Satélites Meteorológicos e a Observação em Microondas. Luiz Augusto Toledo Machado

Transcrição

1 Satélites Meteorológicos e a Observação em Microondas. Luiz Augusto Toledo Machado Luiz.machado@cptec.inpe.br

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5 A Radiação que Define o Clima da Terra

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10 Transferência Radiativa absorção gasosa O 2 e O 3

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16 Rayleigh Mie àtica Geom trica K l a =2 p r/ l

17 Espectro de Absorção da Atmosfera

18 Transferência Radiativa ETR 2 Ausência 2hc B l,t = de Espalhamento (Equação de Schwarzchild) hc Boa aproximação 5 lkt l e 1 para propagação de radiação terrestre na atmosfera, na ausência de nuvens Duas possíveis variações elementares para radiância espectral: (1) atenuação de L l incidente no volume de matéria: Função de Planck: distribuição de valores de radiâncias (1) espectrais emissividade elementar dll ( l,s', ) = Ll( l,s', ) aa ( l,s')ds' emitidas por um corpo negro, em (Lei de Kirchoff) função de T e l (ou ) (3) emissão à temperatura do volume de matéria: L sat l ( l, ) = B l ( l, T( s')) a ( l, s') t ( l, s') a s' B l ( l, T( p)) t ( l, p) p p

19 T 200 hpa E l?st 4 E l absor Æo l

20 T 500 hpa E l?st 4 E l absor Æo l

21 T 950 hpa E l?st 4 E l absor Æo l

22 TYPICAL WEIGHTING FUNCTIONS FOR A MICROWAVE TEMPERATURE SOUNDER (AMSU-A instrument) h (km) AMSU-A (3-14) Approximate center frequencies: (Including stratospheric channels) Channel 1: 23.8 GHz (total Wv) 50 Channel 2: 31.5 GHz (window) Channel 3: 50.3 GHz Channel 4: 52.8 GHz Channel 5: 53.6 GHz Channel 6: 54.4 GHz 14 Channel 7: 54.9 GHz 40 Channel 8: 55.5 GHz (Tropopause) Channels 9 to 14: 56.9 to 57.7 GHz 13 Channels 16 to 21: 60.3 to 61.3 GHz (alternatively 58.2 to 59.3 GHz) Channel 15: 90 GHz (liquid water) h (km) AMSU-A (16-21)

23 MP Radiômetro de Microondas

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25 Integrated Liquid Water and Water Vapor from MP3000 Liquid Water rainfall Results from Alan Calheiros

26 Integrated Water Vapor Analysis - GPS Results from Luiz Sapucci

27 Refletividade em 3.9 microns - gua e gelo

28 IR3.9 mostra muito mais estruturas no topo que o IR10.8 (sens vel ao tamanho da particula de gelo) Canal 04 (IR3.9) MSG-1, 20 Maio 2003, 13:30 UTC 1= nuvem de gelo com cristais muito pequenas 2= nuvens de gelo com pequenos cristais 3= nuvens de gelo com grandes cristais Canal 09 (IR10.8)

29 Identificação bidimensional bastante comum utilizar um crit rio de apenas duas vari veis. Os pixels se distribuem num "diagrama de orelha". Estabelecendo patamares razo veis de R1, T4, podem ser identificados os elementos principais: Superf cie Cumulos Estratos Cirros Cumulonimbos Todavia, næo h informa Æo de textura (uma outra dimensæo) 32

30 Gelo / água das Nuvens 34

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32 Depressão da Temperatura de Brilho no micro-onda (DTb) pelo espalhamento de camadas de part ículas de gelo para selecionadas frequências do micro-onda para uma especifica distribui ção de part ículas de gelo (Liu e Curry, 1996)

33 Sensitivity to the Cloud Properties Sensitivity to the ice content Sensitivity to the particle size

34 Atividade Elétrica Variation of average and standard deviation of CG lightning occurrence in 15 minute intervals by pixel (# CG lightning/pixel*15min) as a function of (a) Ice Particle Effective Diameter (mm), (b) Ice Water Path (kg/m3) and of the (c) polarized Temperature Difference at 85 GHz (TBV-TBH). Mattos and Machado, 2010 Submitted to Atmos. Res.

