stringtranslate.com

Спутниковое измерение температуры

Спутниковые измерения температуры являются выводами о температуре атмосферы на различных высотах , а также о температуре морской и земной поверхности, полученными с помощью радиометрических измерений со спутников . Эти измерения могут быть использованы для определения местоположения погодных фронтов , мониторинга Эль-Ниньо-Южного колебания , определения силы тропических циклонов , изучения городских островов тепла и мониторинга глобального климата. Лесные пожары , вулканы и промышленные горячие точки также можно обнаружить с помощью тепловизионных изображений с метеорологических спутников.

Метеоспутники не измеряют температуру напрямую. Они измеряют излучение в различных диапазонах длин волн . С 1978 года микроволновые зондирующие установки (MSU) на полярно-орбитальных спутниках Национального управления океанических и атмосферных исследований измеряли интенсивность восходящего микроволнового излучения от атмосферного кислорода , которое связано с температурой широких вертикальных слоев атмосферы. Измерения инфракрасного излучения, относящиеся к температуре поверхности моря, собираются с 1967 года.

Спутниковые данные показывают, что за последние четыре десятилетия тропосфера потеплела, а стратосфера охладилась. Обе эти тенденции согласуются с влиянием увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере .

Принципы

Спутники измеряют излучение в различных диапазонах длин волн, которые затем должны быть математически инвертированы для получения косвенных выводов о температуре. [1] [2] Полученные профили температуры зависят от деталей методов, которые используются для получения температур из излучения. В результате разные группы, которые анализировали спутниковые данные, создали разные наборы данных о температуре.

Временной ряд спутников неоднороден. Он составлен из ряда спутников с похожими, но не идентичными датчиками. Датчики также со временем ухудшаются, и необходимы поправки на орбитальный дрейф и распад. [3] [4] [5] Особенно большие различия между реконструированными рядами температур возникают в те немногие моменты, когда между последовательными спутниками наблюдается небольшое временное перекрытие, что затрудняет взаимную калибровку. [ необходима цитата ] [6]

Инфракрасные измерения

Поверхностные измерения

Инфракрасное излучение можно использовать для измерения как температуры поверхности (используя длины волн «окна», для которых атмосфера прозрачна), так и температуры атмосферы (используя длины волн, для которых атмосфера непрозрачна, или измеряя температуру верхней границы облаков в инфракрасных окнах).

Спутники, используемые для получения температур поверхности посредством измерения теплового инфракрасного излучения, в целом требуют безоблачных условий. Некоторые из инструментов включают Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR), Along Track Scanning Radiometers (AASTR), Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS), Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) и ACE Fourier Transform Spectrometer (ACE‐FTS) на канадском спутнике SCISAT-1 . [9]

Метеорологические спутники были доступны для получения информации о температуре поверхности моря (SST) с 1967 года, а первые глобальные композиты появились в 1970 году. [10] С 1982 года [11] спутники все чаще использовались для измерения SST и позволили более полно рассмотреть его пространственные и временные изменения. Например, изменения SST, отслеживаемые через спутник, использовались для документирования прогрессии Эль-Ниньо-Южного колебания с 1970-х годов. [12]

На суше извлечение температуры из сияний сложнее из-за неоднородностей на поверхности. [13] Исследования были проведены по эффекту городского острова тепла с помощью спутниковых снимков. [14] Используя фрактальную технику, Вэн, К. и др. охарактеризовали пространственную структуру городского острова тепла. [15] Использование современных инфракрасных спутниковых снимков с очень высоким разрешением может быть использовано при отсутствии облачности для обнаружения неоднородностей плотности ( погодных фронтов ), таких как холодные фронты на уровне земли. [16] Используя технику Дворжака , инфракрасные спутниковые снимки могут быть использованы для определения разницы температур между глазом и температурой верхней части облаков центральной плотной облачности зрелых тропических циклонов для оценки их максимальных устойчивых ветров и их минимального центрального давления . [17]

Радиометры сканирования вдоль траектории на борту метеорологических спутников способны обнаруживать лесные пожары, которые проявляются ночью в виде пикселей с температурой выше 308 К (35 °C; 95 °F). [18] Спектрорадиометр для визуализации со средним разрешением на борту спутника Terra может обнаруживать термические горячие точки, связанные с лесными пожарами, вулканами и промышленными горячими точками. [19]

