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高度高分解能放射計( AVHRR ) は、今日の基準からすると比較的広い 5 つのスペクトル帯域で地球の反射率を測定する宇宙搭載センサーです。AVHRR は、米国海洋大気庁(NOAA) の極軌道プラットフォーム ( POES ) および欧州のMetOp衛星に搭載されています (または搭載されていました)。この機器はいくつかのチャンネルをスキャンします。2 つのチャンネルは赤色 (0.6 マイクロメートル) と近赤外線(0.9マイクロメートル) の領域を中心としており、3 番目のチャンネルは 3.5マイクロメートル付近に位置し、他の 2 つのチャンネルは惑星から放出される熱放射で、11 マイクロメートルと 12 マイクロメートル付近に 位置しています。[ 1 ]
最初のAVHRR機器は4チャンネル放射計でした。最終バージョンであるAVHRR/3は、1998年5月に打ち上げられたNOAA-15に初めて搭載され、6チャンネルのデータを取得します。AVHRRの後継機は、合同極軌道衛星システム（ JPS）に搭載された可視赤外線撮像放射計スイート（VIIRRS）です。
2025年以前、NOAAは常に少なくとも2つの極軌道気象衛星を軌道上に保有しており、1つの衛星は早朝と夕方に赤道を通過し、もう1つの衛星は午後と夜遅くに赤道を通過していました。両方の衛星に搭載されている主要なセンサーはAVHRR機器でした。朝の衛星データは主に陸域の研究に使用され、両方の衛星からのデータは大気と海洋の研究に使用されました。これら2つを合わせると、1日に2回地球全体をカバーし、地球上のどの地域のデータも6時間以内のものであることが保証されました。スワス幅、つまり衛星が「見る」ことができる地球表面の領域の幅は、約2,500キロメートル（約1,540 マイル）です。衛星は地球表面から833キロメートルまたは870キロメートル（±19キロメートル、516～541マイル）の高度を周回しています。[ 2 ]
現在のAVHRR機器で得られる最高の地上解像度は、天底で1ピクセルあたり1.1キロメートル（0.68マイル）です。
AVHRR（3つの進化形を含む）からのデータは1981年以来継続的に収集されている。[ 2 ]
これらの機器の主な目的は、雲を監視し、地球の熱放射を測定することです。しかし、これらのセンサーは、地表面、海洋の状態、エアロゾルなどの監視を含む、他の多くの用途にも役立つことが証明されています。AVHRR データは、すでに蓄積された比較的長いデータ記録 (20 年以上) があるため、気候変動や環境劣化の研究に特に関連しています。これらの調査に関連する主な困難は、これらの機器の多くの制限、特に初期段階 (センサーの校正、軌道ドリフト、限られたスペクトルおよび方向サンプリングなど) に適切に対処することです。一方、JPSS に搭載された後継の VIIRS 機器とMetOp-SG衛星の METimage には、機上校正メカニズムがあります。
AVHRR機器はMetOpシリーズの衛星にも搭載されており、2025年現在、これらが唯一残っているAVHRR機器です。Metop-BおよびMetOp- C衛星は、 EUMETSATが運用するEUMETSAT極軌道システム（EPS）の一部であり、 MetOp-SGに引き継がれる予定です。
AVHRRセンサーのリモートセンシングアプリケーションは、同一地点での地上観測と衛星観測の検証（マッチアップ）技術に基づいています。あるいは、放射伝達計算が実行されます。近赤外線および赤外線チャネルにおけるAVHRRの観測可能な輝度温度と放射輝度をシミュレーションできる専用コードがあります。 [ 3 ] [ 4 ]
打ち上げ前に、AVHRRセンサーの可視チャンネル（Ch. 1および2）は、機器メーカーであるITT航空宇宙/通信部門によって校正され、NIST標準にトレーサブルです。センサーの電子デジタルカウント応答（C）と校正ターゲットのアルベド（A）の間の校正関係は、線形回帰によって求められます。[ 2 ]
ここで、SとIは、校正回帰の傾きと切片（それぞれ）である[NOAA KLM]。しかし、打ち上げ前の高精度校正は、打ち上げ中、軌道への遷移中、および機器の運用期間中に劣化する[Molling et al., 2010]。Halthore et al. [2008]は、センサーの劣化は主に、熱サイクル、フィルター内のガス放出、高エネルギー放射線（紫外線（UV）など）による損傷、およびガス放出ガスが敏感な表面に凝縮することによって引き起こされると指摘している。
AVHRR機器の主要な設計上の制約の1つは、軌道上で正確な機上校正を実行する能力がないことです[NOAA KLM]。そのため、取得された放射輝度と、これらの値から派生する後続の製品の精度を更新および保証するために、打ち上げ後の軌道上校正活動（代理校正方法として知られています）を実行する必要があります[Xiong et al., 2010]。打ち上げ前の校正を使用する場合と比較して、校正係数を更新してより正確な取得を提供するために、数多くの研究が行われてきました。
