Univerzita Karlova v Praze. Přírodovědecká fakulta. Ročníková práce

Transkript

1 Univerzita Karlova v Praze Přírodovědecká fakulta Ročníková práce Martina Bydžovská 2004

2 SYSTÉM METEOROLOGICKÝCH DRUŽIC, data a využití Vypracovala: Martina Bydžovská Vedoucí ročníkové práce: Doc. Ing. Jan Kolář, CSc.

3 Prohlášení Prohlašuji, že předkládanou ročníkovou práci s názvem Systém meteorologických družic, data a využití jsem vypracovala samostatně. Použitou literaturu a prameny uvádím v přiloženém seznamu. Květen 2004 podpis

4 Poděkování Za cenné rady, náměty a inspiraci bych chtěla poděkovat Doc. Ing. Janu Kolářovi, CSc.

5 OBSAH 1 Úvod Metodologie Literární rešerše Zdroje dat pro předpověď počasí Význam meteorologických družic pro předpověď počasí Historie meteorologických družic Historie příjmu meteorologických dat v České republice Globální systém meteorologických družic Geostacionární družice METEOSAT METEOSATy první generace METEOSAT druhé generace - MSG GOES GMS INSAT GOMS (ELEKTRO) FENGYUN Družice na polárních drahách NOAA NOAA 15, 16, METEOR Srovnání geostacionárních družic a družic na polárních drahách Data a jejich zpracování Data METEOSATu Data digitální Data analogová Data z NOAA Data digitální Data analogová Příjem dat v České republice Využití meteorologických družic Závěr Abstrakt Citace Seznam literatury Seznam zkratek

6 1 Úvod Každý den sledujeme v televizi, čteme v novinách či na internetu, jaké nás v následujících dnech čeká počasí. Jsou na něm závislé plány našeho pracovního i osobního života. Dnes se již tyto informace pro nás staly naprosto přirozené a samozřejmé, ale vždy tomu tak nebylo. Rozvoj techniky lidem umožnil předpovídat počasí jinými způsoby než jen z červánků, rosy nebo sledováním výšky letu vlaštovek. V současnosti existují mnohá zařízení, která dokáží poskytovat potřebné informace o charakteristikách, jejichž dlouhodobým sledováním a analyzováním lze počasí nejen předvídat s větší pravděpodobností, ale znalostí důsledků jejich změn usnadnit předvídání velkých přírodních katastrof (jako jsou tajfuny, silné bouře atd.) či sledovat globální změny v klimatu Země, a tím umožnit včasný počátek jejich řešení. Meteorologové získávají tyto informace z hodnot naměřených pozemními stanicemi, aerologickými stanicemi a od 60. let nově také z dat získaných z meteorologických družic. Informace ze sítě jak pozemních, tak i aerologických stanic jsou vztaženy pouze k určitému místu. Možnost sledování komplexního území přineslo až využívání dat z meteorologických družic. Současnou meteorologii či klimatologii si nelze představit bez dat poskytovaných systémem meteorologických družic. Družicové snímky dnes představují nenahraditelný zdroj informací pro synoptickou meteorologii, která se zabývá relativně krátkodobými procesy v atmosféře spojenými s přechody atmosférických front, s rozložením oblačnosti apod. Snímky však hrají nezastupitelnou roli i v klimatologických výzkumech. (URL 1) Význam meteorologických družic s neustálým vývojem přístrojového vybavení a tedy i větší dostupností a přesností informací neustále roste. Ve své práci bych se proto chtěla zabývat právě meteorologickými družicemi, jejich systémem, vybavením, využitím jejich dat a informacemi, které z nich lze získat. Data meteorologických družic využívá i Česká republika k předpovědím počasí na svém území, proto se budu výrazněji zabývat družicemi, pro Českou republiku významnými. Výsledkem by měl na jedné straně být popis fungování systému meteorologických družic, včetně napojení České republiky na něj, a na straně druhé poukázání na oblasti jejich využití a tedy jejich významu. 6

7 2 Metodologie Vzhledem k charakteru tématu, které jsem si vybrala, metodologie mé práce spočívala nejprve v nastudování problematiky meteorologických družic. Na základě těchto znalostí jsem popsala systém globálního monitoringu atmosféry, stručný přehled těchto družic a vyvodila význam a možnost jejich využití. Pro vyhledávání těchto informací jsem využívala zejména internetových stránek, nejvýznamnějšími z nich se budu podrobněji zabývat v kapitole č. 3 Literární rešerše. 3 Literární rešerše Literaturou nápomocnou při obecných problémech dálkového průzkumu mi bylo vysokoškolské skriptum Dálkový průzkum Země Jana Koláře (2000). Dle tohoto učebního textu jsem se orientovala v počátcích své práce, tedy při začleňování meteorologických družic, vyhledávání jejich názvů, typů dat atd. Pro mou práci byly stěžejními informace čerpané na internetových stránkách. Jelikož jsem jich navštívila mnoho, budu se nyní zabývat jen nejzásadnějšími z nich: : Oficiální internetová stránka americké vládní agentury National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Obsahuje informace nejen o družicích NOAA, jejich vybavení, umístění atd., ale najdou se zde i obecné informace o družicích na polárních drahách. Oficiální stránky západoevropské mezivládní organizace EUMETSAT (European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites). Stejně jako předchozí stránka, obsahuje kromě podrobných informací o družicích jí provozovaných také popsaný systém geostacionárních družic. Velký katalog družic a kosmických sond je databází, jež obsahuje přehled kosmických startů od roku 1957, popis jednotlivých družic a kosmických sond, přehled 7

8 astronautů, kosmodromů a nosných raket. Jednotlivé údaje jsou uspořádány chronologicky nebo pomocí jmenného rejstříku názvu družic a sond, proto je vyhledávání potřebných údajů velmi jednoduché. Oficiální stránky družicového oddělení Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ). K nalezení jsou zde informace i aktuální snímky z družic NOAA a METEOSAT, z nichž ČHMÚ data přijímá. Jelikož se jedná o stránky, které jsou určeny široké veřejnosti, jsou velice srozumitelné a člověka snadno uvedou nejen do problematiky meteorologických družic, ale i jejich využívání pro předpovědi počasí. 8

