Sensoramiento remoto de la convección. Satélites Meteorológicos

Transcripción

1 Sensoramiento remoto de la convección Satélites Meteorológicos Luciano Vidal Convección y Microfísica de Nubes - 1 cuatrismestre 2010

2 INTRODUCCION Para la meteorología operativa, poder contar con información satelital al instante es de vital importancia al momento de determinar cuales son los patrones nubosos que están afectando la zona de interés así como también poder monitorear su desarrollo en términos de pronósticos a corto plazo. Por otro lado, poder desarrollar toda una serie de productos derivados que ayuden a mejorar el pronóstico numérico a partir de la disponibilidad de datos en zonas remotas carentes de observaciones. Para cumplir con estas expectativas, es necesario contar con un sistema de observación desde el espacio que brinde una alta frecuencia temporal y una gran cobertura espacial.

3 Tipo de órbitas Polares (LEO) Cobertura mundial de cada satélite dos veces al día. Brindan cobertura mundial de fenómenos selectos mediante generadores de imágenes visibles, infrarrojas y de microondas y sondas atmosféricas infrarrojas y de microondas. Geoestacionaria (GEO) Las órbitas geoestacionarias se utilizan para observar el desarrollo y la evolución de los fenómenos meteorológicos en los trópicos y en las latitudes medias que cambian sobre escalas de tiempo relativamente breves: sus datos se usan principalmente para generar pronósticos inmediatos y determinar los vectores de movimiento atmosférico. Se logra tener una imagen cada 15 minutos.

4 Para la percepción remota satelital, se deben tener en cuenta cuatro conceptos básicos: Todos están relacionados con la resolución: temporal (con qué frecuencia) espacial (de qué tamaño) espectral (a qué longitudes de onda y con qué anchura) radiométrica (relación señal a ruido) Animación de imágenes geoestacionarias

5 Para la percepción remota satelital, se deben tener en cuenta cuatro conceptos básicos: Todos están relacionados con la resolución: temporal (con qué frecuencia) espacial (de qué tamaño) espectral (a qué longitudes de onda y con qué anchura) radiométrica (relación señal a ruido) VIS 1km IR 4km GOES VIS 1km IR 1km POES

6 1 km a 250 m Huracán Erin 09/09/01 ~1530 UTC GOES-8: MODIS: ~250 ~1 kmm MODIS: ~250 GOES-8: ~1 km

7 Para la percepción remota satelital, se deben tener en cuenta cuatro conceptos básicos: Todos están relacionados con la resolución: temporal (con qué frecuencia) espacial (de qué tamaño) espectral (a qué longitudes de onda y con qué anchura) radiométrica (relación señal a ruido)

8 Para la percepción remota satelital, se deben tener en cuenta cuatro conceptos básicos: Todos están relacionados con la resolución: temporal (con qué frecuencia) espacial (de qué tamaño) espectral (a qué longitudes de onda y con qué anchura) radiométrica (relación señal a ruido)

9 SATELITES GEOESTACIONARIOS ACTUALES SATELITES GEOESTACIONARIOS ACTUALES Cobertura espacial

10 SATELITES GEOESTACIONARIOS ACTUALES GOES-12 & 10

11 SATELITES GEOESTACIONARIOS ACTUALES Bandas espectrales de GOES

12 VIS Qué tipo de imágenes son más útiles en meteorología? IR WV

13 Imágenes VIS Características generales Este tipo de imágenes indican la cantidad de radiación solar que es reflejada por la superficie de la Tierra y por las nubes. En las imágenes VIS, los tonos claros representan zonas de alta reflectividad y los tonos oscuros las áreas de baja reflectancia. El ángulo del sol respecto del sensor del satélite crea sombras que resultan de gran utilidad al momento de analizar los tipos de nubes en las imágenes VIS.

14 Imágenes VIS Imágenes VIS Características generales Modelo esquemático que representa la interacción entre el ángulo de iluminación y la estructura de la nube. B A

15 Imágenes VIS Características generales Imagen VIS tomada por el satélite GOES-12 el 19 de marzo de 2008 a las 14:45 UTC, donde se pueden apreciar varias sombras. En los puntos A y B, nubes en niveles más altas proyectan sombras en nubes más bajas. En el punto C, una capa de nubes proyecta sombra sobre la superficie terrestre. Si se puede medir el ancho de la sombra y mediante el ángulo de elevación del sol para ese día y esa hora, se puede estimar la altura del tope de la nube. A B A A BUENOS AIRES LA PAMPA C C B A C

16 19 / 12 / :09 Hora Local 17:09 Hora Local

17

18 VIS GOES :39 UTC

19 VIS GOES :39 UTC

20 VIS GOES :09 UTC

21 VIS GOES :40 UTC

22 Imágenes IR Características generales Los sensores IR miden la radiación infrarroja emitida por la Tierra y la atmósfera. Como la cantidad de radiación infrarroja emitida depende de la temperatura de la superficie, las imágenes IR son esencialmente una imagen de temperaturas del suelo o bien del tope de las nubes. En las imágenes IR convencionales, las zonas más frías aparecen en tonos blancos o gris claro mientras que las zonas más cálidas aparecen en tonos negros o gris oscuro. En la mayoría de los sistemas para desplegar las imágenes, la escala de grises en las imágenes IR esta compuesta por 256 colores abarcando desde el blanco (temperaturas más frías) hasta el negro (temperaturas más cálidas).

