Спутниковые измерения температуры - Satellite temperature measurements

Сравнение наземных измерений приземной температуры (синий) и спутниковых записей температуры в средней тропосфере (красный: Грн; зеленый: RSS ) с 1979 по 2010 годы. Тенденции намечены на 1982-2010 годы.
Тренды атмосферной температуры 1979-2016 гг. На основе спутниковых измерений; тропосфера вверху, стратосфера внизу.
Для более широкого освещения этой темы см. Измерение температуры.

Спутниковые измерения температуры находятся выводы из температура из атмосфера на разных высотах, а также температуры поверхности моря и суши, полученные из радиометрический измерения спутники. Эти измерения можно использовать для определения местоположения погодные фронты, следить за Эль-Ниньо - Южное колебание, определить силу тропические циклоны, изучать городские острова тепла и следить за глобальным климатом. Лесные пожары, вулканы, а также горячие точки в промышленности можно обнаружить с помощью тепловизоров с метеорологических спутников.

Метеорологические спутники не измеряйте температуру напрямую. Они измеряют сияние в различных длина волны группы. С 1978 г. блоки микроволнового зондирования (MSU) на Национальное управление океанических и атмосферных исследований полярная орбита спутники измерили интенсивность восходящего микроволнового излучения от атмосферного кислород, что связано с температурой широких вертикальных слоев атмосферы. Измерения инфракрасный радиация, относящаяся к температуре поверхности моря, собиралась с 1967 года.

Наборы спутниковых данных показывают, что за последние четыре десятилетия тропосфера согрелся и стратосфера остыло. Обе эти тенденции согласуются с влиянием увеличения атмосферных концентраций парниковые газы.

Измерения

Спутники не измеряйте температуру. Они измеряют яркость в различных диапазонах длин волн, которые затем необходимо математически инвертировать, чтобы получить косвенные заключения о температуре.[1][2] Полученные профили температуры зависят от деталей методов, которые используются для получения температуры от источников излучения. В результате разные группы, проанализировавшие спутниковые данные, создали разные наборы данных о температуре.

Спутниковые временные ряды неоднородны. Он состоит из серии спутников с похожими, но не идентичными датчиками. Датчики также со временем изнашиваются, и необходимы поправки на орбитальный дрейф и затухание.[3][4] Особенно большие различия между восстановленными рядами температур возникают в те немногие моменты времени, когда существует небольшое временное перекрытие между последовательными спутниками, что затрудняет взаимную калибровку.[нужна цитата ][5]

Инфракрасные измерения

Измерения поверхности

Смотрите также: Температура поверхности моря § Метеорологические спутники
Аномалии температуры поверхности земли для данного месяца по сравнению с долгосрочной средней температурой этого месяца в период с 2000 по 2008 год.[6]
Аномалии температуры поверхности моря для данного месяца по сравнению с долгосрочной средней температурой этого месяца с 1985 по 1997 год.[7]

Инфракрасный излучение может использоваться для измерения как температуры поверхности (с использованием длин волн "окна", для которых атмосфера прозрачна), так и температуры атмосферы (с использованием длин волн, для которых атмосфера непрозрачна, или измерения температуры верхней границы облаков в инфракрасном диапазоне). окна).

Спутники, используемые для определения температуры поверхности посредством измерения теплового инфракрасного излучения, обычно требуют безоблачных условий. Некоторые из инструментов включают Усовершенствованный радиометр очень высокого разрешения (AVHRR), Сканирующие радиометры вдоль пути (AASTR), Набор радиометров видимого инфракрасного диапазона (VIIRS), Атмосферный инфракрасный эхолот (AIS) и спектрометр с преобразованием Фурье ACE (ACE ‐ FTS) на канадской SCISAT-1 спутник.[8]

