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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.

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1 Detecção Remota Ema Aldeano /2012

2 Secção 5: Temperatura da superfície do mar 5.1 Por que utilizar os dados da SST? Necessidade de banco de dados TSM Aplicações e Usuários Por Monitor de SST a partir de satélites em órbita polar? página Por Monitor de SST a partir de satélites em órbita polar? página Por Monitor de SST a partir de satélites em órbita polar? página Por Monitor de SST com radiómetros de microondas passivos? radiómetros passivo de microondas para medir a TS 5.2 O que parece que a SST do espaço? Emissão de Microondas: comparação de água com gelo a terra e o mar Emissão de Microondas: curvas de emissão Impactos emissividade de temperatura de brilho Seleção de canal Fatores que afetam atmosféricas e oceânicas extração de SST Interpretação dos dados de microondas SST 5,3 Instruments e exemplos de produtos Imagens composto TMI SST TMI anomalias de TSM Imagens de AMSR-E SST 5,4 Desempenho de ferramentas e recursos do produto Gerador de sistemas imagens de microondas passivo Pergunta sobre instrumentos Limitações da productoss e clima.

3 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.

4 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.

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6 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.

7 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.

8 A SST afecta a génese e evolução dos sistemas meteorológicos e ciclones tropicais.

9 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.

10 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.

11 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.

12 Bloom de algas que cobria grandes áreas do Pacífico equatorial, após o intenso El Niño de

13 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.

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15 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.

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17 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.

18 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.

19 Devido à sua geometria de observação, os satélites geoestacionários não podem presenciar directamente as regiões polares da Terra, para além de 70ºN e S.

20 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.

21 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.

22 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.

23 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.

24 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.

25 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.

26 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 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.

27 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.

28 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.

29 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.

30 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.

31 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

32 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.

33 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.

34 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.

35 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.

36 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.

37 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.

38 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.

39 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.

40 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

41 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

42 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.

43 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.

44 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.

45 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".

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48 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.

49 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.

50 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).

51 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.

52 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.

53 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.

54 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 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.

55 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.

56 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.

57 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.

58 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. i

59 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.

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61 Com as diferentes emissões de microondas emitidas de cada superfície pode-se obter vários produtos analisando com precisão os dados de STT extraídos.

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