Mogilany '03

Druga Narada Robocza

BADANIE I OPRACOWANIE
SYSTEMU SATELITARNEJ KONTROLI EKOSYSTEMU BAŁTYKU

Projekt Badawczy Zamawiany

PBZ-KBN-056/P04/2001

Sopot - Mogilany

22-26 wrzesień 2003

1. Informacje wstępne, 2 Wstępny plan 3. Wybrane abstrakty, 4. Autorzy prezentacji

Dariusz Ficek - Zakład Fizyki Środowiska Pomorskiej Akademii Pedagogicznej

Piotr Struzik - Zakład Badań Satelitarnych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej

Ł. Kozłowski, A. Krężel Parametryzacja wpływu areozoli na transmisję światła w atmosferze nadbałtyckiej

A. Rozwadowska, A. Krężel Wstępna wersja algorytmu oceny naturalnego oświetlenia spektralnego powierzchni Bałtyku na podstawie danych satelitarnych (AVHRR)

J. Urbański, K. Bradtke, L. Szymanek Procedura określania wartości parametrów pól fizycznych w obszarach czasowo niewidocznych z poziomu satelitarnego

J. Olszewski, M. Darecki Wstępna wersja "bałtyckiego" modelu reflektancji bezkontaktowej

S.B. Woźniak, M. Darecki, B. Woźniak Teoretyczny model formowania się strumienia oddolnego promieniowania naturalnego w warunkach realnych nad powierzchnią morza dla celów remote sensing

S.B. Woźniak, D. Stramski Modelowanie wpływu cząstek mineralnych na reflektancję wód oceanicznych

M. Darecki, B. Woźniak, S.B. Woźniak Zróżnicowanie współczynników rozpraszania światła wstecz w wodach bałtyckich

M. Ostrowska, B. Woźniak, S. Kaczmarek, R. Majchrowski Przyczynek do modelowania pionowych rozkładów chlorofilu w akwenach Bałtyku

S. Kaczmarek, B. Woźniak, M. Ostrowska, D. Ficek Przyczynek do modelowania propagacji oświetlenia naturalnego w akwenach bałtyckich

M. Majchrowski, B. Woźniak, J. Dera, S. Kaczmarek, D. Ficek, J. Stoń Model absorpcji światła przez glony w Bałtyku; aktualny stan badań

D. Ficek, B. Woźniak, M. Ostrowska, R. Majchrowski, J. Dera Model wydajności kwantowej fotosyntezy w Bałtyku: aktualny stan badań

M. Kowalewski, A. Krężel Automatyczny system precyzyjnego dowiązywania danych AVHRR

M. Ostrowski, A. Krężel Przegląd i weryfikacja algorytmów określania temperatury powierzchniowej morza na podstawie danych AVHRR w rejonie Bałtyku

A. Krężel, A. Rozwadowska Wykorzystanie danych satelitarnych do oceny spektralnego oświetlenia na powierzchni morza

M. Darecki, S.B. Woźniak, B. Woźniak Walidacja teoretycznego modelu oddolnego strumienia promieniowania naturalnego w warunkach realnych nad powierzchnią morza w algorytmie remote sensing

B. Woźniak i inni Wstępna weryfikacja pełnego "podsatelitarnego" algorytmu wyznaczania produkcji pierwotnej morza

W programie narady przewidziane jest zapoznanie się z wyposażeniem Zakładu Badań Satelitarnych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej (prowadzący sesję P. Struzik)

Ł. Kozlowski, A. Krężel Parametryzacja wpływu areozoli na transmisję światła w atmosferze nadbałtyckiej

Dokonano statystycznej analizy pomiarów aerozolowej grubości optycznej atmosfery (AOT) wykonywanych przez stacje sieci AERONET w rejonie Morza Bałtyckiego. Porównano wartości AOT zarejestrowane przez stację na Gotlandii z wyznaczanymi standardowo przez system SeaDAS na podstawie danych radiometru SeaWiFS. Biorąc pod uwagę możliwości uzyskania danych o AOT z bezpośrednich pomiarów satelitarnych, została podjęta próba odtworzenia jej widma w oparciu o znaną wartość w pojedynczym (wokół 500 nm) kanale spektralnym.

