El instrumento Advanced Very-High-Resolution Radiometer (AVHRR) es un sensor espacial que mide la reflectancia de la Tierra en cinco bandas espectrales que son relativamente amplias para los estándares actuales. Los instrumentos AVHRR son o han sido transportados por la familia de plataformas en órbita polar ( POES ) de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA ) y los satélites europeos MetOp . El instrumento escanea varios canales; dos están centrados en las regiones roja (0,6 micrómetros) y cercana al infrarrojo (0,9 micrómetros), un tercero se encuentra alrededor de los 3,5 micrómetros, y otros dos la radiación térmica emitida por el planeta, alrededor de 11 y 12 micrómetros. [1]
El primer instrumento AVHRR fue un radiómetro de cuatro canales . La última versión, AVHRR/3, transportada por primera vez en el NOAA-15 lanzado en mayo de 1998, adquiere datos en seis canales. El AVHRR ha sido reemplazado por el conjunto de radiómetros de imágenes infrarrojas visibles , transportado en la nave espacial Joint Polar Satellite System .
La NOAA tiene al menos dos satélites meteorológicos de órbita polar en órbita en todo momento, con un satélite cruzando el ecuador temprano en la mañana y temprano en la noche y el otro cruzando el ecuador en la tarde y al anochecer. El sensor principal a bordo de ambos satélites es el instrumento AVHRR. Los datos del satélite matutino se utilizan con mayor frecuencia para estudios terrestres, mientras que los datos de ambos satélites se utilizan para estudios atmosféricos y oceánicos. Juntos proporcionan cobertura global dos veces al día y garantizan que los datos de cualquier región de la Tierra no tengan más de seis horas de antigüedad. El ancho de franja, el ancho del área en la superficie de la Tierra que el satélite puede "ver", es de aproximadamente 2500 kilómetros (~1540 millas). Los satélites orbitan entre 833 u 870 kilómetros (+/− 19 kilómetros, 516–541 millas) sobre la superficie de la Tierra. [2]
La resolución terrestre más alta que se puede obtener con los instrumentos AVHRR actuales es de 1,1 kilómetros (0,68 millas) por píxel en el nadir .
Los datos del AVHRR (en sus tres evoluciones) se han recopilado de forma continua desde 1981. [2]
El objetivo principal de estos instrumentos es vigilar las nubes y medir la emisión térmica de la Tierra. Sin embargo, estos sensores han demostrado ser útiles para otras aplicaciones, como la vigilancia de las superficies terrestres, el estado de los océanos, los aerosoles, etc. Los datos del AVHRR son especialmente relevantes para estudiar el cambio climático y la degradación ambiental debido a los registros comparativamente largos de datos ya acumulados (más de 20 años). La principal dificultad asociada con estas investigaciones es abordar adecuadamente las numerosas limitaciones de estos instrumentos, especialmente en el período inicial (calibración de sensores, deriva orbital, muestreo espectral y direccional limitado, etc.).
El instrumento AVHRR también vuela en la serie de satélites MetOp . Los tres satélites MetOp forman parte del Sistema Polar EUMETSAT (EPS) gestionado por EUMETSAT , al que sucederá MetOp-SG .
Las aplicaciones de teledetección del sensor AVHRR se basan en técnicas de validación (emparejamiento) de observaciones terrestres y satelitales coubicadas. Alternativamente, se realizan cálculos de transferencia radiativa. Existen códigos especializados que permiten la simulación de las temperaturas de brillo y radiancias observables del AVHRR en canales infrarrojos y cercanos. [3] [4]
Antes del lanzamiento, los canales visibles (canales 1 y 2) de los sensores AVHRR son calibrados por el fabricante del instrumento, ITT, División Aeroespacial/Comunicaciones, y son trazables a los estándares del NIST . La relación de calibración entre la respuesta de conteo digital electrónico (C) del sensor y el albedo (A) del objetivo de calibración se regresiona linealmente: [2]
donde S e I son la pendiente y la intersección (respectivamente) de la regresión de calibración [NOAA KLM]. Sin embargo, la calibración previa al lanzamiento de alta precisión se degradará durante el lanzamiento y el tránsito a la órbita, así como durante la vida operativa del instrumento [Molling et al., 2010]. Halthore et al. [2008] señalan que la degradación del sensor es causada principalmente por el ciclo térmico, la desgasificación en los filtros, el daño por radiación de mayor energía (como la ultravioleta (UV)) y la condensación de los gases desgasificados en superficies sensibles.
