В работе обсуждаются возможности спектрорадиометра MODIS спутника EOS AM1 (Terra) при проведении мониторинга полного количества водяного пара, аэрозольной оптической толщины атмосферы (АОТ), представлены первые результаты измерений, полученные в Отделе космического мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций Алтайского государственного университета и ГУ по делам ГО и ЧС Алтайского края в операционном режиме. MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) – 36канальный спектрорадиометр, регистрирующий излучение в диапазоне длин волн (0,414,4) мкм с разрешением на местности в надире 250 м (каналы 1 и 2), 500 м (каналы 3-7) и 1000 м (каналы 8-36), позволяет проводить ежедневно измерения полного количества водяного пара (ИК-диапазон), аэрозольной толщины атмосферы над участками поверхности суши, свободными от облачности, на длинах волн =0,47 мкм и =0,66 мкм. Территория, которую покрывает спутник в течение дня Характеристика каналов MODIS и их назначение: А – атмосферные исследования; ПП – исследования свойств подстилающей поверхности; О – исследование свойств поверхности океанов; ОЗ – измерение озона; ПЖ – мониторинг лесных пожаров. Данные MODIS, используемые в работе, принимались станцией ЕОСкан ИТЦ «СканЭкс» Отдела космического мониторинга в Барнауле (5321 СШ, 8347 ВД). Калибровка, геолокация и выделение пикселей, свободных от облачности, осуществлялась с использованием пакетов программ: • IMAPP http://simss.ssec.wisc.edu/~gumley/IMAPP/IMAPP.html, • PGE02 и PGE03 http://directreadout.gsfs.nasa.gov/download_technology/inst_algoritms.cfm. 1. Распространение солнечного излучения в системе ”атмосфера + подстилающая поверхность Земли” Плотность потока солнечной энергии L( , s , v , ) [Вт/(м2ср ·мкм)], достигающая спектрорадиометр спутника на верхней границе атмосферы, в случае ортотропной подстилающей поверхности может быть представлено в виде L( , s , v , ) L0 ( , s , v , ) T ( s , ) T ( v , ) F0 ( ) s s ( , s , v , ) 1 s ( , s , v , ) s( ) (1) L0 ( , s , v , ) – вклад в показание спектрорадиометра, обусловленный отражением солнечного излучения от атмосферы, T ( s , ) – функция пропускания (прямая + диффузная компоненты) атмосферы излучения с длиной волны в направлении падающего излучения на участке Солнце – поверхность Земли, T ( v , ) – полная функция пропускания атмосферы в направлении наблюдения на участке трассы поверхность Земли – спектрорадиометр спутника, F0 ( ) – поток солнечного излучения, падающий на верхнюю границу атмосферы, s ( , s , v , ) – коэффициент отражения радиации с длиной волны поверхностью Земли, когда атмосфера над поверхностью отсутствует, s ( ) – коэффициент отражения света атмосферой в случае, когда изотропное излучение входит в атмосферу через нижнюю границу. s – косинус зенитного угла Солнца (s=coss), v – косинус зенитного угла спутника (v=cosv), азимутальный угол спутника относительно Солнца. Поскольку спектрорадиометр MODIS проводит измерения плотности потока солнечной энергии, падающей на верхнюю границу атмосферы [ F0( ) s/], то в (1) удобно перейти к безразмерным величинам: L(, , , ) s v *(, , , ) (2) s v F 0 s и L (, , , ) s v (, , , ) 0 0 s v F 0 s (3) Тогда для спектрального коэффициента отражения системы ”атмосфера + подстилающая поверхность Земли” ρ*, измеряемого спутником на верхней границе атмосферы, получаем следующее выражение: T ( , )T ( , ) (, , , ) s v s s v *(, s , v , ) 0 (, s , v , ) 1 (, , , )s( ) s s v (4) 2. Алгоритм определения количества водяного пара в атмосфере Пять каналов MODIS 2, 5, 17, 18, 19 (0,865, 1,240, 0,905, 0,935, 0,940 мкм) из ближнего ИК - диапазона предназначены для измерения содержания водяного пара в атмосфере. Метод измерения водяного пара, предложенный в (Gao B.C. et al. // J. Geophys. Res., 1990, v. 95, p. 3549; Kaufman Y.J. et al. // J. Geophys. Res., 1997, v. 102 № D14, p. 17051.) и использованный в данной работе, основывается на детектировании поглощения водяным паром солнечного излучения при его распростронений по трассе Солнце – подстилающая поверхность Земли – спектрорадиометр. Общее количество водяного пара в вертикальном столбе атмосферы определяется из сопоставления