Temperatura da Superficie do Mar - DSR

SENSORIAMENTO
REMOTO DO CLIMA
Milton Kampel, Dr.
Radiômetros orbitais de infravermelho termal

Desde anos 1960 até hoje, sensores
orbitais medem a TSM com grande
cobertura espacial e boa resolução
temporal

A visão sinóptica permite o mapeamento
global, mesmo em regiões remotas ou
pouco amostradas

Precisões em torno de 0,5ºC

Maior limitação são as nuvens
Radiômetros orbitais de infravermelho termal

Razões para aplicação destas técnicas:
- alta correlação entre níveis de cinza
claros e escuros das imagens termais
com temperaturas quentes e frias
- caráter operacional dos satélites NOAA
e geo-estacionários
- cobertura de grandes áreas em pouco
tempo
- facilidade de disseminação dos dados
Principal aplicação: TSM

As imagens infra-vermelhas dos oceanos
obtidas por satélites, tem sido utilizadas para o
estudo
de
fenômenos
e
processos
oceanográficos, como as correntes, frentes,
ressurgências, vórtices e meandramentos, a
partir de observações das variações da
temperatura da superfície do mar (TSM).
Obtenção da TSM -1

Todo corpo com temperatura absoluta maior que 0K
(-273oC) emite radiação eletromagnética, também
denominada de emissão termal, e pode ser
considerado como uma fonte de radiação;

Esta radiação eletromagnética se propaga na forma
de onda, sendo que todos os comprimentos de onda
viajam numa mesma velocidade: a velocidade da luz;

O conjunto de todas as radiações, em todos os
comprimentos de onda, caracteriza o espectro
eletromagnético;
Espectro eletromagnético
Obtenção da TSM -2

A obtenção da TSM é feita a partir da
radiação emitida pela água, na faixa do infravermelho termal do espectro
eletromagnético;

O espectro da Terra aproxima-se de um
Corpo Negro à 300K, com pico de emissão
em torno de 10-12 m; O sol emite energia
como um corpo negro à 5900K, com pico
entre 0,4 - 0,7 m (emitindo até 3,2 m,
aproximadamente);
Corpo negro

Radiador perfeito cuja quantidade de radiação
emitida por unidade de área segue a Lei de
Stefan-Boltzmann
M = sT4
Onde s = 5.67 x 10-8 W m-2 K-4
Obtenção da TSM -2

Corpo Negro é um objeto que irradia energia a uma
taxa máxima por unidade de área e por comprimento
de onda numa dada temperatura. Ele irradia toda a
energia que absorve, isotropicamente, ou seja,
igualmente em todas as direções.
Lei de Planck
A lei de Planck mostra que a taxa de radiação emitida por
um corpo negro em um determinado comprimento de
onda é dada por:
I   C15[e(C2 / T )  1]1
Onde: = Comprimento de onda em m.
C1= 3,74 . 10-6 W.m2 (1a. Constante de radiação)
C2= 1,44 . 10-2 m.K (2a. Constante de radiação)
T= temperatura absoluta (K)
O comprimento de onda onde a emissão de energia é
máxima é dado pela lei de deslocamento de Wien:
máxT  C3
Onde C3 é uma constante de valor 2897 m.K-1
Emissividade

As propriedades emissivas da maioria dos corpos reais
são descritas por suas emissividades espectrais 
definidas como a razão entre a excitância de uma
superfície real e a excitância de um corpo negro à
mesma temperatura:
 = M (superfície real) / M (corpo negro)

onde M expressa a densidade do fluxo radiante, isto é,
o fluxo emitido pela superfície, dividido pela área da
superfície. Em geral,  independe da temperatura, sendo
dependente da natureza da superfície.
Emissividade
M  sup .real
 
M  sup .ideal
Cálculo da TSM
•
O sensor no satélite irá medir a radiância (L)
de uma superfície, ou seja, o fluxo radiante
por unidade de ângulo sólido emitido por uma
superfície em uma determinada direção
•
A intensidade de L depende tanto da TSM
como de sua emissividade
•
A emissividade do oceano é conhecida (~1)
Cálculo da TSM
•
Para a emissão infravermelha, a superfície
do mar pode ser considerada Lambertiana,
ou seja, radiância uniforme em todas as
M
direções. Portanto teremos:
L 
•
Invertendo-se a Lei de Planck: Temperatura
de brilho
( C2 / T )
5
1
I   C1 [e
•

