Инструмент Advanced Very-High-Resolution Radiometer (AVHRR) — это космический датчик, который измеряет отражательную способность Земли в пяти спектральных диапазонах, которые по сегодняшним меркам относительно широки. Инструменты AVHRR установлены или были установлены на полярно-орбитальных платформах ( POES ) Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA ) и европейских спутниках MetOp . Инструмент сканирует несколько каналов; два из них сосредоточены в красной (0,6 микрометров) и ближней инфракрасной (0,9 микрометров) областях, третий расположен около 3,5 микрометров, а еще два — на тепловом излучении, испускаемом планетой, около 11 и 12 микрометров. [1]
Первый прибор AVHRR представлял собой четырехканальный радиометр . Последняя версия, AVHRR/3, впервые установленная на NOAA-15, запущенном в мае 1998 года, собирает данные по шести каналам. AVHRR был заменен на Visible Infrared Imaging Radiometer Suite , установленный на космическом аппарате Joint Polar Satellite System .
NOAA имеет по крайней мере два полярно-орбитальных метеорологических спутника на орбите в любое время, один спутник пересекает экватор ранним утром и ранним вечером, а другой пересекает экватор днем и поздним вечером. Основным датчиком на борту обоих спутников является прибор AVHRR. Утренние спутниковые данные чаще всего используются для изучения суши, в то время как данные с обоих спутников используются для изучения атмосферы и океана. Вместе они обеспечивают дважды в день глобальное покрытие и гарантируют, что данные для любого региона Земли не старше шести часов. Ширина полосы обзора, ширина области на поверхности Земли, которую спутник может «видеть», составляет приблизительно 2500 километров (~1540 миль). Спутники вращаются на высоте от 833 до 870 километров (+/- 19 километров, 516–541 миля) над поверхностью Земли. [2]
Максимальное разрешение на местности, которое можно получить с помощью современных приборов AVHRR, составляет 1,1 километра (0,68 мили) на пиксель в надире .
Данные AVHRR (в трех его версиях) непрерывно собираются с 1981 года. [2]
Основная цель этих приборов — мониторинг облаков и измерение теплового излучения Земли. Однако эти датчики оказались полезными для ряда других приложений, включая наблюдение за поверхностью суши, состоянием океана, аэрозолями и т. д. Данные AVHRR особенно актуальны для изучения изменения климата и ухудшения состояния окружающей среды из-за сравнительно длительных записей уже накопленных данных (более 20 лет). Основная трудность, связанная с этими исследованиями, заключается в том, чтобы должным образом учитывать многочисленные ограничения этих приборов, особенно на раннем этапе (калибровка датчика, орбитальный дрейф, ограниченная спектральная и направленная выборка и т. д.).
Инструмент AVHRR также летает на спутниках серии MetOp . Три спутника MetOp являются частью полярной системы EUMETSAT (EPS), которой управляет EUMETSAT , и которую заменит MetOp-SG .
Дистанционные приложения датчика AVHRR основаны на методах проверки (соответствия) совмещенных наземных наблюдений и спутниковых наблюдений. В качестве альтернативы выполняются расчеты переноса излучения. Существуют специализированные коды, которые позволяют моделировать наблюдаемые яркостные температуры и излучения AVHRR в ближнем инфракрасном и инфракрасном каналах. [3] [4]
Перед запуском видимые каналы (Гл. 1 и 2) датчиков AVHRR калибруются производителем прибора, ITT, Aerospace/Communications Division, и прослеживаются до стандартов NIST . Калибровочное соотношение между электронным цифровым счетным откликом (C) датчика и альбедо (A) калибровочной цели линейно регрессируется: [2]
где S и I — наклон и отсекаемый элемент (соответственно) регрессии калибровки [NOAA KLM]. Однако высокоточная предпусковая калибровка будет ухудшаться во время запуска и перехода на орбиту, а также в течение срока службы прибора [Molling et al., 2010]. Halthore et al. [2008] отмечают, что ухудшение характеристик датчика в основном вызвано термоциклированием, выделением газа в фильтрах, повреждением от излучения с более высокой энергией (например, ультрафиолетового (УФ)) и конденсацией выделяющихся газов на чувствительных поверхностях.
Одним из основных ограничений конструкции приборов AVHRR является то, что они не способны выполнять точные бортовые калибровки после выхода на орбиту [NOAA KLM]. Таким образом, после запуска необходимо проводить калибровку на орбите (известную как методы косвенной калибровки) для обновления и обеспечения точности полученных значений яркости и последующих продуктов, полученных из этих значений [Xiong et al., 2010]. Было проведено множество исследований для обновления коэффициентов калибровки и обеспечения более точного извлечения по сравнению с использованием калибровки перед запуском.
