高度な超高解像度放射計

先進超高解像度放射計(AVHRR) は、今日の基準では比較的広い 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 機器は、アメリカ海洋大気庁(NOAA) の極軌道プラットフォーム ( POES ) ファミリーと欧州MetOp衛星に搭載されています。この機器は複数のチャネルをスキャンします。2 つは赤色 (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、3 つ目は 3.5 マイクロメートル付近、他の 2 つは惑星から放射される熱放射 (11 マイクロメートルと 12 マイクロメートル付近) です。^[1]

最初の AVHRR 計器は 4 チャンネルの放射計でした。最終バージョンの 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 チャンネルでデータを取得します。AVHRR の後継として、統合極衛星システム宇宙船 に搭載された可視赤外線画像放射計スイートが搭載されました。

NOAA は常時、少なくとも 2 つの極軌道気象衛星を軌道上に搭載しており、1 つの衛星は早朝と夕方に赤道を横切り、もう 1 つは午後と夕方遅くに赤道を横切ります。両方の衛星に搭載されている主要なセンサーは AVHRR 機器です。朝の衛星データは陸地研究に最もよく使用され、両方の衛星のデータは大気と海洋研究に使用されます。これらを合わせると、1 日 2 回地球全体をカバーし、地球のどの地域のデータも 6 時間以内の古いものになります。衛星が「見ることができる」地球表面の領域の幅である観測幅は、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) 上空を周回します。^[2]

現在の AVHRR 機器で得られる最高の地上解像度は、天底でピクセルあたり 1.1 キロメートル (0.68 マイル)です。

AVHRRのデータ（3つの進化形）は1981年以来継続的に収集されています。^[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。ただし、これらのセンサーは、地表、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、気候変動と環境劣化の研究に特に適しています。これらの調査に関連する主な困難は、特に初期の段階では、これらの機器の多くの制限 (センサーの較正、軌道ドリフト、スペクトルと方向のサンプリングの制限など) に適切に対処することです。

AVHRR 機器は、MetOpシリーズの衛星にも搭載されています。3 つのMetOp衛星は、 EUMETSATが運用する EUMETSAT 極システム (EPS) の一部であり、これは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、同じ場所に設置された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、放射伝達計算が行われます。AVHRR観測可能な輝度温度と近赤外線および赤外線チャネルの放射輝度をシミュレートできる特殊なコードがあります。^{[3] [4]}

打ち上げ前に、AVHRRセンサーの可視チャンネル（Ch. 1とCh. 2）は、機器メーカーであるITTの航空宇宙/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、線形回帰されます：^[2]

A = S * C + I

ここで、S と I は、それぞれ較正回帰の傾きと切片です [NOAA KLM]。ただし、打ち上げ前の高精度較正は、打ち上げ中および軌道への移動中、および機器の運用期間中に低下します [Molling 他、2010]。Halthore 他 [2008] は、センサーの劣化は主に熱サイクル、フィルターからのガス放出、高エネルギー放射線 (紫外線 (UV) など) による損傷、および敏感な表面へのガス放出ガスの凝縮によって引き起こされると指摘しています。

AVHRR 機器の主な設計上の制約の 1 つは、軌道上で正確なオンボード キャリブレーションを実行する能力がないことです [NOAA KLM]。したがって、取得された放射輝度と、これらの値から得られる後続の製品の精度を更新して保証するために、打ち上げ後の軌道上キャリブレーション作業 (代替キャリブレーション方法と呼ばれる) を実行する必要があります [Xiong 他、2010]。キャリブレーション係数を更新し、打ち上げ前のキャリブレーションを使用する場合よりも正確な取得を提供するための研究が数多く行われてきました。

Rao と Chen [1995] は、リビア砂漠を放射測定的に安定した較正ターゲットとして使用し、NOAA -7、-9、および -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き出しました。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の航空機フィールド キャンペーン [Smith ら、1988 を参照] では、上空の NOAA-9 衛星と一致する経路で高度約 18 km を飛行する U-2 航空機に搭載された十分に較正された分光計から NOAA-9 の絶対較正が転送されました。相対的な劣化を補正した後、NOAA-9 の絶対的な較正は、同様の視野形状および同じ暦月の日付に制限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]。

表面ターゲットを使用する別の同様の方法では、Loeb [1997] は、グリーンランドと南極の時空間的に均一な氷面を使用して、太陽の天頂角の関数として 2 次多項式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作成し、軌道上の他の AHVRR (NOAA-11、-12、および -14 など) の校正を導き出します。

Loeb [1997]とRaoとChen [1995]によって導出された較正係数の比率は太陽の天頂角に依存しないことが判明し、NOAA-9から導出された較正曲線は太陽の天頂角とグリーンランドと南極の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ます。

Iwabuchi [2003] は、NOAA-11 および -14 を較正する方法を採用しました。この方法では、北西太平洋の海域における晴天の海洋および層雲の反射率観測と、理論上の分子大気の放射伝達計算を使用して AVHRR Ch. 1 を較正します。海洋上の晴天観測を 1 か月使用して、較正勾配の初期最小推定値が算出されます。次に、反復法を使用して、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した勾配補正により、Ch. 1 の最適な勾配値を実現します。次に、較正が正しい場合、両方のチャネルの層雲の光学的厚さが同じ (可視光でスペクトル的に均一) であるという条件で、Ch. 2 が較正されます [Iwabuchi、2003]。

AVHRR のより現代的な較正方法では、 MODISの VIS/IR チャネルの軌道上較正機能を使用します。Vermote と Saleous [2006] は、MODIS を使用して不変の砂漠地帯の BRDF を特徴付ける方法論を提示しています。機器のチャネルに使用されるスペクトル バンドの違いにより、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方程式が導出されました。最後に、観測された AVHRR と MODIS 観測からモデル化された AVHRR の比率を使用してセンサーの劣化を判断し、それに応じて較正を調整します。

