Усовершенствованный радиометр очень высокого разрешения (AVHRR) — это космический датчик, который измеряет отражательную способность Земли в пяти спектральных диапазонах, которые относительно широки по сегодняшним стандартам. Приборы AVHRR находятся или использовались семейством полярно-орбитальных платформ ( POES ) Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) и европейскими спутниками MetOp . Прибор сканирует несколько каналов; два сосредоточены в красной (0,6 микрометра) и ближней инфракрасной (0,9 микрометра) областях, третий расположен около 3,5 микрометра, а еще два — тепловое излучение, испускаемое планетой, около 11 и 12 микрометров. [1]
Первым прибором AVHRR был четырехканальный радиометр . Последняя версия, AVHRR/3, впервые реализованная на NOAA-15, запущенном в мае 1998 года, собирает данные по шести каналам. На смену AVHRR пришел комплекс радиометров видимого инфракрасного диапазона , установленный на космическом корабле Объединенной полярной спутниковой системы .
НОАА постоянно имеет на орбите как минимум два метеорологических спутника на полярной орбите : 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, тогда как данные с обоих спутников используются для исследований атмосферы и океана. Вместе они обеспечивают глобальное покрытие два раза в день и гарантируют, что данные для любого региона Земли не старше шести часов. Ширина полосы обзора, ширина области на поверхности Земли, которую может «видеть» спутник, составляет примерно 2500 километров (~ 1540 миль). Спутники вращаются на высоте 833 или 870 километров (+/- 19 километров, 516–541 миль) над поверхностью Земли. [2]
Наивысшее разрешение наземной поверхности, которое можно получить с помощью современных инструментов AVHRR, составляет 1,1 километра (0,68 мили) на пиксель в надире .
Данные AVHRR собираются непрерывно с 1981 года. [2]
Основная цель этих инструментов — мониторинг облаков и измерение теплового излучения Земли. Однако эти датчики оказались полезными для ряда других применений, включая наблюдение за поверхностью суши, состоянием океана, аэрозолями и т. д. Данные AVHRR особенно актуальны для изучения изменения климата и деградации окружающей среды из-за сравнительно длинных записей уже накопленных данных. (более 20 лет). Основная трудность, связанная с этими исследованиями, заключается в том, чтобы правильно справиться со многими ограничениями этих инструментов, особенно на раннем этапе (калибровка датчиков, дрейф орбиты, ограниченная спектральная и направленная выборка и т. д.).
Прибор AVHRR также используется на спутниках серии MetOp . Три запланированных спутника MetOp являются частью Полярной системы EUMETSAT (EPS), которой управляет EUMETSAT .
Применение датчика AVHRR для дистанционного зондирования основано на методах проверки (сопоставления) совмещенных наземных и спутниковых наблюдений. Альтернативно выполняются расчеты переноса излучения. Существуют специализированные коды, которые позволяют моделировать наблюдаемые AVHRR яркостные температуры и яркость в ближнем инфракрасном и инфракрасном каналах. [3] [4]
Перед запуском видимые каналы (гл. 1 и 2) датчиков AVHRR калибруются производителем прибора, ITT, отделом аэрокосмической промышленности и коммуникаций, и соответствуют стандартам NIST . Калибровочная зависимость между откликом электронного цифрового счета (C) датчика и альбедо (A) калибровочной цели линейно регрессируется: [2]
где S и I — наклон и точка пересечения (соответственно) калибровочной регрессии [NOAA KLM]. Однако высокоточная предстартовая калибровка будет ухудшаться во время запуска и перехода на орбиту, а также в течение срока службы прибора [Molling et al., 2010]. Халтор и др. [2008] отмечают, что деградация сенсора в основном вызвана термоциклированием, выделением газов в фильтрах, повреждением от излучения более высокой энергии (например, ультрафиолетовым (УФ)) и конденсацией выделяющихся газов на чувствительных поверхностях.
Одним из основных конструктивных недостатков приборов AVHRR является отсутствие у них возможности выполнять точную бортовую калибровку на орбите [NOAA KLM]. Таким образом, после запуска на орбите необходимо провести калибровку на орбите (известную как косвенные методы калибровки) для обновления и обеспечения точности полученных значений яркости и последующих продуктов, полученных на основе этих значений [Xiong et al., 2010]. Были проведены многочисленные исследования для обновления калибровочных коэффициентов и обеспечения более точных результатов по сравнению с использованием предварительной калибровки.