Были доступны метеорологические спутники, чтобы делать выводы температура поверхности моря (SST) информация с 1967 года, а первые глобальные композиты появились в 1970 году.[9] С 1982 г.[10] спутники все чаще используются для измерения SST и позволяют пространственный и временный вариации, чтобы их можно было рассмотреть более полно. Например, изменения в SST, отслеживаемые через спутник, использовались для документирования прогресса Эль-Ниньо - Южное колебание с 1970-х гг.[11]

На суше восстановить температуру по яркости сложнее из-за неоднородностей поверхности.[12] Исследования проводились на городской остров тепла эффект через спутниковые снимки.[13] Использование улучшенные инфракрасные спутниковые снимки с очень высоким разрешением может использоваться при отсутствии облачности для обнаружения плотность несплошности (погодные фронты ) Такие как холодные фронты на уровне земли.[14] С использованием Дворжак техника, инфракрасные спутниковые снимки можно использовать для определения разницы температур между глаз и облако максимальная температура центральная густая облачность зрелых тропических циклонов, чтобы оценить их максимально устойчивые ветры и их минимальная центральная давление.[15]

Сканирующие радиометры вдоль пути на борту метеорологических спутников могут обнаруживать лесные пожары, которые проявляются ночью в виде пикселей с температурой выше 308 К (95 ° F).[16] В Спектрорадиометр среднего разрешения на борту Спутник Terra может обнаруживать горячие точки, связанные с лесными пожарами, вулканами и промышленными горячими точками.[17]

В Атмосферный инфракрасный эхолот на Аква-спутник запущенный в 2002 году, использует инфракрасное обнаружение для измерения приповерхностной температуры.[18]

Измерения стратосферы

Измерения температуры в стратосфере производятся с помощью инструментов Stratospifer Sounding Unit (SSU), которые представляют собой трехканальные инфракрасные (ИК) радиометры.[19] Поскольку это измеряет инфракрасное излучение углекислого газа, непрозрачность атмосферы выше, и, следовательно, температура измеряется на большей высоте (стратосфера), чем микроволновые измерения.

С 1979 года блоки зондирования стратосферы (SSU) на операционных спутниках NOAA предоставляют данные о температуре, близкой к глобальной стратосферной температуре над нижними слоями стратосферы. дальний инфракрасный спектрометр, использующий метод модуляции давления для измерения в трех каналах в полосе поглощения диоксида углерода 15 мкм. Три канала используют одну и ту же частоту, но разное давление в ячейках с углекислым газом, соответствующие весовые функции достигают максимума на 29 км для канала 1, 37 км для канала 2 и 45 км для канала 3.[20][требуется разъяснение ]

Процесс определения тенденций на основе измерений SSU оказался особенно сложным из-за дрейфа спутников, взаимной калибровки между разными спутниками с небольшим перекрытием и утечек газа в ячейках давления диоксида углерода прибора. Кроме того, поскольку яркость, измеренная SSU, обусловлена ​​излучением углекислый газ Весовые функции перемещаются на более высокие высоты по мере увеличения концентрации углекислого газа в стратосфере. Температура в средней и верхней стратосфере демонстрирует сильную отрицательную тенденцию, перемежаемую временным вулканическим потеплением после взрывных извержений вулканов Эль-Чичон и Гора Пинатубо с 1995 г. наблюдается незначительный температурный тренд. Наибольшее похолодание произошло в тропической стратосфере, что соответствует усилению Циркуляция Брюера-Добсона при увеличении концентрации парниковых газов.[21][неосновной источник необходим ]

Охлаждение нижней части стратосферы в основном вызвано воздействием истощение озонового слоя с возможным вкладом увеличения стратосферного водяного пара и парниковых газов.[22][23] Наблюдается снижение температуры стратосферы, которое перемежается потеплением, связанным с извержениями вулканов. Глобальное потепление теория предполагает, что стратосфера должен остыть, пока тропосфера согревает.[24]

Температурный тренд в кровле стратосферы (TTS) 1979–2006 гг.

