Detecção Remota
Ema Aldeano 49267
2011/2012
Secção 5: Temperatura da superfície do mar
5.1 Por que utilizar os dados da SST?
5.1.1 Necessidade de banco de dados TSM
5.1.2 Aplicações e Usuários
5.1.3 Por Monitor de SST a partir de satélites em órbita polar? página 1
5.1.4 Por Monitor de SST a partir de satélites em órbita polar? página 2
5.1.5 Por Monitor de SST a partir de satélites em órbita polar? página 3
5.1.6 Por Monitor de SST com radiómetros de microondas passivos?
5.1.7 radiómetros passivo de microondas para medir a TS
5.2 O que parece que a SST do espaço?
5.2.1 Emissão de Microondas: comparação de água com gelo a terra e
o mar
5.2.2 Emissão de Microondas: curvas de emissão
5.2.3 Impactos emissividade de temperatura de brilho
5.2.4 Seleção de canal
5.2.5 Fatores que afetam atmosféricas e oceânicas extração de SST
5.2.6 Interpretação dos dados de microondas SST
5,3 Instruments e exemplos de produtos
5.3.1 Imagens composto TMI SST
5.3.2 TMI anomalias de TSM
5.3.3 Imagens de AMSR-E SST
5,4 Desempenho de ferramentas e recursos do produto Gerador de
sistemas
5.4.1 imagens de microondas passivo
5.4.2 Pergunta sobre instrumentos
5.4.3 Limitações da productoss e clima.

Nesta secção vamos estudar as emissões de
microondas que variam com a quantidade de
radiação emitida pela superfície. Essa quantidade
depende das interacções entre energia e os
vários elementos e estruturas que compõem a
superfície.
A temperatura da superfície (SST) e a sua
variação são factores que estão
intimamente ligados à troca de energia e
humidade entre o oceano e a atmosfera.
 A temperatura da superfície dos oceanos
do nosso planeta desempenha um papel
central na variabilidade de padrões de
tempo e clima global e regional, bem
como a saúde e o bem-estar da vida
oceânica.


O ciclo de episódios recorrentes de El Niño e La Niña,
têm impacto sobre o tempo e o clima a nível regional.
Estes são muito importantes para o mundo, pois são
exemplos claros da ligação entre oceano e
circulação atmosférica.

Durante um episódio de El Niño, SST anormalmente
quente, estendem-se para o oeste ao longo do
oceano Pacífico Equatorial. As mudanças associadas
na pressão do nível do mar e padrões de precipitação
podem afectar o clima em lugares muito distantes das
anomalias quentes de SST.

A SST afecta a génese e evolução dos
sistemas meteorológicos e ciclones tropicais.

As mudanças na intensidade dos furacões estão
fortemente ligadas aos conteúdos SST e ao calor do
oceano superior, como evidenciado pelas estimativas
da faixa e intensidade do furacão Katrina, Agosto 05.

As grandes correntes no oceano superior, o transporte
de calor para os pólos, os padrões de convecção, a
precipitação oceânica, a distribuição de nutrientes e
produção oceânica são importantes. As observações
SST permitem-nos ver os gradientes térmicos e as
fronteiras claramente demarcadas, muitas vezes
associados a estas circulações oceânicas principais.

Existe uma correlação entre os gradientes horizontais
fortes de temperatura e concentração de nutrientes
nos oceanos, frentes oceânicas, e as correntes e áreas
de alta produtividade que sustentam a pesca e
contribuir para a proliferação de algas.

Bloom de algas que cobria grandes áreas do
Pacífico equatorial, após o intenso El Niño de
1997-1998.

As circulações diurnas da terra e do mar
são excelentes exemplos de como os
contrastes de temperatura entre a água
e a terra afectam o clima local.

A descrição detalhada de SST e as suas
variações ao largo da costa são um
elemento importante para prever o
desenvolvimento de brisas terrestres e
marítimas e o potencial de convecção.

Quando uma brisa marítima sopra até ao interior e
interage com topografia local, o fluxo sinóptico de
grande escala, muitas vezes produz zonas de
convecção preferencial.



As aplicações abrangem uma ampla gama de
interesses, tais como o clima, oceanografia e
ecossistemas oceânicos.
Entre os usuários e consumidores dessas
informações incluem as pessoas que trabalham na
previsão do tempo e pesquisa de clima, hidrologia,
oceanografia, biologia marinha e ecologia, e as
actividades de pesca.
As observações de satélite normal de SST
começaram em 1981 com o lançamento do
NOAA-7 em órbita polar, com infravermelho e
microondas. O lançamento do satélite TRMM em
1997 marcou o início da era da observação de
rotina de SST com microondas. Em 2002, o imager
AMSR-E lançado a bordo do satélite Aqua da
NASA Polar.

