background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásma a kanály Základy multispektrální interpretace Martin Setvák setvak@chmi.cz Český hydrometeorologický ústav, družicové oddělení Praha - Libuš verze 2009-04-08 background-2008.png Martin Setvák •záření v atmosféře - vymezení a definice základních pojmů, úvodní ukázky • • •základní vlastnosti jednotlivých spektrálních pásem (kanálů), jejich typické zobrazení • • •vzhled základních typů oblačnosti, zemského povrchu a vodní hladiny v jednotlivých spektrálních pásmech Obsah: background-2008.png Martin Setvák spektrální kanál spektrálního pásmo nebo jeho část, zachycená konkrétním přístrojem určitého typu, resp. série družic (specifické pro daný typ, sérii družic) spektrální pásmo část elektromagnetického spektra, vymezená krajními vlnovými délkami (fyzikální, obecná charakteristika) spektrální pásma - přehled: •viditelné (~ 0.4 až 0.7 µm), označováno VIS • •blízké infračervené (0.7 až cca 5 µm), NIR • • •infračervené (od cca 5 µm do cca 1 mm), IR • •mikrovlnné (od cca 1 mm), MW odražené sluneční záření, „solární kanály“ tepelné záření, „emisivní kanály“ background-2008.png Martin Setvák specifikace, definice, resp. názvy spektrálních kanálů: •krajními hodnotami vlnové délky • •střední vlnovou délkou • •oficiálním číslem kanálu daného přístroje • •jménem (u družic Meteosat, resp. MSG: VIS, NIR, IR, WV), vystihujícím základní fyzikální vlastnosti daného kanálu spektrální kanál spektrálního pásmo nebo jeho část, zachycená konkrétním přístrojem určitého typu, resp. série družic (specifické pro daný typ, sérii družic) spektrální pásmo část elektromagnetického spektra, vymezená krajními vlnovými délkami (fyzikální, obecná charakteristika) background-2008.png Martin Setvák zareni1 POES Záření v atmosféře … background-2008.png Martin Setvák zareni1 POES opticky hustá (nepropustná), vertikálně mohutná oblačnost částečně propustná (transparentní), tenká či řídká vrstva oblačnosti zemský povrch (horniny, vegetace, vodní hladina, sníh, led), nízká oblačnost, aerosoly, písek a prach, přízemní vlhkost, … plynné složky atmosféry – především H2O a CO2 plynné složky atmosféry – především O3 Záření v atmosféře … background-2008.png Martin Setvák zareni2a POES VIS a částečně NIR – odražené (rozptýlené) sluneční záření Záření v atmosféře … background-2008.png Martin Setvák zareni2b POES VIS a částečně NIR – odražené (rozptýlené) sluneční záření Záření v atmosféře … background-2008.png Martin Setvák VIS a částečně NIR – odražené (rozptýlené) sluneční záření zareni2c POES Záření v atmosféře … background-2008.png Martin Setvák zareni3a POES IR a MW, částečně NIR – tepelné vyzařování zemského povrchu a oblačnosti Záření v atmosféře … background-2008.png Martin Setvák zareni3b POES IR a MW, částečně NIR – tepelné vyzařování zemského povrchu a oblačnosti Záření v atmosféře … background-2008.png Martin Setvák zareni3c IR a MW, částečně NIR – tepelné vyzařování zemského povrchu a oblačnosti POES Záření v atmosféře … background-2008.png Martin Setvák zareni4a POES Vyzařování a absorpce plynnými složkami atmosféry, mimo tzv. atmosférická okna Záření v atmosféře … background-2008.png Martin Setvák zareni4b Vyzařování a absorpce plynnými složkami atmosféry, mimo tzv. atmosférická okna POES Záření v atmosféře … background-2008.png Martin Setvák Záření v atmosféře … POES zareni5 celkove Celkové záření měřené družicí: souhrn všech tří typů záření, jejich poměr závisí na konkrétní vlnové délce a mnoha dalších faktorech (viz dále) … background-2008.png Martin Setvák Celkové záření naměřené družicí je závislé na: - výšce Slunce nad obzorem a úhlu snímání konkrétního objektu; - odrazivosti zemského povrchu a vodní hladiny (případně "zrcadlení"); - (celkové) odrazivosti a propustnosti oblačnosti ve VIS/NIR pásmu - teplotě zemského povrchu či vodní hladiny a jejich vyzařovací schopnosti; - teplotě oblačnosti, její vyzařovací schopnosti a propustnosti v NIR/IR pásmu; - propustnosti a vlastním vyzařování plynných složek atmosféry a aerosolů Značná závislost družicí naměřené intenzity záření (vzhledu různých objektů) na konkrétní vlnové délce, resp. na spektrálním pásmu, použitém kanálu … … princip MULTISPEKTRÁLNÍ INTERPRETACE DRUŽICOVÝCH SNÍMKŮ background-2008.png Martin Setvák Planckova funkce: - spektrální hustota elmg. záření vyzářeného za jednotku času jednotkovou plochou povrchu černého tělesa o teplotě T (vyjádřené v K) do jednotkového prostorového úhlu ve vlnové délce λ [µm], pak výsledný rozměr Planckovy funkce je [ W.m-2.sr-1.µm-1 ] c = rychlost světla ve vakuu (2.998x108 m.s-1) h = Planckova konstanta (6.626x10-34 J.s) k = Boltzmannova konstanta (1.381x10-23 J.K-1) c1 = první radiační konstanta (1.191x10-16 W.m2.sr-1) c2 = druhá radiační konstanta (1.439x10-2 m.K) Základní vztahy fyziky záření - Planckův zákon (funkce): background-2008.png Martin Setvák σ = 5.671x10-8 W.m-2.K-4 (Stefan-Boltzmannova konstanta) - celkové množství elmg. záření vyzářeného za jednotku času jednotkovou plochou povrchu černého tělesa o teplotě T (vyjádřené v K) do jednotkového prostorového úhlu, [ W.m-2.sr-1 ] Základní vztahy fyziky záření - Stefan-Boltzmannův zákon: background-2008.png Martin Setvák maximum záření při 6000 K (teplota sluneční fotosféry) λmax @ 0.480 µm maximum záření při 300 K (teplota zemského povrchu) λmax @ 9.7 µm Planck-graphs Základní vztahy fyziky záření - Wienův (posunovací) zákon: background-2008.png Martin Setvák Sun - vyzařování Slunce: Slunce vyzáří do prostoru celkem (ve vlnové délce λ): celková plocha slunečního povrchu vyzařování jednotkové plochy slunečního povrchu do celého poloprostoru, viz fotometrie, kosinový zářič R = poloměr Slunce globe_west_540 Ve vzdálenosti zemské dráhy o poloměru r (1AU) na jednotkovou plochu kolmou ke Slunci dopadá: (R/r)2 = 2.1644.10-5 Základní vztahy fyziky záření background-2008.png Martin Setvák solar-irradiation-curve_1 naměřené hodnoty teoretická "obalová" křivka (~5800-6000K) (zdroj: Handbook of Geophysics and Space Environments, McGraw-Hill Book Comp., New York 1965) Sluneční záření v zemské atmosféře: background-2008.png Martin Setvák Pro izotropní, difúzní rozptyl (Lambertovský povrch, odrážející do všech směrů) bude intenzita odraženého slunečního záření do jednotkového prostorového úhlu při odrazivosti povrchu αλ a zenitovém úhlu Slunce ξ dána vztahem: Základní vztahy fyziky záření - izotropní (difúzní) rozptyl: - pouhá idealizace, většina povrchů (včetně oblačnosti) „nelambertovská“ background-2008.png Martin Setvák Planck_6000K-1AU_LambScat-45deg-ref0 Planck_250-300-350 Odražené sluneční záření Tepelné vyzařování země / oblačnosti Základní vztahy fyziky záření Porovnání intenzit dopadajícího/odraženého slunečního záření a tepelného vyzařování zemského povrchu a oblačnosti: background-2008.png Martin Setvák Základní vztahy fyziky záření Planck_45deg-ref0 Porovnání intenzit dopadajícího/odraženého slunečního záření a tepelného vyzařování zemského povrchu a oblačnosti: background-2008.png Martin Setvák spektrum Termín viditelné záření by správně měl být používán pouze pro rozsah vlnových délek které vnímá lidské oko – od fialové po červenou. Vše "za červenou" (~ 0.7 µm) by správně mělo být označováno jako infračervené záření (infrared, IR) … Spektrální oblast "blízko k červené" je označována jako blízké infračervené záření (near infrared, NIR). Zpravidla se tím rozumí rozsah vlnových délek od 0.7 µm do cca 5 µm; horní