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

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Satélites Meteorológicos e a

Observação em Microondas.

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Transferência Radiativa

absorção gasosa

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Rayleigh

Mie

àtica Geom‚trica

K l

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Transferência Radiativa

ETR



Ausência de Espalhamento (Equação de Schwarzchild)



Boa aproximação 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:



(3) emissão à temperatura do volume de matéria:

'

ds

)

'

s

,

(

)

,

'

s

,

(

L

)

,

'

s

,

(

dL

(

_l

1 )

l



=



_l

l



a

_a

l

p

T

B

s

T

B

L

s a sat





=



)

(

,

(

'

))

(

,

'

)

(

,

'

)





(

,

(

))

(

,

)

,

(

'

l

t

l

t

l

a

l

_l

l

Função de Planck: distribuição de

valores de radiâncias espectrais

emitidas por um corpo negro, em

(19)

(20)

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TYPICAL WEIGHTING FUNCTIONS FOR A MICROWAVE TEMPERATURE SOUNDER (AMSU-A instrument)

h (km) _{Approximate center frequencies:} (Including stratospheric channels)

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(25)

Integrated Liquid Water and Water Vapor from MP3000

Liquid Water

rainfall

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Integrated Water Vapor Analysis - GPS

(27)

(28)

IR3.9 mostra muito mais estruturas no topo que o IR10.8

(sens¡vel ao tamanho da particula de gelo)

3

1

3

1

1 ₁

3

1 ₁

3

2 ₂

1= nuvem de gelo com cristais muito pequenas

2= nuvens de gelo com pequenos cristais

3= nuvens de gelo com grandes cristais

Canal 04 (IR3.9)

Canal 09 (IR10.8)

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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)

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Gelo / água das Nuvens

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Sensitivity to the Cloud Properties

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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).

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Climate Image of the week - October 21 st 2007 _{http://climate.gsfc.nasa.gov/viewImage.php?id=21}

Smoke Layer

Cloud Base

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Ratio 1.55/1.65um

ice

Cloud Scanner Measurements

Mount Gibbes Experiment

July/2007

Vanderlei Martins

water

ice

water

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Diferentes características do

anvils e overshooting topos

podem ser reveladas usando

diferentes canais. Essas

figuras mostram uma imagem

AVHRR visível (acima a

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Channel 9 MSG (10.8 m m)

Penetrative Clouds Warmer Region = 200 K U/V Shape Coldest Pixel = 189 K 03/08/2006 14:30UTC Warmer Region = 200 K Coldest pixel = 189 K

Very small ice clouds - new convection - updrafts

Ring Shape

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

T = Tb3- Tb4

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1990

10.6 to 10.7 GHz band

2000

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Tipos de Órbitas

 Polar

Equatorial

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Molniya Orbit

Four satellites would extend the coverage to the

two Poles, 24 hours a day.

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Órbitas

36 graus

26 graus

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Aquisição de imagem

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SEQUÊNCIA

Início de aquisição de imagem accionada pelo sensor de Sol

Vista do sat‚lite visto de cima:

_{(Earth Sensor in Eclipse)} Varrimento de uma linha multi

espectral de Leste para Oeste. 3 a 9 sensores podem ser utilizados

Sensor de estrela pelo canal HRV

Sensor do Sol Abertura da janela de

sensores de estrelas

(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

(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

2 0

2 7

- 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

101 10 00 1

imagem 8 bits => 2 8 = 256 valores

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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.

5 bit

1 bit

(32 níveis de cinza)

(2 n¡veis 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.

(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.