RaoとChen[1995]は、リビア砂漠を放射測定的に安定した校正ターゲットとして使用し、NOAA-7、-9、-11衛星に搭載されたAVHRRセンサーのチャンネル1と2の相対的な年間劣化率を導出した。さらに、米国ニューメキシコ州のホワイトサンズ砂漠上空での航空機フィールドキャンペーン[Smithら、1988を参照]により、NOAA-9衛星の上空を約18kmの高度で飛行するU-2航空機に搭載された十分に校正された分光計から、 NOAA-9の絶対校正が転送された。相対的な劣化を補正した後、NOAA-9 の絶対較正は、同じ暦月の同様の観測ジオメトリと日付に限定されたリビア砂漠の観測を使用した線形関係を介して NOAA-7 および -11 に渡され [Rao and Chen, 1995]、記録されたアルベドとデジタルカウント信号の間の傾き (打ち上げ後の日数の関数として) を調整することによって、センサーの劣化が補正されます [Rao and Chen, 1999]。
別の同様の表面ターゲットを使用する方法では、Loeb [1997] は、グリーンランドと南極の時空間的に均一な氷の表面を使用して、太陽天頂角の関数として2次多項式の反射率校正曲線を作成します。校正されたNOAA-9の天底付近の反射率を使用して曲線を生成し、その後、軌道上の他のAHVRR（例えばNOAA-11、-12、および-14）の校正を導出できます。
Loeb [1997] と Rao および Chen [1995] によって導出された較正係数の比率は太陽天頂角に依存しないことがわかった。これは、NOAA-9 から導出された較正曲線が、太陽天頂角とグリーンランドおよび南極上空で観測された反射率との間の正確な関係を提供することを示唆している。
岩渕[2003]は、北西太平洋の領域における晴天時の海洋および層雲の反射率観測と、理論的な分子大気の放射伝達計算を用いてAVHRRチャンネル1を較正する手法をNOAA-11および-14の較正に採用した。海洋上の1か月間の晴天観測を用いて、較正勾配の初期最小推定値を作成する。次に、反復法を用いて、海洋反射率、水蒸気、オゾン、およびノイズの不確実性を調整する勾配補正を用いて、チャンネル1の最適な勾配値を取得する。その後、較正が正しい場合、両チャンネルの層雲光学的厚さが同じ（可視光でスペクトル的に均一）でなければならないという条件の下で、チャンネル2を較正する[岩渕、2003]。
AVHRRのより現代的な較正方法としては、 MODISのVIS/IRチャンネルの軌道上較正機能を利用する方法がある。VermoteとSaleous[2006]は、MODISを用いて不変の砂漠サイトのBRDFを特徴付ける手法を提示している。機器のチャンネルに使用されるスペクトルバンドの違いから、これらの違いを考慮した較正を正確に転送するためのスペクトル変換式が導出された。最後に、観測されたAVHRRとMODIS観測からモデル化されたAVHRRの比率を用いてセンサーの劣化を判定し、それに応じて較正を調整する。
校正と記録の連続性を拡張する方法も、同様の校正活動を利用する[Heidinger et al., 2010]。
これまでの議論では、個々のAVHRRセンサーを較正できる方法や、少数のAVHRRセンサーに限定された方法が提案されてきた。しかし、気候の観点からの大きな課題は、3世代にわたるAVHRR機器の30年以上にわたる記録の連続性、およびMODISやVIIRSなどのより現代的なセンサーの記録の連続性が必要であることである。名目上のAVHRR較正、さらには更新された較正にも、複数の衛星から構築された長期放射輝度記録に不連続性を引き起こすいくつかのアーティファクトが存在する可能性がある[Cao et al., 2008]。
BrestとRossow[1992]、および更新された方法論[Brestら、1997]は、個々のセンサーの校正監視とすべてのセンサーを共通の標準に正規化するための堅牢な方法を提示した。国際衛星雲気候学プロジェクト（ISCCP）の方法では、まず雲を検出し、オゾン、レイリー散乱、および放射照度の季節変動を補正して、地表面反射率を生成する。次に、さまざまな地表面タイプについて月ごとの地表面反射率のヒストグラムを作成し、さまざまなヒストグラムの制限をフィルターとして元のセンサー観測に適用し、最終的に集約して、雲のない地球全体の地表面反射率を生成する。
フィルタリング後、グローバルマップは月平均表面反射率マップ、2週間ごとの表面反射率マップ2枚、および平均全反射率マップに分割されます。月平均表面反射率マップは、キャリブレーションの長期的な傾向を検出するために使用されます。2週間ごとの表面反射率マップは相互に比較され、キャリブレーションの短期的な変化を検出するために使用されます。