A. Rozwadowska, A. Krężel Wstępna wersja algorytmu oceny naturalnego oświetlenia spektralnego powierzchni Bałtyku na podstawie danych satelitarnych (AVHRR)

W referacie przedstawiono wstępną wersję algorytmu oceny spektralnego oświetlenia powierzchni Bałtyku przy wykorzystaniu danych satelitarnych z AVHRR oraz omówiono model atmosfery wykorzystany przy tworzeniu algorytmu.

Algorytmy wykorzystują macierze (tablice) wiążące parametry stanu atmosfery z radiacją mierzoną przez AVHRR ( w kanałach AVHRR) oraz macierze wiążące widma promieniowania słonecznego (oświetlenia odgórnego) na powierzchni morza z wysokością słońca i parametrami stanu atmosfery. Do obliczeń macierzy wykorzystano kompleksowy model przenoszenia promieniowania świetlnego i termicznego w atmosferze MODTRAN4 (v2r1). Założono horyzontalną jednorodność atmosfery w ramach piksela.

Dodatkowo zostaną przedstawione wyniki estymacji błędu wynikającego z przyjęcia założenia o horyzontalnej jednorodności atmosfery w ramach piksela przy ocenie oświetlenia na powierzchni morza metodami satelitarnymi. Błąd zostanie oszacowany przy pomocy modelu Monte Carlo przenoszenia światła w atmosferze (wersja trójwymiarowa).

J. Urbański, K. Bratke, L. Szymanek Procedura określania wartości parametrów pól fizycznych w obszarach czasowo niewidocznych z poziomu satelitarnego

Geostatystyczne metody cokrigingu i liniowej regresji zostały użyte do stworzenia wiarygodnej procedury operacyjnej. Zastosowanie metod geostatystycznych zostało poprzedzone przez analizę strukturalną danych otrzymanych z satelitarnych map temperatury powierzchni morza. Analiza wykazała wirowe struktury anizotropii pola temperatury. Zmienność temperatury powierzchniowej może być modelowana za pomocą funkcji sferycznej. Maksymalna średnia skala dekorelacji wynosi 26 km. Cokriging wykorzystuje sąsiednie mapy w szeregu czasowym jako dane dodatkowe. Metoda regresji jest wykorzystywana wraz z cokrigingiem, kiedy chmury pokrywają większą część analizowanego obszaru.

J. Olszewski, M. Darecki Wstępna wersja "bałtyckiego" modelu reflektancji bezkontaktowej

Omówiono główne założenia proponowanego dla Bałtyku dwuskładnikowego modelu wyznaczania widma reflektancji bezkontaktowej na podstawie informacji o powierzchniowej koncentracji chlorofilu i współczynniku absorpcji światła 400 nm przez substancje żółte.

Zaprezentowano ogólną, czasowo–przestrzenną charakterystykę materiału empirycznego, zebranego w Bałtyku w latach 1993 – 2002, a stanowiącego podstawę prac modelowych.

Przedstawiono najnowszą działającą wersję modelu, porównując ją z wersjami poprzednimi. Przedyskutowano celowość wprowadzenia zmian w dotychczasowym modelowym opisie widm absorpcji światła w detrycie i rozpraszania światła na zawiesinach oraz efektywność uwzględnienia dyspersji falowej współczynnika geometrii rozkładu radiacji oddolnej na granicy morza i atmosfery. Uznając ciągle jeszcze istniejącą niedoskonałość powyższych zmian wprowadzonych w prezentowanej wersji modelu, zasugerowano kierunek dalszych działań modyfikacyjnych.