9 4 Zdroje dat pro předpověď počasí Základní metodou pro předpověď počasí je tzv. synoptická metoda, která spočívá v meteorologickém pozorování velkého území, a to současně. Naměřené údaje se podle dohodnutého způsobu zaznamenávají do geograficko-meteorologické mapy (tzv. synoptická mapa) a sledováním vývoje meteorologické situace na mapách, při znalosti fyzikálních zákonů, kterými se atmosférické procesy řídí, je možné vytvořit časovou extrapolaci vývoje, tedy předpověď počasí. Předpokladem pro úspěšnou předpověď počasí je co nejpodrobnější znalost aktuálního stavu atmosféry. Tyto informace, jež meteorologové pro svou práci potřebují, se získávají z následujících zdrojů: síť pozemních (popř. oceánských) stanic (těch je kolem ) - pozorování a tvorba map (v Evropě v měřítku 1:10 mil. nebo 1:15 mil.) se provádějí v tříhodinových intervalech - zprávy se šifrují do dohodnutého číslicového kódu (tzv. SYNOP) a posílají se do národních center, mezi kterými se vyměňují, což každé národní povětrnostní službě umožňuje využívat data z velké oblasti - stanice jsou obsluhované lidmi nebo jsou již automatizované síť aerologických stanic (počet: stanic, v České republice je pouze v Praze) - v šestihodinových intervalech vypouštějí na balónech sondy, jež měří výškový profil základních meteorologických prvků (teplota, vlhkost, tlak vzduchu, vítr), a to až do výšky km - údaje z měření se znázorňují v aerologickém diagramu (ukazuje vertikální teplotní a vlhkostní zvrstvení) nebo zákresem do geografické mapy v jedné zvolené tlakové hladině (vznikne výšková mapa zvolené tlakové hladiny) informace získané metodami dálkové detekce - jedná se zejména o meteorologické družice, které jsou předmětem mé práce, radary a systémy detekce blesků podnebné charakteristiky dané lokality nebo oblasti 9

10 4.1 Význam meteorologických družic pro předpověď počasí Zatímco u klasických měření meteorologických veličin pozemními a aerologickými stanicemi (tzv. přímá sondáž atmosféry) jde o řady spojité v čase, ale omezené na pozorovací stanoviště nebo jejich blízké okolí, u měření meteorologických družic, popř. meteorologických radarů, jde o prostorově spojitou informaci získávanou v diskrétních časech. Proto jsou jejich výstupy vhodným doplněním výstupů stanic. Získané údaje se vzájemně doplňují a oboje se používají v tzv. numerických modelech pro předpověď počasí. Prostřednictvím meteorologických družic jsou poskytovány informace o prvcích všeobecné cirkulace atmosféry a o charakteristikách polí meteorologických prvků, a to v globálním měřítku. Pomocí snímků je možné určovat druhy oblačnosti a sestavovat mapy rozložení oblačnosti, což s využitím informací pouze ze stanic možné nebývalo. Hlavním přínosem metod dálkové detekce je plošné pokrytí, operativní dostupnost aktuálních dat a možnost zobrazení dynamiky oblačných systémů formou animací.(url 2) Zvláštní význam mají družice při studiu počasí nad oceány a nad jižní polokoulí, kde se nachází relativně málo meteorologických stanic, nenahraditelné jsou také například pro včasnou identifikaci tropických cyklón. 10

11 5 Historie meteorologických družic Meteorologické družice jsou významnou součástí dálkového průzkumu Země (DPZ). První využívání informací získaných ze snímků z kosmických letů bylo právě v oblasti meteorologie snímky poskytující informace o momentálním stavu atmosféry (zejména zemské oblačnosti) napomáhaly odhalovat zákonitosti tvorby počasí a tím i možnosti jeho lepších předpovědí. Historie meteorologických družic sahá až do první poloviny 20. století. Již ve 20. a 30. letech se v tehdejší vědeckofantastické literatuře objevovaly myšlenky o umístění družic na oběžnou dráhu a s ním možnosti nepřetržitého sledování počasí na obrovském území. Významným milníkem byla druhá světová válka a s ní spojený rozvoj raketové techniky. První skutečnou ryze meteorologickou družicí byl americký TIROS-1 (viz obr. 1). Vypuštěn byl 1. dubna 1960 a započal tak éru družic na polárních drahách. Za více než čtyřicet let, které uběhly od jeho startu, prošly meteorologické družice a jejich přístrojové vybavení bouřlivým vývojem. Přístroje byly zpočátku poměrně primitivní, postupně se však zdokonalovaly až po současné, tzv. skenující radiometry s poměrně vysokou přesností. Mezi významná data dále patří 7. prosinec 1966, kdy byla vypuštěna ATS-1, první geostacionární družice s meteorologickým přístrojovým vybavením, 16. říjen start první operativní ryze meteorologické družice na geostacionární dráze GOES-1, a konečně 23. listopad start první evropské geostacionární meteorologické družice METEOSAT-1. V průběhu devadesátých let se výrazně zlepšila kvalita, dostupnost a rychlost zpracování družicových dat a tím se i zvýšila jejich využitelnost. Neustále probíhá vývoj a vylepšování přístrojového vybavení družic. Obr. 1 První snímek z družice TIROS-1 zdroj: URL 3 11

12 5.1 Historie příjmu meteorologických dat v České republice Příjem meteorologických dat v České republice probíhá od 70. let. Institucí, která se u nás touto problematikou zabývá, je Český hydrometeorologický ústav. V letech zde bylo nainstalováno zařízení pro příjem digitálních dat z družic NOAA (tzv. HRPT systém od kanadské firmy MDA), které bylo vůbec prvním zařízením pro příjem digitálních obrazových dat na území někdejšího Československa a sloužilo do roku V roce 1994 bylo nainstalováno zařízení pro příjem digitálních snímků z družic METEOSAT a na jaře roku 1995 nové zařízení pro příjem dat z polárních družic NOAA. 12

