System odbioru i przetwarzania danych satelitarnych IMGW-PIB – możliwości

wykorzystania w badaniach środowiska morskiego

Bożena Łapeta, Piotr Struzik, Monika Hajto

Dział Teledetekcji Satelitarnej

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.

Fig. 28 - Composite image from all Polish radars.

8 radarów

~1000 automatycznych

stacji telemetrycznych

IMGW

METEOSAT (8,9,10) NOAA 15-19,

SuomiNPP Metop-A, B Terra, Aqua

60 stacji Synop 152 stacje Klimatyczne

978 posterunków opadowych

196 posterunków śniegowych

System detekcji wyładowań

atmosferycznych PERUN

Numeryczne prognozy pogody:

COSMO, ALADIN, INCA

Dane satelitarne jako element składowy systemu obserwacyjno – pomiarowego IMGW

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).

Stacja naziemna odbioru danych satelitarnych IMGW-PIB

Schemat systemu odbioru i przetwarzania danych satelitarnych DTS

Meteosat LRIT

3.15 m L band

Ant. Control

DSR-II Rec.

Acq. Server

Polar

Terra, Aqua, Suomi NPP, NOAA, Metop

2.4m L/X band

1.8m L band

NOAA, Metop EUMETCast

1.6m Ku band 1.3m Ku band EUMETCast Terrestrial

Ge

ant

Ant. Control

DSR-III Rec.

DSR-II Rec. DSR-II Rec.

Ayeca Rec. Ayeca Rec.

LAN

Polar Server 2

DVB1 Server

DVB2 Server

Terr. Server

XRIT-1 Server

XRIT-5 Server

XRIT-3 Server

XRIT-4 Server

RSS 15 min

Polar LRIT Vision1

Server Vision5 Server

Linux-Polar Server

Linux-XRIT Server

XRIT-2 Server

Sentinel-1,2

Sentinel-3

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

Satelita geostacjonarny METEOSAT

Satelity okołobiegunowe: NOAA, Metop, Terra, Aqua, S-NPP

7

Orbita geostacjonarna – 35 800 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

Satelita geostacjonarny Meteosat/SEVIRI –

Pokrycie przestrzenne

Satelita okołobiegunowy SNPP/VIIRS, 11.10.2016, 11:30 UTC

Satelity polarne

Satelita geostacjonarny Meteosat/SEVIRI – wysoka rozdzielczość

Satelita geostacjonarny

9

Satelita okołobiegunowy AQUA/MODIS Satelita okołobiegunowy NOAA/AVHRR

Zdolność rozdzielcza

Satelity geostacjonarne: Zalety: - Pokrycie przestrzenne – hemisfera, - możliwy krótki czas repetycji (15- 2.5

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. 2500 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

Ograniczenia wynikające z platformy satelitarnej

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.

Dane satelitarne w badaniach środowiska morskiego

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 (0.4-0.6 µ).

• Dane o stratyfikacji i składzie atmosfery dla celów korekcji atmosferycznej

pomiarów w części VIS - usunięcie wpływu atmosfery.

Wpływ atmosfery w paśmie 0.4-0.7µm jest istotnie duży

Czujniki pasywne - jakich danych potrzebujemy?

Advanced Very High Resolution Radiometer AVHRR (NOAA18 i 19, Metop-A i -

B) – 5-kanałowy radiometr mierzący promieniowanie w zakresie 0.6-12.0 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 (0.4-14.3 µm) z rozdzielczością od

250/500/1000 m (do 4 transmisji na dobę).

VIIRS (S-NPP) - 22- kanałowy radiometr skanujący podobny do przyrządu

MODIS. Zobrazowanie ziemi w świetle widzialnym i podczerwieni termalnej

(0.4-12.1 µm) z rozdzielczością 370/750 m (2 transmisje na dobę).

The MultiSpectral Instrument, MSI, (Sentinel-2) - 13-kanałowy instrument

mierzący promieniowanie w świetle widzialnym (0.4-2.2 µm) z rozdzielczością

10/20/60m (1 transmisja na 6 -8 dni).

Czujniki pasywne – dane operacyjnie odbierane

15

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.