S.B. Woźniak, M. Darecki, B. Woźniak Teoretyczny model formowania się strumienia oddolnego promieniowania naturalnego w warunkach realnych nad powierzchnią morza dla celów remote sensing

Autorzy dokonali adaptacji dla celów remote sensing opracowanych wcześniej modeli odbicia i transmisji światła przez sfalowaną powierzchnię morza. Nowy model uwzględnia wpływ odbicia światła od sfalowanej i częściowo pokrytej piana powierzchni morza oraz transmisji przez tą powierzchnię światła rozproszonego wstecz w toni wodnej na formowanie się oddolnego pola światła nad powierzchnią morza. Pozwala na wyliczenie reflektancji morza (remote sensing reflectance - RSR) jako funkcji następujących czynników środowiskowych: kąta zenitalnego słońca, stopnia dyfuzyjności oraz parametru kardioidalnego rozkładu oświetlenia nieba, prędkości wiatru oraz współczynników rozpraszania wstecz i absorpcji wody morskiej. Opracowany model umożliwia przeprowadzenie "korekcji powierzchniowej" danych zbieranych metodami satelitarnymi tzn. pozwala na rozróżnienie pomiędzy radiacją generowaną odbiciem od powierzchni i radiacją która niesie informacje o optycznie ważnych składnikach wody morskiej.

S.B. Woźniak, D. Stramski Modelowanie wpływu cząstek mineralnych na reflektancję wód oceanicznych

Autorzy przeprowadzili teoretyczne modelowanie wpływu cząstek mineralnych zawieszonych w wodzie morskiej na reflektancję wód morskich i oceanicznych. Zastosowano teorię rozpraszania światłą Mie do obliczenia względnych przekrojów czynnych na absorpcję i rozpraszanie wstecz światła dla polidyspersyjnych populacji modelowych cząstek mineralnych. W obliczeniach uwzględniono różne rozkłady rozmiarów cząstek opisane rozkładem Junge'a (wartości współczynnika nachylenia rozkładu od -3.2 do -4.8 oraz zakres rozmiarów od 0.05 do 500 μm) oraz różne wartości rzeczywistej części zespolonego współczynnika załamania światła (1.15 do 1.22 względem wody) oraz części urojonej (przypadki niskiej i wysokiej absorpcji). Przybliżona zależność pomiędzy współczynnikiem załamania światła i gęstością minerałów pozwoliła na wyliczenie specyficznych masowych współczynników absorpcji i rozpraszania światła wstecz. W pierwszym przybliżeniu założono że reflektancja morza zależy jedynie od stosunku współczynnika rozpraszania światła wstecz do sumy współczynników absorpcji i rozpraszania wstecz, oraz że te współczynniki są sumą odpowiednich współczynników jedynie dla cząstek mineralnych i czystej wody morskiej. W oparciu o te założenia upraszczające przeanalizowane zachowanie się reflektancji morza w zależności od zmian w koncentracjach zawiesiny mineralnej (od 0.01 do 100 g m^-3) i dla różnych właściwości populacji cząstek mineralnych, tzn. dla różnych rozkładów rozmiarów i współczynników załamania światła.

M. Darecki, B. Woźniak, S.B. Woźniak Zróżnicowanie współczynników rozpraszania światła wstecz w wodach bałtyckich

Wiedza o charakterystykach absorpcji i rozpraszania do tyłu w środowisku morskim jest niezbędna do pełnej interpretacji satelitarnych danych radiometrycznych wykorzystywanych do określania wybranych charakterystyk fitoplanktonu w wodzie morskiej. Niestety ciągle jeszcze istnieją tu znaczące luki, zwłaszcza odnośnie charakterystyk rozpraszania do tyłu, co spowodowane jest technicznymi trudnościami w bezpośrednim pomiarze tego parametru. Dotyczy to szczególnie wód przybrzeżnych czy mórz zamkniętych – których to Bałtyk jest typowym przykładem.

Jednym ze sposobów zapełnienia tej luki są pośrednie metody określania współczynników rozpraszania światła wstecz. W pracy przedstawiono rezultaty jednej z takich metod, gdzie te współczynniki rozpraszania wyznaczane są na podstawie pomiarów in situ współczynników osłabiania oświetlenia odgórnego i reflektancji bezkontaktowej. Analizowany w pracy materiał eksperymentalny zgromadzony został podczas 27 rejsów badawczych odbytych w latach 1993 – 2002 na obszarze Bałtyku Południowego. Dane te obejmują szeroki zakres zmienności przestrzennej i czasowej, stanowiąc reprezentatywny zbiór dla tego akwenu.