13 6 Globální systém meteorologických družic Pro monitorování atmosféry Země je zaveden globální systém meteorologických družic. Tento systém tvoří satelity označované WXSAT (Weather Satelit - satelity pro sledování povětrnostní situace), jež se dělí na dva základní typy, které se navzájem doplňují a kombinací jejich výhod je možné získávat kvalitních informace o atmosféře. Jedná se o družice geostacionární a družice na polárních drahách. 6.1 Geostacionární družice Geostacionární družice jsou umístěny nad Zemí ve statické výšce (okolo km). Zde obíhají kolem Země stejnou rychlostí, jakou okolo své osy rotuje Země (obletí ji tedy cca jednou za 24 hodin) - v praxi to znamená, že setrvávají pevně nad jedním bodem vzhledem k Zemi (zpravidla přímo nad rovníkem) a z pohledu pozorovatele na Zemi se jejich poloha na obloze nemění. Díky značné výšce těchto družic jsou nevýhodou veliké energetické nároky na jejich vypuštění a také potřeba skenerů s mnohem lepší prostorovou rozlišovací schopností. Kolem Země funguje pět geostacionárních meteorologických družic.tento počet zajišťuje souvislé pokrytí celé planety (s výjimkou polárních oblastí). Jedná se o západoevropský METEOSAT, americké družice GOES 8 a GOES 9 (oba americké kontinenty a východní tichomoří), japonský GMS (západní tichomoří, východní Asie a Austrálie), indický INSAT, respektive ruský GOMS (obě družice pro centrální až západní Asii a oblast Indického oceánu) METEOSAT První generace METEOSATů byla započata , kdy z mysu Canaveral odstartovala americká raketa Delta, která vynesla družici METEOSAT byla vynesena družice METEOSAT-2, následovaly METEOSAT-3 (vynesen , jeho činnost ukončena ), METEOSAT-4 (vynesen , činnost ukončena ). V současnosti jsou v činnosti METEOSAT-5 (vynesen , je umístěna na 63 v. d. a sloužit by měl do roku 2004), METEOSAT-6 (vynesen , umístěna na 10 v.d.), METEOSAT-7 (vypuštěn a umístěn na 0 ) ten uzavírá družice první 13

14 generace (viz tab. 1). První družice generace druhé je označována jako MSG1 a byla vypuštěna a je umístěna na 3,4 o z. d. Tab. 1 Přehled o vypuštění, činnosti a ukončení činnosti první generace METEOSATů zdroj:url 4 METEOSAT-4, -5 a -6 byl vyvinut pod záštitou Meteosat Operational Programme, který probíhal v letech 1983 až 1995 pod správou Evropské vesmírné agentury ESA (European Space Agency), poté od roku 1986 po správou západoevropské mezivládní organizace EUMETSAT (European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites). METEOSAT-7 byl vyvinut pod záštitou Meteosat Transition Programme EUMETSATu. V současnosti je provozovatelem všech funkčních družic organizace EUMETSAT. Jedná se o METEOSAT-4, -5 a -6 a MSG-1, z nichž jsou tři vhodné pro Evropu, a to MSG-1, METEOSAT-6 a METEOSAT-7 (umístěn nad Guinejským zálivem a snímá oblast Evropy, západní Asie, celou Afriku, většinu Atlantiku a východní část Jižní Ameriky). METEOSAT-5 je umístěn nad Indickým oceánem a vysílá pouze primární data. 14

15 METEOSATy první generace Snímání zemského povrchu je zajištěno rotací družice kolem její osy rovnoběžné s osou zemskou (tzv. Spin Scanning), rychlostí 100 otáček za minutu. Zemský povrch snímá postupně od jihu k severu každých 30 minut - začátky jsou vždy ve 30. a 60. minutě. Délka snímání je 25 minut, poté má družice 5 minut na návrat do výchozího stavu (návrat čidel, kalibraci a telemetrické údaje) a stabilizaci přístrojů, načež začíná snímání znovu. Tímto způsobem nasnímá METEOSAT za 24 hodin celkem 48 obrazových souborů (tzv.slotů). Oblast Česka je snímána vždy ve 22. a 52. minutě, snímku je pak přiřazen čas nejbližší následující celé půlhodiny. To znamená, že ČR byla vždy nasnímána o 8 minut dříve než je čas uvedený v hlavičce snímku. Družice na palubě nesou (viz obr. 2): tříkanálový rastrující radiometr MVIRI (Meteosat Visible and InfraRed Imager) zařízení pro distribuci zpracovaných snímků a pro retranslaci meteorologických dat z automatických pozemních stanic a bójí pro sbírání radiace odrazový dalekohled systému Cassegrain/Ritchey-Chrétien s hlavním zrcadlem velikosti 400 mm a ekvivalentní ohniskovou vzdáleností 3,65 m Obr. 2 Satelitní systém METEOSATu Zdroj: URL 5 15

16 3 spektrální pásma rastrujícího radiometru (vybraná dle primárního cíle METEOSATu - mapování rozložení mraků a vodní páry): o viditelné pásmo (VIS) - 0,4 až 1,0 µm; velikost pixelu (rozlišení) 2,5 km o tepelné infračervené pásmo (IR) - 10,5 až 12,5 µm; velikost pixelu 5 km o pásmo absorpce vodních par (WV) - 5,7 až 7,1 µm; velikost pixelu 5 km V důsledku šikmého pohledu a větší vzdálenosti je rozlišení pro oblast střední Evropy poněkud horší - přibližně 6x9 km pro WV a IR pásmo a 3x4,5 km pro VIS pásmo METEOSAT druhé generace - MSG-1 První generace METEOSATů má být v nejbližších letech nahrazena třemi novými družicemi nazvanými Meteosat Second Generation (MSG). Narozdíl od první generace budou pořizovat snímky v kratším časovém intervalu (15minutový, oproti původnímu 30minutovému), na více vlnových délkách (12 spektrálních kanálů, oproti původním třem) a ve větším geometrickém rozlišení (zachytí tedy přesněji i řadu náhlých jevů jako jsou sněhové přeháňky, bouřky, výskyt mlh). V současnosti je vyvinuta pouze první z nich, postavila ji firma Alacatel Espace, Cannes (Francie). Na financování vývoje a stavby se podílela organizace ESA, Paříž (Francie). Předpokládaná aktivní životnost této družice je 5 let. Družice nese: dvanáctikanálový radiometr SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager), jeden snímek pořídí za 15 minut radiometr GERB (Geostationary Earth Radiation Budget), pro studium radiační rovnováhy Země komunikační systém MCP (Mission Communication Payload) - zajišťující přenos meteorologických dat z družice a z automatických pozemních měřicích stanic DCP (Data Collection Platform) převaděč vyhledávacího a záchranného systému SARSAT (Search and Rescue Satellite Transponder) 16

