Advanced Very High Resolution Radiometer

Zaawansowany Radiometr Bardzo Dużej Rozdzielczości (AVHRR)

Zaawansowany Radiometr Bardzo Dużej Rozdzielczości (AVHRR) to instrument umieszczony na orbitach okołoziemskich na satelitach, które są zarządzane przez Narodową Administrację Oceanu i Atmosfery USA oraz inne instytucje. Urządzenia AVHRR są wykorzystywane do multispektralnych pomiarów promieniowania emitowanego przez Ziemię, koncentrując się szczególnie na obszarze podczerwieni. Dzięki tym pomiarom można uzyskiwać dane dotyczące, między innymi, temperatury powierzchni oceanu.

Historia

Pierwszy z instrumentów AVHRR został wystrzelony w październiku 1978 roku na satelicie Tiros-N. Na początku był on zaplanowany jako urządzenie do obrazowania, a nie do analizy jakościowej stanu atmosfery czy oceanu. Z biegiem czasu jednak zaczął być wykorzystywany do oceny różnych parametrów fizycznych. Model AVHRR/1 prowadził obserwacje w czterech kanałach, podczas gdy seria AVHRR/2, skonstruowana w latach 80., operowała w pięciu kanałach i była umieszczona na satelitach NOAA-7 do NOAA-14.

Charakterystyka

Urządzenie AVHRR/3 również pełni funkcję obrazującą i jest używane do analizy pokrywy chmur, temperatury oceanu, pokrywy lodu oraz roślinności. W 2009 roku instrumenty te znajdowały się na pokładzie satelitów NOAA-15, -16, -17, -18 oraz Metop-A. AVHRR/3 jest sześciokanałowym urządzeniem, z trzema kanałami działającymi w świetle słonecznym oraz trzema w podczerwieni. Dwa z tych kanałów mają szerokość około 1 mikrometra w przedziale od 10,3 do 12,5 mikrometrów. Skanowanie odbywa się prostopadle do trajektorii lotu, co nazywane jest skanem poprzecznym. Kanały termiczne w podczerwieni są chłodzone do temperatury 105 K. Charakteryzują się one różnymi widmami w porównaniu do AVHRR/2. Kanał 3 został podzielony na dwa: 3a (w obszarze słonecznym, 1,6 mikrometra) oraz 3b (3,7 µm). W danym momencie wykorzystywane są jedynie pięć kanałów, przy czym kanał 3a jest używany w ciągu dnia, a kanał 3b w nocy.

Informacje z AVHRR/3 są ograniczane w czasie rzeczywistym poprzez uśrednienie tylko czterech z pięciu pomiarów w kierunku linii skanu oraz przez wykorzystanie co trzeciego skanu w kierunku lotu satelity. Tworzony jest w ten sposób zbiór danych znany jako Global Area Coverage (GAC), o rozdzielczości 1,1 na 4,4 km i przerwie 2,2 km między pikselami w kierunku linii skanu. Sygnał pomiarowy jest konwertowany przez układ elektroniczny z analogowego na cyfrowy z dokładnością 10 bitów, co tworzy dane Poziomu 0.

Dane Poziomu 1 są przetwarzane na Ziemi, a na początku tworzone są dane Poziomu 1b. Obejmują one odbicie dla kanałów 1, 2 oraz 3a, a także wykalibrowane radiancje dla kanałów 3, 4 i 5. Zdjęcia są szczegółowo analizowane, aby ustalić, czy dany piksel przedstawia obszar atmosfery z chmurami, czy bez. Dane Poziomu 1b zawierają dodatkowe informacje o chmurach oraz dane geolokalizacyjne. Analiza opiera się na różnych testach, takich jak: (1) kanał T11 do oceny obecności średnich i wysokich chmur, (2) T11-T12 do analizy chmur typu cirrus, (3) test T11-T3.7 dla chmur o niskiej wodności, (4) test T3.7-T12 dla chmur składających się z kryształów lodu, (5) test albedo A2 w półmroku lub w ciągu dnia przy braku ścieżki słońca, (6) test A1 (w półmroku lub w ciągu dnia przy obecności ścieżki słońca na oceanie) dla oceny niskich chmur nad lądem bez śniegu oraz test T4 do oceny cirrusów o małej grubości optycznej oraz małych cumulusów nad wodą.

Algorytmy

Temperatura oceanu

Temperatura powierzchni oceanu jest kluczowa w prognozowaniu pogody oraz ocenie zmian klimatycznych. AVHRR mierzy emisję powierzchni oceanu w trzech pasmach (w zakresie 3,5µm – 4µm oraz 10µm – 12,5µm), gdzie transmisja promieniowania przez atmosferę jest stosunkowo duża. Powierzchnia oceanu emituje promieniowanie niemal jak ciało doskonale czarne, co oznacza, że w idealnych warunkach można by wyznaczyć temperaturę bezpośrednio z pomiarów, pomijając wpływ absorpcji promieniowania podczerwonego przez atmosferę. W rzeczywistości jednak para wodna, CO2, CH4, NO2 oraz cząstki zawieszone w atmosferze powodują ekstynkcję promieniowania, co wymaga zastosowania poprawek atmosferycznych przy ocenie temperatury oceanu. Obrazy satelitarne w tym zakresie fal ukazują jasność temperaturową proporcjonalną do temperatury emitowanej przez ocean, atmosferę, chmury oraz cząstki aerozolowe, takie jak pyły.

Większość algorytmów do oceny temperatury oceanu na podstawie pomiarów satelitarnych w zakresie promieniowania podczerwonego opiera się na przybliżeniu:

SST = aTi + γ(Ti – Tj) + c,

gdzie Ti to jasność temperaturowa w kanale i, a Tj w kanale j, a a i c to stałe. Współczynnik γ definiuje się jako:

γ = (1 – ti) / (ti – tj),

gdzie ti oraz tj opisują transmisję w kanałach i oraz j. Na przykład algorytm MCSST zakłada stały współczynnik γ, podczas gdy późniejsza wersja algorytmu NOAA – NLSST (nieliniowe SST) przyjmuje, że γ jest proporcjonalne do przybliżonej temperatury oceanu.

Algorytm NLSST można zapisać jako:

SST_sat = a + bT4 + c(T4 – T5) SST_guess + d(T4 – T5)(sec(ρ) – 1),

gdzie SST_sat to temperatura powierzchni oceanu, T4 i T5 to jasności temperaturowe w kanałach AVHRR 4 i 5, a SST_guess to wstępna ocena temperatury oceanu, a ρ to kąt zenitalny satelity. Współczynniki a, b, c oraz d są określane na podstawie regresji z bezpośrednimi pomiarami temperatury oceanu.

Istnieją dwie grupy algorytmów do oceny temperatury oceanu. Pierwsza opiera się na równaniu transferu promieniowania pomiędzy powierzchnią Ziemi a szczytem atmosfery. W tej metodzie wykorzystuje się typowe lub obserwowane profile temperatury, koncentracji wody oraz pary wodnej (i innych gazów absorbujących) w atmosferze. Druga grupa algorytmów stosuje regresję pomiędzy zmierzoną temperaturą oceanu a obserwowanymi temperaturami jasności. Algorytmy NLSST oraz MCSST są przykładami algorytmów empirycznych opartych na regresji. Algorytmy oparte na równaniu transferu promieniowania elektromagnetycznego umożliwiają lepsze uwzględnienie poprawek atmosferycznych.