Атмосферный инфракрасный зонд на спутнике Aqua , запущенном в 2002 году, использует инфракрасное обнаружение для измерения температуры вблизи поверхности. [20]

Измерения в стратосфере

Измерения температуры стратосферы производятся с помощью приборов Stratospheric Sounding Unit (SSU), которые представляют собой трехканальные инфракрасные (ИК) радиометры. [21] Поскольку они измеряют инфракрасное излучение углекислого газа, непрозрачность атмосферы выше, и, следовательно, температура измеряется на большей высоте (стратосфере), чем при микроволновых измерениях.

С 1979 года стратосферные зондирующие устройства (SSU) на рабочих спутниках NOAA предоставляют данные о температуре около глобальной стратосферы над нижней стратосферой. SSU — это дальний инфракрасный спектрометр, использующий метод модуляции давления для проведения измерений в трех каналах в полосе поглощения углекислого газа 15 мкм. Три канала используют одну и ту же частоту, но разное давление ячейки углекислого газа, соответствующие пики весовых функций составляют 29 км для канала 1, 37 км для канала 2 и 45 км для канала 3. [22] [ необходимо разъяснение ]

Процесс выведения тенденций из измерений SSU оказался особенно сложным из-за дрейфа спутников, интеркалибровки между различными спутниками со скудным перекрытием и утечек газа в ячейках давления углекислого газа прибора. Кроме того, поскольку яркость, измеренная SSU, обусловлена ​​выбросами углекислого газа, весовые функции перемещаются на большие высоты по мере увеличения концентрации углекислого газа в стратосфере. Температура в средней и верхней стратосфере показывает сильную отрицательную тенденцию, перемежаемую кратковременным вулканическим потеплением после взрывных вулканических извержений Эль-Чичона и горы Пинатубо , с 1995 года наблюдалась небольшая температурная тенденция. Наибольшее охлаждение произошло в тропической стратосфере в соответствии с усиленной циркуляцией Брюэра-Добсона при увеличении концентрации парниковых газов. [23] [ необходим непервичный источник ]

Более низкое охлаждение стратосферы в основном вызвано эффектами истощения озонового слоя с возможным вкладом в увеличение стратосферного водяного пара и парниковых газов. [24] [25] Наблюдалось снижение стратосферных температур, перемежаемое потеплениями, связанными с вулканическими извержениями. Теория глобального потепления предполагает, что стратосфера должна охлаждаться, в то время как тропосфера нагревается. [26]

Тенденция изменения температуры в верхней части стратосферы (ВС) за 1979–2006 гг.

Долгосрочное похолодание в нижней стратосфере произошло в два этапа понижения температуры, оба из которых произошли после кратковременного потепления, связанного с взрывными извержениями вулканов Эль-Чичон и Пинатубо . Такое поведение глобальной стратосферной температуры объясняется глобальным изменением концентрации озона в течение двух лет после вулканических извержений. [27]

С 1996 года тенденция слегка положительная [28] из-за восстановления озонового слоя в сочетании с тенденцией к охлаждению на 0,1 К/десятилетие, что согласуется с прогнозируемым воздействием увеличения выбросов парниковых газов. [27]

В таблице ниже показана тенденция изменения температуры в стратосфере по данным измерений SSU в трех различных диапазонах, где отрицательная тенденция указывает на похолодание.

Микроволновые (тропосферные и стратосферные) измерения

Измерения с помощью микроволнового зондирующего устройства (MSU)

Весовые функции MSU основаны на стандартной атмосфере США .

С 1979 по 2005 годы микроволновые зондирующие установки (MSU), а с 1998 года усовершенствованные микроволновые зондирующие установки на полярных орбитальных метеорологических спутниках NOAA измеряли интенсивность восходящего микроволнового излучения от атмосферного кислорода . Интенсивность пропорциональна температуре широких вертикальных слоев атмосферы . Восходящее излучение измеряется на разных частотах; эти разные частотные диапазоны охватывают различный взвешенный диапазон атмосферы. [30]

На рисунке 3 (справа) показаны уровни атмосферы, полученные с помощью различных реконструкций длин волн на основе спутниковых измерений, где TLS, TTS и TTT представляют три различные длины волн.

