SYSTEM SATELITÓW METEOROLOGICZNYCH DZIŚ I JUTRO

Transkrypt

1 SYSTEM SATELITÓW METEOROLOGICZNYCH DZIŚ I JUTRO Wprowadzenie Najczęściej zadawanym pytaniem na Świecie jest pytanie Jaka będzie pogoda?. Aby dać na nie właściwą odpowiedź, służby meteorologiczne na Świecie i w Polsce korzystają z systemów obserwacyjnych znajdujących się na lądzie, na wodzie, w powietrzu i w kosmosie. Są to posterunki obserwacyjno-pomiarowe, zarówno obsługiwane przez ludzi jak i automatyczne, sieć radarów meteorologicznych, systemy detekcji wyładowań atmosferycznych oraz system satelitów meteorologicznych wraz ze strukturą naziemną pozwalającą na odbiór i przetwarzanie danych oraz dystrybucję produktów do bezpośrednich użytkowników. Całość systemu diagnozy i prognozy pogody uzupełniają numeryczne modele prognostyczne oraz najważniejsza część tego systemu synoptyk analizujący dostępną informację i odpowiadający nam na pytanie jaka będzie pogoda?. Niezwykle istotną rolę w dostarczaniu aktualnej informacji o stanie atmosfery i powierzchni ziemi pełnią satelity meteorologiczne. Meteorologia jest dziedziną o ugruntowanym już od dziesięcioleci operacyjnym wykorzystywaniu danych satelitarnych. Budowa globalnego systemu satelitarnego dla meteorologii rozpoczęła się roku przez umieszczenie na orbicie pierwszego satelity TIROS. W ciągu ostatnich 47 lat system ten przekształcił się w gęstą sieć satelitów zarówno na orbitach geostacjonarnych (na wysokości km) jak i na niskich orbitach okołobiegunowych (ok. 850 km). Satelity geostacjonarne dostarczają aktualnie obrazy w cyklu 15 minutowym (METEOSAT), a nawet 5 minutowym (GOES, METEOSAT w trybie RapidScan). Satelity krążące na niższych orbitach są wyposażone w radiometry o wyższej rozdzielczości, czujniki do sondażu atmosfery i przyrządy mikrofalowe. Rys.1. Dane satelitarne jako jedno ze źródeł informacji o pogodzie (system obserwacyjno-pomiarowy IMGW). Obszar działania służb meteorologicznych obejmuje wiele dziedzin naszego życia. Jest to: gospodarka (produkcja, konsumpcja), transport (ląd, morze, powietrze), rekreacja (ląd, morze, powietrze), rolnictwo, rybactwo, zasoby wodne, bezpieczeństwo. Przygotowując strategię na lata przyszłe w dziedzinie meteorologii oraz rozważając możliwą ewolucję systemu satelitarnego, należy wziąć pod uwagę następujące czynniki: Jak zmieni się społeczeństwo? Czego będzie oczekiwać od służb meteorologicznych? Jakie usługi sprostają tym oczekiwaniom? Jaka informacja będzie potrzebna aby zapewnić te usługi? Jak zmiany systemów satelitarnych pomogą w zapewnieniu oczekiwanej informacji? Informacja satelitarna w meteorologii stan aktualny System satelitów meteorologicznych tworzy aktualnie ważną część systemu obserwacyjno-pomiarowego dla meteorologii. Aktualny stan tego systemu przedstawiono na Rys. 2. Dane satelitarne są dostępne poprzez odbiór bezpośrednio z satelitów lub poprzez system dystrybucji GEONETCast wykorzystujący system satelitów telekomunikacyjnych. W Polsce (IMGW) operacyjnie wykorzystywane są dane z satelitów METEOSAT-6, 7, 8 i 9, z konstelacji satelitów NOAA (12, 14, 15, 16, 17 i 18) oraz z chińskiego satelity FengYun 1D. Do celów informacyjnych wykorzystywane są również dane z pozostałych satelitów geostacjonarnych GOES-E, GOES-W i MTSAT-1R.