Na podstawie przyjętych założeń modelowych wyliczonych zostało prawie 1000 widm współczynników rozpraszania do tyłu. Przeanalizowano zakres czasowej i przestrzennej zmienności tego parametru oraz jego zależność od pozostałych składników wody morskiej.

M. Ostrowska, B. Woźniak, S. Kaczmarek, R. Majchrowski Przyczynek do modelowania pionowych rozkładów chlorofilu w akwenach Bałtyku

Aktualnie prowadzone są statystyczne analizy zbioru danych empirycznych odnoszących się do pionowych koncentracji chlorofilu a w akwenach bałtyckich. Celem pracy jest ustalenie statystycznej zależnosci umożliwiającej przybliżone wyznaczanie koncentracji tego pigmentu na dowolnej głębokości w morzu, na podstawie znanych: jego powierzchniowej koncentracji, sezonu roku (za wskaźnik którego przyjęto numer kolejny dnia w roku) oraz rejonu morza. Wspomniane badania nie są jeszcze zakończone. Uzyskane dotychczas rezultaty zostaną zaprezentowane na konferencji w Mogilanach.

S. Kaczmarek, B. Woźniak, M. Ostrowska, D. Ficek Przyczynek do modelowania propagacji oświetlenia naturalnego w akwenach bałtyckich

Celem prowadzonych badań empirycznych i modelowania jest znalezienie statystycznego opisu spektralnych współczynników osłabiania oświetlenia odgórnego w akwenach Bałtyku. Opis ten umożliwi estymowanie wielkości tych współczynników na dowolnej głębokości, na podstawie znanych wybranych charakterystyk optycznych powierzchniowej warstwy, możliwych do wyznaczania na drodze obserwacji satelitarnych. Wspomniane badania nie są jeszcze zakończone. Uzyskane dotychczas rezultaty zostaną zaprezentowane na konferencji w Mogilanach.

M. Majchrowski, B. Woźniak, J. Dera, S. Kaczmarek, D. Ficek, J. Stoń Model absorpcji światła przez glony w Bałtyku; aktualny stan badań

Celem pracy jest adaptacja opracowanego wcześniej "podsatelitarnego" modelu absorpcji światła przez glony w akwenach oceanicznych do warunków bałtyckich. Wspomniane badania nie są jeszcze zakończone. Uzyskane dotychczas rezultaty zostaną zaprezentowane na konferencji w Mogilanach.

D. Ficek, B. Woźniak, M. Ostrowska, R. Majchrowski, J. Dera Model wydajności kwantowej fotosyntezy w Bałtyku; aktualny stan badań

Celem pracy jest adaptacja opracowanego wcześniej "podsatelitarnego" modelu wydajnosci kwantowej fotosyntezy w akwenach oceanicznych oceanicznych do warunków bałtyckich. Wspomniane badania nie są jeszcze zakończone. Uzyskane dotychczas rezultaty zostaną zaprezentowane na konferencji w Mogilanach.

M. Kowalewski, A. Krężel Automatyczny system precyzyjnego dowiązywania danych AVHRR

Standardowe procedury pozwalające na dowiązanie geograficzne zdjęć z satelitów NOAA, przy użyciu modelu predykcji orbity satelitarnej, obarczone są błędami. Związane są one głównie z niedokładnym wyznaczeniem pozycji satelity, a także z tym iż nieznana jest dokładna orientacja satelity względem Ziemi. Z tych powodów błędy dowiązania geograficznego wynoszą zwykle kilka kilometrów, a w szczególnych przypadkach sięgają nawet 20-30 km. Automatyczny System Dowiązania i Korekcji (ASDIK) danych HRPT został opracowany w Instytucie Oceanografii Uniwersytetu Gdańskiego. Jego głównym celem była pełna automatyzacja precyzyjnego dowiązania geograficznego oraz korekcji geometrycznej obrazów satelitarnych. ASDIK bazuje na poszukiwaniu na zdjęciu charakterystycznych obszarów o znanych współrzędnych (tzw. obszarów kontrolnych) np. wysp, jezior, półwyspów. Na tej podstawie wyznaczane są poprawki orientacji satelity względem Ziemi. Ponadto system umożliwia wyznaczenie poprawek dla zegara pokładowego. Dokładność dowiązania geograficznego zależy od liczby obszarów kontrolnych, które mogą być wykorzystane do analizy, gdyż jedynie bezchmurne obszary nadają się do tego celu. Wstępna weryfikacja wykazała przydatność systemu ASDIK zwłaszcza w zastosowaniach operacyjnych.

