El instrumento Radiómetro Avanzado de Muy Alta Resolución (AVHRR) es un sensor espacial que mide la reflectancia de la Tierra en cinco bandas espectrales que son relativamente anchas para los estándares actuales. Los instrumentos AVHRR son o han sido transportados por la familia de plataformas de órbita polar ( POES ) de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) y por satélites europeos MetOp . El instrumento escanea varios canales; dos están centrados en las regiones roja (0,6 micrómetros) e infrarrojo cercano (0,9 micrómetros), un tercero se sitúa en torno a los 3,5 micrómetros, y otros dos en la radiación térmica emitida por el planeta, en torno a los 11 y 12 micrómetros. [1]
El primer instrumento AVHRR fue un radiómetro de cuatro canales . La última versión, AVHRR/3, implementada por primera vez en NOAA-15 lanzada 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 en órbita polar en órbita en todo momento, uno de los cuales cruza el ecuador temprano en la mañana y temprano en la noche y el otro cruza el ecuador en la tarde y al final de la noche. El sensor principal a bordo de ambos satélites es el instrumento AVHRR. Los datos de los satélites matutinos se utilizan más comúnmente para estudios terrestres, mientras que los datos de ambos satélites se utilizan para estudios de la atmósfera y los océanos. Juntos brindan 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 la franja, el ancho del área de 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 AVHRR se han recopilado continuamente desde 1981. [2]
El objetivo principal de estos instrumentos es monitorear las nubes y medir la emisión térmica de la Tierra. Sin embargo, estos sensores han demostrado ser útiles para otras aplicaciones, incluida la vigilancia de superficies terrestres, estado de los océanos, aerosoles, etc. Los datos AVHRR son particularmente 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 a 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 previstos forman parte del Sistema Polar EUMETSAT (EPS) gestionado por EUMETSAT .
Las aplicaciones de teledetección del sensor AVHRR se basan en técnicas de validación (emparejamiento) de observaciones terrestres y observaciones 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 de infrarrojo cercano e infrarrojo. [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 rastreables según los estándares NIST . La relación de calibración entre la respuesta del conteo digital electrónico (C) del sensor y el albedo (A) del objetivo de calibración se retrocede 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 ciclos térmicos, desgasificación en los filtros, daños causados por radiación de mayor energía (como la ultravioleta (UV)) y condensación de gases desgasificados en superficies sensibles.
Una falla importante de diseño de los instrumentos AVHRR es que carecen de la capacidad de realizar calibraciones a bordo precisas 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 indirectos) para actualizar y garantizar la precisión de las radiancias recuperadas y los productos subsiguientes 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 objetivo de calibración radiométricamente estable para derivar tasas de degradación anuales relativas para los canales 1 y 2 de los sensores AVHRR a bordo de los satélites NOAA -7, -9 y -11. Además, durante una campaña aérea sobre el 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 un avión U-2 que volaba a una altitud de ~18 km en una trayectoria congruente con el satélite NOAA-9 de arriba. Después de corregir 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 a 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 polinómica de segundo orden en función del ángulo cenital solar; Las reflectancias cercanas al nadir calibradas del NOAA-9 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 obtenidos 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 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 con cielo despejado sobre el océano, se hace 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 ajustando las incertidumbres en la reflectancia del océano, el vapor de agua, el ozono y el ruido. Cap. 2 se calibra posteriormente bajo la condición de que el espesor óptico de los estratos de nubes 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 el 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 que tiene en cuenta estas diferencias. Finalmente, la relación entre AVHRR observada y la modelada 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 del registro también utilizan actividades de calibración similares [Heidinger et al., 2010].
En la discusión hasta ahora, se han planteado métodos que pueden calibrar sensores AVHRR individuales o se limitan a unos pocos. Sin embargo, un desafío importante desde el punto de vista climático es la necesidad de una continuidad récord 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 AVHRR nominal, 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], presentaron un método sólido para el monitoreo de la 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 del ozono, la dispersión de Rayleigh y las variaciones estacionales en la irradiancia para producir reflectancias superficiales. Luego se producen histogramas mensuales de reflectancia de superficie para varios tipos de superficie y luego se aplican varios límites de histograma como filtro a las observaciones originales del sensor y, en última instancia, se agregan para producir una reflectancia de superficie global libre de nubes.
