Спутниковое измерение температуры
Спутниковые измерения температуры представляют собой выводы о температуре атмосферы радиометрических на различных высотах, а также о температуре моря и поверхности суши, полученные на основе измерений с помощью спутников . Эти измерения можно использовать для определения местоположения погодных фронтов , мониторинга Эль-Ниньо и Южного колебания , определения силы тропических циклонов , изучения городских островов тепла и мониторинга глобального климата. Лесные пожары , вулканы и промышленные горячие точки также можно обнаружить с помощью тепловидения с метеорологических спутников.
Метеорологические спутники не измеряют температуру напрямую. Они измеряют яркость в различных диапазонах длин волн . С 1978 года устройства микроволнового зондирования (MSU) на спутниках Национального управления океанических и атмосферных исследований полярно-орбитальных измеряют интенсивность восходящего микроволнового излучения атмосферного кислорода , которое связано с температурой широких вертикальных слоев атмосферы. Измерения инфракрасного излучения, относящиеся к температуре поверхности моря, собираются с 1967 года.
Наборы спутниковых данных показывают, что за последние четыре десятилетия тропосфера потеплела, а стратосфера остыла. Обе эти тенденции согласуются с влиянием повышения концентрации парниковых газов в атмосфере .
Принципы
[ редактировать ]Спутники измеряют яркость в различных диапазонах длин волн, которые затем необходимо математически инвертировать, чтобы получить косвенные выводы о температуре. [1] [2] Полученные профили температуры зависят от деталей методов, которые используются для получения температур по излучению. В результате разные группы, проанализировавшие спутниковые данные, получили разные наборы температурных данных.
Временной ряд спутников неоднороден. Он состоит из серии спутников с похожими, но не идентичными датчиками. Датчики также со временем изнашиваются, и необходимы поправки на орбитальный дрейф и распад. [3] [4] [5] Особенно большие различия между восстановленными рядами температур возникают в те немногие моменты, когда между последовательными спутниками имеется незначительное временное перекрытие, что затрудняет взаимную калибровку. [ нужна ссылка ] [6]
Инфракрасные измерения
[ редактировать ]Измерения поверхности
[ редактировать ]Инфракрасное излучение можно использовать 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 не прозрачна, или измерения температуры верхней границы облаков в инфракрасные окна).
Спутники, используемые для определения температуры поверхности посредством измерения теплового инфракрасного излучения, как правило, требуют безоблачных условий. Некоторые из инструментов включают усовершенствованный радиометр очень высокого разрешения (AVHRR), радиометры вдоль пути сканирования (AASTR), комплект радиометров видимого инфракрасного диапазона (VIIRS), инфракрасный зонд атмосферы (AIRS) и спектрометр преобразования Фурье ACE (ACE-FTS). ) на канадском спутнике SCISAT-1 . [9]
Метеорологические спутники доступны для получения информации о температуре поверхности моря (SST) с 1967 года, а первые глобальные композитные данные были получены в 1970 году. [10] С 1982 года [11] спутники все чаще используются для измерения ТПО и позволяют ее пространственные и временные более полно наблюдать вариации. Например, изменения ТПО, отслеживаемые через спутник, использовались для документирования развития Эль-Ниньо и Южного колебания с 1970-х годов. [12]
Над сушей определить температуру по лучам сложнее из-за неоднородностей поверхности. [13] С помощью спутниковых изображений были проведены исследования эффекта городского острова тепла . [14] Используя фрактальную технику, Венг, Q. и др. охарактеризовал пространственную структуру городского острова тепла. [15] Использование передовых инфракрасных спутниковых изображений очень высокого разрешения можно использовать при отсутствии облачности для обнаружения неоднородностей плотности ( погодных фронтов ), таких как холодные фронты на уровне земли. [16] Используя технику Дворжака , инфракрасные спутниковые снимки можно использовать для определения разницы температур между глазом и облаков температурой верхней границы в центре густой облачности зрелых тропических циклонов, чтобы оценить их максимальные устойчивые ветры и минимальное центральное давление . [17]
Сканирующие радиометры на борту метеорологических спутников способны обнаруживать лесные пожары, которые проявляются ночью в виде пикселей с температурой выше 308 К (35 ° C; 95 ° F). [18] Спектрорадиометр среднего разрешения на борту спутника Терра может обнаруживать тепловые точки, связанные с лесными пожарами, вулканами и промышленными горячими точками. [19]
Инфракрасный зонд атмосферы на спутнике Aqua , запущенный в 2002 году, использует инфракрасное обнаружение для измерения приземной температуры. [20]
Измерения в стратосфере
[ редактировать ]Измерения температуры стратосферы проводятся с помощью приборов Группы стратосферного зондирования (ССУ), которые представляют собой трехканальные инфракрасные (ИК) радиометры. [21] Поскольку при этом измеряется инфракрасное излучение углекислого газа, непрозрачность атмосферы выше, и, следовательно, температура измеряется на большей высоте (в стратосфере), чем при микроволновых измерениях.
