System odbioru i przetwarzania danych satelitarnych IMGW-PIB możliwości wykorzystania w badaniach środowiska morskiego

Transkrypt

1 System odbioru i przetwarzania danych satelitarnych IMGW-PIB możliwości wykorzystania w badaniach środowiska morskiego Bożena Łapeta, Piotr Struzik, Monika Hajto Dział Teledetekcji Satelitarnej

2 Plan prezentacji: Wprowadzenie: system obioru i przetwarzania danych Rodzaj danych oraz produktów operacyjnie generowanych w DTS osłona morska Dane Programu Copernicus (Sentinel): dostęp i możliwości ich wykorzystania.

3 METEOSAT (8,9,10) NOAA 15-19, SuomiNPP Metop-A, B Terra, Aqua Numeryczne prognozy pogody: COSMO, ALADIN, INCA IMGW System detekcji wyładowań atmosferycznych PERUN 60 stacji Synop 152 stacje Klimatyczne 978 posterunków opadowych 196 posterunków śniegowych Dane satelitarne jako element składowy systemu obserwacyjno pomiarowego IMGW Fig Composite image from all Polish radars. 8 radarów ~1000 automatycznych stacji telemetrycznych

4 Stacja naziemna odbioru danych satelitarnych IMGW-PIB Oddział Krakowski IMGW-PIB jest jednostką zaangażowaną w odbiór i przetwarzanie danych satelitarnych od początku lat 60-tych ubiegłego wieku. Systemy odbioru, przetwarzania, interpretacji oraz dystrybucji produktów są rozwijane od przeszło 50 lat w komórce, której nazwa zmieniała się na przestrzeni czasu, aktualnie jest to Dział Teledetekcji Satelitarnej (DTS). DTS jest jedyną w Polsce jednostką wyposażoną w systemy pozwalające na gromadzenie i przetwarzania danych z wszystkich systemów satelitów meteorologicznych oraz wielu środowiskowych. DTS posiada wyszkolonych operatorów satelitarnych systemów odbioru i przetwarzania danych, pracujących w trybie operacyjnym (7/365).

5 Geant Schemat systemu odbioru i przetwarzania danych satelitarnych DTS Sentinel-3 Terra, Aqua, Suomi NPP, NOAA, Metop NOAA, Metop Meteosat LRIT EUMETCast Sentinel-1,2 2.4m L/X band 1.8m L band 3.15 m L band 1.6m Ku band 1.3m Ku band EUMETCast Terrestrial Ant. Control Ant. Control Ayeca Rec. Ayeca Rec. DSR-II Rec. DSR-III Rec. DSR-II Rec. DSR-II Rec. DVB1 Server DVB2 Server Terr. Server Acq. Server Polar Server 2 RSS XRIT-1 Server 15 min XRIT-5 Server XRIT-3 Server XRIT-4 Server LAN XRIT-2 Server Polar Polar LRIT Vision1 Server Vision5 Server Linux-Polar Server Linux-XRIT Server

6 Satelity Meteorologiczne wykorzystywane operacyjnie w IMGW-PIB Satelity Geostacjonarne: METEOSAT-11 na orbicie, uśpione funkcje do 2018, pozycja 3.4W METEOSAT-10 podstawowy satelita operacyjny tryb pracy 15 min, pozycja 0 deg METEOSAT-9 satelita zapasowy pracujący w trybie RapidScan 5 min, pozycja 9.5 deg E METEOSAT-8 satelita na pozycji 41.5 deg E (Ocean Indyjski) Pośredni dostęp do obrazów z satelitów: GOES-E (USA) GOES-W (USA) MTSAT-2 (Japonia) Himawari-8 (Japonia) FY3 (Chiny) Satelity na niskich orbitach (okołobiegunowe) bezpośredni odbiór danych: Seria satelitów NOAA (15, 18 i 19), Satelita Europejski METOP-A i B, Najnowszy satelita amerykański Suomi NPP (NPOESS Preparatory Programme), Satelity środowiskowe: TERRA i AQUA Pośredni dostęp (EumetCast lub Internet): Satelita oceanograficzny Jason-2, 3 GCOM-W1 (Japonia) GPM (USA/Japonia) Sentinel - 1,2 i 3