35 Climate Image of the week - October 21 st Cloud Base Smoke Layer Cloud Base 0.55 m m 2.1 m m

36 Ratio 1.55/1.65um Cloud Scanner Measurements Mount Gibbes Experiment July/2007 Vanderlei Martins ice water ice water UMBC and NASA/GSFC UMBC and NASA/GSFC

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38 Diferentes características do anvils e overshooting topos podem ser reveladas usando diferentes canais. Essas figuras mostram uma imagem AVHRR visível (acima a esquerda), 3.7 microns (acima a direita) e 10.7 micron IR

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40 Channel 9 MSG (10.8 m m) Warmer Region = 200 K Penetrative Clouds 03/08/ :30UTC U/V Shape Coldest Pixel = 189 K Warmer Region = 200 K Coldest pixel = 189 K Ring Shape Very small ice clouds - new convection - updrafts 03/08/ :00UTC

41 WV IR Channel Difference

42 Ground Lightning Network

43 T = Tb3- Tb4 T - 2.0, >~10% Probability to have Lightning Classify as Penetrative Clouds

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45 Respostas Espectrais

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47 to 10.7 GHz band From G. Rochard. 2000

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50 Tipos de Órbitas Polar Equatorial Geoestacionário

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52 Composite Image from GOES West, GOES East, Meteosat-5, -7, GMS

53 Órbita Polar

54 Varredura ao Longo da Trajetória do Satélite

55 Varredura Cross Tracking Varredura Cônica

56 From Joint Center for Satellite Data Assimilation Molniya Orbit Four satellites would extend the coverage to the two Poles, 24 hours a day.

57 Órbitas 36 graus 26 graus Vermelho km Verde km Azul 800 km

58 Geoestacionário - Varredura por Rotação

59 MARF = Meteorological Archive & Retrieval Facility MPEF = Meteorological Products Extraction Facility MDD = Meteorological Data Distribution PDUS = Primary Data User Station SDUS = Secondary Data User Station DRS = DCP Retransmission System

60 Aquisição de imagem Spin-scan

61 SEQUÊNCIA Vista do sat lite visto de cima: Varrimento de uma linha multi espectral de Leste para Oeste. 3 a 9 sensores podem ser utilizados Sensor de estrela pelo canal HRV Abertura da janela de sensores de estrelas Podem ser utilizadas estrelas Início de aquisição de imagem accionada pelo sensor de Sol (Earth Sensor in Eclipse) Sensor do Sol

62 O varrimento do globo obtido pela utilização de um satélite que gira em torno de si próprio (" spin " ) de Este para Oeste (100 rpm) e fazendo saltar o espelho de varrimento de Sul para Norte depois de cada linha Uma revolução completa demora 0,6 segundos dos quais apenas 30 milisegundos são necessários para varrer os 18 do disco da terra. Os restantes 570 milisegundos são utilizados para fazer saltar o espelho para uma nova posição, transmissão de dados, ajuste do zero durante o varrimento do espaço profundo e detecção de estrelas.

63 INTRODUÇÃO A IMAGEM DIGITAL A imagem digital: Matriz de pontos (pixels) colunas Cor: RGB (107,78,26) Cada pixel possui: - localização: linha e coluna resolução radiométrica: níveis de cinza (cor) - resolução espacial: 800 x 600, 1024 x 768 Computador: m quina bin ria Cada bit pode conter dois valores: 0 ou 1 imagem 8 bits => 2 8 = 256 valores imagem 10 bits => 2 10 = 1024 valores =