A possibilidade de medir SST de satélites em órbita polar
fornece uma série de janelas importantes em comparação
com as medições que podem ser obtidas através de satélites
geoestacionários e observações in situ dos navios e bóias.

Devido à sua geometria de observação, os satélites
geoestacionários não podem presenciar directamente
as regiões polares da Terra, para além de 70ºN e S.

Por outro lado, as órbitas dos satélite polares podem-se observar
ambas as regiões polares (norte e sul) a cada 102 minutos, ou
cerca de 13 vezes ao dia durante um determinado lugar fixo.
Outra vantagem é os satélites em órbitas polares fornecerem
uma cobertura completa dos oceanos do nosso planeta num
período de um ou dois dias, através de uma série de observações
feitas pelo mesmo instrumento ou conjunto de instrumentos, o que
é importante para o monitoriamento do clima global.

A nuvem impõe uma limitação de observação da SST por
satélites. Os actuais satélites geoestacionários, bem como alguns
dos modernos satélites polares, dependem exclusivamente da
tecnologia do infravermelho para monitorar a SST. Dado que a
maioria das nuvens são opacas à radiação infravermelha.

Apesar de um satélite em
órbita polar que se baseia em
sensores infravermelhos
convencionais não poder
fornecer a mesmo frequência
que uma cobertura de
satélites geoestacionários, a
frequência da sua cobertura
e a alta resolução das suas
observações em latitudes
elevadas permite observar
áreas mais negligenciadas
da superfície do planeta. Mas
os satélites polares têm uma
capacidade de observação
SST ainda mais importante,
faz uso de sensores de
microondas, o que lhes dá
uma vantagem ainda maior
quando se observa a
superfície.
As observações de satélites em órbitas
polares preenchem as lacunas, já que a sua
cobertura é repetida em intervalos
regulares, em grandes áreas, com resolução
quase uniforme, o que é uma vantagem
importante para observação e modelação.
 Os satélites em órbita polar colectam dados
para todo o globo. Assim consegue-se
recolher informação das áreas com menos
tráfego marítimo e que é impossível o uso
das bóias de deriva.




A cobertura de nuvens sobre os oceanos subpolares muitas vezes
ultrapassa 75%, o que limita muito a capacidade para observar a
superfície recorrendo à gama dos infravermelho.
A cobertura de nuvens persistente também abrange partes dos
trópicos afectados pela ZCIT (Zona de Convergência Intertropical) ou
ZCPS (convergência do Pacífico zona sul).
Em média, as nuvens cobrem aproximadamente 50% da superfície.


Os satélites ambientais em órbita polar com
instrumentos de microondas, como TRMM TMI e Aqua
AMSR-E, permitem resolver o problema da cobertura
de nuvens, devido à sua capacidade de observar
com precisão em canais de microondas,
independentemente das condições meteorológicas.
Radiómetros de microondas com canais de menor
frequência (6-10 GHz), com uma grande sensibilidade
a SST, são capazes de penetrar nuvens não
precipitantes, sendo insensíveis à absorção de gases
atmosféricos, mas são afectados por aerossóis ou
poeira. Assim obtêm-se observações muito completas
da SST todos os dias e também é ideal para
observações exactas de longo prazo.
O primeiro radiómetro devidamente
calibrado de microondas para determinar
com exactidão as SST foi o gerador
microondas Imager TRMM (TRMM
Microwave Imager, TMI), lançado no TRMM
em 1997.
 Os radiómetros de microondas anteriores,
como o Nimbus SMMR e alguns presentes
como DMSP SSM / I e NOAA AMSU, não
foram suficientemente bem calibrados ou
estavam operando em frequências muito
altas para gerar estimativas precisas de SST.


O TMI abrange os oceanos tropicais entre 40ºN e 40ºS e
fornece uma visão da superfície do oceano sob todas as
condições meteorológicas, excepto chuva.

Em 2002, o criador de imagens através de microondas
AMSR-E a bordo de satélites da NASA do Aqua polar,
juntou-se ao satélite TRMM.

Em comparação com a órbita equatorial perto da
TRMM, o satélite Aqua está em órbita polar
heliosincrónica que permite observar a superfície do
oceano, em qualquer latitude.

Está esperado um gerador de imagens de microondas
para a próxima geração, o satélite NPOESS Futuro, com
benefícios específicos que vai continuar as observações
de SST para o clima global e aplicações climáticas.

Devido à alta constante dieléctrica da
água, a superfície de um corpo de
água é um emissor relativamente
pobre (um bom reflector) de energia de
microondas, especialmente em
frequências menores que 90 GHz

Terra e gelo marinho são emissores relativamente bons
(refletores pobres) da energia de microondas. Esta
diferença entre as propriedades de emissão da água
com a terra e o gelo marinho faz a diferença na
temperatura de brilho perto de 40 Kelvin, mesmo
quando a temperatura física de superfícies diferentes é
muito semelhantes.