Sytuacja meteorologiczna dla Bałtyku

Osłona morska

Zlodzenie morza na podstawie danych Terra i Aqua

18

Produkty na potrzeby osłony morskiej oraz badań środowiska mórz i oceanów – czujniki pasywne

Temperatura powierzchni morza (K, C)

Koncentracja chlorofilu-a (mg/m3)

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/m3)

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-2µm-2sr-2)

19

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;

Temperatura powierzchni morza z danych MODIS, 18.06.2017, 11:10 UTC

Przykładowe produkty

Temperatura powierzchni morza z danych MODIS, 18.06.2017, 20:36 UTC

Przykładowe produkty

Temperatura powierzchni morza z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC

Przykładowe produkty

Koncentracja chlorofilu z danych MODIS

Przykładowe produkty

Koncentracja chlorofilu a z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC

Przykładowe produkty

Głębokość optyczna aerozoli dla 889 nm z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC

Przykładowe produkty

Współczynnik Angstroma z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC

Przykładowe produkty

Particulate organic and inorganic carbon z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC

Przykładowe produkty

Chwilowe promieniowanie fotosyntetycznie czynne na powierzchni morza z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC

Przykładowe produkty

Promieniowanie fotosyntetycznie czynne z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC

Przykładowe produkty

Dyfuzyjny współczynnik osłabienia z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC

Przykładowe produkty

Norm. Fluorescence line height z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC

Przykładowe produkty

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

Przykładowe produkty

Anomalia wysokości powierzchni morza na podstawie danych z wysokościomierzy satelitarnych: Jason-2, Jason-3, Saral/Altika, Sentenel-1.

5.01.2017 - Axel Low – Storm on Baltic Sea

Wysokość falowania morza na podstawie danych z wysokościomierzy satelitarnych: Jason-2, Jason-3, Saral/Altika, Sentinel-1.

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

20.02.2017

14.02.2017

22.02.2017

Program Copernicus – środowisko morskie

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

2016. Drugi z satelitów zostanie umieszczony na orbicie w 2018.

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.

Misja Sentinel-3

Ocean and Land Colour Instrument (OLCI) (Sentinel-3) – 5 kamerowy spektrometr mierzący

promieniowanie słoneczne w 21 kanałach (0.4-1.02µm) z rozdzielczością 300m w punkcie

podsatelitarnym. OLCI spectral bands center width

1 aerosol, in-water properties 400 15

2 yellow substance, detritus 412.5 10

3 chlorophyll absorption max 442.5 10

4 chlorophyll and other pigments 490 10

5 suspended sediments, red tide 510 10

6 chlorophyll absorption min 560 10

7 suspended sediments 620 10

8 chlorophyll absorption, fluorescence 665 10

9 fluorescence 673.75 7.5

10 chlorophyll fluorescence peak 681.25 7.5

11 chlorophyll fluoresc. ref., atm. corr. 708.75 10

12 vegetation, clouds 753.75 7.5

13 O2 R-branch absorption 761.25 2.5

14 atmospheric parameters 764.375 3.75

15 cloud top pressure 767.5 2.5

16 O2 P-branch absorption 778.75 15

17 atmospheric correction 865 20

18 vegetation, water vapour reference 885 10

19 water vapour, land 900 10

20 atmospheric correction 940 20

21 atmospheric correction 1020 40

Czujniki satelitarne Sentinel3 dedykowane do monitoringu mórz i oceanów

Dobowy rozkład skanów czujnika Sentinel-3A OLCI

Sea and Land Surface Temperature Radiometer (SLSTR) (Sentinel-3) – 11-kanałowy

radiometr mierzący promieniowanie w pasmach widzialnym i podczerwonym (0.55-

10.85µm) 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 > 1 400 km

Spectral channel centre

(mm)

VIS 0.55; 0.659; 0.865

SWIR 1.375; 1.610; 2.25

MWIR/TIR 3.74; 10.85; 12

Fire 1/2 3.74; 10.85

Czujniki satelitarne dedykowane do monitoringu mórz i oceanów

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

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.

Produkty Sentinel-3

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.

Zalety i wady wykorzystania danych satelitarnych

Wady:

• 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.

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.

Podsumowanie

Dziękuję za uwagę