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Meteorologia por satélites
XVIII CBMET
Dr. Renato Galante Negri
Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais /
Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos / Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
(DSA/CPTEC/INPE)
Recife, PE
05 de novembro de 2014
A estrutura de uma imagem de satélite.
Informações físicas dos canais espectrais
dos satélites – sensores: GOES, MSG-
SEVIRI, Aqua/Terra-MODIS, NOAA-
AVHRR, TRMM, SSMI/S.
Reconhecimento de alvos: classificação de
imagens.
ESTRUTURA DE UMA IMAGEM
DE SATÉLITE
Satélites Meteorológicos
O que eles mede;
Principais componentes;
O que é uma imagem de satélites;
Tipos de órbitas e varreduras;
Características principais de uma imagem.
Um satélite mede radiação que “sai” do planeta
radiação solar (“onda curta”):
ela é refletida pelo planeta
= radiação UV
= radiação visível
= infravermelho próximo
outra visível: relâmpagos, focos de
queimadas, cidades
radiação térmica (infravermelha)
emitida pelo planeta
radiação de microondas
emitida pelo planeta
•UV •VIS •IV próximo
•microondas •termal
O que os satélites medem?
A medida é realizada através de sensores à bordo dos satélites
Como eles medem?
irradiância E = fluxo / área = dF/dA (W/m2)
radiância L = flujo/área normal-ángulo sólido
= dF/dA-d (W/m2-ster)
grandezas espectrais
irradiancia E = dE/ d
radiancia L = dL/ d
Medição por um sensor
• Fluxo de radiação dF (em W)
• sensor com área dA (em m2)
• dentro de ângulo sólido d (ster),
• filtro com largura espectral d
Informação digital: o que é isso?
Plano de
varredura
Plano do
equador
Centro da Terra
(sul)(Leste)
Plano de
varredura
Plano do
equador
Centro da TerraCentro da Terra
(sul)(Leste)
(sul)(Leste)
Esquema de leitura de informação no GOES
Imager. A imagem da Terra vai sendo varrida
linha-a-linha.
varredur
a
Disposição de sensores VIS (amarelos) e
IR (vermelhos). Os sensores VIS “vêem”
segmentos de 1 km na Terra; os IR vêem 4
km. Os sensores estão organizados em
duas fileiras.
Radiância L incide num sensor com área
dAn dentro de um ângulo sólido d , ou
seja um fluxo F → corrente → voltagem
filtrosensor
colimadorTensão
(volts)
espectro d
e radia
ção filtro
sensor
colimadorTensão
(volts)
filtrosensor
colimadorTensão
(volts)
espectro d
e radia
ção d dAn L
fluxo
O GOES transmite informação sobre a voltagem
digitalizada em 10 bits (níveis de cinza 0 a 1023).
O MODIS tem 12 bits (níveis 0 a 4095)
radiância
volta
gem
calibração
Uma imagem digital é um
arquivo de números,
organizados segundo
uma matriz retangular:
• M linhas X N colunas
• Números entre 0 e
1023
A matriz retangular é uma
“projeção satélite” vista
pelos sensores
Com a matriz de MxN pixels, cada um com níveis
padronizados entre 0 e 255 (níveis de cinza ou
“counts”), podemos criar um arquivo gráfico (.GIF,
.JPG, etc.) que visualiza a imagem de satélite (p.ex.,
a imagem que serve de fundo à esquerda,
corresponde ao canal visível do GOES 12).
também:
Projetar a matriz de MxN pixels (ou parte dela) em
outras coordenadas, por exemplo coordenadas
retangulares (Mercator, ou lineares em latitude e
longitude)
Tipos de Órbitas
Geoestacionária:
• ALTITUDE: ~36.000 km
• Área de observação é sempre a mesma
• Meteorológicos e de Comunicação
Polar e Equatorial
• ALTITUDE: 250 – 800 km
• VELOCIDADE: ~ 27000km/h
• Sensoriamento Remoto e Meteorológicos
•Alta resolução espacial mas baixa resolução temporal
Tipos de Varreduras do Satélite
Resolução:
• Espacial
• Temporal
• Espectral
• Radiométrica
Principais características de uma imagem de Satélite
IASI
AMSU-A
MHS
HIRS/4
AVHRR/3
Campo de visão (FOV - Fields Of View) dos Instrumentos
Resolução Espacial é a capacidade do detector em distinguir objetos na superfície terrestre;
A resolução espacial de um detector é expressa em termos do seu campo instantâneo de visada ou IFOV (“instantaneous field of view”);
O IFOV define a área do terreno focalizada a uma dada altitude pelo instrumento sensor, ou seja, é o “tamanho do pixel”.
