Распространение солнечного излучения в системе...

Рассмотрены алгоритмы измерения характеристик Рассмотрены алгоритмы измерения характеристик системы «атмосфера – подстилающая поверхность системы «атмосфера – подстилающая поверхность Земли» с использованием данных спектрорадиометра Земли» с использованием данных спектрорадиометра MODIS/( Terra, Aqua) и ИК- и СВЧ-радиометров спутника MODIS/( Terra, Aqua) и ИК- и СВЧ-радиометров спутника Aqua. Излагаются методы измерения аэрозольной Aqua. Излагаются методы измерения аэрозольной оптической толщины атмосферы в видимом диапазоне оптической толщины атмосферы в видимом диапазоне длин волн, количества водяного пара и общего содержания длин волн, количества водяного пара и общего содержания озона в атмосфере, температурного профиля атмосферы, озона в атмосфере, температурного профиля атмосферы, характеристик подстилающей поверхности. Обсуждается характеристик подстилающей поверхности. Обсуждается постановка проблемы атмосферной коррекции и подходы к постановка проблемы атмосферной коррекции и подходы к ее решению при зондировании Земли спектрорадиометром ее решению при зондировании Земли спектрорадиометром MODIS. Значительное место уделено обсуждению MODIS. Значительное место уделено обсуждению результатов валидации изложенных алгоритмов, результатов валидации изложенных алгоритмов, сопоставлению достигнутых точностей измерения сопоставлению достигнутых точностей измерения основных параметров системы «атмосфера – основных параметров системы «атмосфера – подстилающая поверхность Земли» с точностями, подстилающая поверхность Земли» с точностями, требуемыми современными климатическими моделями.требуемыми современными климатическими моделями.

1.1. Распространение солнечного излучения в системе ”атмосфера + Распространение солнечного излучения в системе ”атмосфера +

подстилающая поверхность Земли”подстилающая поверхность Земли”

2.2. Алгоритм определения количества водяного пара в атмосфереАлгоритм определения количества водяного пара в атмосфере

3.3. Алгоритм определения аэрозольной оптической толщины Алгоритм определения аэрозольной оптической толщины

атмосферыатмосферы

4.4. Маскирование облачностиМаскирование облачности

5.5. Валидация данных космического мониторингаВалидация данных космического мониторинга

6.6. Результаты мониторингаРезультаты мониторинга

7.7. Мониторинг снежного покроваМониторинг снежного покрова

8.8. Мониторинг термальных аномалийМониторинг термальных аномалий

9.9. NDVINDVI

10.10. Оценка скорости ветра с использованием данных Оценка скорости ветра с использованием данных MODIS/Terra MODIS/Terra ии

MODIS/AquaMODIS/Aqua

План лекцииПлан лекции

1. Распространение солнечного излучения в системе ”атмосфера + подстилающая

поверхность Земли” Плотность потока солнечной энергии ),,,( vsL [Вт/(м2ср ∙мкм)], достигающая

спектрорадиометр спутника на верхней границе атмосферы, в случае ортотропной подстилающей поверхности может быть представлено в виде

)(),,,(1

),,,()(),(),(),,,(),,,( 0

0

s

FTTLL

vss

vsssvsvsvs

(1)

),,,(0 vsL – вклад в показание спектрорадиометра, обусловленный отражением солнечного

излучения от атмосферы, ),( sT – функция пропускания (прямая + диффузная компоненты) атмосферы излучения с

длиной волны в направлении падающего излучения на участке Солнце – поверхность Земли, ),( vT – полная функция пропускания атмосферы в направлении наблюдения на участке

трассы поверхность Земли – спектрорадиометр спутника, )(0 F – поток солнечного излучения, падающий на верхнюю границу атмосферы,

),,,( vss – коэффициент отражения радиации с длиной волны поверхностью Земли, когда атмосфера над поверхностью отсутствует,

)(s – коэффициент отражения света атмосферой в случае, когда изотропное излучение входит в атмосферу через нижнюю границу. s – косинус зенитного угла Солнца (s=coss), v – косинус зенитного угла спутника (v=cosv), азимутальный угол спутника относительно Солнца.

