Teledetekcja mikrofalowa aktywna skaterometria

1. Teledetekcja mikrofalowa aktywnaskaterometria Adam Krężel Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański

2. Idea • Przy małych kątach transmisji wiązki występuje silne, zazwyczaj niepożądane echo od nierówności terenu w tym także fal na powierzchni morza • Wielkość tego echa zależy od prędkości wiatru • Rejestracja promieniowania radarowego rozproszonego od np. sfalowanej powierzchni morza aby na podstawie takich danych określać prędkość i być może kierunek wiatru. • Urządzenia rejestrujące - skaterometr (ang. scatterometer). Zastosowanie technik satelitarnych

3. Idea • Pojęcie skaterometrii odnosi się do pomiarów przy użyciu radaru mikrofalowego rejestrującego stosunkowo długotrwający sygnał odbity od obszaru morza o dużej powierzchni. • Wielkość amplitudy tego sygnału jest traktowana jako odpowiadająca określonej "szorstkości" powierzchni i na drodze empirycznej wiązana z wiatrem lub falowaniem jako przyczynami tej szorstkości. Zastosowanie technik satelitarnych

4. Warunek Bragga • Rozproszenie wsteczne (w kierunku źródła) fali radarowej padającej na niegładką powierzchnię morza pod kątem większym niż 20° ma miejsce kiedy spełniony zostaje warunek Bragga: • Rozpraszanie Bragga pierwszego rzędu (n=1) dla częstotliwości mikrofalowych następuje na drobnych falkach (tzw. kapilarnych) generowanych przez tarcie wiatru o powierzchnię wody (rys). Poziom rozpraszania wstecznego pochodzącego od oddalonego obiektu (powierzchni morza) określa się terminem NRCS (ang. normalized radar cross-section) lub w skrócie σ0. Można go wyrazić w postaci:

5. Dwuznaczność (ambiguity) • Analiza danych skaterometru pokazała, że σ0 rośnie z prędkością wiatru, maleje ze wzrostem kąta padania wiązki radarowej i zależy również od kierunku padania wiązki w stosunku do kierunku wiatru. • Rysunek przedstawia przebieg zmienności σ0 w zależności od prędkości wiatru i jego kierunku w stosunku do kąta padania wiązki radarowej o częstotliwości 5.3 GHz (pasmo C), odbieranej przez antenę o polaryzacji pionowej i przy kącie padania tej wiązki równym 35° • Ostatecznie zależność pomiędzy σ0i prędkością wiatru ustala się na drodze empirycznej. Zastosowanie technik satelitarnych

6. AMI Np. zależność pomiędzy σ0 i prędkością wiatru dla AMI (ang. advanced microwave instrument) pracującego na pokładzie satelity europejskiego ERS-1 ma postać: gdzie: a0 , a1, a2, γ - współczynniki empiryczne zależne od kąta padania wiązki, φ - kąt między kierunkiem fali i kierunkiem wiązki radarowej, U10 - prędkość wiatru 10 m nad powierzchnią morza. Zastosowanie technik satelitarnych

7. SASS Obserwacje zależności charakterystyk promieniowania mikrofalowego rozpraszanego przez sfalowaną powierzchnię morza od prędkości i kierunku wiatru generującego falowanie pokazały, że najbardziej optymalne warunki pomiaru uzyskuje się przy częstotliwości ok. 14 GHz i obserwacji pod kątem ok. 40°. Zostało to wykorzystane w konstrukcji skaterometrów satelitarnych. Pierwsze tego typu urządzenie testowane było w misji SKYLAB'a w 1973 r., a zdobyte tam doświadczenia wykorzystano w urządzeniu SASS (Seasat-A Satellite Scatterometer), którego kilkudziesięciodniowe pomiary w 1978 roku z pokładu Seasat'a były do momentu uruchomienia satelity ERS-1 jedynymi tego typu Zastosowanie technik satelitarnych

