Obserwacje satelitarne chmur.
Intencją obserwacji chmur jest stwierdzenie, czy w danym czasie i miejscu chmura była obecna, a po drugie – jeśli chmurę zaobserwowano – jakie miała właściwości fizyczne.
Z chronologicznego punktu widzenia pierwszymi obserwacjami zachmurzenia były wizualne obserwacje naziemne. Nie są to pomiary ani nawet obserwacje instrumentalne. Obserwator po prostu wychodzi przed budynek, podnosi głowę i dosłownie na oko szacuje, jaka część nieboskłonu jest pokryta chmurami. Niestety, obserwator nie jest w stanie powiedzieć, jaka jest grubość optyczna chmury, zawartość wody w chmurze itp. Może jedynie ocenić, jakiego rodzaju i gatunku były chmury, co w pewien sposób zastępuje wgląd we właściwości mikrofizyczne chmur.
Wiele cech wspólnych z obserwacjami naziemnymi miały pierwsze obserwacje zachmurzenia wykonywane z orbity (lata 60.). Na Ziemię docierały wtedy czarno-białe fotografie, na których chmury zapisywały się jako jasne plamy. Fotografię drukowano i kładziono przed meteorologiem, a ten również na oko starał się oszacować, jaka część kadru wypełniona jest chmurami. Podejście to odeszło do lamusa w latach 70. minionego wieku, gdy służbę rozpoczęły satelitarne spektroradiometry obrazujące. Współcześnie obserwujemy, jak radiometry zastępują również obserwacje naziemne.
„Radiometr” to urządzenie, które dokonuje pomiarów natężenia promieniowania elektromagnetycznego. Właśnie takimi pomiarami zajmują się satelity do obserwacji Ziemi – nie mierzą ani temperatury powietrza, ani wilgotności, ani opadu, a jedynie promieniowanie. Wyniki pomiarów są później analizowane przez naukowców, znających fizyczne mechanizmy interakcji promieniowania z atmosferą i powierzchnią planety.
Rejestrowane jest promieniowanie o różnej długości fali, czyli promieniowanie w różnych zakresach widma. Inne określenie „widma” to „spektrum”, stąd spektro-radiometr. Pomiary spektralne są ważne, gdyż ze zmianą długości fali zmienia się sposób odbijania/pochłaniania promieniowania przez atmosferę (w tym chmury). W efekcie powstaje „elektromagnetyczny odcisk palca”, unikalny dla poszczególnych gazów atmosferycznych czy rodzajów chmur.
Promieniowanie rejestrowane przez radiometr pochodzi z tzw. chwilowego pola widzenia. Odpowiada ono niewielkiemu fragmentowi powierzchni Ziemi, najczęściej mającemu średnicę od kilkuset metrów do kilku kilometrów. Instrumenty są tak zaprojektowane, by w ciągu sekundy mierzyć promieniowanie z kilku tysięcy takich pól, leżących w jednej linii, jedno obok drugiego. Ponieważ linie również do siebie przylegają, otrzymujemy ciągły obraz zmiany natężenia promieniowania w przestrzeni. Dlatego radiometr zyskuje miano obrazującego.
To, jak duże jest chwilowe pola widzenia, przekłada się wprost na szczegółowość obrazu satelitarnego. Sensory meteorologiczne zazwyczaj oferują rozdzielczość na poziomie 1 km/piksel, choć instrumenty nowszej generacji pozwalają zbierać dane z rozdzielczością nawet 250 m/piksel (przynajmniej w kilku kanałach spektralnych). W ciągu doby typowy satelita meteo na orbicie okołobiegunowej pokrywa danymi całą Ziemię dwa razy. To tak, jakby cały glob (lądy i morza) pokryć siecią stacji meteorologicznych oddalonych od siebie co 250 m lub 1 km.
Pomiar promieniowania to początek obserwacji zachmurzenia. Satelitarne mapy intensywności promieniowania są następnie klasyfikowane w taki sposób, by każdemu elementowi obrazu (każdemu pikselowi) przypisać jeden z dwóch stanów: „zachmurzony” lub „wolny od chmur”. Ponieważ nie zawsze piksel jest w całości wypełniony chmurami, nie zawsze można być pewnym, do której z dwóch klas powinien przynależeć. W takiej sytuacji dodaje się dodatkową klasę lub klasy, odzwierciedlające niepewność w detekcji chmury: „prawdopodobnie zachmurzony”, prawdopodobnie bezchmurny”, „częściowo zachmurzony”, itp.
Algorytm detekcji chmur zamienia mapę promieniowania na mapę tematyczną: maskę chmur. Jest ona odpowiednikiem obserwacji naziemnej zachmurzenia – w tym znaczeniu, że mówi, czy w danej chwili i w danym miejscu chmura była obecna, czy nie. Maska chmur wskazuje również drogę dla innych algorytmów. Te piksele, które oznaczono jako wolne od chmur, są analizowane pod kątem obecności aerozoli i ich właściwości. Dla pikseli zachmurzonych stosuje się złożone algorytmy, umożliwiające poznanie właściwości optycznych, mikrofizycznych, termodynamicznych chmur.
Częstość, z jaką piksele zachmurzone występują nad daną lokalizacją, pozwala ocenić, jakie jest średnie zachmurzenie ogólne w tym miejscu. Zauważmy, że satelita, patrząc pionowo z góry, widzi wszystkie chmury jako jedną warstwę. Jeśli chmury piętra średniego wypełniły całe chwilowe pole widzenia, satelita będzie miał problemy w stwierdzeniu, czy poniżej chmur średnich były chmury niskie. Ten sam problem mają obserwatorzy naziemni, przy czym umykają im chmury piętra średniego i wysokiego.
Rozwiązaniem są tutaj techniki teledetekcji aktywnej. Instrumenty aktywne nie ograniczają się jedynie do rejestrowania promieniowania, ale wcześniej same je emitują. Tak działają lidary i radary. Pierwsze w stronę chmur wysyłają impulsy światła (lub promieniowania z zakresu bliskiej podczerwieni), drugie – impulsy radiowe. Promieniowanie lasera odbija się nawet od najmniejszych składników chmury, więc technika ta doskonale nadaje się do badania chmur wysokich i wyznaczania wysokości wierzchołków chmur.
Fale radaru chmurowego w zasadzie nie zauważają chmur wysokich, odbijając się dopiero od większych kropel chmurowych w chmurach niższych. Co ważne, zarówno impulsy radaru, jak i lidaru, posiadają zdolność penetrowania chmur. W praktyce oznacza to, że klimatolog może dowiedzieć się, na jakiej wysokości znajdowały się chmury, które odbijały impuls. Stopień odbicia impulsu pozwala dodatkowo określać podstawowe właściwości mikrofizyczne chmur.
Dzięki lidarowi i radarowi chmurowemu możliwe jest poznanie pionowej struktury zachmurzenia – coś, czego trudno dokonać za pomocą obserwacji naziemnej czy radiometru obrazującego. Jest jednak małe „ale”. Instrumenty profilujące obserwują tylko fragment atmosfery znajdujący się dokładnie pod satelitą (pas o szerokości ~1 km wzdłuż trajektorii lotu). Natomiast instrumenty obrazujące potrafią obserwować także obszary na prawo i lewo w stosunku do trajektorii lotu – pas o szerokości nawet 3000 km.