M. Ostrowski, A. Krężel Przegląd i weryfikacja algorytmów określania temperatury powierzchniowej morza na podstawie danych AVHRR w rejonie Bałtyku

Dokonano przeglądu i oceniono algorytmy określania temperatury powierzchniowej morza na podstawie danych rejestrowanych przez radiometr AVHRR pracujący na pokładzie satelitów z serii Tiros N/NOAA nr 12, 14, 15, 16 oraz 17. Do weryfikacji obliczeń zastosowano punktowe dane in situ zebrane w rejonie południowego i środkowego Bałtyku w latach 2000 - 2003. Określono stopień zgodności i dokonano wyboru postaci algorytmu najlepiej przybliżającej w badanym rejonie wyniki obliczeń do danych pomiarowych dla kolejnych satelitów i pory dnia. W przypadku zdjęć nocnych za najlepsze uznano wielokanałowe algorytmy liniowe (multichannel algorithms). W porze dziennej najlepsze rezultaty dały algorytmy nieliniowe. Dla wszystkich algorytmów opracowano odpowiednie dla Morza Bałtyckiego współczynniki.

A. Krężel, A. Rozwadowska Wykorzystanie danych satelitarnych do oceny spektralnego oświetlenia na powierzchni morza

Opracowano metodę wykorzystania danych kanału widzialnego geostacjonarnego satelity meteorologicznego Meteosat, rejestrowanych dla obszaru Morza Bałtyckiego, do określenia współczynnika zachmurzenia tego akwenu. Dane satelitarne otrzymane z bazy danych Eumetsat przetworzono do postaci map współczynnika zachmurzenia. Otrzymane wartości współczynnika wykorzystano do obliczeń wielkości strumienia energii promieniowania słonecznego w rejonie południowego Bałtyku. Rezultaty obliczeń porównano z pomiarami aktynometrycznymi, wykonywanymi z boi Instytutu Morskiego w Gdańsku oraz analogicznymi wynikami uzyskanymi na podstawie danych ICM.

M. Darecki, S.B. Woźniak, B. Woźniak Walidacja teoretycznego modelu oddolnego strumienia promieniowania naturalnego w warunkach realnych nad powierzchnią morza w algorytmie remote sensing

Tradycyjne modele strumienia oddolnego wykorzystywane do celów remote sensing koncentrują się głównie na związkach reflektancji bezkontaktowej R_rs z rzeczywistymi właściwościami wody morskiej jak absorpcja i rozpraszanie do tylu, kładąc mniejszą wagę na geometryczne aspekty rozkładu radiacji oddolnej zależne zarówno od warunków zewnętrznych jak i od właściwości optycznych samego ośrodka. Także problem transmisji radiacji oddolnej poprzez sfalowaną powierzchnie morza jest często traktowany marginalnie.

W niniejszym opracowaniu dokonano wstępnej weryfikacji modelu, który uwzględnia wszystkie wzmiankowane powyżej aspekty tego zagadnienia. W walidacji skoncentrowano się na aspekcie transmisji radiacji oddolnej poprzez sfalowaną powierzchnię morza. Pomiary R_rs znad powierzchni morza, dla różnych warunków zewnętrznych porównano z pomiarami pod powierzchnią i przeanalizowano pod katem zgodności z rezultatami modelu. Wyniki potwierdziły ogólną poprawność i znaczenie przyjętych w modelu założeń.

B. Woźniak i inni Wstępna weryfikacja pełnego "podsatelitarnego" algorytmu wyznaczania produkcji pierwotnej morza

Celem pracy jest wstępna ocena dokładności wyznaczania produkcji pierwotnej fitoplanktonu w morzu na podstawie danych satelitarnych z wykorzystaniem opracowywanego w ramach projektu algorytmu podsatelitarnego. Wspomniane badania nie są jeszcze zakończone. Uzyskane dotychczas rezultaty zostaną zaprezentowane na konferencji w Mogilanach.