8. SASS SASS był urządzeniem radarowym pracującym na częstotliwości 14.6 GHz. Wyposażony był w 4 anteny emitujące promieniowanie w kształcie wachlarzowatych wiązek parami pod kątem 45° (w przód od kierunku lotu) i 135° (wstecz). Wiązka o wymiarach 0.5° na 25° umożliwiała uzyskanie echa z dwóch ścieżek o szerokości 475 km. Dodatkowo skanowana była wąska (140 km) ścieżka prostopadle pod satelitą (w nadirze). Każdy fragment morza próbkowany był dwa razy, przed satelitą (pierwsza para anten) i za nim (druga para anten). Zastosowanie technik satelitarnych

9. SASS 12 filtrów dopplerowskich dzieliło sygnał docierający do każdej anteny na dwanaście części odpowiadających "komórkom" o wymiarach ok. 50-70×16-20 km. Po uwzględnieniu jeszcze szeregu nie wymienionych tutaj poprawek otrzymywano 2 "obrazy" każdej komórki w odstępie od 1 do 3 min i kątach obserwacji różniących się od siebie o 90° Zastosowanie technik satelitarnych

10. Zastosowanie technik satelitarnych

11. SASS Zastosowanie technik satelitarnych

12. ERS-1 Skaterometr pracujący na satelitach europejskich ERS-1 i ERS-2 różnił się od SASS tym, że posiadał tylko 3 anteny rejestrujące rozpraszanie Bragga tylko po jednej stronie trasy przelotu satelity. Ustawione były one pod kątem 45° w przód i w tył oraz 90° względem trasy przelotu. Umożliwiało to skanowanie pasa o 500 km szerokości, 250 km na prawo od kierunku ruchu satelity. Filtry dopplerowskie umożliwiały podział skanowanego “pasa” na 19 komórek o szerokości 25 km każda. Zastosowanie technik satelitarnych

13. Geometria anten • SASS (SEASAT) – A • NSCAT (ADEOS-1) – B • SeaWinds (QuikSCAT) – C • SCAT (ERS 1 i 2) – D • ASCAT (Metop) – E

14. ERS-1

15. ERS-1 Zastosowanie technik satelitarnych

16. Metop - ASCAT • ASCAT (advanced scatterometer) na satelicie Metop (umieszczony na orbicie w październiku 2006 r.) – następca skaterometrów pracujących na pokładzie satelitów ERS-1i ERS-2 • ASCAT – radar o antenie rzeczywistej pracujący w paśmie C (5.255 Ghz ~5 cm) o wysokiej rozdzielczości i stabilności. Kierunek wiązek radarowych, częstotliwość i polaryzacja (VV) są identyczne jak w przypadku ERSów. Rozdzielczość przestrzenna (25 km) jest także taka sama jednak prędkość i kierunek wiatru będą mogły być określane w siatce co 12.5 km. • ASCAT posiada antenę mikrofalową dedykowaną dla siebie, a nie dzieloną z SARem jak to było w przypadku ERSów i podwójną ścieżkę skanowania o szerokości 550 km co daje pokrycie niemal trzykrotnie większe niż w przypadku ERSów. Podwójna ścieżka jest skanowana przez 6 anten, po trzy z każdej strony. W celu poprawienia możliwości określania kierunku wiatru kąty “spojrzenia” anten zwiększono w przypadku środkowych z 25° do 54.5°, a pozostałych z 33.7° do 65.3°. • Umożliwia uzyskanie w trybie operacyjnym informacji o prędkości wiatru w przedziale 4-24 m/s z dokładnością do 2 m/s i kierunku wiatru z dokładnością do 20° przy rozdzielczości 50 km.

17. ADEOS - NSCAT • Podobne urządzenie – NSCAT konstrukcji amerykańskiej zostało umieszczone na japońskim satelicie ADEOS i rozpoczęło pracę w sierpniu 1996 r. Umożliwiało pomiar prędkości wiatru w przedziale 3 - 20 m/s z dokładnością do 2 m/s i dokładnością określania kierunku wiatru 20°. Szerokość ścieżki 1800 km pozwalała na skanowanie 90% powierzchni Ziemi w ciągu doby z rozdzielczością 50 km (wektor wiatru co 50 km). Anteny i baterie słoneczne miały imponujące rozmiary: odpowiednio 11 i 29 m. Przez 9 miesięcy NSCAT „produkował” 268000 wektorów wiatru przywodnego w ciągu doby. Przetwarzanie informacji od surowego sygnału trwało ok. 2 tygodnie. Niestety, na skutek awarii zasilania ADEOS zaprzestał pracy w maju 1997. • Podobny los spotkał skaterometr na satelicie ADEOS 2 (z wirującą anteną) pracujący w paśmie Ku - 13.995 GHz • Dane uzyskiwane dzięki NSCATom okazały się na tyle interesujące, że po ich awarii w trybie wyjątkowym uruchomiono kolejną misję skaterometryczną już w 1999 r. Zastosowanie technik satelitarnych

