Advanced Very High Resolution Radiometer

Advanced Very High Resolution Radiometer (w skrócie AVHRR, pol. zaawansowany radiometr bardzo dużej rozdzielczości) – radiometr umieszczony na orbicie okołoziemskiej na satelitach należących do Narodowej Administracji Oceanu i Atmosfery USA oraz innych organizacji. Instrumenty AVHRR służą do multispektralnych pomiarów promieniowania Ziemi, głównie w obszarze podczerwieni^[1]. Dzięki tym pomiarom uzyskuje się informacje m.in. o temperaturze powierzchni oceanu.

Pierwszy instrument został umieszczony na orbicie okołoziemskiej w październiku 1978 roku (satelita Tiros-N). Początkowo instrument był zaplanowany jako instrument do robienia zdjęć (obrazujący), a nie do jakościowej analizy stanu atmosfery i oceanu, ale z czasem został wykorzystany do jakościowej oceny wielu parametrów fizycznych. Instrumenty AVHRR/1 dokonywały obserwacji w czterech kanałach, natomiast seria instrumentów AVHRR/2 skonstruowana w latach 1980, dokonywała obserwacji w 5 kanałach i była umieszczona na satelitach NOAA-7 NOAA-14.

AVHRR/3 jest także instrumentem obrazującym używanym do całoziemskiej analizy pokrywy chmur, temperatury oceanu, pokrywy lodu i roślinności. Obecnie (2009) instrumenty te są na pokładzie satelitów NOAA-15, -16, -17, -18 i Metop-A. AVHRR/3 jest instrumentem sześciokanałowym z trzema kanałami w świetle słonecznym i trzema kanałami w podczerwieni. AVHRR/3 ma dwa kanały o szerokości około 1 mikrometra pomiędzy 10,3 oraz 12,5 mikrometrów. Skanowanie odbywa się prostopadle do trajektorii lotu (skan poprzeczny). Kanały termiczne w podczerwieni oziębiane są do 105 K. Widmowe charakterystyki kanałów AVHRR/3 nie są identyczne z AVHRR/2. Kanał 3 jest podzielony na dwa kanały – 3a w obszarze słonecznym (1,6 mikrometra) oraz kanał 3b w obszarze 3,7 µm. Tylko pięć kanałów jest używanych jednocześnie. W czasie dnia używany jest kanał 3a, kanał 3b jest używany w nocy.

Ilość informacji z instrumentu AVHRR/3 jest ograniczana w czasie rzeczywistym poprzez użycie i uśrednienie tylko czterech z pięciu pomiarów w kierunku linii skanu oraz przez użycie co trzeciego skanu w kierunku lotu satelity. Tworzony jest w ten sposób zbiór danych nazywany Global Area Coverage (GAC) o rozdzielczości 1,1 na 4,4 km z przerwą 2,2 km pomiędzy pikselami w kierunku linii skanu. Sygnał pomiarowy jest zamieniany z dokładnością 10 bitów przez układ elektroniczny z sygnału analogowego na sygnał cyfrowy. Są to dane Poziomu 0.

Dane Poziomu 1 są przetwarzane na Ziemi i początkowo tworzone są dane Poziomu 1b. Zawierają one odbicie dla kanałów 1, 2 oraz 3a oraz wykalibrowane radiancje dla kanałów 3, 4 i 5. Zdjęcia są dodatkowo analizowane, głównie żeby zorientować się czy dany piksel pokazuje obszar atmosfery, w którym są, lub nie, chmury. Dane Poziomu 1b zawierają dodatkową informację o chmurach oraz informacje o geolokacji. Analiza polega na teście: (1) kanału T11, żeby ocenić obecność średnich i wysokich chmur, (2) T11-T12, żeby ocenić chmury typu cirrus, (3) test T11-T3.7 dla oceny chmur o małej wodności, (4) teście T3.7-T12 dla oceny chmur złożonych z kryształów lodu albo zimnych chmur nocą, (5) testu albeda A2 w półmroku lub w czasie dnia na wybrzeżach lub nad oceanem, przy nieobecności ścieżki słońca dla oceny chmur odbijających bardziej niż powierzchnia oceanu, (6) testu A1 (w półzmroku, w czasie dnia przy obecności ścieżki słońca na oceanie), dla oceny niskich chmur w obecności lądu bez śniegu, oraz testu T4 koherencji przestrzennej dla oceny cirrusów o małej grubości optycznej i małych cumulusów na wodą.

