В работе обсуждаются возможности спектрорадиометра MODIS спутника EOS AM1 (Terra) при проведении мониторинга полного количества водяного пара, аэрозольной оптической толщины атмосферы (АОТ), представлены первые результаты измерений, полученные в Отделе космического мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций Алтайского государственного университета и ГУ по делам ГО и ЧС Алтайского края в операционном режиме.

MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) – 36-канальный спектрорадиометр, регистрирующий излучение в диапазоне длин волн (0,414,4) мкм с разрешением на местности в надире 250 м (каналы 1 и 2), 500 м (каналы 3-7) и 1000 м (каналы 8-36), позволяет проводить ежедневно измерения полного количества водяного пара (ИК-диапазон), аэрозольной толщины атмосферы над участками поверхности суши, свободными от облачности, на длинах волн =0,47 мкм и =0,66 мкм.

Территория, которую покрывает спутник в Территория, которую покрывает спутник в течение днятечение дня

Характеристика каналов Характеристика каналов MODIS MODIS и и их назначениеих назначение::А А – – атмосферные исследованияатмосферные исследования;;ПП ПП – – исследования свойствисследования свойств подстилающей поверхностиподстилающей поверхности;;О – О – исследование свойств исследование свойств поверхностиповерхности океанов океанов;;ОЗ – измерение озонаОЗ – измерение озона;;ПЖ – мониторинг лесных пожаровПЖ – мониторинг лесных пожаров..

Данные MODIS, используемые в работе, принимались станцией ЕОСкан ИТЦ «СканЭкс» Отдела космического мониторинга в Барнауле (5321 СШ, 8347 ВД). Калибровка, геолокация и выделение пикселей, свободных от облачности, осуществлялась с использованием пакетов программ: • IMAPP

http://simss.ssec.wisc.edu/~gumley/IMAPP/IMAPP.html,

• PGE02 и PGE03

http://directreadout.gsfs.nasa.gov/download_technology/inst_algoritms.cfm.

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)

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

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

или

При (тёмные поверхности)

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

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

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

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

Если

, то ,

Этап Этап 22.. Оценка аэрозольной оптической толщины

,

для области 10 x 10 км с использованием континентальной

модели аэрозоля

Этап Этап 33.. Определение модели аэрозоляОпределение модели аэрозоля

аридная модель;

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

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

Этап Этап 44.. Определение оптической толщины Определение оптической толщины τταα(λ)(λ) для для

установленной на этапе установленной на этапе 33 модели аэрозоля. модели аэрозоля.

Индикатриса рассеянияИндикатриса рассеяния

Полное количество водяного пара в атмосфере Полное количество водяного пара в атмосфере WW(см). (см). Сопоставление данных Сопоставление данных MODISMODIS с данными станции сети с данными станции сети AERONET AERONET (Москва, Томск, Красноярск, Далан – Дзадгат). (Москва, Томск, Красноярск, Далан – Дзадгат). Октябрь 2003 г. Октябрь 2003 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

АОТ (0,470 мкм). Сопоставление данных АОТ (0,470 мкм). Сопоставление данных MODISMODIS с с данными станций сети данными станций сети AERONET AERONET (Москва, Томск, (Москва, Томск, Красноярск, Далан – Дзадгат). Октябрь 2003 г.Красноярск, Далан – Дзадгат). Октябрь 2003 г.

AO

T

MO

DIS

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.000.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

AOT AERONET

Δτ = ± 0,05 ± 0,2 АОТ

Vermote E.F., El Saleous N, Justice C. Atmospheric correction of the MODIS data in the visible to middle infrared: First results // Remote Sens. Environ, 2002.

Полное количество водяного пара в атмосфере (см). Октябрь Полное количество водяного пара в атмосфере (см). Октябрь 2003 г.2003 г.

АОТ (0,550 мкм). Октябрь 2003 г.АОТ (0,550 мкм). Октябрь 2003 г.

Массовая концентрация аэрозоля (10Массовая концентрация аэрозоля (10-6 -6 г/смг/см22) в атмосфере. Октябрь ) в атмосфере. Октябрь 2003 г.2003 г.

44. Выводы. Выводы• Представлены результаты измерения полного количества водяного пара, оптической толщины (АОТ) атмосферы в диапазоне длин волн 0.47 – 0.66 мкм и массовой концентрации аэрозоля (МКА) над свободными от облачности участками поверхности суши, полученые с использованием данных MODIS/Terra в операционном режиме.

• Сопоставление полученых данных АОТ с данными станций сети AERONET (Москва, Томск, Красноярск, Далан – Дзадгат) показали, что различия не превышают .

• Представлены данные по пространственному распределению АОТ и МКА в атмосфере в октябре 2003 г. Установлена высокая концентрация аэрозоля на севере Западной Сибири в зоне (56÷65) СШ, (67÷84) ВД.

Работа поддержана проектом ИО 615 программы «Интеграция».