18. QuikSCAT • 19.06.1999 r. został umieszczony na orbicie heliosynchronicznej (wys. 803 km, nachylenie 98.6°) satelita amerykański QuikSCAT ze skaterometrem na pokładzie o parametrach bardzo zbliżonych do NSCATa • Przy dwukrotnie lepszej rozdzielczości (25 km) QuikSCAT produkuje ok. 400000 wektorów wiatru na dobę. Dane te są udostępniane w trybie operacyjnym w ciągu 3 godzin po zarejestrowaniu Zastosowanie technik satelitarnych

19. QuikSCAT - pomiary • Ścieżka o szerokości 1800 km zapewnia dziennie 90% pokrycia oceanu światowego • Prędkość wiatru mierzona jest w zakresie od 3 do 20 m/s, z dokładnością 2 m/s; kierunek wiatru – z dokładnością 2º • Rozdzielczość przestrzenna – 25 kilometrów Zastosowanie technik satelitarnych

20. Oceansat 2 Oceansat-2– satelita indyjski dedykowany do monitorowania „koloru morza” i wiatru przywodnego. Wyposażony w Ocean Colour Monitor (OCM)oraz skaterometr. Podstawowym zadaniem jest monitorowanie prędkości i kierunku wiatru obserwacje koncentracji chlorofilu, zakwitów fitoplanktonu i zawiesiny, a także aerozoli atmosferycznych.[1] Zastosowanie technik satelitarnych

21. Pole wiatru Pokrycie kuli ziemskiej siecią stacji pomiaru kierunku i prędkości wiatru (a) Stacje meteorologiczne(SYNOPS) (b) Stacje wykorzystujące balony do profilowania atmosfery (c) Obserwacje samolotowe

22. Pole wiatru - QuikSCAT Satelita QuikScat: aktualizacja 2 razy na dobę http://manati.star.nesdis.noaa.gov/datasets/QuikSCATData.php Zastosowanie technik satelitarnych

23. Pole wiatru - QuikSCAT Zastosowanie technik satelitarnych

24. Pole wiatruOceansat-2 Winds http://manati.star.nesdis.noaa.gov/datasets/OSCATData.php

25. Pole wiatruMETOP A i B - ASCAT http://manati.star.nesdis.noaa.gov/datasets/ASCATBData.php

26. OSI SAF ASCAT-B Coastal descending

28. Pole wiatru Tajfun Ivan

31. Pole wiatru • Prognozowanie pogody • Monitoring sztormów • identyfikacja, kierunek rozwoju, struktura i siła • w samych tylko Stanach Zjednoczonych sztormy w XX wieku spowodowały śmierć blisko 20 000 osób • Wspomaganie wyboru tras statków handlowych • Wspomaganie rozwoju przemysłu naftowego • Minimalizacja efektów rozlewów olejowych • Produkcja żywności • np. zbiory krewetek u wybrzeży Zatoki Meksykańskiej silnie zależą od siły i kierunku wiatru w strefie brzegowej Zastosowanie technik satelitarnych

32. Zjawiska lodowe http://manati.wwb.noaa.gov/cgi-bin/qscat_ice.pl

35. Dryf lodu morskiego

36. Rodzaj lodu • Wykorzystane dane: • SSM/I (DMSP F15), • ASCAT (Metop-A), • ECMWF do korekcji atmosferycznej http://osisaf.met.no/p/ice/

37. Skaterometry satelitarne Zastosowanie technik satelitarnych