 1]
Algoritmos split-window: Temperatura real da
superfície do mar (TSM)
Efeitos atmosféricos
Efeitos atmosféricos



O principal obstáculo às medições da TSM na
faixa do infravermelho é a atenuação
atmosférica
A atmosfera interage com a radiação emergente
do oceano absorvendo e, às vezes, reemitindo
ou mesmo espalhando esta radiação em
comprimentos de onda diferentes do original
Existe uma forte banda de absorção que separa
a parte infravermelha termal do espectro em
duas regiões: 3-5 e 9,5-13,5 m
Efeitos atmosféricos

Os principais atenuadores atmosféricos são: o
vapor d’água, o ozônio, o dióxido de carbono e os
aerossóis

A atmosfera sendo mais fria que a superfície do
mar, absorve a radiação por meio de seus
constituintes e a reemite como uma fonte de menor
temperatura, com o consequente deslocamento do
pico de emissão para comprimentos de onda mais
longos

Assim, o efeito da atmosfera é reduzir a radiação
que chega ao sensor, causando,
consequentemente, uma sub-avaliação nos valores
de TSM
Cálculo da TSM


A precisão da TSM obtida por satélite depende
fortemente dos modelos de correção
atmosférica empregados
Modelos mais usados: MCSST e NLSST
TSM = C1T11 + C2(T11 – T12) + C3sec() + C4
TSM = C1T11 + C2(T11–T12)Tref + C3(T11 – T12)(sec()-1) + C4
TSM
• Estas TSMs representam, rigorosamente, a
temperatura de pele (skin temperature) uma vez
que a radiação infravermelha é emitida somente
pelas camadas de moléculas de água próximas
à superfície, cuja temperatura caracteriza a
radiação observada pelos sensores
Satélite NOAA


1/ABR/1960 - Lançamento
do primeiro satélite
meteorológico TIROS-1
NOAA & NASA
Órbita








Fonte: Modificado de NASA (2002, p. 18)
Órbita polar
Heliossíncrona
Altitude nominal de 850km
Inclinação de 98,8º
Período nodal de 102min
Nº órbitas 14,2/dia
Operação em pares
Atualização a cada 6
horas
Configuração Atual
Fonte: Adaptado de Goodrum et al. (2001)
Instrumentos
AVHRR
AMSU
Fonte: NASA (2002)
HIRS
SBUV
AVHRR
• O primeiro AVHRR foi um radiômetro de 4 bandas, a
bordo do TIROS-N (Outubro de 1978). Foi seguido pelo
AVHRR/2, de 5 bandas, em órbita a partir do NOAA-7
(Junho de 1981). A última versão é o AVHRR/3, com 6
bandas, a partir do NOAA-15 (Maio de 1998).
• Sistema de varredura transversal.
• A cada linha imageada, o sensor realiza uma abertura
de 55,4º, aproximadamente, em relação ao nadir,
cobrindo uma faixa de 2400 km de largura.
• A resolução no nadir é de 1,1 km.
• Formato dos dados: HRPT, LAC, GAC
Bandas do AVHRR-3
Banda
Comp. de Onda (µm)
Aplicação
1
0.58 – 0.68
Mapeamento de nuvens
diurnas
2
0.725 – 1.00
Limites terra-água
3A
1.58 – 1.64
Detecção de neve e gelo
3B
3.55 – 3.93
Mapeamento de nuvens
noturnas, TSM
4
10.30 – 11.30
TSM
5
11.50 – 12.50
TSM
AVHRR
• A precisão das TSM’s obtidas por satélites são fortemente
dependentes dos modelos de correção atmosférica
empregados;
• MCSST e NLSST;
• Estas TSM’s representam, rigorosamente, a temperatura
pelicular (skin temperature) uma vez que a radiação
infravermelha é emitida somente pelas camadas de
moléculas de água próximas à superfície, cuja temperatura
caracteriza a radiação observada pelos sensores.
Processamento
Georreferenciamento
Algoritmo de TSM
Escalonamento
Outros sensores
O radiômetro VAS (Visible and Infrared Spin Scan
Radiometer - VISSR, Atmosferic Sounder) instalado nos
satélites da série GOES, adquire em sua banda do
infravermelho termal, imagens dos oceanos com resolução
espacial no nadir de 8-14km, a cada meia hora,
fornecendo uma visão oblíqua de quase 2/3 da superfície
terrestre;
•
Outros sensores
• O ATSR (Along Track Scanning Radiometer) instalado a bordo dos
satélites ERS possui um radiômetro infravermelho (IRR) com 4 canais
(1,6, 3,7, 10,8 e 12,0 m); Realiza o imageamento de uma mesma
área através de 2 ângulos de visada diferentes (0º e 52º), com largura
de 500 km, para correção dos efeitos atmosféricos; Pixels de 1 x 1km;
O ATSR-2 possui ainda mais 3 canais (2 no visível e 1 no infravermelho
próximo);
• O Ocean Colour and Temperature Scanner (OCTS) a bordo do satélite
ADEOS possuía 8 bandas no visível e infravermelho-próximo e 4
bandas no infravermelho termal (3,55-3,88, 8,25-8,80; 10,3-11,4;
11,4-12,5 m); Resoluções espacial = 700m, Temporal = 3 dias e faixa
= 1400km.
Exemplos
Ressurgências
São Tomé
São Tomé
C. Frio
C. Frio
São
Sebastião
São
Sebastião
Ressurgências
S. Marta
Lagoa
dos
Patos
Vórtices, frentes e meandros
Vitória
NOAA-12
05/09/93
São Tomé
São Tomé
C. Frio
C. Frio
São
Sebastião
Vórtices e meandros
Vitória
Vitória
Cabo
S.Tomé
Cabo Frio
Cabo
S.Tomé
Cabo Frio
Pesca
Pesca
Ressurgência
AVHRR/NOAA
Ressurgência
Confluência Brasil - Malvinas
Águas frias vindas de sul
PROJ. COROAS
São Tomé
São
Sebastião
C.Frio
Paranaguá
S.Marta
São
Sebastião
Águas frias vindas de sul
São Tomé
São Tomé
C.Frio
C.Frio
São
Sebastião
São
Sebastião
Águas frias vindas de sul
Clima