Долгосрочное похолодание в нижней стратосфере происходило двумя ступенями понижения температуры, как после переходного потепления, связанного с взрывными вулканическими извержениями Эль-Чичон и Гора Пинатубо такое поведение глобальной стратосферной температуры объясняется изменением глобальной концентрации озона в течение двух лет после извержений вулканов.[25]

С 1996 г. тенденция немного положительная.[26] из-за восстановления озона в сочетании с тенденцией к похолоданию 0,1 тыс. / десятилетие, что согласуется с прогнозируемым воздействием увеличения выбросов парниковых газов.[25]

В таблице ниже показан тренд стратосферной температуры по измерениям SSU в трех различных диапазонах, где отрицательный тренд указывает на похолодание.

КаналНачинатьДата окончанияЗВЕЗДА v3.0

Глобальный тренд
(К / декада)[27]

ТМС1978-112017-01−0.583
TUS1978-112017-01−0.649
TTS1979-072017-01−0.728

Микроволновые (тропосферные и стратосферные) измерения

Измерения с помощью блока микроволнового зондирования (МГУ)

Основная статья: Измерения температуры с помощью устройства микроволнового зондирования
Весовые функции МГУ на основе Стандартная атмосфера США.

С 1979 по 2005 гг. блоки микроволнового зондирования (МГУ), а с 1998 г. Усовершенствованные устройства микроволнового зондирования на полярной орбите NOAA метеорологические спутники измерили интенсивность апвеллинга микроволновое излучение из атмосферного кислород. Интенсивность пропорциональна температуре широких вертикальных слоев атмосфера. Яркость апвеллинга измеряется на разных частотах; эти разные частотные диапазоны являются выборкой разного взвешенного диапазона атмосферы.[28]

На рисунке 3 (справа) показаны уровни атмосферы, полученные с помощью реконструкций различных длин волн из спутниковых измерений, где TLS, TTS и TTT представляют три разные длины волн.

Другие микроволновые измерения

Другой метод используется Аура космический корабль СВЧ-датчик конечностей, которые измеряют микроволновое излучение по горизонтали, а не по надиру.[8]

Температурные измерения также производятся затмение сигналов GPS.[29] Этот метод измеряет преломление радиосигналов от Спутники GPS атмосферой Земли, что позволяет измерять вертикальные профили температуры и влажности.

Измерения температуры на других планетах

Миссии по изучению планет также производят измерения температуры на других планетах и ​​лунах Солнечной системы, используя как инфракрасные методы (типичные для орбитальных и пролетных миссий планет с твердой поверхностью), так и микроволновые методы (чаще используемые для планет с атмосферой). Инфракрасные приборы для измерения температуры, используемые в планетарных миссиях, включают измерения температуры поверхности, сделанные Термоэмиссионный спектрометр (TES) инструмент на Mars Global Surveyor и Прорицатель инструмент на Лунный разведывательный орбитальный аппарат;[30] и измерения температуры атмосферы, выполненные композитным инфракрасным спектрометром НАСА. Космический корабль Кассини.[31]