С 1979 года блоки зондирования стратосферы (SSU) на действующих спутниках NOAA предоставляют данные о температуре вблизи глобальной стратосферы над нижними стратосферами.SSU представляет собой спектрометр дальнего инфракрасного диапазона, использующий метод модуляции давления для проведения измерений по трем каналам в полосе поглощения углекислого газа 15 мкм. Три канала используют одну и ту же частоту, но разное давление углекислого газа, соответствующие весовые функции достигают максимума на расстоянии 29 км для канала 1, 37 км для канала 2 и 45 км для канала 3. [22] [ нужны разъяснения ]
Процесс получения тенденций на основе измерений SSU оказался особенно трудным из-за дрейфа спутников, взаимной калибровки между разными спутниками со скудным перекрытием и утечек газа в камерах измерения давления углекислого газа приборов. Кроме того, поскольку яркость, измеряемая SSU, обусловлена выбросами углекислого газа, весовые функции перемещаются на большие высоты по мере увеличения концентрации углекислого газа в стратосфере.Температура средней и верхней стратосферы демонстрирует сильную отрицательную тенденцию, перемежающуюся временным вулканическим потеплением после взрывных извержений вулканов Эль-Чичон и горы Пинатубо , небольшой температурный тренд наблюдается с 1995 года.Наибольшее похолодание произошло в тропической стратосфере, что соответствует усилению циркуляции Брюера-Добсона при увеличении концентрации парниковых газов. [23] [ нужен неосновной источник ]
Похолодание нижних стратосферы в основном вызвано эффектами истощения озонового слоя с возможным вкладом в виде увеличения количества водяного пара в стратосфере и увеличения выбросов парниковых газов. [24] [25] Произошло снижение температуры в стратосфере, перемежающееся потеплением, связанным с извержениями вулканов. Теория глобального потепления предполагает, что стратосфера должна охлаждаться, а тропосфера нагревается. [26]
Долговременное похолодание в нижней стратосфере произошло в два этапа понижения температуры, как после кратковременного потепления, связанного с взрывными извержениями вулканов Эль-Чичон и горы Пинатубо , такое поведение глобальной температуры стратосферы было объяснено глобальными изменениями концентрации озона в двух лет после извержения вулкана. [27]
С 1996 года тенденция слегка положительная. [28] из-за восстановления озона в сочетании с тенденцией к похолоданию на 0,1 К/десятилетие, что соответствует прогнозируемому воздействию увеличения выбросов парниковых газов. [27]
В таблице ниже показан тренд температуры стратосферы по измерениям SSU в трех различных диапазонах, где отрицательный тренд указывает на похолодание.
| Канал | Начинать | Дата окончания | ЗВЕЗДА v3.0 Глобальный тренд |
|---|---|---|---|
| ТМС | 1978-11 | 2017-01 | −0.583 |
| ТЫ | 1978-11 | 2017-01 | −0.649 |
| ТТС | 1979-07 | 2017-01 | −0.728 |
Микроволновые (тропосферные и стратосферные) измерения
[ редактировать ]Измерения микроволнового зондирующего устройства (МГУ)
[ редактировать ]
С 1979 по 2005 год устройства микроволнового зондирования (MSU), а с 1998 года — усовершенствованные устройства микроволнового зондирования на полярно-орбитальных метеорологических спутниках NOAA измеряли интенсивность восходящего микроволнового излучения атмосферного кислорода . Интенсивность пропорциональна температуре широких вертикальных слоев атмосферы . Излучение апвеллинга измеряется на разных частотах; эти разные полосы частот отбирают разные взвешенные диапазоны атмосферы. [30]
На рисунке 3 (справа) показаны уровни атмосферы, полученные с помощью реконструкций различных длин волн по данным спутниковых измерений, где TLS, TTS и TTT представляют три разные длины волн.