Anomalia de TSM entre
18 e 24 de junho de
2002
Oceano Atlântico em
cima
Oceano Pacífico em
baixo
Vórtice
ATSR
Sensor a bordo dos satélites ERS-1 e
ERS-2, de órbita heliossíncrona, quasipolar numa altitude de cerca de 750 km
 Baixa resolução temporal, porém
excelente resolução radiométrica (0.1 K)
 Quatro canais (1.6 m, 3.7 m, 11 m
e 12 m)
 Correção atmosférica via algoritmo de
visada dupla multi-canal
 Fornece a “temperatura de pele” dos
oceanos, que se refere a camada
molecular marinha da interface ar-mar
 AATSR voa no ENVISAT-1 com 4
canais termais mais 3 no visível e 1 no
IV próximo

GOES
Sensor a bordo dos satélites de órbita
geossíncrona GOES
 Altíssima resolução temporal e boa
resolução radiométrica ( < 1 K)
 Cinco canais, sendo dois no IV termal

TRMM Microwave Imager
Sensor a bordo do satélite de
órbita equatorial TRMM, cobre a
totalidade da terra em 3 dias
 Fornece dados sobre precipitação
entre 40oS e 40oN
 Cinco canais: 10.7, 19.4, 21.3, 37,
85.5 GHz com dupla polarização

O canal de 10.7 GHz fornece
dados de TSM a partir de um
algoritmo que remove os efeitos da
rugosidade da superfície do
oceano
 Primeiras estimativas precisas de
TSM nos oceanos sem a
interferência das nuvens

MODIS
Sensor a bordo do satélite TERRA
desde dezembro de 1999
 Fornece dados multiespectrais com
resolução radiométrica de até 0.25 K

El-Niño
O fenômeno El Niño é uma perturbação
do sistema oceano-atmosfera no Pacífico
tropical
 O processo causa intensas enchentes
no sul dos EUA, Peru e sul do Brasil,
assim como grande seca no oeste do
Pacífico provocando fortes incêndios
florestais na Australia.
 Condições normais: ventos alíseos
sopram para oeste empilhando água
quente a oeste (diferença de ~0.5 m e
~8oC entre leste-oeste)
 Condição de El Niño: declínio do vento
leva a troca na profundidade da
termoclina e fim da ressurgência na costa
do Peru
 Condição de La Niña: em geral segue o
El Niño com anomalias negativas de TSM
causadas pela intensificação dos ventos