2 Dane satelitarne służą do tworzenia produktów meteorologicznych. Są to zarówno produkty obrazowe o różnym stopniu przetworzenia obrazy z poszczególnych kanałów spektralnych, kompozycje barwne, produkty o charakterze meteorologicznym, jak i dane w formie wykresów lub wartości sondaż atmosfery, stabilność atmosfery itp. Dane satelitarne są wykorzystywane w systemach wspomagających pracę synoptyka, takich jak: system LEADS, system nowcastingowy NIMROD korzystający z danych radarowych i satelitarnych, meteorologiczne modele numeryczne COSMO i ALADIN. Rys. 2. Globalny system satelitów meteorologicznych stan aktualny. Podstawowe obszary zastosowania tych danych to przede wszystkim meteorologia i hydrologia ale również: agrometeorologia, oceanologia, monitorowanie środowiska naturalnego. Poza służbami IMGW z produktów satelitarnych korzystają wojskowe służby meteorologiczne oraz inni użytkownicy (media, zespoły badawcze). Aktualnie w Polsce znajduje się kilkanaście stacji odbioru danych z satelitów meteorologicznych: Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Zakład Badań Satelitarnych w Krakowie (wszystkie meteorologiczne systemy satelitarne), Wojskowa Akademia Techniczna, Sekcja Meteorologii (METEOSAT LRIT), Instytut Geodezji i Kartografii w Warszawie (NOAA), Uniwersytet Śląski, Wydział Nauk o Ziemi w Sosnowcu (NOAA), Kolegium Karkonoskie w Jeleniej Górze (METEOSAT), Uniwersytet Warszawski, Wydział Geofizyki (METEOSAT), Uniwersytet Gdański, Wydział Oceanografii (NOAA, METEOSAT), Uniwersytet Gdański, Instytut Geografii (METEOSAT), Uniwersytet Marii Curie Skłodowskiej w Lublinie (NOAA), Uniwersytet Szczeciński (NOAA), Główny Instytut Leśnictwa (NOAA), Uniwersytet Adama Mickiewicza w Poznaniu (METEOSAT), Użytkownicy prywatni - 2 osoby (METEOSAT). Rys. 3. Wybrane zastosowania informacji z satelitów meteorologicznych.

3 Możliwości nowego systemu MSG opierają się na dobrej rozdzielczości spektralnej (12 kanałów) i powtarzalności (15 minut w trybie podstawowym / 5 minut w trybie RapidScan). Daje to możliwość tworzenia wielu produktów, wśród nich najczęściej używane to kompozycje barwne z użyciem 3 lub więcej kanałów spektralnych. Pozwalają na klasyfikację chmur różnego poziomu i o różnej fazie wody (kropelki wody / kryształki lodu). Przykładowe produkty zamieszczono na Rys. 5. Rys. 4. Meteorologiczne satelity geostacjonarne dostarczają informacji o aktualnym stanie pogody na całym globie obraz z 5 satelitów rejestrowany co 5-30 minut. Rys. 5. Kompozycje barwne z kanałów czujnika SEVIRI/MSG - RGB 0.6/0.8/10.8 μm po lewej i RGB 0.6/1.6/10.8 μm po prawej. Różnorodność informacji w szerokim spektrum promieniowania pozwala na tworzenie produktów pozwalających na: detekcję, klasyfikację oraz określanie wysokości chmur, ocenę intensywności opadu, detekcję burz, ocenę stabilności atmosfery, określenie wilgotności atmosfery na różnych poziomach oraz typu mas powietrza, określenie pola wiatru. Przykładowe produkty przetwarzania danych satelitarnych przedstawiono na Rys. 6. Maska zachmurzenia Typ zachmurzenia Intensywność opadu z chmur konwekcyjnych Prawdopodobieństwo opadu Stabilność atmosfery Całkowita zawartość pary wodnej Rys. 6. Wybrane meteorologiczne produkty satelitarne.