Рао и Чен [1995] используют Ливийскую пустыню в качестве радиометрически стабильной калибровочной цели для определения относительных годовых темпов деградации для каналов 1 и 2 для датчиков AVHRR на борту спутников NOAA -7, -9 и -11. Кроме того, во время полевой авиационной кампании над пустыней Уайт-Сэндс в Нью-Мексико, США [см. Smith et al., 1988], абсолютная калибровка NOAA-9 была передана с хорошо откалиброванного спектрометра на борту летающего самолета U-2. на высоте ~18 км по совпадающей траектории со спутником NOAA-9 выше. После поправки на относительное ухудшение абсолютная калибровка NOAA-9 затем передается в NOAA -7 и -11 посредством линейной зависимости с использованием наблюдений Ливийской пустыни, которые ограничены аналогичной геометрией просмотра, а также датами одного и того же календарного месяца. Rao and Chen, 1995], а любая деградация сенсора корректируется путем регулировки наклона (в зависимости от количества дней после запуска) между альбедо и записанным сигналом цифрового счета [Rao and Chen, 1999].
В другом аналогичном методе с использованием наземных целей Леб [1997] использует пространственно-временные однородные ледяные поверхности в Гренландии и Антарктиде для получения калибровочных кривых полиномиальной отражательной способности второго порядка в зависимости от зенитного угла Солнца; калиброванные коэффициенты отражения вблизи надира NOAA-9 используются для создания кривых, на основе которых затем можно получить калибровки для других AHVRR на орбите (например, NOAA-11, -12 и -14).
Было обнаружено, что соотношение калибровочных коэффициентов, полученных Лебом [1997] и Рао и Ченом [1995], не зависит от зенитного угла Солнца, что означает, что калибровочные кривые, полученные NOAA-9, обеспечивают точную связь между зенитным углом Солнца и зенитным углом Солнца. наблюдал отражение над Гренландией и Антарктидой.
Ивабучи [2003] применил метод калибровки NOAA-11 и -14, который использует наблюдения за отражением океана в ясном небе и слоистых облаков в районе северо-западной части Тихого океана и расчеты переноса излучения в теоретической молекулярной атмосфере для калибровки AVHRR Ch. 1. На основе месячных наблюдений ясного неба над океаном делается начальная минимальная оценка наклона калибровки. Затем используется итерационный метод для достижения оптимальных значений наклона Ch. 1 с поправками на наклон с поправкой на неопределенности в коэффициенте отражения океана, водяном паре, озоне и шуме. Ч. 2 затем калибруется при условии, что оптическая толщина слоистых облаков в обоих каналах должна быть одинаковой (спектрально однородной в видимой области), если их калибровки верны [Iwabuchi, 2003].
Более современный метод калибровки AVHRR использует возможности орбитальной калибровки каналов VIS/IR MODIS . Вермот и Салеус [2006] представляют методологию, которая использует MODIS для характеристики BRDF неизменного пустынного участка. Из-за различий в спектральных полосах, используемых для каналов приборов, были выведены уравнения спектрального перевода для точной передачи калибровки с учетом этих различий. Наконец, отношение наблюдаемого AVHRR к смоделированному на основе наблюдений MODIS используется для определения ухудшения качества датчика и соответствующей корректировки калибровки.
Методы расширения калибровки и непрерывности записи также используют аналогичные мероприятия по калибровке [Heidinger et al., 2010].
В обсуждении до сих пор были предложены методы, которые могут калибровать отдельные датчики или ограничиваться несколькими датчиками AVHRR. Тем не менее, одной из основных проблем с точки зрения климата является необходимость обеспечения непрерывности записей, охватывающей более 30 лет, трех поколений инструментов AVHRR, а также более современных датчиков, таких как MODIS и VIIRS . В номинальной калибровке AVHRR и даже в обновленных калибровках может существовать несколько артефактов, которые приводят к разрыву долговременной записи яркости, построенной с нескольких спутников [Cao et al., 2008].
Брест и Россов [1992] и обновленная методология [Брест и др., 1997] предложили надежный метод мониторинга калибровки отдельных датчиков и нормализации всех датчиков по единому стандарту. Метод Международного проекта спутниковой облачной климатологии (ISCCP) начинается с обнаружения облаков и внесения поправок на озон, рэлеевское рассеяние и сезонные изменения освещенности для получения коэффициентов отражения поверхности. Затем создаются ежемесячные гистограммы отражательной способности поверхности для различных типов поверхности, а затем различные пределы гистограммы применяются в качестве фильтра к исходным наблюдениям датчика и в конечном итоге агрегируются для получения глобальной отражательной способности поверхности без облаков.
После фильтрации глобальные карты разделяются на среднемесячные карты ПОВЕРХНОСТИ, две карты ПОВЕРХНОСТИ раз в две недели и средние карты ОБЩЕГО отражения. Карты среднемесячной отражательной способности ПОВЕРХНОСТИ используются для выявления долгосрочных тенденций при калибровке. Карты SURFACE, выходящие раз в две недели, сравниваются друг с другом и используются для обнаружения краткосрочных изменений в калибровке.