Resolução Temporal É o tempo de retorno da plataforma no mesmo lugar; quanto maior este tempo, pior a resolução temporal.
A aquisição de imagens de resolução espacial muito fina significa geralmente um tempo de retorno mais longo.
Resolução Espectral É a largura das bandas espectrais nas quais as imagens são adquiridas;
quanto menor a banda espectral, melhor a resolução.
8 bits 4 bits 2 bits 1 bit
Resolução Radiométrica é dada pelo número de valores digitais representando níveis de cinza usados para expressar os dados coletados pelo sensor.
Quanto maior o número de valores, maior é a resolução radiométrica => mais detalhes dos alvos.
O número de níveis de cinza é comumente expresso em função do número de
dígitos
binários (bits) necessários para armazenar, em forma digital, o valor do nível
máximo.
O valor em bits é sempre uma potência de 2. Assim, 5 bits significam (2)5= 32
níveis de cinza.
SEVIRI/Meteosat Second Generation (MSG)
INFORMAÇÕES FÍSICAS DOS
CANAIS ESPECTRAIS
A partir dessas características
pode-se obter vários resultados
(produtos) por satélites.
Refletâncias típicas
A determinação da natureza dos alvos pelos métodos de sensoriamento remoto é baseada no fato de que:
“Diferentes materiais são caracterizados por reflectâncias (ou radiâncias) distintas em cada banda do espectro eletromagnético”.
Conhecendo as respostas espectrais de vários materiais, as propriedades de alvos desconhecidos podem ser determinadas pela comparação das respostas espectrais desses alvos com os dados de referência.
Princípios Físicos do Sensoriamento Remoto
Características espectrais
A informação é digital e multiespectral
N IMAGENS ESPECTRAIS
OBTIDAS SIMULTANEAMENTE
CADA ELEMENTO ESPACIAL TEM
UM ESPECTRO CONTINUO
CARACTERÍSTICO UTILIZADO
PARA ANALISAR A SUPERFICIE E A
ATMOSFERA
ATMÓSFERA
SUELO
AGUA
VEGETACIÓN
SOLO
VEGETAÇÃO
Fumaça, partículas grandes
Nuvem Zona quente
Fumaça, partículas pequenas
Incêndio
Sombra
Pastura Lago
Solo
Informação espectral do AVIRIS (224 canais
no espectro solar)
para una cena que contém solo, água,
nuvens, fumaça e fogo
Imagem AVIRIS: Linden, CA 20 ago. 1992
224 bandas espectrais: 0,4 a 2,5 m
Píxel: 20 x 20 m Cena: 10 x 10 km Assinaturas espectrais de píxels seletos
Re
fleta
nc
ia a
pa
ren
te
Comprimento de onda (nm)
Nuvens e a radiação eletromagnética
disponível no sistema Terra/Sol
O pico de emissão de REM do Sol está localizado em torno de 0.65
μm enquanto que a Terra, dada sua temperatura termodinâmica, emite
em máxima intensidade em aproximadamente 11 μm.
solsol
Fator de refletância (ou albedo): F = L / S
Irradiância incidente no topo: S . cosZo
Irradiância emergente no topo: E = f L
Refletância da Terra: R = f F / cosZo
Canais no espectro solar: refletem
radiação
Ângulo
zenital
Zo
S L
Uma porção é absorvida pelas gotículas e
cristais de gelo e outra é transmitida para
alvos abaixo da nuvem (superfícies ou outras
nuvens.
O efeito desses processos é resfriamento
radiativo devido albedo das nuvens
Efeito mais intenso em 3.9 μm
Quando o ângulo zenital solar atinge certos
limiares, o espalhamento p/ frente (Mie) da
radiação visível pelos aerossóis permite
identificar névoa seca e fumaça
Esquema geral em “ondas
curtas” (radiação solar) Esquema geral em “onda longa”
(radiação térmica”)
As nuvens atuam absorvendo grande parte da energia emitida pela superfície
terrestre e nuvens em camadas inferiores.
O espalhamento existe, mas é desprezível (exceto em microondas)
São responsáveis pelo aquecimento devido ao “efeito estufa”.