limit však různé zdroje uvádějí různě (chybí zde shoda autorů). Avšak ve slangu družicové meteorologie se "visible" zpravidla používá i pro spektrální kanály, zasahující či zcela ležící již v NIR oblasti, např. pro kanál VIS 0.8 přístroje SEVIRI nebo 2. kanál přístroje AVHRR/3. Terminologie background-2008.png Martin Setvák spektrální odrazivost = odrazivost daného povrchu (objektu, horní hranice oblačnosti) v určité konkrétní vlnové délce grafy-puda-vegetace odrazivost (albedo) v daném kanálu = spektrální odrazivost daného povrchu zprůměrovaná přes celý konkrétní kanál AVHRR kanál 1 AVHRR kanál 2 Spektrální pásma – VIS, částečně NIR background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásma – IR, MW, částečně NIR emisivita (vyzařovací schopnost) - odchylka daného povrchu od fyzikálně ideálního černého tělesa, vyjadřována buď v rozsahu od nuly do jedné, nebo v procentech jasová (radiační) teplota (brightness temperature, BT) - teplota přiřazená danému povrchu za předpokladu emisivity rovné jedné (tedy že daný povrch vyzařuje jako černé těleso) jasová teplota vždy nižší než „skutečná“ teplota !!! background-2008.png Martin Setvák •Žádný z reálných povrchů (objektů) nemá konstantní spektrální odrazivost a emisivitu, křivky spektrální odrazivosti a emisivity (tj. jejich závislost na vlnové délce) jsou do značné míry unikátní pro každý objekt (povrch, typ oblačnosti, …); • •v případě oblačnosti jsou spektrální odrazivost a emisivita dány mikrofyzikálním složením oblačnosti - velikostí a fází oblačných částic, jejich koncentrací (optickou mohutností), případně tvarem a orientací ledových částic v horních vrstvách oblačnosti. Podstata multispektrální interpretace, resp. metod automatické detekce a klasifikace typů oblačnosti a jejich parametrů; ve zjednodušené podobě podstata tzv. RGB kompozitních snímků (barevných „složenin“ jednotlivých kanálů a jejich matematických kombinací). Spektrální pásma – obecné poznámky: background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásma – obecná pravidla, resp. „zvyklosti“ způsobu zobrazování družicových snímků v jednotlivých spektrálních kanálech (při černobílém zobrazení): VIS, NIR („solární kanály“) •tak, jak by scénu vidělo lidské oko, nebo jak by se jevila na černobílé fotografii • •objekty s vysokou odrazivostí světle šedě až bíle (sníh, oblačnost, …) • •objekty s nízkou odrazivostí tmavě (především mořská hladina mimo odraz, vegetace v červeném pásmu) • • •snímky v pásmu 3.5 – 4.0 µm někdy zobrazeny i „negativně“, inverzně (podrobněji později) • VIS-transp background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásma – obecná pravidla, resp. „zvyklosti“ způsobu zobrazování družicových snímků v jednotlivých spektrálních kanálech (při černobílém zobrazení): IR, noční 3.5 – 4.0 µm (tepelné kanály) •tak, aby nejvyšší (nejchladnější) oblačnost byla zobrazena bíle • •chladné objekty světle šedě až bíle (nejvyšší oblačnost, podchlazený zemský povrch) • •teplé objekty tmavě šedě až černě (přehřátý zemský povrch, především pouště, nebo holé tmavé horniny) •pásmo 3.5 – 4.0 µm: pokud v denních hodinách zobrazováno jak „odrazivost“, pak platí pravidla pro VIS a NIR, pokud ale zobrazováno jako „tepelné snímky“, pak platí výše uvedené (podrobněji dále) IR-transp background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásma – obecná pravidla, resp. „zvyklosti“ způsobu zobrazování družicových snímků v jednotlivých spektrálních kanálech (při černobílém zobrazení): WV (kanály „vodní páry“) •podobně, jako snímky IR (oblasti, odkud přichází do radiometru družice vysoké hodnoty intenzity záření = teplé) •oblasti s vysokou vlhkostí a vysoká oblačnost – světle šedě až bíle • •suché oblasti (pohled do nižších