Поскольку спектрорадиометр MODIS проводит измерения плотности потока солнечной энергии, падающей на верхнюю границу атмосферы

[ )(0F s/], то в (1) удобно перейти к безразмерным величинам:

sF

vsL

vs0

),,,(),,,(* (2)

и

sF

vsL

vs0

),,,(0),,,(0

(3)

Тогда для спектрального коэффициента отражения системы ”атмосфера

+ подстилающая поверхность Земли” ρ*, измеряемого спутником на верхней границе атмосферы, получаем следующее выражение:

)(),,,(1

),,,(),(),(),,,(0),,,(*

svss

vssvTsTvsvs

(4)

2. Алгоритм определения количества водяного пара в атмосфере

Пять каналов MODIS 2, 5, 17, 18, 19 (0,865, 1,240, 0,905, 0,935, 0,940 мкм) из ближнего ИК - диапазона предназначены для измерения содержания водяного пара в атмосфере. Метод измерения водяного пара, предложенный в (Gao B.C. et al. // J. Geophys. Res., 1990, v. 95, p. 3549; Kaufman Y.J. et al. // J. Geophys. Res., 1997, v. 102 № D14, p. 17051.) и использованный в данной работе, основывается на детектировании поглощения водяным паром солнечного излучения при его распростронений по трассе Солнце – подстилающая поверхность Земли – спектрорадиометр. Общее количество водяного пара в вертикальном столбе атмосферы определяется из сопоставления отношений измеренных интенсивностей в каналах поглошения (17, 18, 19) и каналах из окон прозрачности (2, 5) с данными справочных таблиц PGE04.

Положение и ширина пяти каналов близкого ИК диапазона

Номер канал Границы канала (мкм)

Ширина канала (мкм)

Центр канала (мкм) Разрешение (м)

2 0,841 – 0,876 0,035 0,865 250

5 1,230 – 1,250 0,020 1,240 500

17 0,890 – 0,920 0,030 0,905 1000

18 0,931 – 0,941 0,010 0,936 1000

19 0,915 – 0,965 0,050 0,940 1000

)(),,,(1

),,,(),(),(),,,(),,,(* 0

s

TT

vss

vssvsvsvs

)()()(* ssvT , (5)

),(),()( vssv TTT

,865 мкм (канал 2 MODIS, канал из окна прозрачности) Tsv(0.865)1

ρ*(0,865)=s(0,865). (6) ,905 мкм (17 канал MODIS, канал поглощения)

ρ*(0,905)=Tsv(0,905) s(0,905). (7)

а) Если s(0,905)s(0,865) → (д вухканальное отношение)

Деля уравнение (7) на (6), получаем выражение для функции пропускания на трассе Солнце – поверхность Земли – спектрорадиометр спутника:

.)865,0(

)905,0()905,0(

*

*

svT (8)

Из (8) следует следующий алгоритм измерения общего количества водяного пара в атмосфере над

рассматриваемым пикселем изображения, свободным от облачности, с космической платформы EOS AM-1 (Terra):

спектрорадиометром MODIS измеряются коэффициенты яркости атмосферы в каналах 2 (ρ*(0,865)) и 17 (ρ*(0,905));

по формуле (8) вычисляется функция пропускания Tsv для заданной геометрии освещения и наблюдения;

с использованием справочных таблиц по зависимости функции пропускания Tsv от количества водяного пара на трассе Солнце – Земля - спутник определяется W(µs, µv).

количество водяного пара в вертикальном столбе атмосферы W(0.905) находится с использованием соотношения:

,),(

),()905,0(

vs

vs

M

WW

где .11

),(vs

vsM

Подобным образом можно сформулировать алгоритм определения водяного пара, используя Tsv(0,936) (18 канал MODIS), либо Tsv(0,940) (19 канал MODIS):

)865,0(

)936,0()936,0(

*

*

svT , (9)

)865,0(

)940,0()940,0(

*

*

svT . (10)

б) Если )865.024.1()865.0()]865.0()24.1([)865.0()( sass → (трёхканальное отношение)

то )]24.1(2.0)865.0(8.0[)94.0()94.0( *** svT

В данной работе, учитывая различную чувствительность каналов 17, 18, 19 к водяному

пару в атмосфере, для определения количества водяного пара в рассматриваемом пикселе используется сразу три канала. Среднее значение водяного пара находится с использованием выражения

)940,0()936,0()905,0( 321

_

WfWfWfW , (11)

где f1,, f2,, f3 – весовые коэффициенты, найденные для каналов 17, 18, 19 спектрорадиометра MODIS.