Другие микроволновые измерения

Другая технология используется космическим аппаратом Aura , микроволновым лимбовым зондом , который измеряет микроволновое излучение горизонтально, а не нацеливается на надир. [9]

Измерения температуры также производятся с помощью радиозатмения GPS . [31] Этот метод измеряет рефракцию радиоволн , передаваемых спутниками GPS , при их распространении в атмосфере Земли, что позволяет измерять вертикальные профили температуры и влажности.

Измерения температуры на других планетах

Планетарные научные миссии также проводят измерения температуры на других планетах и ​​лунах Солнечной системы, используя как инфракрасные методы (типичные для орбитальных и пролетных миссий планет с твердыми поверхностями), так и микроволновые методы (чаще используемые для планет с атмосферой). Инфракрасные приборы измерения температуры, используемые в планетарных миссиях, включают измерения температуры поверхности, выполненные прибором Thermal Emission Spectrometer (TES) на Mars Global Surveyor и прибором Diviner на Lunar Reconnaissance Orbiter ; [32] и измерения температуры атмосферы, выполненные составным инфракрасным спектрометром на космическом аппарате NASA Cassini . [33]

Микроволновые приборы для измерения температуры атмосферы включают микроволновый радиометр, установленный на борту аппарата «Юнона» в миссии к Юпитеру.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Национальный исследовательский совет (США). Комитет по исследованиям Земли (2000). "Атмосферные зондирования". Вопросы интеграции исследовательских и эксплуатационных спутниковых систем для исследования климата: Часть I. Наука и проектирование . Вашингтон, округ Колумбия: National Academy Press. стр. 17–24. doi :10.17226/9963. ISBN 978-0-309-51527-6. Архивировано из оригинала 7 июня 2011 . Получено 17 мая 2007 .
  2. ^ Uddstrom, Michael J. (1988). "Восстановление атмосферных профилей из спутниковых данных об излучении с помощью типичных апостериорных оценок одновременного восстановления максимума функции формы". Журнал прикладной метеорологии . 27 (5): 515–49. Bibcode : 1988JApMe..27..515U. doi : 10.1175/1520-0450(1988)027<0515:ROAPFS>2.0.CO;2 .
  3. ^ Po-Chedley, S.; Thorsen, TJ; Fu, Q. (2015). «Устранение загрязнения суточного цикла в спутниковых данных о тропосферных температурах: понимание расхождений в трендах тропической тропосферы». Журнал климата . 28 (6): 2274–2290. Bibcode : 2015JCli...28.2274P. doi : 10.1175/jcli-d-13-00767.1 . S2CID  43153422.
  4. ^ Мирс, Карл А.; Венц, Фрэнк Дж. (2016), «Чувствительность спутниковых тенденций тропосферной температуры к корректировке суточного цикла», Журнал климата , 29 (10): 3629–3646, Bibcode : 2016JCli...29.3629M, doi : 10.1175/JCLI-D-15-0744.1, S2CID  131718796
  5. ^ Мирс, Карл А.; Венц, Фрэнк Дж. (2009), «Строительство систем дистанционного зондирования V3.2. Записи атмосферной температуры с микроволновых зондов MSU и AMSU», Журнал атмосферных и океанических технологий , 26 (6): 1040–1056, Bibcode : 2009JAtOT..26.1040M, doi : 10.1175/2008JTECHA1176.1
  6. ^ Новый RSS TLT V4 - сравнения Архивировано 5 июля 2017 г. на Wayback Machine Moyhu 4 июля 2017 г.
  7. ^ "Land Surface Temperature Anomaly". 31 декабря 2019 г. Архивировано из оригинала 12 февраля 2014 г. Получено 28 января 2014 г.
  8. ^ "Аномалия температуры поверхности моря". 31 августа 2011 г. Архивировано из оригинала 30 апреля 2014 г. Получено 28 января 2014 г.