Другие микроволновые измерения
[ редактировать ]используется другой метод «Аура» На космическом корабле — микроволновый эхолот , который измеряет микроволновое излучение горизонтально, а не нацеливается на надир. [9]
Измерения температуры также производятся с помощью радиозатмения GPS . [31] Этот метод измеряет преломление радиоволн , передаваемых спутниками GPS , по мере их распространения в атмосфере Земли, что позволяет измерять вертикальные профили температуры и влажности.
Измерения температуры на других планетах
[ редактировать ]Миссии по планетарным наукам также проводят измерения температуры на других планетах и спутниках Солнечной системы, используя как инфракрасные методы (типичные для орбитальных аппаратов и миссий по облету планет с твердой поверхностью), так и микроволновые методы (чаще используемые для планет с атмосферой). Инфракрасные инструменты измерения температуры, используемые в планетарных миссиях, включают измерения температуры поверхности, выполняемые прибором термоэмиссионного спектрометра (TES) на Mars Global Surveyor и прибором Diviner на лунном разведывательном орбитальном аппарате ; [32] и измерения температуры атмосферы, выполненные с помощью составного инфракрасного спектрометра на космическом корабле НАСА «Кассини» . [33]
К приборам для микроволнового измерения температуры атмосферы относится микроволновый радиометр миссии «Юнона» к Юпитеру.
См. также
[ редактировать ]- Атмосферное звучание
- Инструментальная запись температуры
- Температура поверхности моря
- Рекорд температуры
- Исходящая длинноволновая радиация
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Национальный исследовательский совет (США). Комитет по изучению Земли (2000). «Звуки атмосферы» . Проблемы интеграции исследовательских и операционных спутниковых систем исследования климата: Часть I. Наука и проектирование . Вашингтон, округ Колумбия: Издательство Национальной академии. стр. 17–24. дои : 10.17226/9963 . ISBN 978-0-309-51527-6 . Архивировано из оригинала 7 июня 2011 года . Проверено 17 мая 2007 г.
- ^ Уддстрем, Майкл Дж. (1988). «Извлечение профилей атмосферы по спутниковым данным о радиации с помощью типовых максимумов функции формы, апостериорных оценщиков одновременного восстановления» . Журнал прикладной метеорологии . 27 (5): 515–49. Бибкод : 1988JApMe..27..515U . doi : 10.1175/1520-0450(1988)027<0515:ROAPFS>2.0.CO;2 .
- ^ По-Чедли, С.; Торсен, Ти Джей; Фу, К. (2015). «Устранение загрязнения суточного цикла температур тропосферы, полученных со спутников: понимание несоответствий трендов тропической тропосферы» . Журнал климата . 28 (6): 2274–2290. Бибкод : 2015JCli...28.2274P . дои : 10.1175/jcli-d-13-00767.1 . S2CID 43153422 .
- ^ Мирс, Карл А.; Венц, Фрэнк Дж. (2016), «Чувствительность спутниковых трендов температуры в тропосфере к корректировке суточного цикла», Journal of Climate , 29 (10): 3629–3646, Бибкод : 2016JCli...29.3629M , doi : 10.1175 /JCLI-D-15-0744.1 , S2CID 131718796
- ^ Мирс, Карл А.; Венц, Фрэнк Дж. (2009), «Создание систем дистанционного зондирования V3.2. Записи температуры атмосферы с помощью микроволновых зондов MSU и AMSU», Журнал атмосферных и океанических технологий , 26 (6): 1040–1056, Bibcode : 2009JAtOT ..26.1040M , doi : 10.1175/2008JTECHA1176.1
- ^ Новый RSS TLT V4 - сравнения. Архивировано 5 июля 2017 г. на Wayback Machine Moyhu, 4 июля 2017 г.
- ^ «Аномалия температуры поверхности земли» . 31 декабря 2019 года. Архивировано из оригинала 12 февраля 2014 года . Проверено 28 января 2014 г.
- ^ «Аномалия температуры поверхности моря» . 31 августа 2011 года. Архивировано из оригинала 30 апреля 2014 года . Проверено 28 января 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б М. Дж. Шварц и др., Проверка измерений температуры и геопотенциальной высоты с помощью микроволнового эхолота Aura. Архивировано 7 августа 2020 г. на Wayback Machine , JGR: Atmосферs, Vol. 113 , № D15, 16 августа 2008 г. https://doi.org/10.1029/2007JD008783. Архивировано 21 февраля 2021 г. в Wayback Machine . Проверено 9 января 2020 г.
