obtención de datos de la temperatura superficial del mar

IDEAM–METEO/004-1998
NOTA TÉCNICA DEL IDEAM
Original: Noviembre 1998
OBTENCIÓN DE DATOS DE LA TEMPERATURA SUPERFICIAL DEL MAR (TSM) EN
LAS ÁREAS MARÍTIMAS COLOMBIANAS UTILIZANDO EL AVHRR DE LOS
SATÉLITES NOAA
Paula Judith Rojas Higuera
(Bióloga Marina)
José Daniel Pabón
(Phd. Meteorología)
Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales - IDEAM
SUBDIRECCIÓN DE METEOROLOGÍA
Bogotá, D. C., Noviembre 1998
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN
ABSTRACT
1.
INTRODUCCIÓN..............................................................................................................3
2.
EL
SENSOR
ADVANCED
VERY
HIGH
RESOLUTION
RADIOMETER
(AVHRR)...........................................................................................................................4
3.
ASIMILACIÓN,
CONTROL
DE
CALIDAD
Y
ALMACENAMIENTO
DE
DATOS..............................................................................................................................6
3.1
3.2
3.3
3.4
Obtención de datos...........................................................................................................6
Procesamiento y almacenamiento de datos.....................................................................6
Organización de los archivos............................................................................................7
Diagrama de flujo..............................................................................................................8
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ANEXOS
2
LOS
OBTENCIÓN DE DATOS DE LA TEMPERATURA SUPERFICIAL DEL MAR (TSM) EN LAS ÁREAS
MARÍTIMAS COLOMBIANAS UTILIZANDO EL AVHRR DE LOS SATÉLITES NOAA
RESUMEN
Se hace una descripción de la metodología de obtención de la temperatura superficial del mar (TSM) con la
ayuda del sensor Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR), ubicado en los satélites NOAA;
igualmente, se describe el programa desarrollado para la asimilación (decodificación, preanálisis y
almacenamiento) de los datos diarios de TSM y la organización de los archivos por cada mes en el Mar Caribe
y el Océano Pacífico colombianos.
ABSTRACT
The methodology of sea surface temperature (SST) data obtaining through the Advanced Very High Resolution
Radiometer (AVHRR) sensor, located on the NOAA satellite; likewise, it describes the developed program for
assimilation (decoding, pre-analysis and storage) of the SST daily data and the files organized for each month
in the colombian Caribbean Sea and Pacific Ocean.
3
1. Introducción
La temperatura superficial del mar (TSM) es un parámetro físico que puede ser definido como la temperatura
de la capa superficial del agua de mar. Es necesario considerar que la TSM presenta un grado de dificultad
para su medición y diferentes técnicas de medición utilizadas arrojan datos diferentes de la temperatura
superficial del mar.
Existen varios métodos de medición de la temperatura superficial del mar, como la medición directa de la
temperatura del océano con un termómetro o por sondeos automáticos de la temperatura utilizados por los
cruceros para llevar un registro continuo en cualquier área del océano. Sin embargo, estos métodos presentan
dificultades para lograr información sobre toda un área marítima en determinado momento.
El uso de los satélites para estimar la TSM es una gran oportunidad para observar las variaciones espaciales y
temporales de la temperatura superficial del mar sobre grandes regiones en un mismo tiempo. La TSM por
satélite suministra una vista sinóptica del océano y una alta frecuencia de repetición de observaciones,
permitiendo una amplia evaluación de la dinámica del océano; con una imagen de satélite un área
determinada puede ser vista cuatro o cinco veces por día. No obstante, este método también presenta algunas
dificultades debido a las condiciones atmosféricas (radiación y nubosidad), las cuales afectan los valores
reales de la temperatura superficial del mar.
El sensor utilizado en el IDEAM para la obtención de datos de la temperatura superficial del mar es el
Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR), el cual está ubicado en los satélites NOAA. Con el fin
de procesar y asimilar los datos de TSM obtenidos a través de este método, se elaboró un programa, con el
cual se organizará una base de datos de la temperatura superficial del mar.
