El sondeo atmosférico o perfilado atmosférico es una medición de la distribución vertical de las propiedades físicas de la columna atmosférica , como la presión , la temperatura , la velocidad y la dirección del viento (de donde se deriva la cizalladura del viento ), el contenido de agua líquida, la concentración de ozono , la contaminación y otras propiedades. Estas mediciones se realizan de diversas formas, incluidas la teledetección y las observaciones in situ .
El sondeo in situ más común es una radiosonda , que normalmente es un globo meteorológico , pero también puede ser un cohete sonda .
Los sondeos de teledetección generalmente utilizan radiómetros pasivos de infrarrojos y microondas :
Los sensores que miden directamente los componentes atmosféricos, como termómetros, barómetros y sensores de humedad, pueden enviarse a bordo de globos, cohetes o sondas de descenso . También pueden llevarse en los cascos exteriores de barcos y aviones o incluso montarse en torres. En este caso, todo lo que se necesita para capturar las mediciones son dispositivos de almacenamiento y/o transpondedores .
El caso más complicado involucra sensores, principalmente montados en satélites, como radiómetros , sensores ópticos, radares , lidar y ceilómetros , así como sodar, ya que estos no pueden medir la cantidad de interés, como la temperatura, la presión, la humedad, etc., directamente. Al comprender los procesos de emisión y absorción, podemos averiguar qué está observando el instrumento entre las capas de la atmósfera. Si bien este tipo de instrumento también puede operarse desde estaciones terrestres o vehículos (los métodos ópticos también se pueden utilizar dentro de instrumentos in situ), los instrumentos satelitales son particularmente importantes debido a su cobertura extensa y regular. Los instrumentos AMSU en tres satélites NOAA y dos EUMETSAT , por ejemplo, pueden muestrear todo el globo con una resolución mejor que un grado en menos de un día.
Podemos distinguir entre dos grandes clases de sensores: los activos , como el radar , que tienen su propia fuente, y los pasivos , que solo detectan lo que ya está ahí. Puede haber una variedad de fuentes para un instrumento pasivo, incluida la radiación dispersa, la luz emitida directamente por el sol, la luna o las estrellas, ambas más apropiadas en el rango visual o ultravioleta, así como la luz emitida por objetos cálidos, que es más apropiada en el rango de microondas e infrarrojos.
Una sonda de limbo observa el borde de la atmósfera, donde es visible por encima de la Tierra. Lo hace de una de dos maneras: o bien sigue al sol, la luna, una estrella u otro satélite transmisor a través del limbo a medida que la fuente se oculta detrás de la Tierra, o bien observa hacia el espacio vacío, recogiendo la radiación que se dispersa desde una de estas fuentes. Por el contrario, una sonda de nadir observa hacia abajo (en el nadir ) a través de la atmósfera en la superficie. El instrumento SCIAMACHY funciona en estos tres modos. Una sonda cenital observa hacia arriba (en el cenit ) desde una ubicación terrestre.
Lo siguiente se aplica principalmente a los sensores pasivos, pero tiene cierta aplicabilidad a los sensores activos.
Normalmente, hay un vector de valores de la cantidad que se va a recuperar, , llamado vector de estado y un vector de mediciones, . El vector de estado puede ser temperaturas, densidades de número de ozono, humedades, etc. El vector de medición suele ser recuentos, radiancias o temperaturas de brillo de un radiómetro o detector similar, pero podría incluir cualquier otra cantidad relacionada con el problema. El modelo directo asigna el vector de estado al vector de medición:
Por lo general, la aplicación, , se conoce a partir de los primeros principios físicos, pero puede que no siempre sea así. En cambio, puede que solo se conozca empíricamente , al hacer coincidir las mediciones reales con los estados reales. Los satélites y muchos otros instrumentos de teledetección no miden las propiedades físicas relevantes, es decir, el estado, sino más bien la cantidad de radiación emitida en una dirección particular, a una frecuencia particular. Por lo general, es fácil pasar del espacio de estados al espacio de medición (por ejemplo, con la ley de Beer o la transferencia radiativa ), pero no al revés, por lo tanto, necesitamos algún método para invertir o para encontrar el modelo inverso , .
Si el problema es lineal , podemos utilizar algún tipo de método inverso de matrices; a menudo, el problema está mal planteado o es inestable, por lo que necesitaremos regularizarlo : los métodos buenos y simples incluyen la ecuación normal o la descomposición en valores singulares . Si el problema es débilmente no lineal, un método iterativo como el de Newton-Raphson puede ser apropiado.
A veces, la física es demasiado complicada para modelarla con precisión o el modelo directo es demasiado lento para usarse de manera efectiva en el método inverso. En este caso, se pueden usar métodos estadísticos o de aprendizaje automático como regresión lineal , redes neuronales , clasificación estadística , estimación de kernel , etc. para formar un modelo inverso basado en una colección de pares ordenados de muestras que mapean el espacio de estados al espacio de medición, es decir, . Estos se pueden generar a partir de modelos (por ejemplo, vectores de estado de modelos dinámicos y vectores de medición de transferencia radiativa o modelos directos similares) o de medición empírica directa. Otras ocasiones en las que un método estadístico podría ser más apropiado incluyen problemas altamente no lineales .
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