Una de las principales limitaciones de diseño de los instrumentos AVHRR es que carecen de la capacidad de realizar calibraciones precisas a bordo una vez en órbita [NOAA KLM]. Por lo tanto, se deben realizar actividades de calibración en órbita posteriores al lanzamiento (conocidas como métodos de calibración indirecta) para actualizar y garantizar la precisión de las radiancias recuperadas y los productos posteriores derivados de estos valores [Xiong et al., 2010]. Se han realizado numerosos estudios para actualizar los coeficientes de calibración y proporcionar recuperaciones más precisas en comparación con el uso de la calibración previa al lanzamiento.
Rao y Chen [1995] utilizan el desierto de Libia como un objetivo de calibración radiométricamente estable para derivar tasas de degradación anual relativa para los canales 1 y 2 de los sensores AVHRR a bordo de los satélites NOAA -7, -9 y -11. Además, con una campaña de campo de aeronaves sobre el sitio del desierto de White Sands en Nuevo México, EE. UU. [Ver Smith et al., 1988], se transfirió una calibración absoluta para NOAA-9 desde un espectrómetro bien calibrado a bordo de una aeronave U-2 que volaba a una altitud de ~18 km en una trayectoria congruente con el satélite NOAA-9 que se encontraba arriba. Después de ser corregida por la degradación relativa, la calibración absoluta de NOAA-9 se pasa a NOAA −7 y −11 a través de una relación lineal utilizando observaciones del desierto de Libia que están restringidas a geometrías de visualización similares, así como fechas en el mismo mes calendario [Rao y Chen, 1995], y cualquier degradación del sensor se corrige ajustando la pendiente (en función de los días después del lanzamiento) entre el albedo y la señal de conteo digital registrada [Rao y Chen, 1999].
En otro método similar que utiliza objetivos de superficie, Loeb [1997] utiliza superficies de hielo uniformes espaciotemporales en Groenlandia y la Antártida para producir curvas de calibración de reflectancia polinomial de segundo orden en función del ángulo cenital solar; las reflectancias cercanas al nadir NOAA-9 calibradas se utilizan para generar las curvas que luego pueden derivar las calibraciones para otros AHVRR en órbita (por ejemplo, NOAA-11, -12 y -14).
Se encontró que la relación de los coeficientes de calibración derivados por Loeb [1997] y Rao y Chen [1995] son independientes del ángulo cenital solar, lo que implica que las curvas de calibración derivadas de NOAA-9 proporcionan una relación precisa entre el ángulo cenital solar y la reflectancia observada sobre Groenlandia y la Antártida.
Iwabuchi [2003] empleó un método para calibrar NOAA-11 y -14 que utiliza observaciones de reflectancia de nubes estratos y océanos en cielo despejado en una región del noroeste del Océano Pacífico y cálculos de transferencia radiativa de una atmósfera molecular teórica para calibrar AVHRR Ch. 1. Utilizando un mes de observaciones de cielo despejado sobre el océano, se realiza una estimación mínima inicial de la pendiente de calibración. Luego se utiliza un método iterativo para lograr los valores de pendiente óptimos para Ch. 1 con correcciones de pendiente que ajustan las incertidumbres en la reflectancia del océano, el vapor de agua, el ozono y el ruido. Luego se calibra Ch. 2 posteriormente bajo la condición de que el espesor óptico de las nubes estratos en ambos canales debe ser el mismo (espectralmente uniforme en el visible) si sus calibraciones son correctas [Iwabuchi, 2003].