64 A Resolução Radiométrica A resolu Æo radiom trica dada pelo n mero de valores digitais representando n veis de cinza, usados para expressar os dados coletados pelo sensor. Quanto maior o n mero de valores, maior a resolu Æo radiom trica. 1 bit (2 n veis de cinza) 5 bit (32 níveis de cinza) O número de níveis de cinza comumente expresso em função do número de dígitos bin rios (bits) necess rios para armazenar, em forma digital, o valor do n vel m ximo. O valor em bits sempre uma potˆncia de 2. Assim, 5 bits significam (2) 5 = 32 n veis de cinza. Os sat lites LANDSAT e SPOT tˆm resolu Æo radiom trica de 8 bits, o que significa o registro de imagens em 256 n veis de cinza.

65 IMAGENS DIGITAIS Imagens monocromáticas visível e infravermelho: - Cada pixel representa o valor do albedo (vis vel) ou Temperatura de Brilho (IV) - Os valores de Albedo e IV captados pelos sat lites sæo transformados em n meros que variam de 0 a 255 possibilitando a elabora Æo de uma imagem digital. TB=320-(NC x 0,625)

66 Nova Geração de Satélites METOP ( substitui o NOAA nas órbitas PM) hyperspectral NPP ( satélite intermediário entre NOAA e NPOESS - ira substituir parcialmente EOS) - lan amento 2011 MSG e MTG 2018 NPOESS ( nova serie de POE que ira substituir os NOAA/METOP) GOES-R - Nova geração formato e ingestão diferente GPM

67 NOAA K L M NOAA N - N' METOP HRPT-Taxa de Dados Kbps Kbps 3.5 Mbps Ano de Lan amento Taxa de Dados dos Instrumentos Radi metro Imageador Sondadores (Advanced Microwave Sounding Unit) (Microw. Humid. Sound.) IR Atmosph. Sound. Interfer. Outros Instrumentos: Advanced SCATterometer GNSS Atmosph. Sounder Global Ozone Monitoring Experiment AVHRR/3 AVHRR/3 AVHRR/3 HIRS/3 HIRS/4 HIRS/4 AMSU-A AMSU-A AMSU-A AMSU-B MHS MHS IASI ASCAT GRAS GOME 622 kb/s 2,9 kb/s 3,2 kb/s 3,9 kb/s 1500 kb/s 60 kb/s 60 kb/s 400 kb/s

68 Características dos Canais do Instrumento AVHRR/3 N mero do Canal Resolução no Nadir Comprimento de onda (um) Uso T pico Mapeamento da superf cie e das 1 1,09 km nuvens, durante o dia; ndice de vegetação. 2 1,09 km Mapeamento das fronteiras terra- gua; ndice de vegetação 3A 1,09 km Detecção de neve e gelo 3B 1,09 km Mapeamento noturno de nuvens, monitoramento da temperatura da superfície do mar, detecção de queimadas Mapeamento noturno de nuvens, 4 1,09 km monitoramento da temperatura da superf cie do mar. Mapeamento noturno de nuvens, 5 1,09 km monitoramento da temperatura da superf cie do mar.

69 GOES-12 - Imagem a cada 15 minutos

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71 GOES-R

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73 Meteosat Third Generation + Jason + METOP Missions are under discussion:? High Resolution Fast Imagery (HRFI) mission: successor to MSG SEVIRI HRV mission? Full Disk High Spectral Resolution Imagery (FDHSI) mission: successor to mission of other SEVIRI channels? IR Sounding Mission? Ozone UV sounding mission? Data Collection Platform mission? Lightning imagery mission

74 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) Provided by NASA Goddard Space Flight Center and built by Hughes SBRS. Measurement of comprehensive global biological and geophysical processes including: surface temperature (land and sea), ocean color, global vegetation and deforestation, clouds and aerosols, and snow cover. Cross-track scanning bands from visible to thermal IR and spatial resolutions of 250m, 500m, and 1km at nadir km in 2 days.

