chmur o małej wodności, (4) teście T3.7-T12 dla oceny chmur złożonych z kryształów lodu albo zimnych chmur nocą, (5) testu albeda A2 w półmroku lub w czasie dnia na wybrzeżach lub nad oceanem, przy nieobecności ścieżki słońca dla oceny chmur odbijających bardziej niż powierzchnia oceanu, (6) testu A1 (w półzmroku, w czasie dnia przy obecności ścieżki słońca na oceanie), dla oceny niskich chmur w obecności lądu bez śniegu, oraz testu T4 koherencji przestrzennej dla oceny cirrusów o małej grubości optycznej i małych cumulusów na wodą.

Algorytmy[edytuj | edytuj kod]

Temperatura oceanu[edytuj | edytuj kod]

Temperatura powierzchni oceanu jest istotna w prognozach pogody jak i w ocenie zmian klimatu. AVHRR mierzy emisję powierzchni oceanu w trzech pasmach (pomiędzy 3,5µm – 4µm oraz pomiędzy 10µm i 12,5µm), w których transmisja promieniowania przez atmosferę jest względnie duża. Dla promieniowania podczerwonego, powierzchnia oceanu emituje promieniowanie prawie jak ciało doskonale czarne i dla całkowicie przeźroczystej atmosfery można by wyznaczyć temperaturę bezpośrednio z pomiarów, bez uwzględnienia efektów absorpcji promieniowania podczerwonego w atmosferze. W rzeczywistości para wodna, CO2, CH4, NO2 oraz cząstki zawieszone w atmosferze powodują ekstynkcję promieniowania podczerwonego i należy zastosować poprawkę atmosferyczną w ocenie temperatury oceanu. Zdjęcia satelitarne robione w tym zakresie fal pokazują jasność temperaturową proporcjonalną do temperatury, w jakiej emituje ocean, atmosfera, chmury i cząstki aerozolowe (np. pyły) w atmosferze. Większość algorytmów do oceny temperatury oceanu na podstawie pomiarów satelitarnych w zakresie promieniowania podczerwonego używa przybliżenia[2]

 {\rm SST} = a T_i + \gamma (T_i - T_j ) + c

gdzie  T_i jest jasnością temperaturową (ang. brightness temperature) w kanale i oraz j, natomiast a i c sa stałymi. Współczynnik  \gamma jest zdefiniowany jako

 \gamma = (1 - t_i) / (t_i - t_j)

gdzie  t_i oraz  t_j opisują transmisję w kanałach i oraz j. Np algorytm MCSST[3] zakładał stały współczynnik \gamma.

Późniejsza wersja operacyjnego algorytmu NOAA – NLSST (nieliniowe SST) zakłada, że  \gamma jest proporcjonalne do przybliżonej temperatury oceanu[4]

 {\rm SST_{sat}} = a + b T_4+ c (T_4 - T_5) {\rm SST_{guess}} + d (T_4 - T_5) (\sec(\rho) - 1),

gdzie  {\rm SST_{sat}} jest temperaturą powierzchni oceanu,  T_4 oraz  T_5 są jasnościami temperaturowymi w kanałach AVHRR 4 oraz 5, {\rm SST_{guess}} jest pierwszym przybliżeniem temperatury oceanu,  \rho jest satelitarnym kątem zenitalnym. Współczynniki a, b, c, oraz d dostaje się na podstawie regresji z bezpośrednimi pomiarami temperatury oceanu.

Istnieją dwie grupy algorytmów do oceny temperatury oceanu. Jedna z nich opiera się na użyciu równania transferu promieniowania pomiędzy powierzchnią Ziemi i szczytem atmosfery. W symulacjach wykorzystuje się typowe lub obserwowane profile temperatury, koncentracji i pary wodnej (i innych gazów absorbujących) w atmosferze. Ten algorytm daje bezpośrednią informację o temperaturze naskórkowej powierzchni oceanu, która jest inna niż temperatura powierzchni oceanu mierzoną przez pomiary bezpośrednie np ze statków czy dryfterów. Druga grupa algorytmów wykorzystuje regresję pomiędzy mierzoną temperaturą oceanu i obserwowanymi temperaturami jasności oceanu. Istnieją porównania obu tych metod[5] Algorytmy NLSST oraz MCSST należą do grupy algorytmów empirycznych opartych na regresji. Algorytmy oparte na bezpośrednim użyciu równania transferu promieniowania elektromagnetycznego dają możliwość lepszego uwzględnienia poprawek atmosferycznych.

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]

Przypisy

  1. Arthur P. Cracknell, The advanced very high resolution radiometer (AVHRR), CRC Press, 1997, ISBN 0748402098, ISBN 9780748402090, 534 stron
  2. Barton, I.J., 1995. Satellite-derived sea surface temperatures: Current status. Journal of Geophysical Research 100: 8777–8790
  3. McClain, E.P., W.G. Pichel and C.C. Walton. 1985. Comparative performance of AVHRR-based multichannel sea surface temperatures. Journal of Geophysical Research 90: 11,587–11,601.
  4. Walton, C. C., W. G. Pichel, F. J. Sapper, and D. A. May, 1998. The development and operational application of nonlinear algorithms for the measurement of sea surface temperatures with NOAA polar-orbiting environmental satellites. Journal of Geophysical Research 103: 27999–28012
  5. Wick, G.A., W.J. Emery and P. Schluessel. 1992. A comprehensive comparison between satellite-measured skin and multichannel sea surface temperature. Journal of Geophysical Research 97: 5569–5595.