7 Satelity okołobiegunowe: NOAA, Metop, Terra, Aqua, S-NPP Satelita geostacjonarny METEOSAT Orbita geostacjonarna km, Satelita wykonuje ruch wirowy 100 obr/min. Satelity polarne ok. 850 km, położenie satelity stabilizowane w 3 osiach. Okres obiegu po orbicie c.a. 102 minuty 7

8 Pokrycie przestrzenne Satelita geostacjonarny Meteosat/SEVIRI Satelita okołobiegunowy SNPP/VIIRS, , 11:30 UTC

9 Zdolność rozdzielcza Satelita geostacjonarny Satelita okołobiegunowy NOAA/AVHRR Satelita geostacjonarny Meteosat/SEVIRI wysoka rozdzielczość Satelita okołobiegunowy AQUA/MODIS Satelity polarne 9

10 Ograniczenia wynikające z platformy satelitarnej Satelity geostacjonarne: Zalety: - Pokrycie przestrzenne hemisfera, - możliwy krótki czas repetycji ( min), - proste i tanie systemy odbioru danych. Wady: - Stosunkowo niska rozdzielczość przestrzenna (1-5km), - Brak przyrządów mikrofalowych, - Brak przyrządów do sondażu atmosfery. Satelity okołobiegunowe: Wady: - Pokrycie przestrzenne pas o szerokości ok km (NOAA), - Długi czas repetycji (ok. 2 razy na dobę), - Drogie i skomplikowane systemy odbioru danych. Zalety: - Dobra rozdzielczość przestrzenna (10m-1km), - przyrządy mikrofalowe pasywne i aktywne, - Dostępny sondaż atmosfery (IR, MW, radio occultation). 10

11 Dane satelitarne w badaniach środowiska morskiego Ze względu na rozdzielczość przestrzenną oraz charakterystykę spektralną czujników, satelity okołobiegunowe dostarczają użytecznych danych na potrzeby zarówno osłony morskiej jak i badań środowiska morskiego. Z punktu widzenia badania mórz i oceanów najistotniejsze są: czujniki pasywne obrazujące oraz mikrofalowe, przy czym te ostatnie pełnia głównie funkcje pomocnicze, czujniki aktywne: radary, scatterometry oraz wysokościomierze.

12 Czujniki pasywne - jakich danych potrzebujemy? Dla celów określania SST potrzebne są dane z kanałów IR w oknie atmosferycznym od 10.0 µm do 12.0 µm Dla celów pozyskiwania informacji o kolorze oceanu potrzebne są pomiary w paśmie widzialnym, z uwzględnieniem krótkofalowej jego części kolory niebieski i zielony ( µ). Dane o stratyfikacji i składzie atmosfery dla celów korekcji atmosferycznej pomiarów w części VIS - usunięcie wpływu atmosfery. Wpływ atmosfery w paśmie µm jest istotnie duży

13 Czujniki pasywne dane operacyjnie odbierane Advanced Very High Resolution Radiometer AVHRR (NOAA18 i 19, Metop-A i - B) 5-kanałowy radiometr mierzący promieniowanie w zakresie µm z rozdzielczością 1-5 km (do 8 transmisji na dobę). MODIS (Terra, Aqua) - 36-kanałowy radiometr skanujący zobrazowanie ziemi w świetle widzialnym i podczerwieni termalnej ( µm) z rozdzielczością od 250/500/1000 m (do 4 transmisji na dobę). VIIRS (S-NPP) kanałowy radiometr skanujący podobny do przyrządu MODIS. Zobrazowanie ziemi w świetle widzialnym i podczerwieni termalnej ( µm) z rozdzielczością 370/750 m (2 transmisje na dobę). The MultiSpectral Instrument, MSI, (Sentinel-2) - 13-kanałowy instrument mierzący promieniowanie w świetle widzialnym ( µm) z rozdzielczością 10/20/60m (1 transmisja na 6-8 dni).