Рао и Чен [1995] используют Ливийскую пустыню в качестве радиометрически стабильной калибровочной цели для получения относительных годовых темпов деградации для каналов 1 и 2 для датчиков AVHRR на борту спутников NOAA -7, -9 и -11. Кроме того, с помощью полевой кампании самолета над пустыней Белые пески в Нью-Мексико, США [см. Смит и др., 1988], абсолютная калибровка для NOAA-9 была перенесена с хорошо откалиброванного спектрометра на борту самолета U-2, летевшего на высоте ~18 км по конгруэнтной траектории со спутником NOAA-9 выше. После корректировки относительной деградации абсолютная калибровка NOAA-9 затем передается в NOAA −7 и −11 через линейную зависимость с использованием наблюдений в Ливийской пустыне, которые ограничены схожей геометрией наблюдения, а также датами в одном и том же календарном месяце [Рао и Чен, 1995], а любая деградация датчика корректируется путем корректировки наклона (как функции дней после запуска) между альбедо и зарегистрированным цифровым сигналом счета [Рао и Чен, 1999].
В другом похожем методе с использованием поверхностных целей Лёб [1997] использует пространственно-временные однородные ледяные поверхности в Гренландии и Антарктиде для создания полиномиальных калибровочных кривых отражения второго порядка как функции угла солнечного зенита; калиброванные отражения NOAA-9 вблизи надира используются для создания кривых, которые затем могут вывести калибровки для других AHVRR на орбите (например, NOAA-11, -12 и -14).
Было обнаружено, что отношение коэффициентов калибровки, полученных Лёбом [1997] и Рао и Ченом [1995], не зависит от угла зенита Солнца, что означает, что калибровочные кривые, полученные с помощью NOAA-9, обеспечивают точную связь между углом зенита Солнца и наблюдаемой отражательной способностью над Гренландией и Антарктидой.
Ивабучи [2003] использовал метод калибровки NOAA-11 и -14, который использует наблюдения за океаном при ясном небе и отражательной способностью слоистых облаков в регионе северо-западной части Тихого океана и расчеты переноса излучения теоретической молекулярной атмосферы для калибровки AVHRR Ch. 1. Используя месяц наблюдений за ясным небом над океаном, делается начальное минимальное предположение о наклоне калибровки. Затем используется итерационный метод для достижения оптимальных значений наклона для Ch. 1 с поправками на наклон, учитывающими неопределенности в отражательной способности океана, водяном паре, озоне и шуме. Затем Ch. 2 впоследствии калибруется при условии, что оптическая толщина слоистых облаков в обоих каналах должна быть одинаковой (спектрально однородной в видимом диапазоне), если их калибровки верны [Ивабучи, 2003].
Более современный метод калибровки для AVHRR использует возможности орбитальной калибровки каналов VIS/IR MODIS . Vermote и Saleous [2006] представляют методологию, которая использует MODIS для характеристики BRDF инвариантного участка пустыни. Из-за различий в спектральных диапазонах, используемых для каналов инструментов, были выведены уравнения спектрального перевода для точного переноса калибровки с учетом этих различий. Наконец, отношение наблюдаемого AVHRR к смоделированному из наблюдения MODIS используется для определения деградации датчика и соответствующей корректировки калибровки.
Методы расширения калибровки и непрерывности записи также используют аналогичные действия по калибровке [Heidinger et al., 2010].
В обсуждении до сих пор были предложены методы, которые могут калибровать отдельные или ограничены несколькими датчиками AVHRR. Однако одной из основных проблем с точки зрения климата является необходимость непрерывности записи, охватывающей более 30 лет трех поколений инструментов AVHRR, а также более современных датчиков, таких как MODIS и VIIRS . Несколько артефактов могут существовать в номинальной калибровке AVHRR и даже в обновленных калибровках, которые вызывают разрыв в долгосрочной записи яркости, построенной с нескольких спутников [Cao et al., 2008].
Брест и Россов [1992] и обновленная методология [Брест и др., 1997] предложили надежный метод для мониторинга калибровки отдельных датчиков и нормализации всех датчиков к общему стандарту. Метод Международного проекта спутниковой климатологии облаков (ISCCP) начинается с обнаружения облаков и поправок на озон, рассеяние Рэлея и сезонные изменения освещенности для получения поверхностной отражательной способности. Затем для различных типов поверхности создаются ежемесячные гистограммы поверхностной отражательной способности, а затем различные пределы гистограммы применяются в качестве фильтра к исходным наблюдениям датчиков и в конечном итоге агрегируются для получения глобальной поверхностной отражательной способности без облаков.
После фильтрации глобальные карты разделяются на ежемесячные средние карты ПОВЕРХНОСТИ, две двухнедельные карты ПОВЕРХНОСТИ и среднюю ОБЩУЮ карту отражения. Ежемесячные средние карты отражения ПОВЕРХНОСТИ используются для обнаружения долгосрочных тенденций в калибровке. Двухнедельные карты ПОВЕРХНОСТИ сравниваются друг с другом и используются для обнаружения краткосрочных изменений в калибровке.