2.
El sensor Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR)
El Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) es un sensor multi-canal ubicado en los satélites
NOAA, el cual capta y transmite de regreso a una estación terrestre, las características de la radiación de la
superficie de una franja delgada de una región determinada de la tierra. La transmisión de l señal se hace en
un tiempo de seis veces por segundo. En su órbita, el satélite cubre una franja de aproximadamente un
kilómetro de ancho y de 1462 kilómetros de largo (Applied Physical Laboratory, 1997). Cada giro alrededor de
la Tierra se denomina viaje; las imágenes son recibidas en tanto que el satélite se encuentre en observación
desde la estación terrestre y todos los viajes juntos forman una imagen de la franja de la tierra "observada" por
el satélite.
El sensor del AVHRR tiene cinco canales o bandas de longitud de onda diferente, en los rangos del espectro
electromagnético: visible, cercano al infrarrojo e infrarrojo térmico. Cada canal tiene características diferentes,
las cuales se describen a continuación según el Applied Physical Laboratory (1997):
-
Canal 1 (0.58 - 0.68 micras): visible.
Muestra los sedimentos en el agua. Es útil solamente en el día.
-
Canal 2 (0.75 - 1.0 micras): cercano al infrarrojo.
Cubre la región de alta reflexión infrarroja de vegetación, de esta manera la vegetación aparece
brillante. El agua se ve obscura. Elimina bien la neblina de la atmósfera si se usa junto con el canal
1, para observaciones durante el día. Solo es útil en el día.
-
Canal 3 (3.55 - 3.93 micras): infrarrojo medio.
4
Este canal muestra una mezcla de reflejos de la luz solar y el infrarrojo emitido de fuentes cálidas.
Trabaja bien en la noche cuando solo la radiación emitida está disponible. En la noche, la radianza de
las nubes está relacionada con su temperatura.
-
Canal 4 (10.3 - 11.3 micras): infrarrojo térmico.
Muestra solo la emisión térmica de la región en observación. La radianza de las nubes está
relacionada con su temperatura. Lo mismo sucede en el agua.
-
Canal 5 (11.4 - 12.4 micras): infrarrojo térmico.
Muestra solo la emisión térmica de la región en observación. La radianza de las nubes está
relacionada con su temperatura. Lo mismo sucede en el agua.
Los canales 4 y 5 son usados conjuntamente para corregir algunos efectos atmosféricos.
El AVHRR tiene varias aplicaciones, entre ellas se destacan:
-
Estudiar y monitorear condiciones de vegetación en ecosistemas forestales, de tundra y praderas de
pasto.
-
Permite obtener varios parámetros geofísicos como la temperatura superficial del mar (TSM) y datos
de cantidad de energía.
-
Produce el índice global de vegetación, el cual es una herramienta importante para estudios
climáticos globales.
Como se mencionó anteriormente una de las principales aplicaciones del AVHRR es la obtención de imágenes
de la temperatura superficial del mar (TSM). La determinación actual de los datos de TSM, se realiza
combinando los canales 3, 4 y 5. Las lecturas actuales tomadas del satélite son una función de la temperatura
superficial del mar actual y de la humedad contenida en la atmósfera, ya que una porción de la energía
irradiada por la superficie del mar es absorbida por el vapor de agua en la atmósfera antes de llegar al sensor.
Si la humedad en la atmósfera no está bien distribuida, los datos no pueden ser convertidos con una
verdadera radiación superficial usando simplemente un factor de escala global (como la temperatura
superficial del mar). En el procesamiento de los datos de temperatura superficial del mar del AVHRR, el grado
de absorción atmosférica es una función de la longitud de onda. Por comparación de las temperaturas
irradiadas medidas en canales múltiples (de longitud de onda diferente), la cantidad de absorción atmosférica
puede ser estimada permitiendo una precisión razonable (dentro de los 5°C) de la temperatura superficial del
mar actual.