  9. ^ ab MJ Schwartz et al., Validation of the Aura Microwave Limb Sounder Temperature and Geopotential Height Measurements Архивировано 7 августа 2020 г. на Wayback Machine , JGR: Atmospheres, Vol. 113 , No. D15, 16 августа 2008 г. https://doi.org/10.1029/2007JD008783 Архивировано 21 февраля 2021 г. на Wayback Machine . Получено 9 января 2020 г.
  10. ^ Кришна Рао, П.; Смит, В. Л.; Коффлер, Р. (1972). «Глобальное распределение температуры поверхности моря, определенное с помощью спутника наблюдения за окружающей средой». Monthly Weather Review . 100 (1): 10–4. Bibcode : 1972MWRv..100...10K. doi : 10.1175/1520-0493(1972)100<0010:GSTDDF>2.3.CO;2. S2CID  119900067.
  11. ^ Национальный исследовательский совет (США). Руководящий комитет NII 2000 (1997). Непредсказуемая определенность: информационная инфраструктура до 2000 года; официальные документы. Национальные академии. стр. 2. ISBN 9780309060363. Архивировано из оригинала 8 марта 2020 . Получено 25 сентября 2016 .{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  12. ^ Синтия Розенцвейг; Дэниел Хиллель (2008). Изменчивость климата и глобальный урожай: влияние Эль-Ниньо и других колебаний на агроэкосистемы. Oxford University Press, США. стр. 31. ISBN 978-0-19-513763-7. Архивировано из оригинала 18 августа 2020 . Получено 25 сентября 2016 .
  13. ^ Jin, Menglin (2004). «Анализ температуры поверхности земли с использованием наблюдений AVHRR». Бюллетень Американского метеорологического общества . 85 (4): 587–600. Bibcode : 2004BAMS...85..587J. doi : 10.1175/BAMS-85-4-587 . S2CID  8868968.
  14. ^ Weng, Qihao (май 2003 г.). «Фрактальный анализ обнаруженного спутником эффекта городского острова тепла» (PDF) . Photogrammetric Engineering & Remote Sensing . 69 (5): 555–66. doi :10.14358/PERS.69.5.555. Архивировано (PDF) из оригинала 3 марта 2016 г. . Получено 14 января 2011 г. .
  15. ^ Вэн, Цихао; Лу, Дэншэн; Шубринг, Жаклин (29 февраля 2004 г.). «Оценка связи между температурой поверхности земли и обилием растительности для исследований городского острова тепла». Дистанционное зондирование окружающей среды . 89 (4): 467–483. Bibcode :2004RSEnv..89..467W. doi :10.1016/j.rse.2003.11.005. ISSN  0034-4257. S2CID  2502717.
  16. ^ Дэвид М. Рот (14 декабря 2006 г.). "Unified Surface Analysis Manual" (PDF) . Центр гидрометеорологического прогнозирования . стр. 19. Архивировано (PDF) из оригинала 29 сентября 2006 г. . Получено 14 января 2011 г. .
  17. ^ Крис Ландси (8 июня 2010 г.). «Тема: H1) Что такое метод Дворжака и как он используется?». Атлантическая океанографическая и метеорологическая лаборатория . Архивировано из оригинала 25 января 2014 г. Получено 14 января 2011 г.
  18. ^ "Греция страдает от большего количества пожаров в 2007 году, чем за последнее десятилетие, показывают спутники" (пресс-релиз). Европейское космическое агентство . 29 августа 2007 г. Архивировано из оригинала 21 февраля 2021 г. Получено 26 апреля 2015 г.
  19. ^ Райт, Роберт; Флинн, Люк; Гарбейл, Гарольд; Харрис, Эндрю; Пилгер, Эрик (2002). "Автоматизированное обнаружение вулканических извержений с использованием MODIS" (PDF) . Дистанционное зондирование окружающей среды . 82 (1): 135–55. Bibcode :2002RSEnv..82..135W. CiteSeerX 10.1.1.524.19 . doi :10.1016/S0034-4257(02)00030-5. Архивировано (PDF) из оригинала 9 августа 2017 г. . Получено 5 января 2018 г. . 
  20. ↑ Харви, Челси (18 апреля 2019 г.). «It's A Match: Satellite and Ground Measurements Agree on Warming» Архивировано 15 декабря 2019 г. в Wayback Machine , Scientific American . Получено 8 января 2019 г.