Наконец, карты TOTAL используются для обнаружения и оценки смещения в методологии обработки. Целевые гистограммы также изучаются, поскольку изменения в модовых отражательных способностях и в популяции, вероятно, являются результатом изменений в калибровке.
Долгосрочная непрерывность записи достигается путем нормализации между двумя датчиками. Сначала обрабатываются наблюдения из перекрытия периода работы двух датчиков. Затем две глобальные карты SURFACE сравниваются с помощью диаграммы рассеяния. Кроме того, наблюдения корректируются с учетом изменений угла солнечного зенита, вызванных орбитальным дрейфом. В конечном итоге подбирается линия для определения общего долгосрочного дрейфа в калибровке, и после того, как датчик корректируется с учетом дрейфа, выполняется нормализация наблюдений, которые происходят в течение того же периода работы [Брест и др., 1997].
Другой недавний метод абсолютной калибровки записи AHVRR использует современный датчик MODIS на борту спутников NASA TERRA и AQUA. Прибор MODIS имеет высокую точность калибровки и может отслеживать собственные радиометрические изменения благодаря включению бортовой системы калибровки для спектральной области VIS/NIR [MCST]. Следующий метод использует высокую точность MODIS для абсолютной калибровки AVHRR посредством одновременных прохождений надира (SNO) как пар спутников MODIS/AVHRR, так и AVHRR/AVHRR, а также характеризуемых MODIS отражательных способностей поверхности для цели Ливийской пустыни и Купола C в Антарктиде [Heidinger et al., 2010]. В конечном счете, каждое отдельное доступное событие калибровки (MODIS/AVHRR SNO, Купол C, Ливийская пустыня или AVHRR/AVHRR SNO) используется для предоставления временного ряда наклона калибровки для данного датчика AVHRR. Heidinger et al. [2010] используют полином второго порядка, полученный методом наименьших квадратов, для определения временного ряда.
Первый шаг включает использование модели переноса излучения , которая преобразует наблюдаемые сцены MODIS в те, которые увидит идеально откалиброванный AVHRR. Для событий MODIS/AVHRR SNO было определено, что отношение яркостей AVHRR к MODIS как в Ch1, так и в Ch2 хорошо моделируется полиномом второго порядка радио отражательных способностей MODIS в каналах 17 и 18. Каналы 17 и 18 расположены в спектральной области (0,94 мм), чувствительной к атмосферному водяному пару, величине, которая влияет на точную калибровку AVHRR Ch. 2. Используя отношение Ch17 к Ch 18, получается точное предположение об общем количестве осаждаемой воды (TPW) для дальнейшего повышения точности калибровок MODIS к AVHRR SNO. Места калибровки Ливийская пустыня и Купол-C используются, когда MODIS/AVHRR SNO не происходят. Здесь отношение отражательных способностей AVHRR к MODIS моделируется как полином третьего порядка с использованием натурального логарифма TWP из повторного анализа NCEP. Используя эти два метода, ежемесячные наклоны калибровки генерируются с линейной подгонкой, принудительно проходящей через начало скорректированных отражательных способностей MODIS по сравнению с подсчетами AVHRR.
Чтобы расширить ссылку MODIS для AVHRR до эпохи MODIS (до 2000 г.), Хайдингер и др. [2010] используют стабильные земные цели Купола C в Антарктиде и Ливийской пустыни. Средние отражательные способности MODIS в надире над целью определяются и наносятся на график в зависимости от угла солнечного зенита. Затем подсчеты для наблюдений AVHRR при заданном угле солнечного зенита и соответствующая отражательная способность MODIS, скорректированная для TWP, используются для определения того, какое значение AVHRR будет иметь при условии, что у него есть калибровка MODIS. Теперь рассчитывается наклон калибровки.
Последний метод, использованный Хайдингером и др. [2010] для расширения калибровки MODIS обратно на AVHRR, которые работали за пределами эпохи MODIS, заключается в использовании прямых AVHRR/AVHRR SNO. Здесь отсчеты от AVHRR наносятся на график, и регрессия принудительно пропускается через начало координат. Эта регрессия используется для переноса точной калибровки отражательной способности одного AVHRR на отсчеты некалиброванного AVHRR и получения соответствующих наклонов калибровки. Эти AVHRR/AVHRR SNO сами по себе не предоставляют абсолютную точку калибровки; скорее, они действуют как якоря для относительной калибровки между AVHRR, которые можно использовать для переноса окончательной калибровки MODIS.
Опыт эксплуатации датчика MODIS [5] на борту спутников Terra и Aqua NASA привел к разработке преемника AVHRR — VIIRS . [6] В настоящее время VIIRS работает на борту спутников Suomi NPP и NOAA-20 . [7] В то время как спутники EUMETSAT MetOp с приборами AVHRR будут заменены спутниками MetOp-SG с европейским прибором MetImage. [8]