Un método de calibración más contemporáneo para AVHRR utiliza las capacidades de calibración en órbita de los canales VIS/IR de MODIS . Vermote y Saleous [2006] presentan una metodología que utiliza MODIS para caracterizar la BRDF de un sitio desértico invariante. Debido a las diferencias en las bandas espectrales utilizadas para los canales de los instrumentos, se derivaron ecuaciones de traducción espectral para transferir con precisión la calibración teniendo en cuenta estas diferencias. Finalmente, la relación entre el AVHRR observado y el modelado a partir de la observación MODIS se utiliza para determinar la degradación del sensor y ajustar la calibración en consecuencia.
Los métodos para ampliar la calibración y la continuidad de los registros también utilizan actividades de calibración similares [Heidinger et al., 2010].
En el debate hasta el momento, se han propuesto métodos que pueden calibrar sensores AVHRR individuales o que están limitados a unos pocos. Sin embargo, un desafío importante desde el punto de vista climático es la necesidad de una continuidad de registros que abarque más de 30 años de tres generaciones de instrumentos AVHRR, así como sensores más contemporáneos como MODIS y VIIRS . Pueden existir varios artefactos en la calibración nominal del AVHRR, e incluso en calibraciones actualizadas, que causan una discontinuidad en el registro de radiancia a largo plazo construido a partir de múltiples satélites [Cao et al., 2008].
Brest y Rossow [1992], y la metodología actualizada [Brest et al., 1997], propusieron un método robusto para el monitoreo de calibración de sensores individuales y la normalización de todos los sensores a un estándar común. El método del Proyecto Internacional de Climatología de Nubes por Satélite (ISCCP) comienza con la detección de nubes y correcciones para ozono, dispersión de Rayleigh y variaciones estacionales en la irradiancia para producir reflectancias de superficie. Luego se producen histogramas mensuales de reflectancia de superficie para varios tipos de superficie y luego se aplican varios límites de histograma como un filtro a las observaciones del sensor original y finalmente se agregan para producir una reflectancia de superficie global, libre de nubes.
Después de filtrarlos, los mapas globales se dividen en mapas de reflectancia media mensual de SUPERFICIE, dos mapas de reflectancia media quincenales de SUPERFICIE y un mapa de reflectancia media TOTAL. Los mapas de reflectancia media mensual de SUPERFICIE se utilizan para detectar tendencias a largo plazo en la calibración. Los mapas de SUPERFICIE quincenales se comparan entre sí y se utilizan para detectar cambios a corto plazo en la calibración.
Por último, los mapas TOTAL se utilizan para detectar y evaluar el sesgo en la metodología de procesamiento. También se examinan los histogramas de destino, ya que los cambios en las reflectancias modales y en la población probablemente sean el resultado de cambios en la calibración.
La continuidad de los registros a largo plazo se logra mediante la normalización entre dos sensores. En primer lugar, se procesan las observaciones del período operativo de superposición de los dos sensores. A continuación, se comparan los dos mapas globales de SUPERFICIE mediante un diagrama de dispersión. Además, se corrigen las observaciones para tener en cuenta los cambios en el ángulo cenital solar causados por la deriva orbital. Por último, se ajusta una línea para determinar la deriva general a largo plazo en la calibración y, después de que se corrige la deriva de un sensor, se realiza la normalización en las observaciones que se producen durante el mismo período operativo [Brest et al., 1997].