Приборы для микроволнового измерения температуры атмосферы включают СВЧ-радиометр на Юнона миссия на Юпитер.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Национальный исследовательский совет (США). Комитет по изучению Земли (2000). «Зондирование атмосферы». Вопросы интеграции исследовательских и действующих спутниковых систем для исследования климата: Часть I. Наука и дизайн. Вашингтон, округ Колумбия: National Academy Press. С. 17–24. Дои:10.17226/9963. ISBN  978-0-309-51527-6.
  2. ^ Уддстром, Майкл Дж. (1988). «Получение атмосферных профилей из данных спутниковой яркости с помощью типичной функции формы с максимальным апостериорным одновременным поиском». Журнал прикладной метеорологии. 27 (5): 515–49. Bibcode:1988JAPMe..27..515U. Дои:10.1175 / 1520-0450 (1988) 027 <0515: ROAPFS> 2.0.CO; 2.
  3. ^ Мирс, Карл А .; Венц, Франк Дж. (2016), "Чувствительность спутниковых трендов температуры тропосферы к корректировке суточного цикла", Журнал климата, 29 (10): 3629–3646, Bibcode:2016JCli ... 29.3629M, Дои:10.1175 / JCLI-D-15-0744.1
  4. ^ {{citation | doi = 10.1175 / 2008JTECHA1176.1 | title = Построение системы дистанционного зондирования V3.2. Записи температуры атмосферы с микроволновых зондов MSU и AMSU | год = 2009 | last1 = Mears | first1 = Carl A. | last2 = Венц | first2 = Фрэнк Дж. | Journal = Журнал атмосферных и океанических технологий | volume = 26 | issue = 6 | pages = 1040–1056 | bibcode = 2009JAtOT..26.1040M}
  5. ^ Новый RSS TLT V4 - сравнения Мойху 4 июля 2017
  6. ^ «Аномалия температуры поверхности суши». 31 декабря 2019 г.
  7. ^ «Аномалия температуры поверхности моря». 31 августа 2011 г.
  8. ^ а б M. J. Schwartz et al., Валидация измерений температуры и геопотенциальной высоты с помощью микроволнового зонда Aura, JGR: Atmospheres, Vol. 113, № D15, 16 августа 2008 г. https://doi.org/10.1029/2007JD008783. Дата обращения 9 января 2020.
  9. ^ Кришна Рао, П .; Smith, W. L .; Коффлер, Р. (1972). «Глобальное распределение температуры поверхности моря, определенное со спутника для изучения окружающей среды». Ежемесячный обзор погоды. 100 (1): 10–4. Bibcode:1972MWRv..100 ... 10K. Дои:10.1175 / 1520-0493 (1972) 100 <0010: GSTDDF> 2.3.CO; 2.
  10. ^ Национальный исследовательский совет (США). Управляющий комитет НИИ 2000 (1997). Непредсказуемая определенность: информационная инфраструктура до 2000 г .; белые бумаги. Национальные академии. п. 2.
  11. ^ Синтия Розенцвейг; Даниэль Гиллель (2008). Изменчивость климата и глобальный урожай: влияние Эль-Ниньо и других колебаний на агроэкосистемы. Oxford University Press Соединенные Штаты. п. 31. ISBN  978-0-19-513763-7.
  12. ^ Джин, Менглин (2004). «Анализ температуры кожи на суше с использованием наблюдений AVHRR». Бюллетень Американского метеорологического общества. 85 (4): 587–600. Bibcode:2004BAMS ... 85..587J. Дои:10.1175 / БАМС-85-4-587.
  13. ^ Вэн, Цихао (май 2003 г.). "Фрактальный анализ обнаруженного со спутников эффекта городского острова тепла" (PDF). Фотограмметрическая инженерия и дистанционное зондирование. 69 (5): 555–66. Дои:10.14358 / PERS.69.5.555. Получено 14 января 2011.
  14. ^ Дэвид М. Рот (14 декабря 2006 г.). «Единое руководство по анализу поверхности» (PDF). Центр гидрометеорологического прогнозирования. п. 19. Получено 14 января 2011.
  15. ^ Крис Ландси (8 июня 2010 г.). «Тема: H1) Что такое техника Дворжака и как она используется?». Атлантическая океанографическая и метеорологическая лаборатория. Получено 14 января 2011.