teplejších hladin) zobrazeny tmavě šedě až černě • • •jednotlivé kanály v tomto pásmu se mohou lišit dle svých „váhových funkcí“ (podrobněji později) WV-transp background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásmo 3.5 – 4.0 µm •v oblasti elektromagnetického záření, kde se v denních hodinách uplatňuje jak odražené sluneční záření, tak tepelné vyzařování (tedy „smíšený obsah“) • •v nočních hodinách pouze tepelná složka » » » klasický tepelný kanál Planck_45deg-ref0 pásmo 3.5 – 4.0 µm background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásmo 3.5 – 4.0 µm Modré křivky – tepelné vyzařování Červené křivky – odražené sluneční záření Graph_3-7_microns_col-cz α … odrazivost ξ … zenitový úhel Slunce background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásmo 3.5 – 4.0 µm Vzhledem ke smíšené podstatě tohoto spektrálního pásma se používají dva způsoby pro jeho zobrazení: Buď jako snímek zobrazující odrazivost (podobně jako VIS) … 1024_200501201200_MSG1_Band04_IR039ref background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásmo 3.5 – 4.0 µm 1024_200501201200_MSG1_Band04_IR039 … nebo jako snímek zobrazující tepelné vyzařování (podobně jako IR). Vzhledem ke smíšené podstatě tohoto spektrálního pásma se používají dva způsoby pro jeho zobrazení: background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásmo 3.5 – 4.0 µm noční x denní snímky v tomto pásmu: •v noci vlastnosti standardního IR kanálu • •v denních hodinách zpravidla převládá odražená složka záření -přechod mezi dnem a nocí je značným problémem pro většinu automatických algoritmů využívajících kanály v tomto pásmu - -čím je vyšší odrazivost nějakého objektu v tomto pásmu, tím jsou větší i rozdíly mezi denními a nočními snímky, které jej zobrazují »» především nízká oblačnost (mlha, stratus, mělká konvekce, …) - -i nejvyšší (ledová) oblačnost s velmi nízkou odrazivostí (Cb, ciry) vykazuje v denních hodinách určitý nárůst celkového záření v tomto pásmu background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásmo 3.5 – 4.0 µm Zdánlivé tmavnutí („zteplání“) mlh na následujících snímcích je důsledkem východu Slunce nad místním obzorem, a tedy „přidání“ odraženého slunečního záření k původně samotnému tepelnému vyzařování … 200903040000_MSG2_full-ARC_IR039_rad 2009-03-04 00:00 UTC background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásmo 3.5 – 4.0 µm 200903040300_MSG2_full-ARC_IR039_rad 2009-03-04 03:00 UTC background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásmo 3.5 – 4.0 µm 200903040600_MSG2_full-ARC_IR039_rad 2009-03-04 06:00 UTC background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásmo 3.5 – 4.0 µm 200903040900_MSG2_full-ARC_IR039_rad 2009-03-04 09:00 UTC background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásmo 3.5 – 4.0 µm 200903041200_MSG2_full-ARC_IR039_rad 2009-03-04 12:00 UTC background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásmo 3.5 – 4.0 µm 200903041500_MSG2_full-ARC_IR039_rad 2009-03-04 15:00 UTC background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásmo 3.5 – 4.0 µm 200903041800_MSG2_full-ARC_IR039_rad 2009-03-04 18:00 UTC background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásmo 3.5 – 4.0 µm 200903042100_MSG2_full-ARC_IR039_rad 2009-03-04 21:00 UTC background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásmo 3.5 – 4.0 µm 200903042345_MSG2_full-ARC_IR039_rad [USEMAP] 2009-03-05 00:00 UTC background-2008.png Martin Setvák Spektrální odrazivost různých typů povrchů ve VIS a NIR grafy-puda-vegetace AVHRR kanál 1 AVHRR kanál 2 -značný nárůst odrazivosti vegetace na hranici VIS a NIR pásma -podstata monitorování množství a stavu „zelené hmoty“ Tzv. „normalizovaný vegetační