Temperatura powierzchni oceanu jest istotna w prognozach pogody, jak i w ocenie zmian klimatu. AVHRR mierzy emisję powierzchni oceanu w trzech pasmach (pomiędzy 3,5µm – 4µm oraz pomiędzy 10µm i 12,5µm), w których transmisja promieniowania przez atmosferę jest względnie duża. Dla promieniowania podczerwonego, powierzchnia oceanu emituje promieniowanie prawie jak ciało doskonale czarne i dla całkowicie przeźroczystej atmosfery można by wyznaczyć temperaturę bezpośrednio z pomiarów, bez uwzględnienia efektów absorpcji promieniowania podczerwonego w atmosferze. W rzeczywistości para wodna, CO2, CH4, NO2 oraz cząstki zawieszone w atmosferze powodują ekstynkcję promieniowania podczerwonego i należy zastosować poprawkę atmosferyczną w ocenie temperatury oceanu. Zdjęcia satelitarne robione w tym zakresie fal pokazują jasność temperaturową proporcjonalną do temperatury, w jakiej emituje ocean, atmosfera, chmury i cząstki aerozolowe (np. pyły) w atmosferze. Większość algorytmów do oceny temperatury oceanu na podstawie pomiarów satelitarnych w zakresie promieniowania podczerwonego używa przybliżenia^[2]

${\displaystyle \mathrm {SST} =aT_{i}+\gamma (T_{i}-T_{j})+c,}$

gdzie ${\displaystyle T_{i}}$ jest jasnością temperaturową (ang. brightness temperature) w kanale ${\displaystyle i}$ oraz ${\displaystyle j,}$ natomiast ${\displaystyle a}$ i ${\displaystyle c}$ sa stałymi. Współczynnik ${\displaystyle \gamma }$ jest zdefiniowany jako

${\displaystyle \gamma =(1-t_{i})/(t_{i}-t_{j}),}$

gdzie ${\displaystyle t_{i}}$ oraz ${\displaystyle t_{j}}$ opisują transmisję w kanałach ${\displaystyle i}$ oraz ${\displaystyle j.}$ Np algorytm MCSST^[3] zakładał stały współczynnik ${\displaystyle \gamma .}$

Późniejsza wersja operacyjnego algorytmu NOAA – NLSST (nieliniowe SST) zakłada, że ${\displaystyle \gamma }$ jest proporcjonalne do przybliżonej temperatury oceanu^[4]

${\displaystyle \mathrm {SST_{sat}} =a+bT_{4}+c(T_{4}-T_{5})\mathrm {SST_{guess}} +d(T_{4}-T_{5})(\sec(\rho )-1),}$

gdzie ${\displaystyle {\rm {SST_{sat}}}}$ jest temperaturą powierzchni oceanu, ${\displaystyle T_{4}}$ oraz ${\displaystyle T_{5}}$ są jasnościami temperaturowymi w kanałach AVHRR 4 oraz 5, ${\displaystyle {\rm {SST_{guess}}}}$ jest pierwszym przybliżeniem temperatury oceanu, ${\displaystyle \rho }$ jest satelitarnym kątem zenitalnym. Współczynniki a, b, c, oraz d dostaje się na podstawie regresji z bezpośrednimi pomiarami temperatury oceanu.

Istnieją dwie grupy algorytmów do oceny temperatury oceanu. Jedna z nich opiera się na użyciu równania transferu promieniowania pomiędzy powierzchnią Ziemi i szczytem atmosfery. W symulacjach wykorzystuje się typowe lub obserwowane profile temperatury, koncentracji i pary wodnej (i innych gazów absorbujących) w atmosferze. Ten algorytm daje bezpośrednią informację o temperaturze naskórkowej powierzchni oceanu, która jest inna niż temperatura powierzchni oceanu mierzoną przez pomiary bezpośrednie np. ze statków czy dryfterów. Druga grupa algorytmów wykorzystuje regresję pomiędzy mierzoną temperaturą oceanu i obserwowanymi temperaturami jasności oceanu. Istnieją porównania obu tych metod^[5] Algorytmy NLSST oraz MCSST należą do grupy algorytmów empirycznych opartych na regresji. Algorytmy oparte na bezpośrednim użyciu równania transferu promieniowania elektromagnetycznego dają możliwość lepszego uwzględnienia poprawek atmosferycznych.

• http://eros.usgs.gov/#/Find_Data/Products_and_Data_Available/AVHRR