17 6.1.2 GOES byla vypuštěna družice GOES-1, poté GOES-2 (vypuštěna ), GOES-3 (vypuštěna ) a GOES-4 (vypuštěna ), GOES-5 (vypuštěna ), GOES-6 (vypuštěna ). V současnosti se družice GOES nacházejí nad 75 z. d. a 135 v. d. Jako mnoho družic zaměřených na monitorování počasí byla GOES vyvinuta a vypuštěna organizací NASA. Jakmile byla schopna provozu, bylo řízení předáno NOAA National Environmental Satellite, která je v současnosti operativním provozovatelem této družice. Hlavní pozemní stanice CDA (Command and Data Acquisition) se nachází v areálu střediska NASA Wallops Flight Station, Virginia (USA). Základním programem této družice je snímkování oblačnosti (s rozlišovací schopností do 1 km) a infračervené snímkování. Dále registrují kosmické záření, rentgenové záření a intenzitu magnetického pole s návazností na sluneční činnost. Družice GOES umožňují snímání omezené oblasti (velikostí srovnatelné např. s územím České republiky) až každých 20 sekund; tento režim se však využívá spíše pro výzkumné účely, respektive v případě monitorování živelných katastrof. Na palubě je následující vybavení: zobrazující rastrující pětikanálový radiometr (Imager) radiometr pro sondáž atmosféry (Sounder) - pro měření vertikálního profilu teploty, obsahu vodní páry a ozónu, teploty oblačnosti a zemského povrchu pracující v 1 kanálu viditelného a 18 kanálech v infračervené oblasti spektra s rozlišením 1 respektive 2 km (8192 stupňů šedi) soubor přístrojů pro monitorování kosmického prostředí SEMS (Space Environment Monitor Systém), který tvoří: magnetometr detektor slunečních energetických částic EPS (Energetic Particle Sensor) detektor protonů a částic HEPAD (High Energy Proton and Alpha Detektor) rentgenový sluneční dalekohled XRS (X-Ray Sensor) převaděč pro sběr dat z automatických meteorologických stanic DCS (Data Collection Systém) převaděč záchranného systému SARSAT (Search and Rescue Satelite) 17

18 5 spektrálních kanálů radiometru: o µm o µm o µm o µm o µm stupňů šedi, s rozlišením 1 km (viditelná oblast), 4 km (infračervená oblast) až 8 km (oblast 6 µm) Pomocí družice GOES-4 byla vytvořena první vertikální měření teploty a vlhkosti ze synchronní dráhy. Z tohoto reprezentativního vzorku byly určeny výšky a teploty mraků a byl vytvořen třírozměrný obraz jejich rozdělení pro přesnější předpověď počasí. S použitím snímků z GOES, byli meteorologové schopni měřit pohyby vybraných mraků v různých výškách a získat jejich směr a rychlost za účelem lepšího porozumění modelu cirkulace atmosféry GMS Výrobcem družic GMS (Geostationary Meteorogical Satellite) je japonská společnost NEC a provozovatelem je Japonsko, NASDA. První družice GMS byla vypuštěna , GMS-2 byla vypuštěna , GMS-3 byla vypuštěna a její činnost ukončena v červnu 1995, GMS-4 byla vypuštěna a její činnost ukončena GMS-5 (Himawari Slunečnice) byla vypuštěna z Tanegashima Island (1000 km jihozápadně od Tokia) dne a nahradila GMS-4. Původně byla zakotvena na 160 v. d., později (v červnu 1995) přemístěna na 140 v. d. (nad Austrálii). Družice GMS poskytuje snímky každých 25 minut. Nese: radiometr VISSR (Single Imaging Visible and IR Spin Scan Radiometer) Kanály radiometru: o viditelné spektrum (0,5 µm 0,75 um) v rozlišení 1,25 km o infračervené spektrum (10,5 um 12,5 um) v rozlišení 5 km o infračervený kanál k monitorování obsahu vodní páry v atmosféře 18

19 6.1.4 INSAT Poslední z řady Insat je družice s označením 3C. Tato družice byla zkonstruována ISRO Satellite Centre (ISAC) v Bengalúru (Karnátaka, Indie) a úspěšně vypuštěna 27. září 2003, jejím provozovatelem je organizace Indian Space Research Organization (ISRO), v Bengalúru (Karnátaka, Indie). Hlavní pozemní stanice a řídicí středisko MCF (Master Control Facility) se nachází u města Hassan (Karnátaka, Indie). Zavěšena je nad 74 v. d. Předpokládaná aktivní životnost je 12 roků. Nese: rastrující radiometr VHRR (Very High Resolution Radiometer), pracující ve viditelné oblasti spektra (rozlišení 2 2 km) a ve dvou pásmech infračervené oblasti (rozlišení 8 8 km) televizní přehledová kamera s prvky CCD (Charge Coupled Device) pracující ve 3 pásmech (viditelné, blízké infračervené a krátkovlnné infračervené) s rozlišením 1 1 km anténa o průměru 0,9 m pro přenos meteorologických dat GOMS (ELEKTRO) Tato ruská meteorologická družice byla vypuštěná - v rámci programu GOMS (Geostationary Operational Meteorological Satellite, ohlášeného v r. 1975) z Bajkonuru na raketě Proton-K/DM-2. Postavilo ji VNII Elektromechaniki. Je zavěšena na 76. o v. d. nad Indickým oceánem. Poskytuje mapy oblačnosti a teploty moří, společně s daty na horní hranici mraků a větrné rychlosti, k umožnění varování před hurikány, povodněmi a tajfuny. Nese: televizní kamery radiometry (v optickém oboru rozlišení 1,25 km, v infračerveném 6,5 km) 19

