Rys. 1. Przykładowa mapa SST utworzona na podstawie danych AVHRR

Temperatura powierzchni morza określana na podstawie danych AVHRR

Temperatura powierzchni morza [°C] (SST, od ang. sea surface temperature) wyznaczona na podstawie satelitarnej teledetekcji promieniowania w podczerwieni za pomocą radiometru AVHRR/3 (dalej AVHRR), w obszarach wolnych od chmur i lodu (reprezentatywna dla powierzchni 1 km²).

Czujnik AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) to szerokopasmowy radiometr posiadający 5 kanałów spektralnych w zakresie widzialnym i podczerwonym. Jest on zainstalowany na satelitach serii TirosN/NOAA i METOP, umieszonych na orbitach okołopolarnych, heliosynchronicznych na wysokości ok. 850 km.

Dane czujnika AVHRR pozyskiwane są w trybie operacyjnym z satelitów NOAA-19, METOP-B oraz METOP-A za pomocą systemu EUMETCAST w formacie HRPT/AHRPT (Level 0), w trybie NRT (opóźnienie do 3,5 h od rejestracji). Baza danych SatBałtyk zawiera ponadto archiwalne sceny (satelity NOAA-15, -17, -18, -19) rejestrowane za pomocą stacji HRPT Uniwersytetu Gdańskiego (w latach 2010-2012), a także pozyskane z archiwum EUMETSAT.

Rozdzielczość przestrzenna danych AVHRR w nadirze wynosi ok. 1 km i zmniejsza się w kierunku obu skrajów ścieżki, która obejmuje pas o szerokości ok. 2500 km. Szerokość tego pasa jest na tyle duża, że Bałtyk lub jego znaczna część znajduje się w „polu widzenia” czujnika podczas dwóch kolejnych przelotów (w odstępie ok. 100 min), a sytuacja taka powtarza się dwa razy na dobę (w godzinach pomiędzy 00:00-04:00 i 10:00-14:00 dla satelity NOAA–19 oraz 08:00-11:00 i 10:00-13:00 dla satelitów METOP–A i –B).

Na podstawie danych satelitarnych wyznaczana jest temperatura radiacyjna odnosząca się do bardzo cienkiej warstwy przypowierzchniowej (grubość ok. 10 µm). Temperatura powierzchni morza wyznaczana jest następnie na podstawie półempirycznej formuły, której współczynniki kalibrowane są względem pomiarów in situ reprezentatywnych dla warstwy o głębokości ok. 1 m (National Data Buoy Center, 2002).

Metodyka wyznaczania temperatury powierzchniowej morza

Procedura przetwarzania danych AVHRR do postaci map temperatury powierzchni morza obejmuje kilka ważnych etapów:

1. Kalibrację sygnału rejestrowanego w poszczególnych kanałach spektralnych za pomocą standardowych procedur NOAA, z wykorzystaniem pakietu AAPP
2. Korekcję geometryczną za pomocą algorytmu automatycznej korekcji i dowiązania ASDIK (Kowalewski & Krężel, 2003).
3. Detekcję obszarów, w których nie jest możliwe obliczenie temperatury powierzchni morza, tj. zasłoniętych chmurami lub pokrytych lodem, a także pikseli, dla których w wyniku problemów technicznych urządzenia lub transmisji zarejestrowane wartości są błędne. Pikselom w tych obszarach przypisywany jest kod „braku danych”. Na tym etapie wykorzystywany jest m.in. algorytm detekcji zachmurzenia MAIA3 oraz inne filtry. Mapy, dla których „brak danych” obejmuje ponad 90% obszaru Bałtyku uznaje się za zbyt niskiej jakości i nie są dalej przetwarzane.
4. Obliczenie wartości temperatury powierzchni morza za pomocą nieliniowej formuły NLSST (Woźniak i in. 2008) na podstawie temperatury radiacyjnej określonej w etapie (1) dla kanału 4 i 5 radiometru AVHRR. W równaniu NLSST uwzględnia się współczynniki empirycznie wyznaczone dla poszczególnych satelitów, różne dla okresu dnia (kąt zenitalny Słońca < 80°) i nocy (kąt zenitalny Słońca > 90°). Dla warunków przejściowych (brzask/zmierzch) wartość temperatury obliczana jest jako średnia ważona obu wersji algorytmu z wagą zależną od lokalnie obliczonego kąta zenitalnego Słońca.
5. Przepróbkowanie danych (metodą najbliższego sąsiada) do ustalonej siatki o rozdzielczości 1 km.

Więcej informacji o algorytmie przetwarzania danych satelitarnych AVHRR znaleźć można na stronie Zakładu Oceanografii Fizycznej IO UG: SST-AVHRR.

Rys. 2. Porównanie wartości temperatury obliczanej na podstawie danych AVHRR i mierzonej in situ.

Walidacja (ocena dokładności)

Dokładność prezentowanych map temperatury charakteryzowana jest na podstawie analizy różnic pomiędzy wartościami temperatury zmierzonymi in situ a wartościami uzyskanymi na podstawie danych satelitarnych. Do porównań brane są pod uwagę dane in situ zmierzone w odstępie nie większym niż ±3 h od czasu rejestracji sceny w obrębie analizowanego piksela. Do oceny wykorzystano dane pochodzące z rejsów badawczych IO PAN, bazy danych ICES oraz autonomicznych boi pomiarowych systemu BOOS.

Błąd statystyczny, wyrażony jako odchylenie standardowe tych różnic, oszacowano na 0,9°C. Błąd systematyczny (średnia różnica) wynosi 0,1°C.

Najczęstszym źródłem błędów niedoszacowania temperatury powierzchni morza na podstawie danych satelitarnych jest niedokładna identyfikacja chmur. Przeszacowanie temperatury powierzchni morza możliwe jest natomiast w warunkach nadmiernego nagrzewania mikrowarstwy powierzchniowej morza w stosunku do warstw głębszych (lokalne warunki powodujące odstępstwa od zakładanej w równaniu NLSST statystycznej zależności temperatury radiacyjnej i SST).

Interesujące zjawiska widoczne na mapach temperatury wyznaczanych z poziomu satelitarnego

Wiele procesów zachodzących w morzu wpływa na rozkład temperatury w toni wodnej. Te, które powodują zróżnicowanie temperatury warstwy przypowierzchniowej mogą być identyfikowane z poziomu satelitarnego. Rozdzielczość przestrzenna danych AVHRR pozwala na identyfikację w Bałtyku takich zjawisk jak m.in. upwelling przybrzeżny, wiry, rozpływ wód wnoszonych rzekami, fronty termiczne. Więcej o tych zjawiskach na stronie Temperatura powierzchni morza

Odnośnik do parametru w Systemie SatBałtyk:

Temperatura powierzchni morza (AVHRR) (dla zalogowanych użytkowników)

Bibliografia

National Data Buoy Center, 2002, AVHRR Sea Surface Temperature Products.

Kowalewski M., Krężel A., 2003, System automatycznego dowiązania geograficznego i korekcji geometrycznej danych AVHRR, Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, Vol. 13 B, 397-407.

Woźniak B., Krężel A., Darecki M., Woźniak S.B., Majchrowski R., Ostrowska M., Kozłowski Ł, Ficek D., Olszewski J., Dera J., 2008, Algorithm for the remote sensing of the Baltic ecosystem (DESAMBEM). Part 1: Mathematical apparatus, Oceanologia, 50(4), pp. 451-508.