Según Duncan (1997), el procesamiento del AVHRR para medir la temperatura superficial del mar consiste
básicamente en:
1.
2.
3.
Calcular la radiación de la observación actual de las unidades de satélite.
Encontrar la temperatura (sin corregir) de la observación a partir de la radianza.
Corregir los efectos atmosféricos y artefactos del sensor.
La determinación de los datos de la temperatura superficial del mar es la conversión de los valores en el
sensor a temperatura irradiada. La energía recibida por el AVHRR es registrada en forma de "conteos" en el
rango de 0 - 1023.
La siguiente función lineal relaciona los conteos con la radianza:
5
E=S*C+I
Donde E es la radianza en miliWats/m2-steridians-cm-1. S e I son valores interceptados describiendo la
respuesta de los detectores como una función de la temperatura irradiada. C es la constante de Planck.
De esta manera, los valores de la radiación han sido convertidos en valores de temperatura, sin embargo aún
no hay precisión. Debido a que la calibración está hecha solo con datos de dos puntos, la función usada para
convertir el conteo a radiación, es lineal, lo cual se observa en el detector del canal 3, mientras que en los
canales 4 y 5, la respuesta no es lineal. Por otra parte, debido a que la cantidad de energía absorbida por el
vapor de agua es una función de la longitud de onda, las temperaturas calculadas pueden ser diferentes para
cada canal. La magnitud de la diferencia entre los canales 4 y 5 es proporcional a la cantidad de vapor de
agua en la atmósfera. Esto se muestra en la siguiente relación:
TSM = a + b * T4 + c * (T4 - T5) * Tsurf + d * (sec ([[theta]]) - 1) * (T4 - T5) + e * lifetime
Donde:
T4 y T5 son las temperaturas de los canales 4 y 5, respectivamente.
a, b, c, d y e son predeterminados por la comparación de los valores de la radiación del AVHRR con las
mediciones de temperatura in situ tomada de boyas.
Tsurf es una estimación a priori de la TSM actual obtenida de un mapa precompilado de TSM de la misma
área.
theta es el ángulo del zenit del satélite.
lifetime es el número de días desde el lanzamiento del satélite, usado para la calibración de la respuesta del
sensor en el tiempo.
Los coeficientes a, b, c, d, e, son determinados por el satélite y por el régimen de humedad atmosférica local.
Después de aplicar la fórmula, la TSM debe ser un valor muy cercano a la temperatura superficial del mar real.
3.
Asimilación, control de calidad y almacenamiento de los datos
3.1
Obtención de datos
Para la determinación actual de la temperatura superficial del mar (TSM), comúnmente se utiliza el AVHRR
presente en los satélites NOAA-12 y NOAA-14. La señal de éste se transmite por los canales 3, 4 y 5 los
cuales son capturados por el sistema HRPT disponibles en el IDEAM. Mediante el procesamiento basado en
el análisis multi-espectral de estas señales, con ayuda del software METPRO, es posible obtener la imagen de
la TSM o archivos ASCII con los datos de temperatura superficial del mar (TSM) en grilla (ver anexo 1).
3.2
Procesamiento y almacenamiento de datos
Los archivos obtenidos son procesados por el programa TSMBD (ver anexo 2), el cual descarta los puntos
donde no se dispone de información de temperatura superficial del mar (por nubosidad), es decir los puntos
con 9999.00. Igualmente, se descartan los datos de TSM menores de 22°C y mayores de 33°C (en la
superficie del mar en territorio colombiano no se presentan temperaturas por fuera de este rango).
6
El programa lee los datos, descarta los puntos con datos faltantes, realiza el control de calidad de información
que está por arriba y por debajo de TSM promedio y produce un nuevo archivo con las coordenadas
geográficas, la fecha y el dato de temperatura superficial del mar. El archivo producido por el programa podrá
ser utilizado para diversas aplicaciones, una de ellas es la de reproducir los datos en una nueva grilla en el
programa SURFER.