A grande diferença na emissão do
oceano em comparação com o gelo
em terra e no mar permite identificar as
áreas correspondentes a corpos na
água, e também para detectar
camadas de gelo como um subproduto
do processo de extracção da SST.

Estes gráficos mostram os espectros de emissão
de microondas das estruturas de superfície e
vários oceanos. Nas curvas de emissão da água
do mar, solo seco e novos gelo (esquerda) em
altas frequências de microondas a emissão de
solo seco e gelo no mar é quase duas vezes a
massa de água.

Como observamos em frequências mais baixas,
as diferenças na emissão das massas de água e
solo aumentam, o que ajuda a separar e
classificar os dois tipos de superfícies. Isto é
importante para a cobertura fraccionada de
gelo no mar durante o processo de extracção de
SST.

Estes dois compostos de imagens globais mostram
temperaturas de brilho dos canais 6,9 e 10,7 GHz de
polarização vertical obtida com o gerador de imagens
de microondas AMSR-E em 03 de Março de 2006.


No diapositivo anterior sobressai o contraste entre o
solo, oceanos e gelo marinho. Isto coincide com o
que poderia ser esperado com base em diferenças
nas curvas de emissão.
Estas duas imagens também destacam a facto de
que as baixas frequências de microondas são menos
sensíveis ao vapor de água atmosférico e às nuvens.
Também se observam algumas áreas de chuva,
como áreas relativamente quentes, especialmente
na imagem de 10,7 GHz, precipitação a contaminar
a extracção de dados da SST num canal comum
superior a 10 GHz para separar a precipitação dos
dados desejados.

Enquanto que as
frequências acima de 10
GHz fornecem
informações adicionais
importantes para
caracterizar uma série de
factores utilizados no
processo de extracção,
como a quantidade de
vapor de água, nuvens,
chuva e mar agitado em
relação à velocidade e
direcção do vento.

Devido à insensibilidade
em relação às nuvens e
aos gases atmosférica
(vapor de água e
oxigénio), é comum usar
as frequências mais
baixas de microondas,
entre 6 e 10 GHz, para os
dados da SST.
Como mencionado, se não separarmos
a precipitação, é um factor que pode
contaminar os dados de SST.
 A medição exacta de SST também
requer outros factores que são parte do
algoritmo de extracção, como o vapor
de água atmosférico. O vapor de água
é levado em conta através dos canais
de frequências mais elevadas, como 22
GHz


Nuvens: embora a maioria da radiação de microondas de
baixa frequência penetra na camada de nuvem, se esse
factor não for levado em consideração produz um efeito de
magnitude suficiente para causar erros nos dados de SST
extraídos. Normalmente isso é conseguido através de canais
de maior frequência entre 10 e 89 GHz

Precipitação: a radiação da superfície é incapaz de
penetrar a precipitação, de modo que não podemos tirar
dados SST contaminados. As áreas de precipitação são
identificados por canais de frequências mais elevadas,
entre 10 e 89 GHz.

Gelo marinho: quando há gelo no mar contamina fortemente o sinal
de SST e deve estimar a sua cobertura fraccionada para garantir a
extracção precisa de SST. Quando a superfície do oceano é
completamente cobertura de gelo, os valores de SST podem ser
estimados pela temperatura de congelamento do oceano daquela
região, de acordo com o algoritmo em uso.

Salinidade nos oceanos: a velocidade e direcção do vento, a
agitação da superfície e a cobertura de espuma são outros factores
que afectam a precisão dos dados de SST extraídos para desenvolver
algoritmos de mineração.
Um aspecto importante dos sensores
remotos das SST muitas vezes não se
considerar a profundidade do oceano, que
corresponde à temperatura de brilho
observada pelo satélite.
 Na energia infravermelha emitida pela
superfície do oceano vem numa camada
extremamente fina com alguns micrómetros
de profundidade, é chamada de camada
de superfície ou "pele".





A pequena diferença de profundidade, o impacto sobre
temperaturas de brilho e SST extraído pode ser considerável. As
consequências são importantes quando a interpretação dos
dados extraídos de SST é contínua para fundir os produtos de
vários valores de SST de infravermelha e de microondas.
Se olharmos para os dois perfis de temperatura, vemos que a SST
detectado por microondas é geralmente mais quente que o
correspondente à SST nos infravermelho, entre um décimo de
Kelvin e até mesmo um ou dois Kelvin, de dia e de noite e, na
ausência de uma camada espessa nuvem.
A camada de "pele" perto do superfície tende a ser mais fria
devido a evaporação, efeito de resfriamento, que é
especialmente forte quando o fluxo de radiação e vento é
ascendente entre a água e o ar, verificando-se mais à noite.
Durante o dia a camada de 1 a 10 metros o sofre um
aquecimento (o perfil desloca-se para a direita) devido à
absorção da luz solar.
Desde que foi lançado em 1997, a Microwave
Imager TRMM (TRMM Microwave Imager, TMI)
deu-nos uma cobertura quase constante de
SST nos trópicos sob quaisquer condições
meteorológicas.
 O seu canal de baixa frequência,10,7 GHz,
cuja calibração é excelente, foi uma
tecnologia para as primeiras medições de
rotina de SST usando um sistema de
microondas passivo.