El-Niño
El-Niño
O fenômeno El Niño também
pode ser acompanhado através
de cartas de anomalia de altura
do mar produzidas com dados
altimétricos
 O sensor mais utilizado é o
radar altímetro do TOPEXPoseidon

 Um índice T/P El Niño, a partir de dados T/P e área pode
dar uma idéia do voluma de água deslocada. No gráfico ao
lado cada unidade equivale a 1 trilhão de m 3 (tons) extra de
água
Validação
Linear regressions between the bulk temperatures
from COADS (Tbulk) and the AVHRR BTs and SSTs (Tsat)
(a) central pixel
channel
3
4
5
SST
linear regression (Tbulk = a Tsat + b)
a
b
N
r
0.817
4.292
32
0.85
1.038
2.429
32
0.90
0.7002
7.284
29
0.71
0.8533
1.803
32
0.89
deltaT = Tbulk - Tsat (oC)
mean
std.
1.74
3.09
2.92
2.37
3.92
4.21
-0.58
2.59
(b) average pixel
channel
3
4
5
SST
linear regression (Tbulk = a Tsat + b)
a
b
N
r
0.8373
3.89
32
0.86
0.9575
3.766
32
0.87
0.89
5.758
29
0.79
0.8376
2.132
32
0.88
deltaT = Tbulk - Tsat (oC)
mean
std.
1.6
2.91
3.24
2.71
4.6
3.4
-0.49
2.77
Imagens de DT entre cenas
AVHRR e ATSR no Atlântico
Sudoeste
MSG
MSG
MSG
TSM AVHRR/NOAA
TSM AVHRR/NOAA
TSM AVHRR/NOAA
TSM AVHRR/NOAA
TSM AVHRR/NOAA
COBERTURA MODIS INPE
TSM MODIS
MODIS TSM
CORRENTES SUPERFICIAIS
Negri, E.O., 2003
CORRENTES SUPERFICIAIS
Modelagem numérica
BATIMETRIA
TEMPERATURA
TEMPERATURA
OUT/96
OUT/96
Modelo POM, campos de elevação e velocidades
(Silveira,I. e Calado, L.)
Climatologia do Oceano Global
Variabilidade climática
Diagrama Hovmoller (longitude versus tempo) das
anomalias de TSM do TMI na latitude de 23 oS entre
janeiro de 1998 e dezembro de 2002.
Diagrama Hovmoller (longitude versus tempo) das
anomalias de TSM do TMI na latitude de 23 oS entre
janeiro e dezembro de 2000.
Benefícios

O compromisso em fornecer uma observação
meteorológica global e sistemática. A cobertura
global é obtida quatro vezes por dia;

O esforço em suportar a cooperação
internacional para atividades no espaço. O
conjunto de instrumentos a bordo destes
satélites deve atender a necessidades de 140
nações. Mais da metade dos instrumentos é
fornecida por outros países que não os EUA;

A contribuição dada aos esforços
internacionais em operações de busca e
salvamento. Desde 1982, este programa já
salvou mais de 13.000 vidas (01/2002)
Benefícios

O fornecimento de dados para pesquisas sobre
as mudanças climáticas globais. O acesso aos
dados TIROS é aberto a todas as nações. Em
alguns casos, estas informações são as únicas
disponíveis;

A viabilização de previsões meteorológicas de
3-5 dias que facilitam o planejamento de
atividades comerciais e/ou recreacionais;

O uso dos dados TIROS por agências
governamentais no gerenciamento de
recursos, monitoramento ambiental,
planejamento urbano, etc;
Benefícios

O monitoramento dos níveis atmosféricos de
ozônio e de padrões migratórios de certos
animais, assim como a detecção de
queimadas;

A economia de recursos públicos e privados
devido às informações fornecidas e ou
previstas antecipadamente.
Fontes de dados










http://podaac.jpl.nasa.gov/
http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/
http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/giovanni/
http://www.nodc.noaa.gov/sog/pathfinder4km/
http://www.leos.le.ac.uk/aatsr/
http://www.ssmi.com/
http://wwwghcc.msfc.nasa.gov/AMSR/
http://coastwatch.noaa.gov/
http://www.osi-saf.org/
http://www.opc.ncep.noaa.gov/sst/goessst2.shtml
Obrigado