20 6.1.6 FENGYUN Provozovatelem čínské družice FENGYUN (Feng Yun - Vítr a Mrak) je Guojia Weixing Qixiang Zhongxin (National Satellite Meteorological Center (NSMC)), Peking (Čína) pro organizaci Zhongguo Qixiang Ju (China Meteorological Administration (CMA)), Peking (Čína). Čínské pozemní stanice se nacházejí u měst Peking, Kanton a Urumči. FY-1D je zatím poslední družice této řady, start měla z Taiyuan Space Center. Předchozí družicí je Feng Yun 1-3 (z roku 1999), kterou má tato družice nahradit. Umístěna je na 105 v.d. Na palubě nese: mnohakanálový radiometr MVISR (Multichannel Visible and IR Scan Radiometer), pracující v 10 kanálech viditelného a infračerveného záření ( , , , , , , , , , µm). 6.2 Družice na polárních drahách Výška, sklon a výstřednost dráhy polárních meteorologických družic se liší dle jejich typu. Rovina jejich oběžné dráhy má sklon vůči rovině zemského rovníku cca 80 až 100 stupňů. Pohybují se tedy přibližně severojižním směrem a při oběhu kolem Země přelétají přes její polární oblasti (z tohoto odvozen i jejich název). Jejich oběžná dráha (zpravidla téměř kruhová) se pohybuje ve výškách od 600 do 1250 km nad zemským povrchem. V současnosti se těmito družicemi myslí americké civilní meteorologické družice NOAA. Vedle nich pod označení polárních družic můžeme zahrnout např. METEOR (ruské družice) nebo DMSP (americké vojenské družice), ale vzhledem k nízké kvalitě dat družic METEOR, respektive nedostupnosti dat z DMSP většina vyspělých civilních meteorologických služeb využívá data z družic NOAA. 20

21 6.2.1 NOAA Jedná se o americké civilní družice, jejichž název je odvozen z National Oceanic and Atmospheric Administration (tj. americká vládní agentura, jež tyto družice spravuje). Občas se též používá označení družice série TIROS-N (název první družice této generace). Před vypuštěním na oběžnou dráhu je družice označována písmenem, po dosažení plánované dráhy je jí přidělena příslušná číslice. Pro nejnovější sérii těchto družic se v současnosti používá označení série NOAA-KLM (NOAA 15, 16 a 17). Obíhají Zemi ve výšce 810 až 870 km po heliosynchronní dráze (tzn. přelet určité zeměpisné šířky vždy ve stejném místním čase) skloněné vůči rovině zemského rovníku 98 až 99 stupňů. Družice nepřetržitě snímají pás široký 3000 km, který mají pod sebou. Doba oběhu kolem Země je přibližně 100 minut (tzn. 14 oběhů za den). Posun dráhy mezi dvěma sousedními oblety činí na rovníku přibližně 25,5 stupně (na západ). Pokud je systém polárních družic kompletní, jsou v provozu vždy dvě družice, jejichž roviny oběžných drah jsou vůči sobě stočeny o 90 stupňů. Tím je docíleno snímání libovolného místa na Zemi nejméně 4krát za 24 hodin. Například v současnosti (prosinec 1998) NOAA 15 snímá oblast střední Evropy v ranních hodinách (přelet od severu k jihu) a ve večerních hodinách (přelet od jihu k severu), zatímco NOAA 14 brzy po obědě (přelet od jihu k severu) a po půlnoci (od severu k jihu). Čím je přijímací stanice blíže k pólům, tím více přeletů může zachytit (a zároveň je větší překryv jednotlivých přeletů). Naopak na rovníku na sebe okraje jednotlivých přeletů právě navazují. (URL 6) Družice NOAA zahrnují: TIROS-N (vypuštěn v říjnu 1978), na který navázal NOAA- A (vypuštěna v červnu 1979 a přejmenována na NOAA-6), NOAA-C (vypuštěna v červnu 1981 a přejmenována na NOAA-7), NOAA-E (vypuštěna v březnu 1983 a přejmenována na NOAA-8), NOAA-F (vypuštěna v prosinci 1984 a přejmenována na NOAA-9), NOAA-G (vypuštěna v září 1986, přejmenována na NOAA-10), NOAA-H (vypuštěna v září 1988, NOAA-11), NOAA-D (květen 1991, NOAA-12), NOAA-I (říjen 1993, NOAA-13) a NOAA- J (listopad 1994, NOAA-14). Série TIROS-N až NOAA-D jsou nazývány družicemi série TIROS-N a NOAA-E až -N jsou nazývány družicemi série TIROS ATN neboli Advanced TIROS-N. 21

22 NOAA 15, 16, 17 Jsou to o nejmodernější meteorologické družice, určené pro operativní využití. Jedná se o družice typu Advanced TIROS-N. Na palubě jsou následující přístroje: pětikanálový rastrující radiometr AVHRR/3 (Advanced Very High Resolution Radiometer) zařízení pro sondáž atmosféry TOVS (TIROS Operational Vertical Sounder) pro stanovení teplotního profilu a koncentrace oxidu uhličitého, ozónu a vodní páry, které tvoří: o zařízení pro sondáž troposféry v infračerveném oboru HIRS/3 (High Resolution Infrared Sounder) o zařízení pro sondáž troposféry v mikrovlnném oboru AMSU-A a AMSU-B (Advanced Microwave Sounding Unit) o zařízení pro sondáž stratosféry SSU (Stratosphere Sounding Unit) spektrometr SBUV/2 (Solar Bacscatter UV) pro měření koncentrace ozónu (vlnová délka nm) monitor korpuskulárního slunečního záření SEM/2 (Space Environment Monitor), jehož součástí je: o detektor MEPED (Medium Energy Proton and Electron Detektor) pro detekci korpuskulárního záření ze slunečních erupcí další mikrovlnný detektor zdokonalený systém ARGOS-M (CNES, Francie) neboli DCS (Data Collection Systém) pro sběr dat z automatických meteorologických stanic na pevnině, na bójích a balónech 5 spektrálních pásem radiometru: o viditelné 0,55-0,68 µm; rozlišovací schopnost 1,1km o blízké IČ 0,725 1,1 µm; rozlišovací schopnost 1,1km o termální 3,55 3,92 µm; rozlišovací schopnost 1,1km o termální 10,5 11,5 µm; rozlišovací schopnost 1,1km o termální 11,0 12,5 µm; rozlišovací schopnost 1,1km 22