Наконец, карты TOTAL используются для обнаружения и оценки систематической ошибки в методологии обработки. Целевые гистограммы также исследуются, поскольку изменения в коэффициентах отражения мод и численности населения, вероятно, являются результатом изменений в калибровке.
Долговременная непрерывность записи достигается за счет нормализации между двумя датчиками. Сначала обрабатываются наблюдения за перекрытием периода времени работы двух датчиков. Затем две глобальные карты SURFACE сравниваются с помощью диаграммы рассеяния. Кроме того, в наблюдения вносятся поправки на изменения зенитного угла Солнца, вызванные дрейфом орбиты. В конечном итоге линия пригодна для определения общего долговременного дрейфа при калибровке, и после того, как датчик скорректирован на дрейф, выполняется нормализация по наблюдениям, происходящим в течение одного и того же эксплуатационного периода [Брест и др., 1997].
Другой недавний метод абсолютной калибровки записи AHVRR использует современный датчик MODIS на борту спутников НАСА TERRA и AQUA. Прибор MODIS имеет высокую точность калибровки и может отслеживать собственные радиометрические изменения благодаря включению бортовой системы калибровки для VIS/NIR спектральной области [MCST]. Следующий метод использует высокую точность MODIS для абсолютной калибровки AVHRR через одновременные пролеты в надире (SNO) пар спутников MODIS/AVHRR и AVHRR/AVHRR, а также характеризованные MODIS коэффициенты отражения поверхности для цели в Ливийской пустыне и купола-C в Антарктиде. [Хайдингер и др., 2010]. В конечном итоге каждое доступное событие калибровки (MODIS/AVHRR SNO, Купол C, Ливийская пустыня или AVHRR/AVHRR SNO) используется для получения временного ряда наклона калибровки для данного датчика AVHRR. Хайдингер и др. [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 случаев MODIS/AVHRR SNO было установлено, что соотношение излучений AVHRR и MODIS как в Канале 1, так и в Канале 2 хорошо моделируется полиномом второго порядка радиоотражений MODIS в каналах 17 и 18. Каналы 17 и 18 расположены в спектральной области (0,94 мм), чувствительной к водяному пару атмосферы, величина, которая влияет на точную калибровку AVHRR Ch. 2. Используя соотношение Ch17 и Ch18, можно получить точную оценку общего количества осаждаемой воды (TPW), что еще больше повышает точность калибровок MODIS и AVHRR SNO. Калибровочные площадки Ливийской пустыни и Купола-C используются, когда не возникают SNO MODIS/AVHRR. Здесь соотношение коэффициентов отражения AVHRR и MODIS моделируется как полином третьего порядка с использованием натурального логарифма TWP из реанализа NCEP. Используя эти два метода, ежемесячные калибровочные наклоны генерируются с линейной подгонкой через начало отсчета скорректированных коэффициентов отражения MODIS и значений AVHRR.
Чтобы распространить ссылку на MODIS на AVHRR до эпохи MODIS (до 2000 г.), Heidinger et al. [2010] используют стабильные наземные цели Купола C в Антарктиде и Ливийской пустыне. Определяются средние коэффициенты отражения MODIS в надире от цели и наносятся на график в зависимости от зенитного угла Солнца. Подсчеты наблюдений AVHRR при заданном зенитном угле Солнца и соответствующей отражательной способности MODIS, с поправкой на TWP, затем используются для определения того, какое значение AVHRR будет получено при условии, что оно имеет калибровку MODIS. Калибровочный наклон теперь рассчитан.
Последний метод, использованный Heidinger et al. [2010] расширение калибровки MODIS обратно на AVHRR, которые работали за пределами эпохи MODIS, осуществляется через прямые SNO AVHRR/AVHRR. Здесь нанесены значения AVHRR и рассчитана регрессия, проходящая через начало координат. Эта регрессия используется для переноса точной калибровки коэффициентов отражения одного AVHRR в отсчеты некалиброванного AVHRR и получения соответствующих калибровочных наклонов. Эти SNO AVHRR/AVHRR сами по себе не предоставляют абсолютную точку калибровки; скорее они действуют как якоря для относительной калибровки между AVHRR, которые можно использовать для передачи окончательной калибровки MODIS.
Опыт эксплуатации датчика MODIS [5] на борту космических аппаратов НАСА Terra и Aqua привел к разработке продолжения AVHRR, VIIRS . [6] В настоящее время VIIRS работает на борту спутников Суоми АЭС и NOAA-20 . [7]