Ex. Se a atmosfera não existisse, a temperatura da superfície terrestre oscilaria entre
XX e YY ºC
Canais no espectro Terrestre: emitem radiação
Ch1 - 0,6 μm VIS brilhante em nuvens
Ch2 - 0,8 μm NIR brilhante em vegetais
Ch3 – 1,6 μm NIR brilhante em solo nu
Canais MSG no espectro solar resolução 3 km no nadir
Composição chs 3+2+1 R: 1,6 μm - G: 0,8 μm - B: 0,6 μm
Ch4 – 3,9 μm Emite térmico,
reflete solar
dia
noite
Ch5 – WV 6.2 μm
vapor d’água Ch6 – WV 7.3 μm Vapor d’água
Ch7 – WV 8.7 μm janela, cirrus
Ch8 – WV 9.7 μm ozônio
Ch9 – WV 10.8 μm janela
Ch10 – WV 12 μm correção Ts p/ ch9
Ch11 – WV 13.4 μm cirrus
Ch12 – HRV VIS resolução 1 km
Canais infravermelho termal do MSG-SEVIRI – 20031031 1130Z
Mapa, estación Terra/Aqua e imagem
16:50 18:30
Imagens MODIS (RBG com os canais 1,3,4)
Duas passagens sucessivas do dia
3 outubro 2007.
Sobre o Brasil central observa-se a
turbidez produzida por fumaça de
quemadas.
Resolução: 250 e 500 m no
espectro solar; 1 km no térmico
Frequência: 2 passagens Terra e 2
Aqua por dia.
36 canais
O sensor MODIS concentra em si a
capacidade espectral de observação
do Landsat, do AVHRR e do ATOVS
(incluindo GOES e MSG)
http://modis.gsfc.nasa.gov/
Estação INPE para recepção
de AQUA e TERRA.
Mosaico NOAA-18 IR
RECONHECIMENTO DE ALVOS:
CLASSIFICAÇÃO DE IMAGENS
GOES 13 canal VIS
• Nuvens com grande desenvolvimento vertical, brilhantes
• Nuvens cirrus com pouca espessura têm baixa refletância
(não são brilhantes)
• Níveis baixos (nuvens, superfície) têm boa definição
• A resolução de 1 km permite perceber textura espacial
Fatores importantes:
- Ângulo de incidência da radiação solar (nuvens não são
superfícies isotrópicas nessa porção do espectroEM)
- Sun glint
GOES 13 IR – 10.7 (janela atm)
Nuvens com grande desenvolvimento vertical, brilhantes
• Nuvens cirrus absorvem IV de níveis inferiores, e emitem com sua
temperatura: tendem a ser opacas e brilhantes
• Níveis baixos (nuvens, superfície) não têm boa definição
• neve e nuvem não são discerníveis
GOES 13 canal WV – 6.2 (vapor d’água)
• Nuvens em níveis baixos e a superfície não são visíveis
(sinal absorvido pelo vapor)
• É visível a distribuição de vapor em níveis superiores (mais
frios)
• Nuvens com grande desenvolvimento vertical são visíveis e
brilhantes
Realce (fatiamento) de
acordo com limiares de Tb
Realce (fatiamento) de
acordo com limiares de Tb
Análise multiespectral das nuvens
Imagem composta GOES Imager:
uso dos canais VIS e IV
Imagem RGB
Associação de R e B com o canal
termal: relação decrescente desde
quente
Tmax → R= Rmax, B = Bmin
até frio
Tmin → R= Rmin, B= Bmax
Associação de G com o canal visível
(refletância Ref):
Ref = Refmin → G= Gmin
Ref = refmax → G= Gmax
As cores resultantes classificam objetivamente
Nuvens “quentes” e brilhantes → R+G = amareladas
Cirrus frios não brilhantes → B = azuladas
Cb frios e brilhantes: G+B → magenta
Superfície quente e escura: R → avermelhada
Um outro
exemplo de
imagem
composta
Neste caso, as
cores foram
mais
planejadas
(observe-se o
continente e o
oceano, e a
melhor
definição de
nuvens)
20061113 15UTC
20 40 60 80%
200
240
260
280
300K
220
Cb
Ci
finos
Cu
humilis Cu
desenvolvidos
Ci
espessos
St
oce
an
o
terra
Escala bi-dimensional de definição de cores
** Cor (= 2 informações)
e mais a
** Textura (=2 informações)
definem razoavelmente a identidade das nuvens
Os processos radiativos variam p/ cada
tipo de hidrometeoro (partículas)?