Esta imagem composta de dados obtidos pelo MIF nas órbitas de um
dia mostra um padrão típico de órbitas cruzados que deixa pequenas
áreas sem dados, por causa da cobertura estreita de 750 km do
instrumento.
Devido à órbita equatorial perto satélite TRMM, que foi projectado
para optimizar a Missão de Observação dos trópicos, TMI tem uma
cobertura que abrange apenas os trópicos (cerca de 40ºN e S).

Estas zonas mortas desaparecem muito rapidamente se os dados
médios de alguns dias, como nestes dados do mapa a partir de três
dias. Existem ainda alguns lugares não abrangidos pela SST por causa
da natureza persistente de chuvas convectiva associadas a zonas de
convergência tropical no Pacífico e Atlântico.

Se estendermos a uma semana o período de composição de
imagens, como nesta série de imagens de SST TMI Weekly de Agosto
a Outubro de 2004, as zonas mais mortas devido à precipitação
desaparecem. As imagens compostas de três dias por semana são
perfeitas para a observação de frentes de correntes oceânicas e de
ondas de instabilidade que se formam nas bordas até aos pólos das
correntes Pacífico equatorial e Atlântico.

As imagens mensais podem ajudar-nos a monitorizar as mudanças
nos padrões de SST associados a eventos de larga escala, tais como
El Niño e La Niña. Eles também nos ajudam a seguir a variabilidade
das estruturas persistentes, como as correntes equatoriais e correntes
contrárias e a borda principal ocidental, entre os quais incluem a
Corrente do Golfo, a corrente Kuroshio e a corrente Africana de
Agulhas.

Outro tipo de produto de SST é diagnosticar
padrões e condições que se afastam da
média de longo prazo, como o ciclo
repetitivo de El Niño / La Niña do Oceano
Pacífico tropical. El Niño 1997-1998 ocorreu
nas águas quentes equatoriais do Pacífico
Leste. Vários meses depois as águas
quentes tornaram-se numa área de
crescimento anormal de água fria, que
marca o início de um evento de La Niña.


Ao contrário dos produtos gerados pelo TMI, a
SST do AMSR-E estende a cobertura a todo o
globo.
Desde que foi lançado em Novembro de 2002,
o gerador de imagens de microondas AMSR-E
fornece uma cobertura diária quase contínua
dos oceanos do nosso planeta. Ao fazê-lo tem
demonstrado uma capacidade de
percepção dos oceanos, que serve como um
exemplo para o projecto dos futuros sistemas
de observação, o futuro imageador de
microondas NPOESS.

O AMSR E está equipado com um canal de baixa frequência de
6,9 GHz adicional, que quando usado em combinação com o canal
10,7 GHz ajuda a aumentar a precisão de SST em relação ao TMI.

Esta imagem composta das órbitas ascendente (dia) e descendente
(noite) de um dia do instrumento AMSR-E, mostra o padrão típico de
órbitas que se cruzam, que deixa áreas descobertas nos trópicos e
latitudes médias. As órbitas que se sobrepõem em latitudes mais altas
garante cobertura completa e em algumas áreas representa várias
passagens por dia.

Se gerar uma imagem composta por um longo período de três dias
(equivalente ao TMI), as superfícies do oceano desaparecem e os
dados de cobertura SST em falta devido à chuva são minimizadas.
Esta imagem permite-nos identificar certas estruturas, como as ondas
de instabilidade ao longo da borda sul do Pacífico Equatorial e o
forte gradiente de temperatura ao longo da borda norte da Corrente
do Golfo.



A tabela que se segue apresenta um resumo dos
sistemas com instrumentos de microondas passivo
que, actualmente, produtos SST podem ser gerados
e as principais características destes produtos.
É de notar a ausência de instrumentos SSM / I, e
AMSU SSMIS, que não têm canais de baixa
frequência (10,7 GHz ou menos) necessários para a
observações de SST.
A próxima geração de sistemas de imagens de
instrumentos de microondas, tais como aqueles que,
eventualmente, irão a bordo dos satélites NPOESS,
serão os canais de baixa frequência necessária para
continuar as observações meteorológicas globais de
rotina SST e aplicações climáticas.

Com as diferentes emissões de
microondas emitidas de cada superfície
pode-se obter vários produtos
analisando com precisão os dados de
STT extraídos.

http://torre.fis.ua.pt/RemoteDetection/A
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