75 Provided by NASA Langley Research Center and built by TRW. Long-term Earth's radiation budget through observations of short and longwave radiation. Broadband scanning thermistor bolometer package with 20 km resolution. Two carried to operate in x- track and biaxial scan modes. Each scanner has three channels: shortwave infrared for longwave for Earthemitted thermal IR, and total channel. Clouds and the Earth Radiant Energy System (CERES)

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77 TRMM - Tropical Rainfall Measuring Mission O primeiro radar meteorológico embarcado em uma plataforma orbital transmite 64 pulsos de 1.6 m s O radar amostra cada pulso transmitido em altitudes separadas por 250 m a partir da superf cie at a altura de 20 km, tirando a m dia da refletividade dos ecos espalhados pelas gotas de chuva. Essa faixa de altitude produz 80 valores verticais que juntamente com 49 valores horizontais produzem o perfil vertical tridimensional da chuva, a uma resoluçao espacial de 4 km. Geometria de imageamento dos sensores a bordo do sat lite TRMM (FONTE: NASA/NASDA)

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79 Cornerstone for the CEOS Precipitation Constellation under GOESS & GEO GPM Unify and advance global precipitation measurements from a constellation of dedicated and operational satellites for research and applications GPM LIO (40 o ) (Low-Inclination Observatory) GHz radiometer Asynoptic observations Improved sampling for near-realtime monitoring of hurricanes and midlatitude storms GPM CORE (65 o ) Ku-Ka band radar Precipitation physics observatory Reference standard for intercalibration of constellation precipitation measurements Next-generation global precipitation products through advanced active & passive microwave sensor measurements a consistent framework for inter-satellite calibration (radiance & rain rates) international collaboration in algorithm development and ground validation

80 T Baseline GPM Constellation Performance GPM Core Launch TRMM Era (< 3h over 45% of globe) Over Land Additional partners possible: Prime Life Extended Life Brazil, Russia, China Average Revisit T ime (hr) GPM (2015) (< 3h over 92% of globe) Year Land T ropics Ext rat ropics Globe Ocean Hour

81 GPM Core Observatory Sensors JAXA Dual-Frequency (Ku-Ka band) Precipitation Radar (DPR): Increased sensitivity for light rain and snow detection Better measurement accuracy Detailed microphysical information for improving radiometer rain retrievals NASA Wide-Band ( GHz) Microwave Imager (GMI): High spatial resolution Improved light rain & snow detection Improved signals of solid precipitation over land (especially over snowcovered surfaces) Accuracy & stable calibration to serve as a radiometeric reference for constellation radiometers

82 Conjuntos de dados para Aplicações Climáticas Série históricas Nuvens Parâmetros da Superfície Precipitação Radiação Outros

83 ISCCP International Satellite Cloud Climatology Project

84 NOAA - PATHFINDER Precipitação, emissividade da superfície (microondas), TSM anomalia, Fração de cobertura de nuvens, OLR e Precipitação Temperatura da superfíce Temperatura do ar Perfil de temperatura até 30 hpa Perfil de umidade até 300 hpa Parâmetros derivados das nuvens Radiação emergente de onda longa (OLR) Radiação emergente de onda longa para céu claro Estimativa de precipitação

85 GPCP Global precipitation Climatology Project Average January GPCP Precipitation (mm/day) for Average July GPCP Precipitation (mm/day) for

86 Índices Globais de Vegetação Normalized Density Vegetation Index: Mar Normalized Density Vegetation Index: Sep

87 IV Curso de Sat lites Meteorol gicos - 28 de junho a 07 de julho de 2006 The Challenge: Global Earth Observation, a System of Systems Aqua GRACE Cloudsat CALIPSO TRMM GIFTS SSMIS TOPEX Landsat NPP MSG GOES-R COSMIC/GPS Meteor/ SAGE NOAA/ POES SeaWiFS NPOESS Terra Jason SORCE ICESat WindSat Aura

88 Obrigado