index“, zkratka NDVI (Normalized Difference Vegetation Index): NDVI = (b2 - b1) / (b2 + b1) (takto definovaný pro kanály AVHRR, obdobně lze i pro jiné přístroje) spektrum-ciste-bezpopisu background-2008.png Martin Setvák Spektrální odrazivost různých typů povrchů ve VIS a NIR AVHRR/3 Advanced Very High Resolution Radiometer •kanál 1 0.58 - 0.68 µm •kanál 2 0.72 - 1.10 µm •kanál 3A 1.58 - 1.64 µm •kanál 3B 3.55 - 3.93 µm •kanál 4 10.3 - 11.3 µm •kanál 5 11.5 - 12.5 µm solární kanály tepelné kanály background-2008.png Martin Setvák NOAA16 12.9.2002 11:40 UTC AVHRR/3 kanál 1 (0.58-0.7 µm) b1 background-2008.png Martin Setvák NOAA16 12.9.2002 11:40 UTC AVHRR/3 kanál 2 (0.7-1.0 µm) b2 background-2008.png Martin Setvák NOAA16 12.9.2002 11:40 UTC AVHRR/3 kanál 3A (1.58-1.64 µm) b3A background-2008.png Martin Setvák NOAA16 12.9.2002 11:40 UTC AVHRR/3 kanál 4 (10.2-11.5 µm) b4 background-2008.png Martin Setvák NOAA16 12.9.2002 11:40 UTC AVHRR/3 normalizovaný vegetační index (NDVI) nvi background-2008.png Martin Setvák NOAA16 12.9.2002 11:40 UTC AVHRR/3 RGB syntéza kanálů 1, 2, 3A a 4 !ch1234 background-2008.png Martin Setvák Spektrální odrazivost různých typů povrchů ve VIS a NIR MODIS bands kopie (družice NASA EOS Terra a Aqua) MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer background-2008.png Martin Setvák Spektrální odrazivost různých typů povrchů ve VIS a NIR – MODIS/Aqua band3 kanál 3 (0.459-0.479 µm) grafy-puda-vegetace 2003-06-28 1105 UTC spektrum-ciste-bezpopisu background-2008.png Martin Setvák Spektrální odrazivost různých typů povrchů ve VIS a NIR – MODIS/Aqua 2003-06-28 1105 UTC band4 kanál 4 (0.545-0.565 µm) grafy-puda-vegetace spektrum-ciste-bezpopisu background-2008.png Martin Setvák Spektrální odrazivost různých typů povrchů ve VIS a NIR – MODIS/Aqua 2003-06-28 1105 UTC band1 kanál 1 (0.620-0.670 µm) grafy-puda-vegetace spektrum-ciste-bezpopisu background-2008.png Martin Setvák Spektrální odrazivost různých typů povrchů ve VIS a NIR – MODIS/Aqua 2003-06-28 1105 UTC band2 kanál 2 (0.841-0.876 µm) grafy-puda-vegetace spektrum-ciste-bezpopisu background-2008.png Martin Setvák Spektrální odrazivost různých typů povrchů ve VIS a NIR – MODIS/Aqua 2003-06-28 1105 UTC band5 kanál 5 (1.230-1.250 µm) grafy-puda-vegetace spektrum-ciste-bezpopisu background-2008.png Martin Setvák Spektrální odrazivost různých typů povrchů ve VIS a NIR – MODIS/Aqua 2003-06-28 1105 UTC band7 kanál 7 (2.105-2.155 µm) grafy-puda-vegetace spektrum-ciste-bezpopisu background-2008.png Martin Setvák Spektrální odrazivost různých typů povrchů ve VIS a NIR – MODIS/Aqua 2003-06-28 1105 UTC RGB-bands143 kanál 1 + 4 + 3 (RGB) grafy-puda-vegetace spektrum-ciste-bezpopisu background-2008.png Martin Setvák Spektrální odrazivost sněhu (a ledu) ve VIS a NIR Unbenannt-2 Odrazivost sněhu výrazně klesá v NIR oboru (závislost na konkrétní vlnové délce a charakteru sněhové pokrývky, není monotónní funkcí), celkově od cca 1.5 μm velmi nízká ( » např. využití pro odlišení sněhové pokrývky od nízké oblačnosti). background-2008.png Martin Setvák Spektrální pásma – atmosférická okna, pásma absorpce Kromě vlastností konkrétního povrchu (odrazivosti, emisivity, teploty, mikrofyzikálního složení oblačnosti, …) má na vzhled snímku významný vliv i charakter spektrálního pásma (kanálu), ve kterém danou scénu pozorujeme – zda využíváme kanálu v atmosférickém okně, nebo zda se uplatňuje absorpce, resp. emise některou z plynných složek atmosféry (vodní pára, ozón, CO2, … ). Atmosférické okno – určitá oblast elektromagnetického záření, ve které nedochází k absorpci procházejícího záření (resp. jeho emisi) některou z plynných složek atmosféry. background-2008.png Martin Setvák Terra_082 MODIS/Terra 