- ^ Кришна Рао, П.; Смит, В.Л.; Коффлер, Р. (1972). «Глобальное распределение температуры поверхности моря, определенное с помощью экологического спутника». Ежемесячный обзор погоды . 100 (1): 10–4. Бибкод : 1972MWRv..100...10K . doi : 10.1175/1520-0493(1972)100<0010:GSTDDF>2.3.CO;2 . S2CID 119900067 .
- ^ Национальный исследовательский совет (США). Руководящий комитет НИИ 2000 (1997). Непредсказуемая уверенность: информационная инфраструктура до 2000 года; белые бумаги . Национальные академии. п. 2. ISBN 9780309060363 . Архивировано из оригинала 8 марта 2020 года . Проверено 25 сентября 2016 г.
{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Синтия Розенцвейг; Даниэль Гилель (2008). Изменчивость климата и глобальный урожай: воздействие Эль-Ниньо и других колебаний на агроэкосистемы . Издательство Оксфордского университета, США. п. 31. ISBN 978-0-19-513763-7 . Архивировано из оригинала 18 августа 2020 года . Проверено 25 сентября 2016 г.
- ^ Джин, Менглин (2004). «Анализ температуры кожи Земли с использованием наблюдений AVHRR» . Бюллетень Американского метеорологического общества . 85 (4): 587–600. Бибкод : 2004BAMS...85..587J . дои : 10.1175/BAMS-85-4-587 . S2CID 8868968 .
- ^ Вен, Цихао (май 2003 г.). «Фрактальный анализ обнаруженного спутником эффекта городского острова тепла» (PDF) . Фотограмметрическая инженерия и дистанционное зондирование . 69 (5): 555–66. дои : 10.14358/ПЕРС.69.5.555 . Архивировано (PDF) из оригинала 3 марта 2016 года . Проверено 14 января 2011 г.
- ^ Вэн, Цихао; Лу, Дэншэн; Шубринг, Жаклин (29 февраля 2004 г.). «Оценка взаимосвязи температуры поверхности суши и обилия растительности для исследований городских островов тепла» . Дистанционное зондирование окружающей среды . 89 (4): 467–483. Бибкод : 2004RSEnv..89..467W . дои : 10.1016/j.rse.2003.11.005 . ISSN 0034-4257 . S2CID 2502717 .
- ^ Дэвид М. Рот (14 декабря 2006 г.). «Руководство по унифицированному анализу поверхностей» (PDF) . Центр гидрометеорологических прогнозов . п. 19. Архивировано (PDF) из оригинала 29 сентября 2006 г. Проверено 14 января 2011 г.
- ^ Крис Ландси (8 июня 2010 г.). «Тема: H1) Что такое техника Дворжака и как она используется?» . Атлантическая океанографическая и метеорологическая лаборатория . Архивировано из оригинала 25 января 2014 года . Проверено 14 января 2011 г.
- ^ «По данным спутников, в 2007 году в Греции произошло больше пожаров, чем за последнее десятилетие» (пресс-релиз). Европейское космическое агентство . 29 августа 2007 г. Архивировано из оригинала 21 февраля 2021 г. Проверено 26 апреля 2015 г.
- ^ Райт, Роберт; Флинн, Люк; Гарбейл, Гарольд; Харрис, Эндрю; Пилджер, Эрик (2002). «Автоматическое обнаружение извержений вулканов с помощью MODIS» (PDF) . Дистанционное зондирование окружающей среды . 82 (1): 135–55. Бибкод : 2002RSEnv..82..135W . CiteSeerX 10.1.1.524.19 . дои : 10.1016/S0034-4257(02)00030-5 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 августа 2017 года . Проверено 5 января 2018 г.
- ↑ Харви, Челси (18 апреля 2019 г.). «Это совпадение: спутниковые и наземные измерения подтверждают потепление». Архивировано 15 декабря 2019 года в Wayback Machine , Scientific American . Проверено 8 января 2019 г.
- ^ Лилонг Чжао и др. (2016). « Использование спутниковых наблюдений СГУ/МГУ для проверки тенденций температуры верхних слоев атмосферы в моделировании CMIP5. Архивировано 12 января 2020 года в Wayback Machine », Remote Sens. 8 (1), 13; https://doi.org/10.3390/rs8010013 Архивировано 21 февраля 2021 года в Wayback Machine . Проверено 12 января 2019 г.