отношений измеренных интенсивностей в каналах поглошения (17, 18, 19) и каналах из окон прозрачности (2, 5) с данными справочных таблиц PGE04. Положение и ширина пяти каналов близкого ИК диапазона Номер канал Границы канала (мкм) Ширина канала (мкм) Центр канала (мкм) Разрешение (м) 2 0,841 – 0,876 0,035 0,865 250 5 1,230 – 1,250 0,020 1,240 500 17 0,890 – 0,920 0,030 0,905 1000 18 0,931 – 0,941 0,010 0,936 1000 19 0,915 – 0,965 0,050 0,940 1000 * ( , s , v , ) 0 ( , s , v , ) T ( s , ) T ( v , ) s ( , s , v , ) 1 s ( , s , v , ) s ( ) * ( ) Tsv ( ) s ( ) , Tsv ( ) T ( s , ) T ( v , ) (5) ,865 мкм (канал 2 MODIS, канал из окна прозрачности) Tsv(0.865)1 ρ*(0,865)=s(0,865). (6) ,905 мкм (17 канал MODIS, канал поглощения) ρ*(0,905)=Tsv(0,905) s(0,905). а) Если (7) s(0,905)s(0,865) Деля уравнение (7) на (6), получаем выражение для функции пропускания на трассе Солнце – поверхность Земли – спектрорадиометр спутника: * (0,905) Tsv (0,905) * . (0,865) (8) Из (8) следует следующий алгоритм измерения общего количества водяного пара в атмосфере над рассматриваемым пикселем изображения, свободным от облачности, с космической платформы EOS AM-1 (Terra): спектрорадиометром MODIS измеряются коэффициенты яркости атмосферы в каналах 2 (ρ*(0,865)) и 17 (ρ*(0,905)); по формуле (8) вычисляется функция пропускания Tsv для заданной геометрии освещения и наблюдения; с использованием справочных таблиц по зависимости функции пропускания Tsv от количества водяного пара на трассе Солнце – Земля - спутник определяется W(µs, µv). количество водяного пара в вертикальном столбе атмосферы W(0.905) находится с использованием соотношения: W (0,905) W ( s , v ) , M ( s , v ) где M ( s , v ) 1 s 1 v . 3. Алгоритм определения аэрозольной оптической толщины атмосферы или При (тёмные поверхности) Kaufman Y. J. et. al. // J. Geophys. Res., 1997, v. 102, № D14, p.17051 Remer L. A. et. al. // J. Geophys. Res., 1998, v. 103, № D12, p.13859 King M. D. et. al. // Bull. Amer. Meteor. Society, 1999, v. 80, №11, p. 2229 Этап 1. Поиск тёмных пикселов в анализируемой области изображения поверхности суши 10 км х 10 км и определение КСЯ поверхности Если , то Этап 2. Оценка аэрозольной оптической , толщины , для области 10 x 10 км с использованием континентальной модели аэрозоля Этап 3. Определение модели аэрозоля аридная модель; «городская» модель или модель аэрозоля при сжигании биомассы («дымовая»); смешанная модель («городская» +«дымовая» + аридная). Этап 4. Определение оптической толщины установленной на этапе 3 модели аэрозоля. τα(λ) для Индикатриса рассеяния Полное количество водяного пара в атмосфере W(см). Сопоставление данных MODIS с данными станции сети AERONET (Москва, Томск, Красноярск, Далан – Дзадгат). Октябрь 2003 г. 2.00 W(см), MODIS 1.60 1.20 0.80 0.40 0.00 0.00 0.40 0.80 1.20 W(см), AERONET 1.60 2.00 АОТ (0,470 мкм). Сопоставление данных MODIS с данными станций сети AERONET (Москва, Томск, Красноярск, Далан – Дзадгат). Октябрь 2003 г. 1.00 AOT MODIS 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 0.00 0.20 0.40 0.60 AOT AERONET 0.80 1.00 Δτ = ± 0,05 ± 0,2 АОТ Vermote E.F., El Saleous N, Justice C. Atmospheric correction of the MODIS data in the visible to middle infrared: First results // Remote Sens. Environ, 2002. Полное количество водяного пара в атмосфере (см). Октябрь 2003 г. АОТ (0,550 мкм). Октябрь 2003 г. Массовая концентрация аэрозоля (10-6 г/см2) в атмосфере. Октябрь 2003 г. 4. Выводы • Представлены результаты измерения полного количества водяного пара, оптической толщины (АОТ) атмосферы в диапазоне длин волн 0.47 – 0.66 мкм и массовой концентрации аэрозоля (МКА) над свободными от облачности участками поверхности суши, полученые с использованием данных MODIS/Terra в операционном режиме. • Сопоставление полученых данных АОТ с данными станций сети AERONET (Москва, Томск, Красноярск, Далан – Дзадгат) показали, что различия не превышают . • Представлены данные по пространственному распределению АОТ и МКА в атмосфере в октябре 2003 г. Установлена высокая концентрация аэрозоля на севере Западной Сибири в зоне (56÷65) СШ, (67÷84) ВД. Работа поддержана проектом ИО 615 программы «Интеграция».