Otro método reciente para la calibración absoluta del registro AHVRR hace uso del sensor MODIS contemporáneo a bordo de los satélites TERRA y AQUA de la NASA. El instrumento MODIS tiene una alta precisión de calibración y puede rastrear sus propios cambios radiométricos debido a la inclusión de un sistema de calibración a bordo para la región espectral VIS/NIR [MCST]. El siguiente método utiliza la alta precisión de MODIS para calibrar absolutamente los AVHRR a través de sobrepasos simultáneos del nadir (SNO) de pares de satélites MODIS/AVHRR y AVHRR/AVHRR, así como reflectancias de superficie caracterizadas por MODIS para un objetivo del desierto de Libia y Dome-C en la Antártida [Heidinger et al., 2010]. En última instancia, cada evento de calibración individual disponible (SNO MODIS/AVHRR, Dome C, desierto de Libia o SNO AVHRR/AVHRR) se utiliza para proporcionar una serie temporal de pendiente de calibración para un sensor AVHRR determinado. Heidinger et al. [2010] utilizan un polinomio de segundo orden de un ajuste de mínimos cuadrados para determinar la serie de tiempo.
El primer paso implica el uso de un modelo de transferencia radiativa que convertirá las escenas MODIS observadas en aquellas que vería un AVHRR perfectamente calibrado. Para las ocurrencias de SNO MODIS/AVHRR, se determinó que la relación de las radiancias AVHRR a MODIS tanto en Ch1 como Ch2 se modela bien mediante un polinomio de segundo orden del radio de las reflectancias MODIS en los canales 17 y 18. Los canales 17 y 18 están ubicados en una región espectral (0,94 mm) sensible al vapor de agua atmosférico, una cantidad que afecta la calibración precisa de AVHRR Ch. 2. Usando la relación Ch17 a Ch 18, se obtiene una estimación precisa del agua precipitable total (TPW) para aumentar aún más la precisión de las calibraciones de SNO MODIS a AVHRR. Los sitios de calibración del desierto libio y Dome-C se usan cuando no ocurren SNO MODIS/AVHRR. Aquí, la relación de reflectancias AVHRR a MODIS se modela como un polinomio de tercer orden utilizando el logaritmo natural de TWP del reanálisis del NCEP. Utilizando estos dos métodos, se generan pendientes de calibración mensuales con un ajuste lineal forzado a través del origen de las reflectancias MODIS ajustadas frente a los conteos AVHRR.
Para ampliar la referencia MODIS para los AVHRR anteriores a la era MODIS (pre-2000), Heidinger et al. [2010] utilizan los objetivos terrestres estables de Dome C en la Antártida y el desierto de Libia. Se determinan las reflectancias nadir medias MODIS sobre el objetivo y se representan gráficamente en función del ángulo cenital solar. Los recuentos de observaciones AVHRR en un ángulo cenital solar determinado y la reflectancia MODIS correspondiente, corregida para TWP, se utilizan luego para determinar qué valor AVHRR sería si tuviera la calibración MODIS. Ahora se calcula la pendiente de calibración.
Un último método utilizado por Heidinger et al. [2010] para extender la calibración MODIS a los AVHRR que funcionaban fuera de la era MODIS es a través de SNO AVHRR/AVHRR directos. Aquí, se grafican los conteos de los AVHRR y se calcula una regresión forzada a través del origen. Esta regresión se utiliza para transferir la calibración precisa de las reflectancias de un AVHRR a los conteos de un AVHRR no calibrado y producir pendientes de calibración apropiadas. Estos SNO AVHRR/AVHRR no proporcionan un punto de calibración absoluto por sí mismos; más bien, actúan como anclas para la calibración relativa entre AVHRR que se pueden utilizar para transferir la calibración MODIS definitiva.
La experiencia operativa con el sensor MODIS [5] a bordo de los satélites Terra y Aqua de la NASA condujo al desarrollo del sucesor del AVHRR, VIIRS . [6] El VIIRS está operando actualmente a bordo de los satélites Suomi NPP y NOAA-20 . [7] Mientras que los satélites MetOp de EUMETSAT con instrumentos AVHRR serán reemplazados por satélites MetOp-SG con un instrumento europeo MetImage. [8]