3. 3. Алгоритм определения аэрозольной Алгоритм определения аэрозольной оптической толщины атмосферыоптической толщины атмосферы

илиили

ПриПри (тёмные поверхности)(тёмные поверхности)

Kaufman Y. J. et. al. // J. Geophys. Res., 1997, v. 102, Kaufman Y. J. et. al. // J. Geophys. Res., 1997, v. 102, №№ D14, p.17051 D14, p.17051

Remer L. A. et. al. // J. Geophys. Res., 1998, v. 103, Remer L. A. et. al. // J. Geophys. Res., 1998, v. 103, №№ D12, p.13859 D12, p.13859

King M. D. et. al. // Bull. Amer. Meteor. Society, 1999, v. 80, King M. D. et. al. // Bull. Amer. Meteor. Society, 1999, v. 80, №№11, p. 2229 11, p. 2229

Этап Этап 11.. Поиск тёмных пикселов в анализируемой области изображения Поиск тёмных пикселов в анализируемой области изображения поверхности суши 10поверхности суши 10 км х 10 км и определение КСЯ поверхностикм х 10 км и определение КСЯ поверхности

ЕслЕслии

, тото ,

Этап Этап 2.2. Оценка аэрозольной оптической Оценка аэрозольной оптической толщинытолщины

,

для области для области 10 10 xx 10 10 км с использованием континентальнойкм с использованием континентальной

модели аэрозолямодели аэрозоля

Этап Этап 33.. Определение модели аэрозоляОпределение модели аэрозоля

аридная модель;аридная модель;

«городская» модель или модель «городская» модель или модель аэрозоля приаэрозоля при сжигании биомассы («дымовая»);сжигании биомассы («дымовая»);

смешанная модельсмешанная модель («городская»(«городская» +«дымовая»+«дымовая» + аридная).+ аридная).

Этап Этап 4.4. Определение оптической толщины Определение оптической толщины τταα(λ)(λ) для для

установленной на этапе установленной на этапе 33 модели аэрозоля с модели аэрозоля с

использованием справочных таблиц использованием справочных таблиц PGEPGE0404..

Фракция базовой модели аэрозоля

rN, (мкм) rV, (мкм) ω0, (0,47 мкм) ω0, (0,66 мкм)

Континентальная модельводорастворимая 0,005 0,176 1,090 0,96 0,96пылевая 0,500 17,60 1,090 0,69 0,69сажевая 0,0118 0,050 0,693 0,16 0,16

Городская модельаккумуляционная мода 1

0,036 0,106 0,60 0,96 0,96

аккумуляционная мода 2

0,114 0,210 0,46 0,97 0,97

солевая 0,990 1,300 0,30 0,92 0,92крупнодисперсная 0,670 9,500 0,94 0,88 0,88

Дымовая модель (умеренное поглощение)аккумуляционная мода

0,061 0,13 0,50 0,90 0,90

крупнодисперсная 1,0–1,3τα 6–116–11τταα+61+61τταα 00,69+0,81,69+0,81τταα 0,84 0,84

Дымовая модель (сильное поглощение)аккумуляционная мода

0,061 0,13 0,50 0,86 0,85

крупнодисперсная 1,0–1,3τα 6–116–11τταα+61+61τταα 00,69+0,81,69+0,81τταα 0,84 0,84

Пылевая модельмода 1 0,001 0,006 0,76 0,015 0,015мода 2 0,022 1,230 1,16 0,95 0,95мода 3 6,240 21,50 0,64 0,62 0,62

Nr

Микрофизические и оптические параметры базовых моделей Микрофизические и оптические параметры базовых моделей аэрозоляаэрозоля

Индикатриса рассеянияИндикатриса рассеяния

Reflectance ch_Reflectance ch_11; ch_; ch_33 versus ch_ versus ch_77

Ref

lect

ance

, ch

_1;

ch_3

Reflectance, ch_7

Reflectance ch_Reflectance ch_11; ch_; ch_33 versus ch_ versus ch_77

4. 4. Маскирование облачностиМаскирование облачностиМаска облачности строится с использованием PGE03.Маска облачности строится с использованием PGE03.