較正と記録の継続性を拡張する方法でも、同様の較正活動が利用されます[Heidinger et al., 2010]。

これまでの議論では、個々の AVHRR センサーを較正する方法や、数個の AVHRR センサーに限定した方法が提案されています。しかし、気候の観点からの大きな課題の 1 つは、3 世代の AVHRR 機器と、MODIS やVIIRSなどのより新しいセンサーの 30 年以上にわたる記録の連続性が必要であることです。公称 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ります [Cao 他、2008]。

Brest と Rossow [1992] および更新された方法論 [Brest 他、1997] は、個々のセンサーの較正監視と、すべてのセンサーを共通の標準に正規化する堅牢な方法を提示しました。国際衛星雲気候学プロジェクト (ISCCP) の方法は、雲の検出と、オゾン、レイリー散乱、および放射照度の季節変動の補正から始まり、表面反射率を生成します。次に、さまざまな表面タイプについて表面反射率の月次ヒストグラムが生成され、さまざまなヒストグラム制限が元のセンサー観測にフィルターとして適用され、最終的に集約されて、雲のない地球全体の表面反射率が生成されます。

フィルタリング後、地球全体のマップは、月平均 SURFACE マップ、2 つの隔週 SURFACE マップ、および平均 TOTAL 反射率マップに分割されます。月平均 SURFACE 反射率マップは、キャリブレーションの長期的傾向を検出するために使用されます。隔週 SURFACE マップは相互に比較され、キャリブレーションの短期的変化を検出するために使用されます。

最後に、TOTAL マップを使用して、処理方法の偏りを検出し、評価します。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 ヒストグラムも調べます。

長期記録の連続性は、2 つのセンサー間の正規化によって実現されます。まず、2 つのセンサーの運用期間の重複からの観測が処理されます。次に、2 つのグローバル SURFACE マップが散布図によって比較されます。さらに、軌道ドリフトによる太陽の天頂角の変化に対して観測が補正されます。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に対して正規化が実行されます [Brest 他、1997]。

AHVR​​R 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 機器は較正精度が高く、VIS/NIR スペクトル領域用のオンボード較正システム [MCST] を搭載しているため、自身の放射測定変化を追跡できます。次の方法は、MODIS の高精度を利用して、MODIS/AVHRR および AVHRR/AVHRR 衛星ペアの同時天底通過 (SNO) と、リビア砂漠のターゲットおよび南極の Dome-C の MODIS 特性表面反射率を介して AVHRR を絶対較正します [Heidinger 他、2010]。最終的には、利用可能な個々のキャリブレーション イベント (MODIS/AVHRR SNO、Dome C、リビア砂漠、または AVHRR/AVHRR SNO) が、特定の AVHRR センサーのキャリブレーション スロープの時系列を提供するために使用されます。Heidinger ら [2010] は、最小二乗近似からの 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、観測された MODIS シーンを、完全に較正された AVHRR が見るシーンに変換する放射伝達モデルを使用します。MODIS/AVHRR SNO の発生については、Ch1 と Ch2 の両方における AVHRR と MODIS の放射輝度の比率が、チャネル 17 と 18 における MODIS 反射率の電波の 2 次多項式によって適切にモデル化されることが決定されました。チャネル 17 と 18 は、大気中の水蒸気に敏感なスペクトル領域 (0.94 mm) 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 の比率を使用して、総降水量 (TPW) の正確な推測が得られ、MODIS から AVHRR SNO への較正の精度がさらに向上します。MODIS/AVHRR SNO が発生しない場合は、リビア砂漠と Dome-C の較正サイトが使用されます。ここで、AVHRR と MODIS の反射率の比率は、NCEP 再解析からの TWP の自然対数を使用して 3 次多項式としてモデル化されます。これら 2 つの方法を使用して、調整された MODIS 反射率と AVHRR カウントの原点を通る線形近似によって、月ごとの較正勾配が生成されます。

MODIS 基準を MODIS 時代 (2000 年以前) 以前の AVHRR まで拡張するために、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。次に、特定の太陽天頂角での AVHRR 観測のカウントと、TWP に対して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る場合の AVHRR 値を決定します。次に、キャリブレーション スロープを計算します。

Heidinger ら [2010] が MODIS の較正を MODIS 時代以外で運用されていた AVHRR にまで拡張するために使用した最後の方法は、直接 AVHRR/AVHRR SNO を使用することです。ここでは、AVHRR からのカウントがプロットされ、原点を通る回帰が計算されます。この回帰は、1 つの AVHRR 反射率の正確な較正を較正されていない AVHRR のカウントに転送し、適切な較正傾斜を生成するために使用されます。これらの AVHRR/AVHRR SNO 自体は絶対較正ポイントを提供しません。むしろ、最終的な MODIS 較正を転送するために使用できる AVHRR 間の相対較正のアンカーとして機能します。

NASAのTerraとAquaに搭載されたMODIS ^[5]センサーの運用経験が、AVHRRの後継機であるVIIRSの開発につながった。^{[6] VIIRSは現在、} Suomi NPPとNOAA-20衛星に搭載されて運用されている。^[7]一方、 AVHRR機器を搭載したEUMETSAT MetOp衛星は、European MetImage機器を搭載したMetOp-SG衛星に引き継がれる予定である。 ^[8]

• 海水温

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• AVHRR とは? National Atlas
• NOAAの先進的超高解像度放射計
• USGSの先進的超高解像度放射計
• [1] NASAで
• [2] NASAで