  21. ^ Лилонг ​​Чжао и др. (2016). «Использование спутниковых наблюдений SSU/MSU для проверки тенденций температуры верхней атмосферы в моделировании CMIP5. Архивировано 12 января 2020 г. в Wayback Machine », Remote Sens. 8 (1), 13; https://doi.org/10.3390/rs8010013. Архивировано 21 февраля 2021 г. в Wayback Machine . Получено 12 января 2019 г.
  22. ^ http://www.ncdc.noaa.gov/oa/pod-guide/ncdc/docs/podug/html/c4/sec4-2.htm [ требуется полная ссылка ] [ постоянная неработающая ссылка ]
  23. ^ Ван, Ликунь; Цзоу, Чэн-Чжи; Цянь, Хайфэн (2012). «Построение записей данных о температуре в стратосфере из единиц зондирования в стратосфере». Журнал климата . 25 (8): 2931–46. Bibcode : 2012JCli...25.2931W. doi : 10.1175/JCLI-D-11-00350.1 . Архивировано из оригинала 11 января 2020 г. Получено 12 января 2020 г.
  24. ^ Shine, KP ; Bourqui, MS; Forster, PM de F.; Hare, SHE; Langematz, U.; Braesicke, P.; Grewe, V.; Ponater, M.; Schnadt, C.; Smith, CA; Haigh, JD; Austin, J.; Butchart, N.; Shindell, DT; Randel, WJ; Nagashima, T.; Portmann, RW; Solomon, S.; Seidel, DJ; Lanzante, J.; Klein, S.; Ramaswamy, V.; Schwarzkopf, MD (2003). "Сравнение тенденций в стратосферных температурах, рассчитанных с помощью моделей". Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society . 129 (590): 1565–55. Bibcode : 2003QJRMS.129.1565S. дои : 10.1256/qj.02.186. S2CID  14359017.
  25. ^ "Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде". grida.no . Архивировано из оригинала 3 июня 2016 года . Получено 9 апреля 2018 года .
  26. ^ Clough, SA; MJ Iacono (1995). "Line-by-line расчет атмосферных потоков и скоростей охлаждения 2. Применение к углекислому газу, озону, метану, закиси азота и галоидоуглеродам". Journal of Geophysical Research . 100 (D8): 16519–16535. Bibcode : 1995JGR...10016519C. doi : 10.1029/95JD01386. Архивировано из оригинала 10 апреля 2011 г. Получено 15 февраля 2010 г.
  27. ^ ab Thompson, David WJ; Solomon, Susan (2009). "Understanding Recent Stratospheric Climate Change" (PDF) . Journal of Climate . 22 (8): 1934. Bibcode :2009JCli...22.1934T. CiteSeerX 10.1.1.624.8499 . doi :10.1175/2008JCLI2482.1. S2CID  3103526. Архивировано (PDF) из оригинала 9 июля 2009 года . Получено 12 января 2020 года . 
  28. ^ Лю, Цюаньхуа; Фучжун Вэн (2009). «Недавние данные о температуре стратосферы, полученные с помощью спутниковых измерений». Scientific Online Letters on the Atmosphere . 5 : 53–56. Bibcode : 2009SOLA....5...53L. doi : 10.2151/sola.2009-014 .
  29. ^ Национальная служба спутниковой информации об окружающей среде (декабрь 2010 г.). «Калибровка и тенденция микроволнового зондирования». Национальное управление океанических и атмосферных исследований . Архивировано из оригинала 17 декабря 2009 г. Получено 13 февраля 2012 г.{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  30. ^ Системы дистанционного зондирования Архивировано 3 апреля 2013 г. на Wayback Machine
  31. ^ Системы дистанционного зондирования, Температура верхнего слоя воздуха. Архивировано 5 января 2020 г. на Wayback Machine . Получено 12 января 2020 г.
  32. ↑ Национальное управление океанических и атмосферных исследований, Луна: температура поверхности. Архивировано 7 августа 2020 г. на Wayback Machine , получено 9 января 2020 г.
  33. ↑ NASA/JPL/GSFC/Univ. Oxford (19 мая 2011 г.). Измерение температуры шторма на Сатурне. Архивировано 21 февраля 2021 г. на Wayback Machine , получено 10 января 2020 г.

Внешние ссылки