23 6.2.2 METEOR Jedná se o ruské meteosatelity. Tyto satelity jsou zavěšeny ve větší výšce než satelity NOAA (1200km). Sklon dráhy satelitů METEOR je 82 a doba obletu kolem Země je 115min. 6.3 Srovnání geostacionárních družic a družic na polárních drahách Výhodou geostacionárních družic je, že mohou snímat opakovaně stejné území na Zemi velmi často (zpravidla každých minut, např. družice METEOSAT mají relativně vysokou frekvenci snímání: 48x za 24 hodin) to je činí ideálními pro meteorologické aplikace. Nevýhodou je, že nemohou snímat severní a jižní pól a jsou omezeny pro snímání území s větší zeměpisnou šířkou než je stupňů. Na rozdíl od polárních, které jsou blíže k Zemi mají horší prostorové rozlišení a pro místa vzdálenější od rovníku se ještě snižuje (např. pro obraz z METEOSATu, pixel poblíž rovníku zobrazuje území cca 2,5 km 2, kdežto pixel zobrazující území například v severní Evropě může reprezentovat 10 km 2 a proto podává méně informací). V meteorologických a klimatických aplikacích se tedy využívá obou typů družic kombinací výhod častého snímání geostacionárních družic a vyšší rozlišovací schopností družic polárních. 23

24 7 Data a jejich zpracování Pojmem data jsou v případě meteorologických družic myšlena jednak data analogová, tedy družicové fotografie a jednak data digitální, což jsou družicové snímky ze skenerů, které jsou již přímo v digitální podobě. Družicové snímky jsou vytvářeny zaznamenáváním intenzity odraženého nebo emitovaného elektromagnetického záření objektů v určitých intervalech spektra. V České republice je největším odběratelem dat z meteorologických družic výše zmíněný Český hydrometeorologický ústav. Oddělením zabývajícím se sběrem a zpracováváním dat z meteorologických družic je Družicové oddělení ČHMÚ s pracovištěm na jižním okraji Prahy 4, na Libuši. Základními úkoly tohoto oddělení je příjem, zpracování a distribuce dat z meteorologických družic NOAA a METEOSAT pro operativní účely, archivace dat a jejich zpracování pro výzkumné, propagační a výukové účely. Vzhledem k významnosti družic METEOSAT a NOAA pro oblast České republiky se v následující kapitole budu zabývat pouze popisem dat z těchto družic. 7.1 Data METEOSATu Všechna obrazová data z METEOSATu jsou nejprve předána do centrálního přijímacího střediska v Darmstadtu, kde jsou zpracována, doplněna o zeměpisnou síť, průsečíky poledníků a rovnoběžek, obrysy kontinentů, případně státní hranice a konturu kontinentů a odtud opět přes METEOSAT (zařízení pro distribuci snímků) vysílána uživatelům. Kromě střediska v Darmstadtu jsou dalšími součástmi systému stanic hlavní pozemní stanice (Primary Groun Station) Fucino v Itálii. Stanice na úpravu dat leží ve městech Bracknell, Toulouse a Řím. Přenos obou typů distribuovaných dat se uskutečňuje v reálném čase rychlostí 166 kbit/s nebo zrychleně až 2,7 Mbit/s (v pásmu S -1,675 GHz): 24

25 7.1.1 Data digitální Digitální data METEOSATu jsou označována jako tzv. HRI (High Resolution Imagery) data a jsou určena pro přijímací stanice kategorie PDUS (Primary Data User s Station). Příjem dat HRI musí být zajištěn smlouvou s EUMETSATem. Tato data jsou zakódována a bez dekódovací jednotky k systému PDUS, kterou zájemce obdrží ke svému zařízení po zaplacení stanovených poplatků, není příjem možný. Digitální data nejsou přenosem nijak deformována, jsou v podstatě totožná s daty naměřenými družicí. Data HRI pro stanice PDUS jsou přenášena v následovně (viz obr. 3): - jako celý disk (v kanálech IR, VIS a WV). AI, AV, AW - jako oblast Evropy, severní Afriky a Atlantiku (v kanálech IR, VIS a WV).. BI, BV, BW - jako retranslované snímky z družic GOES a GMS. XI, XV Obr. 3 Formáty dat HRI Zdroj: URL 7 25

26 7.1.2 Data analogová Data analogová, označována jako primární data či WEFAX (Weather Fascimile) jsou určena pro přijímací stanice kategorie SDUS (Secondary Data User s Station). Analogová data jsou vysílaná ve formě amplitudově modulovaného signálu, mohou být silně ovlivněna kvalitou přenosu. Příjem dat WEFAX není nijak omezován. Data WEFAX pro stanice SDUS jsou přenášena následovně (viz obr. 4): - celý disk v kanálech IR, VIS a WV... DTOT, CTOT, ETOT - jednotlivé devítiny disku v kanálu IR.... D1 až D9 - jednotlivé devítiny disku v kanálu VIS.. C1D až C9D - jednotlivé devítiny disku v kanálu WV.. E1 až E9 Zorné pole satelitu je rozděleno na 9 částí, označovaných číslicemi 1 až 9 za označením spektra. Nejpoužívanější snímek Evropy a severní části Afriky v infra spektru se vysílá každých 30 minut a má označení D2 (území České republiky je zobrazeno na snímcích obsahujících číslici 2) Obr.4 Formáty dat WEFAX Zdroj: URL 8 26