Después del filtrado, los mapas globales se segregan en mapas de SUPERFICIE media mensual, dos mapas de SUPERFICIE quincenales y un mapa de reflectancia TOTAL media. Los mapas de reflectancia de SUPERFICIE media mensual se utilizan para detectar tendencias a largo plazo en la calibración. Los mapas SURFACE quincenales se comparan entre sí y se utilizan para detectar cambios a corto plazo en la calibración.
Finalmente, los mapas TOTALES se utilizan para detectar y evaluar sesgos en la metodología de procesamiento. También se examinan los histogramas objetivo, ya que los cambios en las reflectancias modal 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 solapamiento del período operativo de dos sensores. A continuación, los dos mapas globales de SURFACE se comparan mediante un diagrama de dispersión. Además, las observaciones se corrigen por cambios en el ángulo cenital solar causados por la deriva orbital. En última instancia, se ajusta una línea para determinar la deriva general a largo plazo en la calibración y, después de corregir la deriva de un sensor, se realiza la normalización de las observaciones que ocurren durante el mismo período operativo [Brest et al., 1997].
Otro método reciente para la calibración absoluta del registro AHVRR utiliza el moderno sensor MODIS 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 integrado para la región espectral VIS/NIR [MCST]. El siguiente método utiliza la alta precisión de MODIS para calibrar absolutamente los AVHRR a través de pasos superiores nadir simultáneos (SNO) de los pares de satélites MODIS/AVHRR y AVHRR/AVHRR, así como las reflectancias de superficie caracterizadas por MODIS para un objetivo en el desierto de Libia y el Domo-C en la Antártida. [Heidinger y otros, 2010]. En última instancia, cada evento de calibración individual disponible (MODIS/AVHRR SNO, Dome C, Desierto de Libia o AVHRR/AVHRR SNO) se utiliza para proporcionar una serie de tiempo de pendiente de calibración para un sensor AVHRR determinado. Heidinger et al. [2010] utilizan un polinomio de segundo orden a partir de un ajuste de mínimos cuadrados para determinar la serie temporal.
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 MODIS/AVHRR SNO, se determinó que la proporción de radiancias AVHRR a MODIS en Ch1 y Ch2 se modela bien mediante un polinomio de segundo orden de la radio de 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, cantidad que afecta la calibración precisa de AVHRR Ch. 2. Utilizando 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 MODIS a AVHRR SNO. Los sitios de calibración del Desierto de Libia y Dome-C se utilizan 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 de 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 versus los recuentos AVHRR.
Para ampliar la referencia MODIS para los AVHRR anteriores a la era MODIS (antes de 2000), Heidinger et al. [2010] utilizan los objetivos terrestres estables del Domo C en la Antártida y el desierto de Libia. Se determinan las reflectancias nadir medias de MODIS sobre el objetivo y se trazan frente al ángulo cenital solar. Los recuentos de las observaciones AVHRR en un ángulo cenital solar determinado y la reflectancia MODIS correspondiente, corregida para TWP, se utilizan luego para determinar qué valor AVHRR se proporcionaría 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 nuevamente a AVHRR que operaban fuera de la era MODIS es a través de SNO AVHRR/AVHRR directos. Aquí, se trazan los recuentos 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 recuentos de un AVHRR no calibrado y producir pendientes de calibración apropiadas. Estos AVHRR/AVHRR SNO no proporcionan un punto de calibración absoluto por sí mismos; más bien actúan como anclajes para la calibración relativa entre AVHRR que pueden usarse para transferir la calibración MODIS final.
La experiencia operativa con el sensor MODIS [5] a bordo de Terra y Aqua de la NASA condujo al desarrollo del sucesor de AVHRR, VIIRS . [6] El VIIRS funciona actualmente a bordo de los satélites Suomi NPP y NOAA-20 . [7]