2003-03-23 10:25 - 10:30 UTC Spektrální pásma – atmosférická okna, pásma absorpce background-logo_2008.png spektrum MODIS Terra, kanál 8 (0.405-0.420 µm) 01 background-logo_2008.png spektrum MODIS Terra, kanál 9 (0.438-0.448 µm) 02 background-logo_2008.png spektrum MODIS Terra, kanál 3 (0.459-0.479 µm) 03 background-logo_2008.png spektrum MODIS Terra, kanál 10 (0.483-0.493 µm) 04 background-logo_2008.png spektrum MODIS Terra, kanál 11 (0.526-0.536 µm) 05 background-logo_2008.png spektrum MODIS Terra, kanál 12 (0.546-0.556 µm) 06 background-logo_2008.png spektrum MODIS Terra, kanál 4 (0.545-0.565 µm) 07 background-logo_2008.png spektrum MODIS Terra, kanál 1 (0.620-0.670 µm) 08 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 1 (0.620-0.670 µm) 08 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 2 (0.841-0.876 µm) 09 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 17 (0.890-0.920 µm) 10 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 18 (0.931-0.941 µm) 11 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 19 (0.915-0.965 µm) 12 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 5 (1.230-1.250 µm) 13 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 26 (1.360-1.390 µm) 14 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 6 (1.628-1.652 µm) 15 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 7 (2.105-2.155 µm) 16 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 20 (3.660-3.840 µm) 17 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 21 (3.929-3.989 µm) 18 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 22 (3.939-3.989 µm) 19 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 23 (4.020-4.080 µm) 20 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 24 (4.433-4.498 µm) 21 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 25 (4.482-4.549 µm) 22 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 27 (6.535-6.895 µm) 23 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 28 (7.175-7.475 µm) 24 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 29 (8.400-8.700 µm) 25 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 30 (9.580-9.880 µm) 26 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 31 (10.780-11.280 µm) 27 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 32 (11.770-12.270 µm) 28 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 33 (13.185-13.485 µm) 29 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 34 (13.485-13.785 µm) 30 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 35 (13.785-14.085 µm) 31 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu MODIS Terra, kanál 36 (14.085-14.385 µm) 32 background-2008.png Martin Setvák background-2008.png Martin Setvák •kanál 01 VIS 0.6 0.56 - 0.71 µm •kanál 02 VIS 0.8 0.74 - 0.88 µm •kanál 03 IR 1.6 1.50 - 1.78 µm •kanál 04 IR 3.9 3.48 - 4.36 µm •kanál 05 WV 6.2 5.35 - 7.15 µm •kanál 06 WV 7.3 6.85 - 7.85 µm •kanál 07 IR 8.7 8.30 - 9.10 µm •kanál 08 IR 9.7 9.38 - 9.94 µm •kanál 09 IR 10.8 9.80 - 11.80 µm •kanál 10 IR 12.0 11.00 - 13.00 µm •kanál 11 IR 13.4 12.40 - 14.40 µm • •kanál 12 HRV 0.5 - 0.9 µm solární kanály tepelné kanály Spektrální kanály SEVIRI družic MSG – základní vlastnosti solární kanály background-2008.png Martin Setvák Spektrální kanály SEVIRI družic MSG – základní vlastnosti Fig HRV VIS 0.6 VIS 0.8 IR 1.6 background-2008.png Martin Setvák Spektrální kanály SEVIRI družic MSG – základní vlastnosti obr_7-1 Propustnost atmosféry (modře) a umístění jednotlivých IR a WV kanálů SEVIRI (červeně) background-2008.png Martin Setvák Spektrální kanály SEVIRI družic MSG – základní vlastnosti polar tropic Tzv. váhové funkce jednotlivých IR a WV spektrálních kanálů přístroje SEVIRI pro standardní polární (vlevo) a