- ^ http://www.ncdc.noaa.gov/oa/pod-guide/ncdc/docs/podug/html/c4/sec4-2.htm [ нужна полная цитата ] [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Ван, Ликунь; Цзоу, Чэн-Чжи; Цянь, Хайфэн (2012). «Построение записей данных о температуре стратосферы с помощью установок стратосферного зондирования» . Журнал климата . 25 (8): 2931–46. Бибкод : 2012JCli...25.2931W . дои : 10.1175/JCLI-D-11-00350.1 . Архивировано из оригинала 11 января 2020 года . Проверено 12 января 2020 г.
- ^ Шайн, КП ; Бурки, Миссисипи; Форстер, премьер-министр Ф.; Заяц, ОНА; Лангемац, У.; Бразике, П.; Греве, В.; Понатер, М.; Шнадт, К.; Смит, Калифорния; Хей, доктор медицинских наук; Остин, Дж.; Бутчарт, Н.; Шинделл, DT; Рэндел, WJ; Нагашима, Т.; Портманн, RW; Соломон, С.; Зейдель, диджей; Ланзанте, Дж.; Кляйн, С.; Рамасвами, В.; Шварцкопф, доктор медицины (2003). «Сравнение смоделированных моделью тенденций стратосферных температур». Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества . 129 (590): 1565–55. Бибкод : 2003QJRMS.129.1565S . дои : 10.1256/qj.02.186 . S2CID 14359017 .
- ^ «Программа ООН по окружающей среде» . грида.но . Архивировано из оригинала 3 июня 2016 года . Проверено 9 апреля 2018 г.
- ^ Клаф, ЮАР; М. Дж. Яконо (1995). «Построчный расчет атмосферных потоков и скоростей охлаждения 2. Применение к углекислому газу, озону, метану, закиси азота и галогенуглеродам» . Журнал геофизических исследований . 100 (Д8): 16519–16535. Бибкод : 1995JGR...10016519C . дои : 10.1029/95JD01386 . Архивировано из оригинала 10 апреля 2011 года . Проверено 15 февраля 2010 г.
- ^ Перейти обратно: а б Томпсон, Дэвид У.Дж.; Соломон, Сьюзен (2009). «Понимание недавнего изменения стратосферного климата» (PDF) . Журнал климата . 22 (8): 1934. Бибкод : 2009JCli...22.1934T . CiteSeerX 10.1.1.624.8499 . дои : 10.1175/2008JCLI2482.1 . S2CID 3103526 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 июля 2009 года . Проверено 12 января 2020 г.
- ^ Лю, Цюаньхуа; Фучжун Венг (2009). «Недавние стратосферные температуры, наблюдаемые по данным спутниковых измерений» . Научные онлайн-письма об атмосфере . 5 : 53–56. Бибкод : 2009SOLA....5...53L . дои : 10.2151/sola.2009-014 .
- ^ Национальная служба экологических спутников, данных и информации (декабрь 2010 г.). «Калибровка микроволнового зондирования и тенденции» . Национальное управление океанических и атмосферных исследований . Архивировано из оригинала 17 декабря 2009 года . Проверено 13 февраля 2012 г.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ↑ Системы дистанционного зондирования. Архивировано 3 апреля 2013 г. в Wayback Machine.
- ^ Системы дистанционного зондирования, Температура воздуха на высотах. Архивировано 5 января 2020 года в Wayback Machine . Проверено 12 января 2020 г.
- ↑ Национальное управление океанических и атмосферных исследований, Луна: температура поверхности. Архивировано 7 августа 2020 года на Wayback Machine , получено 9 января 2020 года.
- ^ НАСА/JPL/GSFC/Univ. Оксфорд (19 мая 2011 г.). Измерение температуры шторма на Сатурне . Архивировано 21 февраля 2021 года на Wayback Machine , получено 10 января 2020 года.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- График сравнения записей наземных, аэростатных и спутниковых записей (архив 2007 г.)
- Температурные тренды в нижних слоях атмосферы: шаги для понимания и устранения различий. Синтез и оценка CCSP, продукт 1.1.
- Что микроволновые печи рассказывают нам об атмосфере
- Глобальные средние температуры атмосферы