4 Informacja satelitarna w meteorologii perspektywa 2012 Do chwili obecnej dostępne czujniki, systemy satelitarne oraz systemy odbioru i przetwarzania tych danych, przeszły niespotykany w innych dziedzinach rozwój. W obszarach wykorzystania satelitów meteorologicznych tj.: meteorologii, hydrologii, gospodarce wodnej, oceanologii, monitorowaniu środowiska naturalnego i innych pokrewnych dziedzinach, możliwości wykorzystania technologii satelitarnej są stale doskonalone i nie odbiegają od standardów światowych. Oprócz operacyjnego wykorzystywania tych danych prowadzone są prace badawczo-wdrożeniowe. Prace takie muszą znacznie wyprzedzać planowane misje satelitarne aby zapewnić gotowość techniczną i organizacyjną w chwili umieszczenia satelitów na orbicie. Najbliższe lata i kolejna dekada będą stanowiły okres dynamicznego rozwoju technologii kosmicznej. Obok systemów eksploatowanych operacyjnie w chwili obecnej pojawią się nowe systemy satelitarne z dotychczas nie stosowanymi czujnikami, a techniki wykorzystywania nowych danych przejdą dynamiczny rozwój nie tylko ze względu na ich charakter ale również dzięki rozwojowi technologii przetwarzania i dystrybucji informacji. Tylko w dziedzinie meteorologii dostępnych będzie kilkanaście nowych systemów satelitarnych (np. EPS, NPOESS, SMOS, GPM, EGPM, Hydrosat, MTG, PostEPS itd.). Ze względu na czas powstawania nowych systemów satelitarnych, prace nad systemami planowanymi jeszcze w bieżącej dekadzie są na etapie finalnym, a na przykład prace nad systemem MTG czy PostEPS właśnie się rozpoczynają. Aby uczestniczyć w tym rozwoju, niezbędna jest szczegółowa analiza perspektyw, identyfikacja obszarów wykorzystania informacji wraz z koncepcją działań jakie należy podjąć w Polsce, aby wykorzystanie tych danych przyniosło korzyści ekonomiczne i społeczne. W obszarach działania służby meteorologicznej ma to szczególne znaczenie, ze względu na prognozowanie i ostrzeganie przed ekstremalnymi zjawiskami naturalnymi. Mają one wpływ na wszystkie dziedziny życia, a w przypadku ich wystąpienia niosą często olbrzymie straty materialne, a nawet utratę życia ludzkiego. Perspektywa najbliższych lat (do 2012) to przede wszystkim lepsze wykorzystanie tych instrumentów i danych satelitarnych, które są dostępne od niedawna wskutek umieszczenia na orbicie pierwszych dwóch satelitów serii METEOSAT Drugiej Generacji (MSG) w latach 2002 i 2006 oraz pierwszego satelity serii METOP w październiku Prace nad wykorzystaniem danych MSG trwają od roku Satelita METOP-A jest aktualnie w fazie testowej, trwają przygotowania do operacyjnego wykorzystania jego danych. Najważniejsze zadania to: Uzyskanie największych korzyści z istniejącego systemu, Kontynuacja obserwacji prowadzonych przy użyciu danych satelitarnych od lat 60-tych celem uzyskania długich serii pomiarowych, istotnych do analizy zmienności klimatu, Poprawa jakości systemów prognozowania poprzez asymilację danych satelitarnych do modeli prognostycznych: ultrakrótkoterminowych (nowcasting), mezoskalowych i średnioterminowych, Łączne wykorzystanie informacji satelitarnej i innych źródeł informacji w meteorologii, takich jak: radary, detekcja wyładowań, pomiary i obserwacje naziemne, sondaż balonowy itp., powstanie systemów eksperckich wspomagających prace synoptyka (automatycznie analizujących dostępne dane), Serwis meteorologiczny dedykowany dla konkretnego użytkownika (sport, rekreacja, energetyka, rolnictwo itp.), Rozwój specjalizowanych systemów dystrybucji informacji satelitarnej i ostrzeżeń meteorologicznych Internet, telefonia komórkowa. Jednym z nowych satelitów, którego dane będą wykorzystywane w latach jest satelita meteorologiczny METOP-A. Posiada na swoim pokładzie obok instrumentów znanych z satelitów serii NOAA, takich jak radiometr AVHRR oraz przyrządy do sondażu atmosfery HIRS, MHS i AMSU, również przyrządy nowe, do tej pory nie instalowane na satelitach meteorologicznych. Są to: IASI interferometr posiadający 8461 kanałów spektralnych w zakresie podczerwieni termalnej. Oczekiwana jest poprawa dokładności sondowania atmosfery oraz lepsze sondowanie niższych jej warstw (warstwa graniczna). Rys. 7. Instrumenty zainstalowane na satelitach serii METOP (METOP-A (2006), B (2011), C (2015)).