23 Imágenes IR Realce de imágenes El realce de imágenes consiste en destacar ciertos valores o regiones dentro de una imagen para enfatizar e identificar características meteorológicas y separarlas de las señales provenientes de la tierra y del agua. DN (input) BLANCO 255 ESCALA DE GRISES DN (output) En la escala estándar de grises que relacionan la temperatura de topes con el DN, muchos de los 256 tonos de color gris se desperdician en las temperaturas más cálidas así como en las más frías, ya que los rangos de temperatura de importancia para la meteorología por satélite rara vez superan los 40ºC o caen por debajo de - 80ºC. NEGRO ºC TEMPERATURA

24 Imágenes IR Realce de imágenes Sc Muy complicado!!! Ci

25 Imágenes IR Realce de imágenes Una solución a esto es hacer que todo lo que este por encima de 40ºC sea negro y todas las temperaturas inferiores a -80ºC llevarlas a blanco. De esta manera, los 256 tonos de gris se utilizan en un rango de temperatura más pequeño. DN (input) BLANCO 255 ESCALA DE GRISES DN (output) Esto mejora el contraste en el rango de temperatura que es más importante para los estudios meteorológicos, lo que permite visualizar pequeñas diferencias de temperatura en la imagen. Esto se llama curva de realce ZA curva de realce ZA y es la más técnica más utilizada para el realce de imágenes IR. NEGRO ºC TEMPERATURA

26 Imágenes IR Imágenes IR Realce de imágenes Ejemplos

27 Imágenes IR Segmentación de imágenes RAMMDIS SMN GVAR 02/04/ UTC

28 Imágenes IR Imágenes IR Ejemplos

29 Imágenes IR Imágenes IR Ejemplos

30 Imágenes IR Imágenes IR Ejemplos

31 Imágenes IR Imágenes IR Ejemplos

32 Imágenes IR Imágenes IR Ejemplos

33 Imágenes IR Imágenes IR Ejemplos

34 Imágenes WV Características generales La energía emitida en el rango de longitudes de onda que va de los 6.5 a los 7 µm (Canal 3 GOES), es fácilmente absorbida por el vapor de agua presente en la atmósfera. Las imágenes que se adquieren en esta banda se utilizan para localizar grandes concentraciones de vapor de agua, así como zonas con gradientes importantes en la media y alta troposfera. Por su parte, también son de gran utilidad para observar y analizar la circulación en gran escala, incluso en ausencia de nubosidad.

35 Imágenes WV Características generales SATELITE Cerca de superficie, la temperatura es elevada como así también el contenido de vapor de agua. Por lo tanto, en la capa inferior, la cantidad de emisión infrarroja es grande, pero la mayor parte de ella es absorbida por el vapor de agua y poco de la emisión llega al satélite (A y B) RE-EMISIÓN RE-EMISIÓN ABSORCIÓN A B C D Vapor de agua en niveles altos Al incrementarse la altura, la temperatura disminuye así como la cantidad de vapor de agua (C). En la alta atmósfera, la temperatura es aún más baja y la cantidad de vapor de agua es aún más pequeña, y casi toda la reemisión infrarroja llega al sensor del satélite sin ninguna tipo de absorción (D). RE-EMISIÓN ABSORCIÓN ABSORCIÓN Vapor de agua en niveles medios Vapor de agua en niveles bajos Superficie de la Tierra (Adaptado de Kishimoto, 1997)

36 Imágenes WV Características generales En zonas secas de la atmósfera, donde se presenta poco contenido de vapor de agua en la capa superior y media, la imagen resultante es oscura, porque la temperatura es alta debido a la contribución de la radiación de la capa más baja. Dark gray Dark Light gray Bright TROPOPAUSA En las zonas húmedas con una gran cantidad de vapor de agua en la capa superior y media, la imagen resultante es brillante porque la temperatura es baja, debido a la contribución de la radiación procedente de la capa media y superior Línea en negrita: altura de emisión media (altura que determina el nivel de brillo de la imagen) Zona punteada: área que contiene una gran cantidad de vapor de agua

37 Imágenes WV Aplicaciones Detección de bajas segregadas Identificación de zonas de deformación Detección de cuñas intensificándose Seguimiento de los sistemas de circulación de niveles medios Seguimiento de las corrientes en chorro Detección de zonas secas y húmedas en la media y alta atmósfera Detección de intrusiones secas asociadas a ciclogénesis Detección de zonas que se estan secando rápidamente (a veces, cerca de los MCS)