14 Czujniki aktywne dane i produkty operacyjnie dostępne Scatterometry: ASCAT/Metop dane level-0, 1 i 2, 3-4 razy na dobę. Wysokościomierze radarowe jedynie produkty, odbierane poprzez EumetCAST Alitimeter/Jason-2, -3: 4-6 razy na dobę, SARAL/Altika: 2 razy na dobę. Radar z aperturą syntetyczną dane level-1b SAR/Sentinel-1A i -1B: średnio 20 dni w miesiącu dla danej lokalizacji. 15

15 Sytuacja meteorologiczna dla Bałtyku

16 Zlodzenie morza na podstawie danych Terra i Aqua Osłona morska

17 Produkty na potrzeby osłony morskiej oraz badań środowiska mórz i oceanów czujniki pasywne Temperatura powierzchni morza (K, C) Koncentracja chlorofilu-a (mg/m 3 ) Materia zawieszona Głębokość optyczna aerozoli dla 0.47, 0.55, 0.65, 0.86, 1.2, 1.6 and 2.1 µm Współczynnik (wykładnik) Ångstroma Aerosol fine size mode fraction Particulate organic and inorganic carbon (mg/m 3 ) Chwilowe promieniowanie fotosyntetycznie czynne na powierzchni morza (Instant. photosynthetic available radiation) (Eistein*m -2 *s -1 ) Promieniowanie fotosyntetycznie czynne (Eistein*m -2 *day -1 ) Dyfuzyjny współczynnik osłabienia (diffuse attenuation coeff.) (1/m) Norm. Fluorescence line height (W*m -2 µm -2 sr -2 ) 18

18 Produkty na potrzeby osłony morskiej oraz badań środowiska mórz i oceanów czujniki aktywne Prędkość i kierunek wiatru na morzu (m/s); Wysokość falowania (significant wave height) (m); Anomalia poziomu morza (mm); Zlodzenie; Detekcja obszarów powierzchni morza pokrytych ropą; Detekcja statków na morzu; 19

19 Przykładowe produkty Temperatura powierzchni morza z danych MODIS, , 11:10 UTC

20 Przykładowe produkty Temperatura powierzchni morza z danych MODIS, , 20:36 UTC

21 Przykładowe produkty Temperatura powierzchni morza z danych MODIS, , 1148 UTC

22 Przykładowe produkty Koncentracja chlorofilu z danych MODIS

23 Przykładowe produkty Koncentracja chlorofilu a z danych MODIS, , 1148 UTC

24 Przykładowe produkty Głębokość optyczna aerozoli dla 889 nm z danych MODIS, , 1148 UTC

25 Przykładowe produkty Współczynnik Angstroma z danych MODIS, , 1148 UTC

26 Przykładowe produkty Particulate organic and inorganic carbon z danych MODIS, , 1148 UTC

27 Przykładowe produkty Chwilowe promieniowanie fotosyntetycznie czynne na powierzchni morza z danych MODIS, , 1148 UTC

28 Przykładowe produkty Promieniowanie fotosyntetycznie czynne z danych MODIS, , 1148 UTC

29 Przykładowe produkty Dyfuzyjny współczynnik osłabienia z danych MODIS, , 1148 UTC

30 Przykładowe produkty Norm. Fluorescence line height z danych MODIS, , 1148 UTC

31 Przykładowe produkty Pole wiatru na morzu z danych ASCAT oraz modelu ECMWF nad lądem: wszystkie przeloty w godzinach 7-11 UTC.

32 Anomalia wysokości powierzchni morza na podstawie danych z wysokościomierzy satelitarnych: Jason- 2, Jason-3, Saral/Altika, Sentenel-1. Wysokość falowania morza na podstawie danych z wysokościomierzy satelitarnych: Jason-2, Jason-3, Saral/Altika, Sentinel Axel Low Storm on Baltic Sea

33 Pokrywa lodowa na Zalewie Szczecińskim w lutym 2017 Sentinel-1 SAR

34 Program Copernicus środowisko morskie

35 Misja Sentinel-3 Sentinel-3 - satelity Programu Copernicus zaprojektowany do monitorowania mórz i oceanów. Misja ta jest kontynuacją misji ERS, Envisat i SPOT. Pierwszy z dwóch satelitów (Sentinel-3A) został umieszczony na orbicie w lutym Drugi z satelitów zostanie umieszczony na orbicie w 2018.

36 Misja Sentinel-3 Na pokładzie Sentatil-3 znajdują się następujące czujniki: OLCI: Ocean and Land Colour Instrument. SLSTR: Sea and Land Surface Temperature Instrument. SRAL: SAR Radar Altimeter. MWR: Microwave Radiometer instrument pomocniczy dla SRAL (korekcja ze względu na wilgotność w atmosferze). oraz czujniki dla precyzyjnego określania orbity: DORIS: system Doppler Orbit Radio do pozycjonowania. GNSS: odbiornik GPS podający dokładne parametry orbity oraz śledzący położenie innych satelitów. LRR: do dokładnego określania orbity z wykorzystaniem systemu Laser Retro- Reflector.