5 ASCAT skatterometr, aktywny przyrząd mikrofalowy. Zastosowania: kierunek i prędkość wiatru na morzu, pokrywa lodowa mórz i oceanów, wilgotność gleby. GRAS przyrząd do sondażu atmosfery przy wykorzystaniu sygnałów z konstelacji satelitów systemu GPS. Zastosowanie: globalny sondaż atmosfery. GOME-2 przyrząd do pomiaru rozkładu gazów śladowych w atmosferze (chemia atmosfery). Zastosowanie: rozkład ozonu, SO2 i innych gazów śladowych. Przykładowe zastosowanie instrumentu ASCAT do określania pola wiatru na morzu przedstawiono na rysunku 8. Oczekiwana poprawa jakości satelitarnego sondażu atmosfery przy wykorzystaniu instrumentu IASI w porównaniu do aktualnie wykorzystywanego instrumentu HIRS przedstawiona została na rys. 9. Rys. 9. Oczekiwana poprawa jakości sondażu atmosfery dla przyrządu IASI. Rys. 8. Pole wiatru na morzu (ASCAT/METOP). Informacja satelitarna w meteorologii perspektywa 2020 Perspektywa lat , to przede wszystkim kolejna przebudowa systemu satelitarnego dla meteorologii. Najważniejsze systemy planowane na ten okres to: 2012 system satelitów GPM (Global Precipitatin Mission), 2013 amerykański satelita okołobiegunowy nowej serii NPOESS-C1, 2014 amerykański satelita geostacjonarny GOES-R wyposażony w nowe czujniki (Advance Baseline Imager, Geostationary Lightning Imager, Solar Imaging Suite, Space Environment In-situ Suite) 2015 pierwszy europejski satelita serii METEOSAT Trzeciej Generacji (MTG), 2015 ostatni europejski satelita serii EPS METOP-C, 2016 amerykański satelita NPOESS-C2, 2018 pierwszy europejski satelita systemu okołobiegunowego Post EPS, 2020 amerykański satelita NPOESS-C3. System satelitów geostacjonarnych MTG pomimo odległego terminu umieszczenia na orbicie już wszedł w fazę projektowania. Na podstawie konsultacji z użytkownikami określono najważniejsze potrzeby i rozpoczęto proces projektowania czujników i satelity, który zapewniłby ich prawidłowe działanie. Proponowane jest 5 podstawowych zestawów czujników zapewniających następujące funkcje: Rejestracja obrazu o wysokiej rozdzielczości przestrzennej i dużej częstości powtarzania (HRFI mission - High Resolution Fast Imagery) dla obszaru Europy. Rejestracja obrazu o wysokiej rozdzielczości spektralnej (instrument wielokanałowy) FDHSI - Full Disk High Spectral Imagery. Sondaż atmosfery w podczerwieni termalnej - Infrared Sounding (IRS) mission Detekcja wyładowań atmosferycznych - Lightning Imagery (LI) mission. Sondaż w zakresie UV-VIS (spektrometr) - UV-VIS Sounding (UVS) mission. Drugim systemem satelitarnym dla meteorologii będzie system Post EPS, który zastąpi system satelitów METOP (EPS) zapoczątkowany w roku Pierwszy satelita tej serii zostanie umieszczony na orbicie jeszcze przed rokiem Aktualnie trwa proces wyboru konfiguracji przyrządów jakie znajdą się na tym satelicie przez czołowych naukowców i ekspertów zajmujących się wykorzystaniem danych satelitarnych w meteorologii.