38 Imágenes WV Ejemplos GOES10

39 Imágenes WV Ejemplos 01/10/ UTC

40 Imágenes WV Ejemplos 21/04/ UTC

41 Imágenes WV Ejemplos 18/04/ UTC

42 Composición RGB Sin importar la tecnología utilizada, todos los monitores de PC utilizan un sistema de generación de color basado en la mezcla de los tres colores primarios: ROJO, VERDE y AZUL. Esta elección no es arbitraria, sino que esta basada en el sistema de percepción de color del ojo humano, el cual posee receptores en la retina sensibles al rojo, verde y azul. De esta manera, se aprovecha esta modalidad de presentación de una imagen en el despliegue de los datos satelitales para su posterior análisis. La forma de proceder es la de asignar a cada uno de esos colores una banda o canal del satélite y así obtener nuevos productos para resaltar ciertas características de los elementos que conforman mi escena.

43 Composición RGB Composición RGB + + B4 (TIR) B2 (SWIR) B1 (VIS)

44 Tiempo Severo sobre el Centro de Argentina GOES - 19 de noviembre de UTC Sc Nubes Bajas Celdas Convectivas Nubosidad asociada a fuertes vientos en altura CORRIENTE EN CHORRO

45 Tormenta de arena en el noroeste de África a través del satélite MSG

46 Para tener en cuenta al analizar imágenes satelitales Caso: Miércoles 9 de Abril de 2008 Ricardo Vidal Laboratorio Sinóptico 2008

47 Observar las imágenes satelitales IR SEGMENTADAS (topes) del SMN: Que tipo de nubosidad está cubriendo el Norte de la Patagonia?

48 11:45 UTC

49 14:45 UTC

50 Observar las imágenes satelitales (CPTEC) de los diferentes canales y combinaciones de bandas para ayudarse

51 14:45 UTC - IR TERMICO

52 14:45 UTC - IR TERMICO - SEGMENTADA

53 14:45 UTC - VIS

54 14:45 UTC - VAPOR

55 Observar la imagen composición RGB (verde) A qué puede deberse esa tonalidad particular verde fluorescente? (Recordar R=VIS, G=IR onda corta, B= IR térmico)

56 11:45 UTC

57 14:45 UTC

58 Así es!!!... La nubosidad que cubre el Norte Patagónico son nubes altas, cirrus densos que por tener un espesor significativo bloquean la llegada de la radiación de la superficie al sensor satelital, detectándose mayormente la emisión proveniente de la misma nubosidad.

59 CONCLUSIÓN: No observar simplemente un tipo de imagen satelital, analizar IR y VIS. Si se tiene que optar por una única imagen, elegir una RGB que incluye información de las distintas bandas (ie: verde de la NASA, roja de CPTEC ).

60 TENER PRESENTE: IMÁGENES IR - TÉRMICO: No permiten ver claramente nubes bajas y/o nieblas. Las nubes altas se verán mas o menos resaltadas de acuerdo con su espesor. Permiten ver claramente nubes medias y de desarrollo vertical

61 TENER PRESENTE: IMÁGENES IR ONDA CORTA : Permite distinguir las nubes frías (con hielo) (usualmente se muestra en tonos negros) de las nubes cálidas. Como en esta banda (3.7um) hay componente solar y componente emitida por la tierra, se observarán cambios durante el día / noche. Se pueden ver focos calientes (incendios)

62 TENER PRESENTE: IMÁGENES VAPOR : Sólo permiten observar el contenido de vapor de agua / nubes en niveles medios y altos. No se pueden observar nubes bajas, por mas que el cielo este cubierto y lloviendo.

63 TENER PRESENTE: IMÁGENES VIS: Permiten ver claramente nubes bajas y nieblas. Las nubes medias se ven medianamente brillantes. Las nubes altas se suelen ver poco brillantes (dependerá de su espesor) Las nubes convectivas se ven muy brillantes

64 Algunos patrones que brindan información adicional

65 NIEBLAS / NEBLINAS

66 NIEBLAS / NEBLINAS

67 NIEBLAS / NEBLINAS

68 CALLES DE NUBES: Indican el sentido del flujo y que este es moderado a fuerte + ingreso de humedad en capas bajas.

69 CALLES DE NUBES: Indican el sentido del flujo y que este es moderado a fuerte. + ingreso de humedad en capas bajas

70 CELULARES ABIERTOS: Indican desplazamiento de aire frío sobre superficie más cálida: inestabilidad y chaparrones

71 CELULARES ABIERTOS: Indican desplazamiento de aire frío sobre superficie más cálida: inestabilidad y chaparrones

72 CELULARES ABIERTOS: Indican desplazamiento de aire frío sobre superficie más cálida: inestabilidad y chaparrones

73 CELULARES ABIERTOS: Indican desplazamiento de aire frío sobre superficie más cálida: inestabilidad y chaparrones