Posteriormente, se realiza un control de calidad que considera las características estadísticas del campo de
TSM. Este control consiste en calcular el valor promedio y la desviación estándar de los datos que han
quedado después de todo el proceso anterior. Se compara cada dato con el promedio, si la diferencia es
mayor que tres desviaciones estándar el dato se descarta.
En el territorio colombiano se puede presentar nubosidad por estratos bajos que afectarían los valores reales
de la temperatura superficial del mar (por debajo de la verdadera TSM); para descartar estos datos se
implementó un método que consiste en comparar los valores entre el punto con nubes bajas y el punto más
cercano a éste. Si la diferencia entre los puntos es mayor o igual a 3°C, se descarta del punto con el dato
menor.
Finalmente, se hace un ajuste de los datos teniendo en cuenta los resultados del análisis comparativo de los
datos obtenidos en campo con los obtenidos a partir del AVHRR. Así, los datos que queden son los que pasan
a almacenamiento definitivo en los archivos de la base de datos.
3.3
Organización de los archivos
La organización de los archivos en la base de datos de la temperatura superficial del mar, se realiza en una
tabla con columnas para las coordenadas geográficas (latitud, longitud), la fecha (año/mes/día), el tiempo
(hora, minutos), el dato de temperatura superficial del mar (TSM) correspondiente (en grados Celsius), la
fuente de información de TSM (por imágenes de satélite, estaciones costeras, boyas, información de cruceros)
y el área o región correspondiente al Mar Caribe y el Océano Pacífico (ver anexo 3).
Para cada mes se conforma un archivo en ASCII, el cual después de completado el mes se puede
empaquetar o condensar para que ocupe menos memoria de computador.
La estructura de cada archivo es el siguiente:
LONG
LAT
LONG, LAT:
YYMMDD:
hhmm:
TSM:
FI:
RG:
YYMMDD
hhmm
TSM
FI
RG
Longitud y latitud del punto al que corresponde el dato (en grados y décima de grado; no en
grados y minutos: ejemplo, 75.5; no 75° 30').
Es el año, mes y día, respectivamente, el cual corresponde la información.
Hora y minuto.
Dato de la temperatura superficial del mar en °C.
Código de la fuente de información, así: 1, 2, 3, 4, 5.
Código del área correspondiente (6, Caribe; 7, Pacífico)
7
3.4
Diagrama de flujo
COMIENZO
Entrada de
datos de
TSM en
formato
ASCII
Descarte de puntos
sin información de
TSM
Control de calidad de datos
de TSM (menores de 22°C y
mayores de 33°C)
Generación de un nuevo
archivo con puntos (latitud,
longitud) y el dato de TSM
correspondiente, para el
Caribe y el Pacífico
Corrección por nubosidad
Ajuste de acuerdo con
calibración
Organización de los archivos
con datos de TSM para la
base de datos
FIN
8
Reconocimiento
El presente trabajo se realizó en el marco del Programa de Investigación Básica, Subdirección de
Meteorología del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), dentro del contrato
No. 039/98.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Applied Physical Laboratory. 1997. Understanding the AVHRR images: NOAA weather satelllites and the
AVHRR sensor. Internet: http://fermi.jhualp.edu
Duncan, A. 1997. Sea Surface Temperature with the AVHRR. Internet: http://www.ae.utexas.edu
Gao, Y. 1996. Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) Homepage. Internet:
http://www.ae.utexas.edu
NOAA Coastal Services Center. 1998. What is the sea surface temperature (SST)? Internet:
http://www.csc.noaa.gov
Rojas, P. J. y J. D. Pabón. 1997. Cuantificación de los flujos de dióxido de carbono entre el océano y la
atmósfera en aguas marítimas colombianas utilizando modelos de estimación. Nota Técnica No. IDEAMMETEO/007-97. Santa Fe de Bogotá, D. C. Colombia. 17p.
Waters, K. 1998. What is the sea surface temperature (SST)? Internet: http://www.satlab.hawaii.edu
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