6 Określono najważniejsze obszary zastosowania tego satelity, są to: Chemia atmosfery. Sondowanie atmosfery i określanie pola wiatru na różnych poziomach. Monitorowanie klimatu. Chmury, opad i monitorowanie powierzchni lądu w wielkiej skali. Topografia i obrazowanie powierzchni oceanów. Obszary te zostały wybrane ponieważ główne kierunki wykorzystania informacji z kosmosu w meteorologii będą w następnych latach dotyczyć: prognozowania ultrakrótkoterminowego (nowcasting) oraz numerycznych modeli prognostycznych (NWP). Nowe możliwości obserwacji ziemi i atmosfery z kosmosu będą wspomagać te dwie dziedziny. Kolejnym ważnym systemem, który będzie wspomagał naziemne obserwacje meteorologiczne będzie system satelitów GPM (Global Precipitation Mission). Doświadczenia wyniesione z obserwacji dokonywanych przez satelitę TRMM (Tropical Rainfall Monitoring Mission), który obejmował swoim zasięgiem obszary tropikalne, zaowocowały potrzebą umieszczenia na orbicie systemu pozwalającego na podobne obserwacje w zakresie ± 70 stopni od równika. System ten będzie składał się z głównego satelity wyposażonego w radar meteorologiczny oraz floty satelitów wyposażonych w pasywne czujniki mikrofalowe. Pomiary dokonywane przez czujniki pasywne, będą mogły być kalibrowane pomiarami czujnika aktywnego. Podsumowanie Rozwój systemów satelitarnych dla meteorologii jest planowany na wiele lat przed umieszczeniem ich na orbicie. Wynika to z długości cyklu projektowania tych satelitów od określenia potrzeb przez użytkowników do rozpoczęcia pracy satelity w trybie operacyjnym. Okres do roku 2020 to okres kontynuacji dynamicznego rozwoju meteorologicznego systemu satelitarnego, zarówno na orbicie geostacjonarnej jak i orbitach okołobiegunowych. Pozwoli to z jednej strony na utrzymanie ciągłości obserwacji, tak ważnej w okresie prognozowanych zmian klimatycznych, a z drugiej strony na zupełnie nowe możliwości obserwacyjne jakich nie posiadają obecne satelity. Najważniejsze cele zmian w systemie satelitarnym dla meteorologii wynikają z potrzeby uzupełnienia obserwacji naziemnych celem lepszego monitorowania procesów zachodzących w atmosferze i na powierzchni ziemi oraz oczekiwanego rozwoju numerycznych modeli prognostycznych, których działanie wspomagają dane satelitarne. Najważniejszym celem jest poprawa jakości prognoz meteorologicznych zwłaszcza w dłuższym horyzoncie czasowym oraz wydłużenie czasu ostrzegania o zagrożeniach związanych ze zjawiskami meteorologicznymi. Korzyści dla Polski wymagają zapewnienia dostępu do danych z systemu satelitów meteorologicznych. Polska w 1999 roku podpisała umowę o współpracy z Organizacją Eksploatacji Satelitów Meteorologicznych EUMETSAT. Najbliższy okres to proces uzyskania statusu pełnego członka tej organizacji, co zapewni partnerstwo i pełny dostęp do bieżących i przyszłych systemów satelitarnych dla obszaru Europy. Drugim ważnym elementem jest stałe doskonalenie systemów odbioru, przetwarzania i dystrybucji informacji meteorologicznej z satelitów oraz wdrażanie produktów satelitarnych do służby meteorologicznej. To zadanie wymaga również stałego doskonalenia synoptyków i użytkowników tej informacji Rys. 10. Aktualny status Organizacji EUMETSAT Polska przystąpiła w 1999 roku jako kraj współpracujący. Opracowanie: P. Struzik