37 Czujniki satelitarne Sentinel3 dedykowane do monitoringu mórz i oceanów Ocean and Land Colour Instrument (OLCI) (Sentinel-3) 5 kamerowy spektrometr mierzący promieniowanie słoneczne w 21 kanałach ( µm) z rozdzielczością 300m w punkcie podsatelitarnym. OLCI spectral bands center width 1 aerosol, in-water properties yellow substance, detritus chlorophyll absorption max chlorophyll and other pigments suspended sediments, red tide chlorophyll absorption min suspended sediments chlorophyll absorption, fluorescence fluorescence chlorophyll fluorescence peak chlorophyll fluoresc. ref., atm. corr vegetation, clouds O 2 R-branch absorption atmospheric parameters cloud top pressure O 2 P-branch absorption atmospheric correction vegetation, water vapour reference water vapour, land atmospheric correction atmospheric correction

38 Dobowy rozkład skanów czujnika Sentinel-3A OLCI

39 Czujniki satelitarne dedykowane do monitoringu mórz i oceanów Sea and Land Surface Temperature Radiometer (SLSTR) (Sentinel-3) 11-kanałowy radiometr mierzący promieniowanie w pasmach widzialnym i podczerwonym ( µm) z rozdzielczością 500m w punkcie podsatelitarnym. Dedykowany do określania w skali globalnej i regionalnej temperatury powierzchni mórz i lądów (z dokładnością lepszą niż 0.3K dla SST). Capability SLSTR Specifications Swath Nadir view > km VIS 0.55; 0.659; Spectral channel centre (mm) SWIR 1.375; 1.610; 2.25 MWIR/TIR 3.74; 10.85; 12 Fire 1/2 3.74; 10.85

40 Produkty Sentinel-3 Generowane operacyjnie przez segmenty naziemne ESA i EUMETSAT. EUMETSAT jest odpowiedzialny za operacyjne tworzenie i dystrybucję produktów nad morzami i oceanami; ESA jest odpowiedzialna za operacyjne tworzenie i dystrybucję produktów nad lądami. TYPY Produktów

41 Produkty Sentinel-3 Zgodnie z informacją uzyskaną od EUMETSAT, operacyjna dystrybucja danych SLSTR i produktów Sentinel 3 dla środowiska morskiego ma wystartować jeszcze w czerwcu. DTS jest technicznie przygotowane do odbioru tych produktów jednak ich archiwizacja może napotkać trudności.

42 Zalety i wady wykorzystania danych satelitarnych Wady: Zalety: możliwość pozyskiwania informacji z całej powierzchni mórz i oceanów co pozwala na badanie zjawisk w szerszych skalach. utrzymywanie tego typu czujników na orbicie przez dekady daje możliwość śledzenia zmian zachodzących w środowisku morskim. Wpływ zachmurzenia niemożność zaglądnięcia pod chmury. Wyjątkiem są tu instrumenty mikrofalowe, ale ich wykorzystanie jest ograniczone. Trudności z pozyskiwaniem informacji ze strefy przybrzeżnej dane z pikseli obejmujących zarówno wodę jak i ląd są trudne do interpretacji. Rozwiązaniem jest poprawa przestrzennej zdolność rozdzielcza rozdzielczej. Wciąż długi czas repetycji brak czujników na satelitach geostacjonarnych.

43 Podsumowanie Aktualnie IMGW-PIB wykorzystuje informację cyfrową z satelitów meteorologicznych i środowiskowych do prowadzenia działań statutowych dotyczących osłony meteorologicznej, hydrologicznej, morskiej, agrometeorologicznej; Wykorzystanie tych danych w badaniach środowiska morskiego jest w fazie początkowej. Rozwojowi tych działań sprzyja m.in. Uruchomienie operacyjnego odbioru danych z satelitów Sentinel oraz wdrożenie nowych pakietów do przetwarzania danych z satelitów okołobiegunowych daje wiele możliwości wykorzystania danych satelitarnych w badaniach nad środowiskiem.

44 Dziękuję za uwagę