Sondáže atmosféry pomocí družic
       Využití mikrovlnného pásma pro studium teploty v troposféře pomocí družicových měření
                                         Měření kryosféry



                                            Milan Šálek

                                           salek@chmi.cz

                                               HIRS

•            HIRS - The High Resolution Infrared Radiation Sounder

•            Radiometr na družicích s polární drahou



                                               HIRS

•            Poskytuje informace o teplotě v atmosféře v oblastech bez oblačnosti

Data od roku 1978 (TIROS-N)

•            Field of View (FOV) v nadiru:

–      HIRS/3 (NOAA): 20 km

–      HIRS/4 (Metop, NOAA-N/19,P): 10 km

•            20 spektrálních kanálů

                                         Spektrální kanály

•            1x VIS (0.69 µm)

•            7x NIR (3.7-4.6 µm)

•            20x IR (6.7-15 µm)



                                               HIRS

•            Klíčová součást TOVS a ATOVS

–      (Advanced) TIROS Operational Vertical Sounding



           Základní myšlenky algoritmů výpočtu vertikálních profilů z HIRS, popř. (A)MSU

•                             Statistická regrese (předběžný odhad):

•                          T_měřené_profily ~ Radiance_profilů

•                     T_měřené profily – na aerol. stanicích



•                             Fyzikální algoritmus

•                          Založený na rovnici přenosu záření (Radiative Transfer Equation, RTE)

•                          Přibližování regrese (prvotního odhadu) naměřeným hodnotám při splnění
podmínek RTE

•                          využívají se tzv. váhové funkce



                                          NASA, EUMETSAT

•            NASA: AIRS: Atmospheric Infrared Sounder

•            EUMETSAT: IASI: Infrared Atmospheric Sounding Interferometer

•            EUMETSAT: Algoritmus GII „Global Instability Indices“ z MSG



                          (Advanced) Microwave sounding unit – MSU, AMSU

•            umísťované na družicích s polární drahou (NOAA-x, Terra+Aqua)

•            rotující zrcadla, kolmo k dráze letu

•            MSU:

–      pás ± 47-48 st. od nadiru

–      elementy v nadiru: ±7st (cca 100 km v průměru)

•            AMSU: elementy o průměru cca 50 km v nadiru















                                           Vlnové délky

                       Výpočet teplot v jednotlivých atmosférických vrstvách

Váhové funkce podle příslušných vlnových délek

                         Spektrální kanály pro výpočet teploty v atmosféře

TLT=Temperature Lower Troposphere             MSU 2 and AMSU 5

TMT=Temperature Middle Troposphere          MSU 2 and AMSU 5

TTS = Temperature Troposphere / Stratosphere      MSU 3 and AMSU 7

TLS=Temperature Lower Stratosphere             MSU 4 and AMSU 9



MSU1: 50.30 GHz

MSU2: 53.74 GHz

MSU3: 54.96 GHz

MSU4: 57.95 GHz



Princip výpočtu TLT: Od radiační teploty (BT) kanálu 2 (v nadiru) se odečte BT kanálu 3. Navíc se
používají lineární kombinace různých úhlů pohledu



                                         Poslední výsledky





                                     IPCC, AR4, Ch. 9, p. 675

             Teplota TTS (cca 200-300 hPa), 20 st od rovníku, algoritmus RSS, IV/2009

                                     Monitoring mořského ledu

•            Založen na informacích MSU/AMSU, popř. SSM/I, AMSR-E

–      SSM/I:

•        Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) Special Sensor Microwave/Imager(SSM/I)

–      Advanced Microwave Scanning Radiometer AMSR-E, družice Aqua (EOS – Earth observing
satellite)



                           Algoritmus detekce koncentrace mořského ledu

•                 SIce - Sea Ice Concentration

•                 Retrieved emissivity at 23.8 GHz (Channel 1) is
        e = a + b TB1 + c TB2 + d TB3

•                 where a = 1.84 - 0.723 m; b = -0.00088; c = 0.0066 + 0.0029 m; d = -0.00926.

•                 Emissivity of water is
        ewater = 0.1824 + 0.9048 m - 0.6221 m2
Emissivity of ice is
eice = { 0.93,   if (TB1 - TB2) < 5 K
0.87,   if 5 < (TB1 - TB2) < 10 K
0.83,   if 10 < (TB1 -TB2)
Sea ice concentration (%) is computed from
       sice = 100 (e - ewater) / (eice - ewater)
Note:
1. Sea ice concentration is set to be zero in the latitude band from -50° to 50°.
2. A cutoff value of 30% is applied in the sea ice concentration algorithm.

            http://www.star.nesdis.noaa.gov/corp/scsb/mspps/algorithms.html



                                       Detekce mořského ledu

•             Koncentrace mořského ledu – sea ice concentration (podíl ledu/vody)

–        problém s vodou na ledu (!)

•             Rozsah mořského ledu - sea ice extent

–        oblast, kde je koncentrace mořského ledu nejméně 15%

•         pozor na rozlišení (průměr oblasti 50-100 km)

•             Plocha mořského ledu - sea ice area:

–         (Rozsah(>15%)  x  koncentrace)







                Advanced Microwave Scanning Radiometer - EOS (AMSR-E), družice Aqua

                                  Plocha mořského ledu – Arktida
                             http://arctic.atmos.uiuc.edu/cryosphere/

                                  Plocha mořského ledu – Arktida

                                 Plocha mořského ledu – Antarktida
                             http://arctic.atmos.uiuc.edu/cryosphere/

                                 Plocha mořského ledu – Antarktida

                          Cryosphere today – součet plochy mořského ledu
                             http://arctic.atmos.uiuc.edu/cryosphere/

                          Cryosphere today – součet plochy mořského ledu
                             http://arctic.atmos.uiuc.edu/cryosphere/

       International Arctic Research Center (IARC)+Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)
                      http://www.ijis.iarc.uaf.edu/en/home/seaice_extent.htm