27 7.2 Data z NOAA Příjem, zpracování a (re)distribuce dat z radiometru AVHRR družic NOAA nejsou zatím nijak administrativně omezovány, zájemci o příjem dat (ať v režimu HRPT nebo APT viz dále) pouze stačí pořídit si vhodné přijímací zařízení Data digitální Přenos digitálních dat se označuje jako tzv. HRPT přenos, který probíhá následovně: data jsou snímána a vysílána rychlostí 6 obrazových řádek za sekundu, každý řádek obsahuje 2048 pixelů, v každém pixelu jsou data reprezentována pro každý z pěti přenášených kanálů 10bitovou hodnotou. Data jsou přenášena v pásmu 1,7 GHz. Pro příjem HRPT dat je zapotřebí přijímající parabolická anténa, která vyžaduje automatické navádění což je příčinou toho, že digitální přenos dat NOAA je z technického hlediska výrazně náročnější, než digitální příjem dat METEOSATu. Formáty digitálních dat: HRPT (High Resolution Picture Transmission) formát: - data z AVHRR plného rozlišení - tato data jsou přenášena v reálném čase LAC (Local Area Coverage) formát: - v podstatě uložená (tzn. ne přenášená v reálném čase) data formátu HRPT(tzn. bez sníženého rozlišení) pro vybraná území - vytvářena pro centrální zpracování, nejsou určena pro lokální uživatele GAC (Clobal Area Coverage) formát: - obsahují HRPT data s uměle sníženým rozlišením (4 x 4 km) - celková rychlost přenosu dat je 1/10 přenosu LAC dat - data sloužící k uložení, určeny k zařazení ke globálnímu souboru dat, který je využíván k centrálnímu zpracování a analýzám, tedy ne pro lokální uživatele - tento formát dovoluje znovunabytí do 100% formátu HRPT ze sníženého rozlišení 27

28 Jsou-li data ukládána (jedná se o GAC a LAC formáty), jedná se o záznam na palubní záznamová média a na výzvu řídícího střediska je předá k trvalé archivaci (např. pro různé klimatické studie) Data analogová Přenos analogových dat je výrazně jednodušší, ale kvalitativně výrazně horší, než přenos dat digitálních a je označován jako tzv. APT (Automatic Picture Transmission) přenos. Pro příjem těchto analogových dat postačuje dostatečně citlivá všesměrová anténa (v pásmu 137 MHz). Analogový příjem v pásmu 137 MHz není již z hlediska meteorologických služeb příliš zajímavým, neboť data v něm vysílaná mají uměle snížené rozlišení, které je srovnatelné s METEOSATem, a jsou současně vysílány pouze dva kanály. (Setvák, URL 9) Analogová data jsou určena pro levné pozemní stanice, jsou získána z AVHRR videodat a mají střední rozlišení. 7.3 Příjem dat v České republice V současné době jsou v ČHMÚ přijímána data z družic NOAA-14, NOAA-16, NOAA-17 a METEOSATu-7. Objem přijatých dat je přibližně následující: z polárních družic se denně obdrží zhruba 1,25 GB dat, z METEOSATu denně asi kolem 100 MB. Data z družice NOAA-14 jsou přijímána pouze kvůli ozónovým datům, obrazová data jsou již nepoužitelná pro nefunkčnost části přístrojů na družici (naopak pro zpracování ozónových dat z družic NOAA-16 a NOAA-17 zatím nemá ČHMÚ zprovozněn potřebný software - z těchto družic se přijímají tedy pouze obrazová data). Značnou část těchto dat je nutné někde archivovat a zpracovat, což klade zvýšené nároky na výpočetní techniku a úložné prostory. 28

29 8 Využití meteorologických družic Oblastí využití meteorologických družic je veliké množství. Klasické družicové snímky zobrazují rozložení oblačnosti, z které je možné určovat polohu front a cyklon, zaznamenávat tropické cyklony či hurikány (zejména v tropických oblastech), rozvoj bouří atd. Pomocí sledování družicových snímků lze zjistit dlouhodobé rozložení oblačnosti nad nejrůznějšími oblastmi Země. Družicové snímky ovšem nejsou jen samotné obrázky. Jejich součástí je i soubor naměřených hodnot, ze kterých lze dále sestavovat např. mapy teplot na hladině oceánu, mapy rozsahu zalednění nebo rozložení rychlosti větru či množství konvektivních srážek. Jedná se o tzv. nepřímou sondáž atmosféry, jež je významnou oblastí využití. Zatímco u již výše zmíněné přímé sondáže, při které se měří profily různých meteorologických prvků pomocí balonů do atmosféry vypouštěných ze Země, u nepřímé sondáže z družic se odvozuje vertikální chod těchto prvků na základě pohledu z oběžné dráhy. Přesnost je menší, ale data pokrývají komplexně celé území, které družice snímá. Také měření atmosférického ozónu bylo globálně umožněno až s příchodem využívání družic. Z námi sledovaných družic nesou přístroj na měření celkového množství ozónu v atmosféře, tzv. TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer), například družice METEOR nebo NOAA. Významné je však také jejich využití z dlouhodobého hlediska, např. pro sledování klimatických změn. Jedním z příkladů takovéhoto využití meteorologických družic je projekt EOS (Earth Observing System). Vlastní interdisciplinární program EOS představuje globální systém pozorování Země prostředky dálkového průzkumu, zabývá se komplexním studiem krajinné sféry nebo jejích složek a zahrnuje výzkumy pro roky Poskytuje data, která jsou nepostradatelným vstupem pro řešení mnoha vědeckých výzkumů, zaměřených na poznání a pochopení globálního životního prostředí Země a jeho složek. (URL 10) Program EOS má mezinárodní charakter a v jeho rámci probíhají společné projekty Kanady, Japonska, Ruska, zemí EU a některých afrických a jihoamerických států, vedoucí úlohu v tomto programu má americká NASA, úzce spolupracujícími institucemi jsou také NOAA, EUMETSAT či japonská meteorologická agentura JMA. 29

30 Vědecké zaměření je velmi široké a jeho součástí je i sledování variability klimatu a jeho předpovědi. Mezi nejdůležitější satelity s velmi dokonalým přístrojovým vybavením patří i satelity uvedené v této práci: - DMPS (Defense Meteorological Satellite Program), satelit určený k monitorování zemského povrchu a atmosféry v oblasti viditelného a infračerveného záření včetně využití pasivního mikrovlnného radiometru. - METEOR představuje ruský příspěvek k programu EOS, je určený k monitoringu profilu atmosférických aerosolů, ozonu, vodních par, stopových plynů, teploty a tlaku v atmosféře. Jinou oblastí využití meteorologických družic je v současné době také monitoring stavu vegetace v různých částech světa a její ubývání (pomocí kombinace spektrálních pásem je možné určovat kolik vegetace a v jakém stavu kde je). Je tedy například možné dokumentovat odlesňování tropických pralesů nebo rozšiřování pouští. Další zajímavou a teprve se rozvíjející sférou využití meteorologických družic je detekce blesků. Meteorologické družice slouží také nejen k již tradičnímu získávání dat, ale i k jejich přenosu. Sbírají například data z automatických meteorologických stanic, umístěných v nedostupných oblastech (např. v arktických nebo pouštních oblastech, na oceánech). Tato data pak předávají do meteorologických center. Dalším využitím družic je naopak předávání meteorologických informací do míst, která nemají dostačující meteorologické zázemí. K vysílání informací pro tamní meteorologické služby se pak užívají právě meteorologické družice. 30