  16. ^ «В 2007 году в Греции произошло больше пожаров, чем в прошлом десятилетии, по данным спутников» (Пресс-релиз). Европейское космическое агентство. 29 августа 2007 г.. Получено 26 апреля 2015.
  17. ^ Райт, Роберт; Флинн, Люк; Гарбейл, Гарольд; Харрис, Эндрю; Пилгер, Эрик (2002). «Автоматизированное обнаружение извержения вулкана с использованием MODIS» (PDF). Дистанционное зондирование окружающей среды. 82 (1): 135–55. Bibcode:2002RSEnv..82..135Вт. CiteSeerX  10.1.1.524.19. Дои:10.1016 / S0034-4257 (02) 00030-5.
  18. ^ Харви, Челси (18 апреля 2019 г.). «Это совпадение: спутниковые и наземные измерения подтверждают потепление», Scientific American. Проверено 8 января 2019.
  19. ^ Лилонг ​​Чжао и другие. (2016). "Использование спутниковых наблюдений SSU / MSU для подтверждения тенденций температуры в верхних слоях атмосферы в симуляциях CMIP5 ", Дистанционное управление 8(1), 13; https://doi.org/10.3390/rs8010013. Дата обращения 12 января 2019.
  20. ^ http://www.ncdc.noaa.gov/oa/pod-guide/ncdc/docs/podug/html/c4/sec4-2.htm[требуется полная цитата ][постоянная мертвая ссылка ]
  21. ^ Ван, Ликун; Цзоу, Чэн-Чжи; Цянь, Хайфэн (2012). «Построение записей данных стратосферной температуры с помощью устройств стратосферного зондирования». Журнал климата. 25 (8): 2931–46. Bibcode:2012JCli ... 25.2931 Вт. Дои:10.1175 / JCLI-D-11-00350.1.
  22. ^ Шайн, К.; Bourqui, M. S .; Forster, P. M. de F .; Hare, S.H.E .; Langematz, U .; Braesicke, P .; Grewe, V .; Понатер, М .; Schnadt, C .; Smith, C.A .; Haigh, J.D .; Austin, J .; Butchart, N .; Shindell, D.T .; Randel, W. J .; Nagashima, T .; Portmann, R.W .; Соломон, S .; Зайдель, Д. Дж .; Lanzante, J .; Klein, S .; Ramaswamy, V .; Шварцкопф, М. Д. (2003). «Сравнение смоделированных трендов стратосферных температур». Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества. 129 (590): 1565–55. Bibcode:2003QJRMS.129.1565S. Дои:10.1256 / qj.02.186.
  23. ^ «Программа ООН по окружающей среде». grida.no. Получено 9 апреля 2018.
  24. ^ Clough, S.A .; М. Дж. Яконо (1995). «Построчный расчет атмосферных потоков и скоростей охлаждения 2. Применение к диоксиду углерода, озону, метану, закиси азота и галоидоуглеродам». Журнал геофизических исследований. 100 (D8): 16519–16535. Bibcode:1995JGR ... 10016519C. Дои:10.1029 / 95JD01386.
  25. ^ а б Томпсон, Дэвид В. Дж .; Соломон, Сьюзен (2009). "Понимание недавнего изменения стратосферного климата" (PDF). Журнал климата. 22 (8): 1934. Bibcode:2009JCli ... 22.1934T. CiteSeerX  10.1.1.624.8499. Дои:10.1175 / 2008JCLI2482.1.
  26. ^ Лю, Цюаньхуа; Фучжун Вэн (2009). «Недавние наблюдения за температурой стратосферы по спутниковым измерениям». СОЛА. 5: 53–56. Bibcode:2009 СОЛА .... 5 ... 53л. Дои:10.2151 / sola.2009-014. Получено 15 февраля 2010.[постоянная мертвая ссылка ]
  27. ^ Национальная служба спутников, данных и информации по окружающей среде (декабрь 2010 г.). «Калибровка и тенденции микроволнового зондирования». Национальное управление океанических и атмосферных исследований. Получено 13 февраля 2012.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  28. ^ Системы дистанционного зондирования В архиве 3 апреля 2013 г. Wayback Machine
  29. ^ Системы дистанционного зондирования, Верхняя температура воздуха. Проверено 12 января 2020 года.
  30. ^ Национальное управление океанических и атмосферных исследований, Луна: температура поверхности, получено 9 января 2020 года.
  31. ^ НАСА / Лаборатория реактивного движения / GSFC / Univ. Оксфорд (19 мая 2011 г.). Измерение температуры бури на Сатурне, получено 10 января 2020 года.

внешняя ссылка