tropickou (vpravo) atmosféru background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu 200501061200_MSG1_RGB-day-bands129s 2005-01-06 12:00 RGB: bands 1,2,9 background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu 0.6 µm 200501061200_MSG1_Band01_VIS006s background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu 0.8 µm 200501061200_MSG1_Band02_VIS008s background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu 1.6 µm 200501061200_MSG1_Band03_IR016a background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu 3.9 µm (REF) 200501061200_MSG1_Band04_IR039ref-s background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu 3.9 µm (IR) 200501061200_MSG1_Band04_IR039s background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu 6.2 µm 200501061200_MSG1_Band05_WV062s background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu 7.3 µm 200501061200_MSG1_Band06_WV073s background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu 8.7 µm 200501061200_MSG1_Band07_IR087s background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu 9.7 µm 200501061200_MSG1_Band08_IR097s background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu 10.8 µm 200501061200_MSG1_Band09_IR108s background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu 12.0 µm 200501061200_MSG1_Band10_IR120s background-logo_2008.png 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 spektrum-ciste-bezpopisu 13.4 µm 200501061200_MSG1_Band11_IR134s background-2008.png Martin Setvák Multispektrální charakteristiky oblačnosti Vzhled oblačnosti a její základní spektrální charakteristiky (odrazivost, propustnost a emisivita) dány především: •mikrofyzikálním složením oblačnosti (její fází - voda/led, velikostí kapek a krystalků ledu, tvarem a orientací krystalků) • •transparentností oblačnosti a vlastnostmi povrchu, nad kterým se oblačnost vyskytuje (pro transparentní oblačnost) • •teplotou oblačnosti (a tedy její výškou), resp. teplotou okolí Kromě parametrů samotné oblačnosti hrají významnou roli i podmínky pozorování – především výška Slunce nad lokálním obzorem, úhel snímání družicí a vzájemný azimut mezi vertikálními rovinami, proloženými směrem dopadajícího slunečního záření a směrem snímání (pro solární kanály). background-2008.png Martin Setvák Rozptyl elektromagnetického záření oblačností rozptyl1 Mieův parametr χ » » » typ rozptylu: VIS NIR IR oblačnost pozorovaná meteorologickými družicemi background-2008.png Martin Setvák Rozptyl elektromagnetického záření oblačností rozptyl1 Mieův parametr χ » » » typ rozptylu: r >> λ (geometrický rozptyl) r @ λ r << λ (Rayleighův rozptyl) Rozptylové indikatrice: background-2008.png Martin Setvák 22. 5. 1996 2045-2345 UTC GOES 8 (East) a GOES 9 (West) 041_960523_G8c22045 046_960523_G9c22045 042_960523_G8c22130 047_960523_G9c22130 043_960523_G8c22215 048_960523_G9c22215 044_960523_G8c22300 049_960523_G9c22300 045_960523_G8c22345 050_960523_G9c22345 051_960523_G8D 052_960523_G9D dopředný rozptyl zpětný rozptyl Rozptyl elektromagnetického záření oblačností background-2008.png Martin Setvák Rozptyl slunečního záření (VIS, NIR) na oblačných částicích není symetrický (difúzní, „Lambertovský“), převládá rozptyl dopředný – významné zejména při nízkých výškách Slunce nad obzorem a nízkém úhlu snímání družicí !!! „Odrazivost“ oblačnosti (v dané vlnové délce) není pouze funkcí vlastností daného povrchu – v případě oblačnosti jejího mikrofyzikálního složení, ale i funkcí geometrických parametrů nasvícení a snímání! Tzv. "bi-directional reflectance functions" Rozptyl elektromagnetického záření oblačností background-2008.png Martin Setvák Propustnost, odrazivost a emisivita oblačnosti – 11 µm em-ref-trans_11-1um sférické