Каналы: 1, 2, 4-7, 1Каналы: 1, 2, 4-7, 177-20, 22, 26-20, 22, 26 - 29 - 29, 31 , 31 - - 3333, 35, 35..

• Ackerman S. et al. Discriminating clear-sky from cloud with MODIS. ATBD (MOD35), Ackerman S. et al. Discriminating clear-sky from cloud with MODIS. ATBD (MOD35), 20022002;;

• PGE03PGE03 ((http://directreadout.gsfs.nasa.gov/download_technology/inst_algoritms.cfmhttp://directreadout.gsfs.nasa.gov/download_technology/inst_algoritms.cfm).).

Антициклон Антициклон 44 декабря декабря 20022002 года года

Маска облачности для сцены Маска облачности для сцены 04.12.200204.12.2002 г. г.

- clear-sky (99%)clear-sky (99%)



- cloudcloud

Маска облачности для сцены Маска облачности для сцены 04.12.200204.12.2002 г. г. ( (БитБит 1414))

- clear-skyclear-sky

- cloudcloud



- cloudcloud

Полное количество водяного пара в атмосфере Полное количество водяного пара в атмосфере WW(см). Сопоставление (см). Сопоставление данных данных MODISMODIS с данными станций сети с данными станций сети AERONET AERONET (Москва, Томск, (Москва, Томск,

Красноярск, Далан–Дзадгад). Октябрь Красноярск, Далан–Дзадгад). Октябрь 20032003 г. г.

W(с

м),

MO

DIS

0.00 0.40 0.80 1.20 1.60 2.000.00

0.40

0.80

1.20

1.60

2.00

W(см), AERONET http://aeronet.gsfc.nasa.govhttp://aeronet.gsfc.nasa.gov

5.5. Валидация данных космического мониторинга Валидация данных космического мониторинга

Water vapor in the atmosphere NIR versus IRWater vapor in the atmosphere NIR versus IR

Сопоставление АОТ (Сопоставление АОТ (0,47 0,47 мкммкм)), полученных с использованием , полученных с использованием MODISMODIS, с результатами станций сети , с результатами станций сети AERONETAERONET

Сопоставление АОТ (Сопоставление АОТ (0,0,6677 мкм мкм)), полученных с использованием , полученных с использованием MODISMODIS, с результатами станций сети , с результатами станций сети AERONETAERONET

СопоставлениСопоставления альбедо однократного рассеяния, установленные я альбедо однократного рассеяния, установленные по данным измерений сетипо данным измерений сети AERONET AERONET, с альбедо базовых моделей , с альбедо базовых моделей аэрозоля, используемых при построении справочных таблиц кода аэрозоля, используемых при построении справочных таблиц кода

PGE 04PGE 04 для для MODISMODIS

0(0,44 мкм) 0(0,67 мкм) 0(0,44 мкм) 0(0,67 мкм)

Мериленд 0,98 0,97Париж 0,94 0,93Мехико 0,91 0,89

Тропические леса Амазонки 0,94 0,93 0,90 0,90Южно -американские влажнотропические леса 0,91 0,89 0,90 0,90Африканская саванна 0,89 0,85 0,86 0,85

Бахрейн (Персидский залив) 0,92 0,95Саудовская Аравия 0,92 0,96Острова Зеленого Мыса 0,93 0,98

0,92 0,94

0,97 0,96

Дымовая модель

Пылевая модель

Район измерений AERONETAERONET MODIS (PGE 04)

Городская модель

Распространение солнечного излучения в системе...

Documents