最後に、TOTALマップは処理方法におけるバイアスを検出および評価するために使用されます。モード反射率と人口の変化はキャリブレーションの変化の結果である可能性が高いため、ターゲットヒストグラムも調査されます。
2 つのセンサー間の正規化により、長期にわたる記録の連続性が実現されます。まず、2 つのセンサーの運用期間が重なる観測データが処理されます。次に、散布図を使用して 2 つの全球 SURFACE マップが比較されます。さらに、軌道ドリフトによって生じる太陽天頂角の変化について観測データが補正されます。最終的に、較正における全体的な長期ドリフトを決定するために直線が当てはめられ、センサーのドリフトが補正された後、同じ運用期間中に発生した観測データに対して正規化が実行されます [Brest et al., 1997]。
AHVRR 記録の絶対較正のための最近の別の方法は、NASA の TERRA および AQUA 衛星に搭載されている最新のMODISセンサーを利用するものです。MODIS 機器は高い較正精度を持ち、VIS/NIR スペクトル領域用のオンボード較正システム [MCST] が含まれているため、放射測定の変化を追跡できます。次の方法は、MODIS の高い精度を利用して、MODIS/AVHRR および AVHRR/AVHRR 衛星ペアの同時天底通過 (SNO) と、リビア砂漠ターゲットおよび南極のドーム C の MODIS で特性化された表面反射率を介して AVHRR を絶対較正します [Heidinger et al., 2010]。最終的に、利用可能な個々の較正イベント（MODIS/AVHRR SNO、ドームC、リビア砂漠、またはAVHRR/AVHRR SNO）は、特定のAVHRRセンサーの較正勾配時系列を提供するために使用されます。Heidingerら[2010]は、最小二乗法による2次多項式を使用して時系列を決定します。
最初のステップでは、放射伝達モデルを使用して、観測された MODIS シーンを、完全に較正された AVHRR が見るであろうシーンに変換します。MODIS/AVHRR SNO の発生については、Ch1 と Ch2 の両方で AVHRR と MODIS の放射輝度の比が、チャンネル 17 と 18 の MODIS 反射率の放射輝度の 2 次多項式でよくモデル化できることがわかりました。チャンネル 17 と 18 は、大気中の水蒸気に敏感なスペクトル領域 (0.94mm) に位置しており、この量は AVHRR Ch. 2 の正確な較正に影響します。Ch17 と Ch 18 の比を使用して、総可降水量 (TPW) の正確な推定値を取得し、MODIS から AVHRR SNO への較正の精度をさらに向上させます。MODIS/AVHRR SNO が発生しない場合は、リビア砂漠とドーム C 較正サイトが使用されます。ここでは、AVHRRとMODISの反射率比を、NCEP再解析データから得られたTWPの自然対数を用いて3次多項式としてモデル化します。これらの2つの方法を用いて、調整済みMODIS反射率とAVHRRカウントの原点を通る線形近似によって、月ごとの較正勾配を生成します。
MODIS 時代以前 (2000 年以前) の AVHRR の MODIS 参照を拡張するために、Heidinger ら [2010] は、南極のドーム C とリビア砂漠の安定した地球ターゲットを使用しています。ターゲット上の MODIS 平均天底反射率が決定され、太陽天頂角に対してプロットされます。特定の太陽天頂角での AVHRR 観測のカウントと、TWP で補正された対応する MODIS 反射率を使用して、MODIS キャリブレーションがあった場合に AVHRR の値がどうなるかを決定します。これでキャリブレーションの傾きが計算されます。
Heidingerら[2010]がMODISキャリブレーションをMODIS時代以前に運用されていたAVHRRにまで拡張するために用いた最後の方法は、AVHRR/AVHRR SNOを直接用いる方法です。この方法では、AVHRRのカウントをプロットし、原点を通る回帰を計算します。この回帰を用いて、あるAVHRRの反射率の正確なキャリブレーションを、キャリブレーションされていないAVHRRのカウントに転送し、適切なキャリブレーション勾配を生成します。これらのAVHRR/AVHRR SNO自体は絶対的なキャリブレーションポイントを提供するものではなく、むしろ、最終的なMODISキャリブレーションを転送するために使用できるAVHRR間の相対的なキャリブレーションの基準点として機能します。
NASAのTerraとAquaに搭載されたMODIS [ 5 ]センサーの運用経験から、AVHRRの後継機であるVIIRSが開発されました。[ 6 ] VIIRSは現在、 Suomi NPPとNOAA-20衛星に搭載されて運用されています。[ 7 ]一方、 AVHRR機器を搭載したEUMETSAT MetOp衛星は、欧州のMetImage機器を搭載したMetOp-SG衛星に置き換えられる予定です。 [ 8 ]