31 9 Závěr Globální systém meteorologických družic pro monitoring atmosféry Země sestává z družic geostacionárních a družic na polárních drahách. Geostacionární družice se nacházejí přibližně km nad rovníkem v různých zeměpisných délkách: METEOSAT (0 o ), GOES 8 (75 o z. d.), GOES 9 (135 o v. d.), GMS (140 o v. d.), INSAT (74 o v. d.), respektive GOMS (76 o z. d.) a FENGYUN (105 o z. d.). Družice na polárních drahách obíhají Zemi přibližně severojižním směrem ve výšce od 600 do 1250 km. V současnosti je těmito družicemi myšleny družice NOAA. Vedle nich je možné zahrnout např. družice METEOR nebo DMSP, ale vzhledem k nízké kvalitě dat družice METEOR, respektive nedostupnosti dat z DMSP většina vyspělých civilních meteorologických služeb využívá data z družic NOAA. Oba typy družic mají své výhody i nevýhody (různá frekvence snímání, prostorové rozlišení, velikost snímaného území atd.) Kombinací údajů z jejich dat je možné získat kvalitní informace o atmosféře. Oblastí využití meteorologických družic je veliké množství. Dnes jsou již nepostradatelnou součástí zdrojů dat v procesu přípravy předpovědí počasí. Klasické snímky meteorologům ukazují rozložení oblačnosti, z které je např. možné určovat polohu front a cyklon. V družicových snímcích je ale také obsažen soubor naměřených hodnot, z nichž lze sestavovat např. mapy teplot na hladině oceánu, mapy rozsahu zalednění, rozložení rychlosti větru nebo množství srážek. Význam družicových snímků narůstá v poslední době především v souvislosti s globálními změnami klimatu. Příkladem z této oblasti uvedeným v mé práci je mezinárodní program EOS (Earth Observing System). Meteorologické družice slouží nejen k získávání dat, ale i k jejich přenosu. Sbírají například data z automatických meteorologických stanic, umístěných v nedostupných oblastech (arktických, pouštních atd.). Tato data pak předávají do meteorologických center. Naopak jsou také využívány k předávání meteorologických informací do míst, která nemají dostačující meteorologické zázemí. Význam meteorologických družic je tedy nepopiratelný a s rozvíjející se technikou a dokonalejšími přístroji se bude jistě ještě zvětšovat. 31

32 10 Abstrakt V předkládané ročníkové práci z oblasti dálkového průzkumu Země byl popsán globální systém meteorologických družic i jednotlivé družice, jež jsou tohoto systému součástí, samostatně. Stručně bylo pojednáno o typech a dostupnosti digitálních a analogových dat, která jsou meteorologickými družicemi poskytována (s ohledem na význam pro Českou republiku byla tato část omezena na data družic METEOSAT a NOAA). Smyslem této práce bylo nejen podat přehled o počtu, názvech, vybavení a datech meteorologických družic, ale hlavně poukázat na jejich význam a využití, a to nejen při předpovědích počasí, ale i při mezinárodních projektech věnujících se například životnímu prostředí. 32

33 11 Citace URL 1: URL 2: URL 3: URL 4: history.html&a=612&b=2&c=610&d=600&e=0 URL 5: &a=621&b=2&c=620&d=600&e=0 URL 6: URL 7, URL 8: URL 9: URL 10: 33

34 12 Seznam literatury Kolář, J., Halounová, L., Pavelka, K. (2000): Dálkový průzkum země 10. Vydavatelství ČVUT, Praha, 164 s. Internetové zdroje: Masarykova univerzita v Brně virtuální knihovna o DPZ 34

35 13 Seznam zkratek AMSU - Advanced Microwave Sounding Unit APT - Automatic Picture Transmission AVHRR - Advanced Very High Resolution Radiometer CCD - Charge Coupled Device CDA - Command and Data Acquisition ČHMÚ Český hydrometeorologický ústav DCP - Data Collection Platform DCS - Data Collection Systém DMPS - Defense Meteorological Satellite Program DPZ dálkový průzkum Země EOS - Earth Observing System EPS -Energetic Particle Sensor ESA - European Space Agency (Evropská vesmírná agentura) EUMETSAT European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites GAC - Clobal Area Coverage GERB - Geostationary Earth Radiation Budget GMS - Geostationary Meteorogical Satellite GOMS - Geostationary Operational Meteorological Satellite HEPAD - High Energy Proton and Alpha Detektor HIRS - High Resolution Infrared Sounder HRI - High Resolution Imagery HRPT - High Resolution Picture Transmission IR - tepelné infračervené pásmo LAC - Local Area Coverage MCF - Master Control Facility MCP - Mission Communication Payload MEPED - Medium Energy Proton and Electron Detektor mil. milion MSG Meteosat Second Generation (Meteosat druhé generace) MVIRI - Meteosat Visible and InfraRed Imager MVISR - Multichannel Visible and IR Scan Radiometer NASA National Aeronautics And Space Administration 35

36 NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration PDUS - Primary Data User s Station SARSAT - Search and Rescue Satellite Transponder SBUV - Solar Bacscatter UV SDUS - Secondary Data User s Station SEMS - Space Environment Monitor System SEVIRI - Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager SSU - Stratosphere Sounding Unit TIROS - Television Infrared Observation Satellite TOVS - TIROS Operational Vertical Sounder TOMS - Total Ozone Mapping Spectrometer v. d. východní délka VHRR - Very High Resolution Radiometer VIS - viditelné pásmo VISSR - Single Imaging Visible and Infrared Spin Scan Radiometer WV - pásmo absorpce vodních par XRS - X-Ray Sensor z. d. západní délka 36