Conhecer as propriedades radiativas das nuvens é essencial para entender e modelar
o clima
As propriedades radiativas das nuvens dependem fortemente da:
- Fase termodinâmica
- Partículas constituintes (água, cristais de gelo ou ambos)
A radiação eletromagnética interage diferentes mente com a água em seu estado líquido e sólido em diversas porções do espectro eletromagnético.
Tais diferenças contribuem para a resposta espectral das nuvens como um todo.
Além dessa componente microfísica, as propriedades macrofísicas também influenciam na forma como as nuvens interagem com a REM.
Processos radiativos Visível e Infravermelho próximo
A radiância refletida pelo topo das nuvens depende:
• Espessura da nuvem
• Concentração, densidade, tamanho, fase e formato da partículas.
Infravermelho térmico
Os sensores a bordo dos satélites medem a radiância emitida pelo topo das nuvens (p/ nuvens
oticamente espessas) mais a atmosfera acima de tais topos
Se desejamos deduzir alguma informação sobre a fase das partículas (água, gelo ou
mistura) temos que:
1) Selecionar uma região espectral em que a água e gelo possuam prorpiedades óticas
distinta
2) Minimizar a influência da microfísica das nuvens (concetração, tamanho e formato das
partículas) na radiação refletida
3) Evitar bandas de absorção (vapor ou outros gases atmosféricos como CO2 e O3)
“A emissividade de qualquer material está relacionada à parte imaginária do seu
índice de refração.”
Emissividade varia de acordo com o
tamanho, forma e fase das partículas.
Logo isso pode ser explorado para
classificação de nuvens utilizando
combinação entre canais
Strabala 1994
(técnica tri-spectral
8-11 vs 11-12 μm)
SEVIRI chnnels used
Cloud phase detection by channel combination
Hypothesis: Imaginary part of the refraction index for liquid water and ice are
different at some wavelengths of the IR spectrum
SEVIRI BTD Used for BTD physical meaning
6.7–10.8 µm Cloud top relative to tropopause;
overshoting clouds
BTD > 0 K : overshooting ( but > -2 K for tracking purposes)
-14 K < BTD ≤ -2 K : higher cloud tops BTD ≤ 14 K : not too high cloud top
8.7–10.8 µm Cloud classification:
water; ice; mix phase
BTD ≤-1 K : water clouds -1 < BTD ≤ 0.5 K : mix phase cloud
BTD > 0.5 K : ice cloud
10.8–12.0 µm
Cirrus detection and classification
(thin/thick)
BTD > 5 K : Thin Cirrus (Strabala et al., 1994).
1 ≤ BTD < 4 K: Thick Cirrus BTD < 0 K Sensor noise for coldest
temperatures or volcanic ash (Povolonis et al., 2006)
Overshoting
Thin Cirrus
Water clouds
IR 10.8 6.2-10.8
10.8-12 8.7-10.8
Infravermelho próximo (3.9 μm)
Ideal para microfísica de nuvens
Ângulo
zenital
Zo
S L
O albedo simples é muito
importante, ligado à refletância do
elemento de volume.
Valores menores de implicam em
maior absorção.
1 incidente
(1- )dabsorvida
1- dtransmitida
d = fração atenuada
= albedo para espalhamento simples
single scattering albedo
.despalhada
Escala microscópica
Lei de Kirchhoff:
Em condições de equilíbrio termodinâmico,
a absortância de um corpo é também sua emissividade
a = → 1 – r =
Escala macroscópica
A
R+ E
menor→ absorção maior → emissão maior !!
Um canal especial: 3,9 m
• Tanto o espectro solar como o termal
terrestre incluem radiação em 3,9 m
• De dia, uma nuvem tem brilho por emitir
mas também por refletir radiação solar
• Uma queimada apresenta valores
incrementados de radiância neste canal 0% fogo 100% fogo
T3
.9 – T
11
Area de pixel queimada relaciona-se
com T3.9 – T11
Raio da partícula ( m)
Alb
ed
o s
imp
les
gelo -50 C
água
Nuvens de
água têm
maior
refletância
que nuvens
de gêlo,
mas…
Nuvens de gêlo têm
maior emissividade,
portanto maior Tb em
3.9 m … mas a
mesmo Tb em 11 m:
T11 – T3.9 < 0
= 3,9 m
Nevoeiro:
GOES noturno
Canais 2 e 4
Raio da partícula ( m)
Alb
ed
o s
imp
les
gelo -50 C
água
[parâmetro de Mie: M = 2 refetivo/ ]
Imagens noturnas podem ser criadas substraindo o
Tb(3.9 um) do Tb(10.7 um), e mostrando a diferença
numa escala adequada. Esta técnica se baseia no
princípio de que a emissividade de água líquida é tal
que e(3.9) < e(10.7).