částice !!! T + R + E = 1 (Kirchhoffův zákon, předpoklad termodynamické rovnováhy) background-2008.png Martin Setvák Propustnost, odrazivost a emisivita oblačnosti – 3.7 µm sférické částice !!! T + R + E = 1 (Kirchhoffův zákon, předpoklad termodynamické rovnováhy) em-ref-trans_3-7um background-2008.png Martin Setvák Propustnost, odrazivost a emisivita oblačnosti Pokud je oblačnost netransparentní (propustnost v dané vlnové délce nulová), pak jsou odrazivost a emisivita vzájemně doplňkové veličiny (tj. R + E = 1). Čím menší je rozměr částic (resp. jejich efektivní průměr), tím je v NIR (3.5 – 4.0 µm, platí ale i pro 1.6 µm) jejich odrazivost vyšší a emisivita nižší !!! Pokud je oblačnost částečně transparentní, pak je její propustnost výrazně nižší v IR než v NIR. background-2008.png Martin Setvák Propustnost, odrazivost a emisivita oblačnosti msg2 Odlišná průběh absorpce (a tedy i odrazivosti) kapalné a ledové fáze »»» při stejných rozměrech částic jejich odlišná odrazivost background-2008.png Martin Setvák Propustnost, odrazivost a emisivita oblačnosti Vzhledem k typickým malým rozměrům oblačných částic (kapky; řádově jednotky µm) má nízká až střední oblačnost (Cu, St, Sc, As, …) výrazně menší emisivitu v NIR než v IR •na nočních snímcích v NIR (3.5 – 4 µm) chladnější než v IR • •na denních snímcích vysoká odrazivost v NIR (~ 1.6 µm a 3.5 – 4 µm) Vysoká oblačnost tvořená zpravidla většími částicemi (krystalky; řádově desítky µm) »»» chování blízké černému tělesu • •pro opticky hustou oblačnost malé rozdíly teploty mezi NIR a IR • •na denních snímcích má (zpravidla) vysoká oblačnost nízkou odrazivost v NIR Propustnost částečně transparentní oblačnosti (především cirrů) vyšší v NIR než v IR • •jejich snazší detekce v IR než v NIR • •na nočních snímcích v NIR teplejší než v IR l = 0.6 1.6 3.9 l = 0.6 1.6 3.9 l = 0.6 1.6 3.9 Cloud drop size: reff = 5 mm reff = 15 mm reff = 30 mm Assumed Cloud Water Content = 0.5 g m-3 •3.9 mm measures mainly near cloud top •1.6 mm penetrates into larger cloud depth •0.6 mm often affected by surface, especially in clouds with large drops or ice particles. How deep can we see into the cloud? Zdroj: Danny Rosenfeld background-2008.png Martin Setvák Základní využití jednotlivých kanálů SEVIRI ØVIS 0.6/0.8 µm: Detekce oblačnosti a její „trekování“, detekce aerosolů, monitorování vegetace a sněhové pokrývky. ØNIR 1.6 µm: Odlišení sněhu od oblačnosti, detekce fáze oblačných částic (led/voda) ØIR 3.9 µm: Detekce nízké oblačnosti a mlh – jak ve dne, tak především v noci. Mikrofyzika oblačnosti ve dne. Detekce požárů. ØWV 6.2/7.3 µm: Detekce rozložení vodní páry ve střední a horní troposféře. „Trekování“ vysoké oblačnosti a vodní páry. Určování výšky oblačnosti. Dynamika jevů kolem tropopauzy. ØIR 8.7 µm: Kvantitativní informace o řídké cirrovité oblačnosti; fáze oblačnosti. ØIR 9.7 µm: Sledování celkového ozónu; struktura a gradienty ozónových útvarů »»» charekter proudění kolem tropopauzy. ØIR 10.8/12.0 µm: Detekce oblačnosti; teplota horní hranice oblačnosti a zemského povrchu, detekce řídkých cirrů. ØIR 13.4 µm: Upřesnění výšky oblačnosti, zejména řídkých cirrů. background-2008.png Martin Setvák Základní využití jednotlivých kanálů SEVIRI Rozdíly mezi jednotlivými kanály často velmi malé, okem těžko postřehnutelné »»» nutnost použít matematické operace mezi jednotlivými kanály (zejména rozdíl) nebo tzv. RGB kompozity jednotlivých kanálů či jejich rozdílů, aby se určité charakteristiky staly zjevnými … cíleně navržené RGB kompozity, viz např. http://oiswww.eumetsat.org/IPPS/html/MSG/RGB/index.htm Možným výstupem rovněž různé speciálně navržené „meteorologické produkty“, viz např. http://oiswww.eumetsat.org/IPPS/html/MSG/PRODUCTS/