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Nova Gera

çã

o de Satélites

METOP ( substitui o NOAA nas órbitas PM) - 2006 -

hyperspectral

NPP ( satélite intermediário entre NOAA e NPOESS - ira

substituir parcialmente EOS) - lan‡amento 2011

MSG - 2003 e MTG 2018

NPOESS - 2014 ( nova serie de POE que ira substituir os

NOAA/METOP)

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NOAA N - N'

NOAA K L M

METOP

Taxa de HRPT-Taxa de Dados 665.4 Kbps 665.4 Kbps 3.5 Mbps Dados dos Ano de Lan‡amento 1998 2000 2002 2005 2007 2006 2010 2015 Instrumentos

Radi“metro Imageador _AVHRR/3 _AVHRR/3 _AVHRR/3 622 kb/s

2,9 kb/s HIRS/3 HIRS/4 HIRS/4

Sondadores

3,2 kb/s AMSU-A _AMSU-A _AMSU-A

(Advanced Microwave Sounding Unit)

3,9 kb/s AMSU-B _MHS _MHS

(Microw. Humid. Sound.)

1500 kb/s IASI

IR Atmosph. Sound. Interfer.

Outros Instrumentos: 60 kb/s ASCAT Advanced SCATterometer 60 kb/s GRAS GNSS Atmosph. Sounder 400 kb/s GOME

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Características dos Canais do Instrumento AVHRR/3

N£mero

Resolu

çã

o

Comprimento

do

Uso T¡pico

no Nadir

de onda (um)

Canal

Mapeamento da superf¡cie e das

1 1,09 km

0.58 - 0.68

nuvens, durante o dia; ¡ndice de vegetação.

Mapeamento das fronteiras terra- gua;

2 1,09 km

0.725 - 1.00

_{¡ndice de vegeta}_çã_o

3A

1,09 km

1.58 - 1.64

Detecção de neve e gelo

Mapeamento noturno de nuvens, monitoramento da temperatura da

3B

1,09 km

3.55 - 3.93

_{superfície do mar, detec}_çã_{o de}

queimadas

Mapeamento noturno de nuvens,

4 1,09 km

10.30 - 11.30

monitoramento da temperatura da superf¡cie do mar.

Mapeamento noturno de nuvens,

(69)

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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}

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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

(75)

Clouds and the Earth Radiant

Energy System (CERES)

_{Provided by NASA}

Langley Research Center and built by TRW.

_Long-term

(76)

(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.

(78)

(79)

GPM

Unify and advance global precipitation measurements from a

constellation of dedicated and operational satellites for

research and applications

GPM CORE (65 o )

GPM LIO (40 o )

Ku-Ka band radar (Low-Inclination Observatory) 10-183 GHz radiometer

Precipitation physics

Asynoptic

observatory

observations

Reference standard

Improved sampling for

for intercalibration of

near-realtime monitoring

constellation

of hurricanes and

precipitation

midlatitude storms

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)

Average Revisit T ime (hr) Year 2013 2014 2015 2016 2017 Land T ropics 1.6 1.5 1.6 1.8 2.3 Ext rat ropics 1.1 1.0 1.0 1.0 1.4 Globe 1.4 1.2 1.3 1.4 1.8 Ocean T ropics 3.1 2.5 3.2 3.9 4.9 Ext rat ropics 3.2 2.6 2.1 2.6 3.3 Globe 3.1 2.5 2.7 3.3 4.2

Land and Ocean T ropics 2.6 2.2 2.7 3.1 4.0 Ext rat ropics 2.3 1.9 1.6 1.9 2.5 Globe 2.4 2.0 2.1 2.5 3.3

Baseline GPM Constellation

TRMM Era

Performance

_{(< 3h over 45% of globe)}

GPM Core Launch

Over Land

Additional partners possible:

Extended Life Prime Life

Brazil, Russia, China

GPM (2015)

(< 3h over 92% of globe)

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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 (10-183 GHz)

Microwave Imager (GMI):

High spatial resolution

Improved light rain & snow detection Improved signals of solid precipitation

over land (especially over snow- covered surfaces)

(82)

(83)

(84)

NOAA - PATHFINDER

•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

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GPCP – Global precipitation Climatology Project

Average January GPCP Precipitation (mm/day) for 1988-96.

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Índices Globais de Vegetação

Normalized Density Vegetation Index: Mar 8 1998

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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 Meteor/ SAGE NOAA/ COSMIC/GPS _POES SeaWiFS _NPOESS

Terra Jason SORCE

Aura ICESat

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