Assim pode ser ilustrada a evolução de nevoeiro
noturno e estratos de níveis baixos. Ainda,
comparando com a Tb(10.7) nessa massa nebulosa
pode-se dizer se o topó de nuvem está abaixo de zero
grau, de forma que a nuvem estaria formada por gotas
super-resfriadas e ser um perigo para trasporte aéreo
ou marítimo.
Nuvem líquida,
temperatura topo
de -12 a -15 graus
Nuvem liquida sobre
oceano, topo entre
0 e 5 graus
Nevoeiro ou
estrato com
topo a 4 graus
Tb(3.9) realçada Tb(10.7) realçada
gelo
agua
Reflexão em 3.9 μm 3.9 (cima) e10.7 (baixo) durante a noite. Veja
que as Tb são próximas, com 3.9
apresentando ruído pta as Tbs mais frias.
Próximo ao nascer do Sol, 3.9 aparece um
pouco mais quente devido adição de
radiação solar refletida.
Cena com Sol pleno. Note que as Tbs são
muito distintas, em 3.9 (IR emitida + SW
solar refletida)
Sub-pixel
clouds
Veja que a imagem do canal 3.9 é mais detalhada que em 10.7.
Isso se deve em parte à difração da rad solar, que é < 3 em 3.9 além de 3.9 ser uma
canal janela mais “limpo”
Ainda, a região com massiva presença de cumulus é mais fria em 10.7 micrometers
devido ao efeito das nuvens sub-pixel.
Split Window 11-12 μm
é útil para Identificação de
Cirrus
Microondas
Microondas
Nuvens são “transparentes” para a radiação
na faixa do microondas (exceto bandas de
absorção H2O e O2)
Permite conhecer propriedades “internas”
das nuvens
Podemos classificar os canais do MW
em 3 classes:
Espalhamento (89 GHz – SW)
Emissão (baixa frequencia (ex. 37 GHz
- LW)
Sensores podem ser “passivos” ou
“ativos”
37 GHz é um canal em que a nuvens emitem REM
A radiação emergente no topo das nuvens é maior do que aquela emitida pela superfície
Now let’s look at how low-frequency channels or emission channels (37-GHz and lower) work. In this case, any
information coming from the surface is augmented by emission from liquid hydrometeors and cloud water. Over the
ocean, energy leaving the cloud is greater than the surface-based energy entering the base of the cloud from below.
Here is a 37-GHz image of the area we viewed in the infrared. Compared to the cold ocean background in blue, the
atmospheric emission signal from clouds and rain shows up distinctly. By comparison, land is warm and appears deep
red.
Over land, emissions from land at 37 GHz have about the same magnitude as emissions from precipitation, making it
more difficult to detect precipitation over land.
High frequency microwave scattering channels, such as 85 GHz, provide different information than lower-frequency
microwave or infrared channels. Upwelling energy comes from the surface, cloud water, and raindrops below the
freezing level. However, above the freezing level, the energy is attenuated due to scattering by precipitation-sized ice
particles. Thus, the net effect of these large ice particles is to depress brightness temperatures seen by the satellite.
Let's switch to the Aqua microwave imager AMSR-E, showing the 89-GHz image for the same area as we viewed with
GOES. We can see right through the cirrus we saw on the infrared image to precipitation signatures caused by ice
scattering. These blues and greens show frozen precipitation aloft, which will later fall and become rain. While infrared
sensors detect only cloud-top temperatures, using the high-frequency scattering channels allows us to observe
precipitation cell signatures directly.
MW estimativa precipitação Precipitation retrievals are more complex than TPW and CLW because they involve satellite
measurements of clouds containing both water droplets and ice particles. Here is a raw, 89-GHz
AMSR-E image off the northeast coast of the United States. The orange and especially the blue
areas offshore mark precipitation associated with a convective frontal system. Data like these are
the building blocks of precipitation products.
The corresponding GOES infrared image shows a more familiar depiction of convective cells along the
frontal system
Fim