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 Global atmospheric temperature data from HIRS channel 6 on the NOAA 14 satellite. 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/3 Spectral Characteristics Channel Central Wavenumber (cm-1) Wavelength (µm) 1 669 14.95 2 680 14.71 3 690 14.49 4 703 14.22 5 716 13.97 6 733 13.64 7 749 13.35 8 900 11.11 9 1,030 9.71 10 802 12.47 11 1,365 7.33 12 1,533 6.52 13 2,188 4.57 14 2,210 4.52 15 2,235 4.47 16 2,245 4.45 17 2,420 4.13 18 2,515 4.00 19 2,660 3.76 20* 14,500 0.690 HIRS •Klíčová součást TOVS a ATOVS –(Advanced) TIROS Operational Vertical Sounding • Základní myšlenky algoritmů výpočtu vertikálních profilů z HIRS, popř. (A)MSU 1.Statistická regrese (předběžný odhad): •T_měřené_profily ~ Radiance_profilů •T_měřené profily – na aerol. stanicích • 2.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 • • msu-instrument msu-scan AMSU AMSU2 Vlnové délky AMSU-wavelength 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 Fig. 1. Static atmospheric weighting function profile for the MSU and AMSU products. Not shown is the surface contribution factors, which for land (ocean) for TLT are 0.20 (0.10) and for TMT are 0.10 (0.05) of the total weighted profile. The land surface contribution increases for higher surface altitudes i1520-0426-20-5-613-f01 Poslední výsledky Ch. TLT Ch. TMT Ch. TTS Ch. TLS top Global Brightness Temperature Anomaly (K) Channel TLT Trend Comparison Channel TMT Trend Comparison Channel TTS Trend Comparison Channel TLS Trend Comparison MSU2011_03 IPCC, AR4, Ch. 9, p. 675 Teplota TTS (cca 200-300 hPa), 20 st od rovníku, algoritmus RSS, III/2011 RSS-tropy-TTS 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 • TB1 : AMSU Channel 1 brightness temperature (23.8 GHz) TB2 : AMSU Channel 2 brightness temperature (31.4 GHz) TB3 : AMSU Channel 3 brightness temperature (50.3 GHz) W : scattering parameter m : cosine of local zenith angle 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) • http://nsidc.org/data/seaice_index/ Advanced Microwave Scanning Radiometer - EOS (AMSR-E), družice Aqua arctic_amsr-e_flow_animation-40 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