Il dataset di temperatura satellitare UAH, sviluppato all’Università dell’Alabama a Huntsville, ricava la temperatura di vari strati atmosferici tramite misurazioni satellitari della radianza dell’ossigeno nella banda delle microonde, utilizzando le misurazioni di temperatura della Microwave Sounding Unit. È stato il primo set di dati di temperatura globale sviluppato a partire da informazioni satellitari ed è stato utilizzato come strumento di ricerca sui cambiamenti di temperatura della superficie e dell’atmosfera. Il set di dati è pubblicato da John Christy et al. e in precedenza insieme a Roy Spencer.
Misurazioni della temperatura da satellite
I satelliti non misurano direttamente la temperatura. Misurano le radiazioni in varie bande di lunghezza d’onda, dalle quali la temperatura può essere dedotta. I profili di temperatura risultanti dipendono dalle modalità utilizzate per ottenere le temperature dalle radiazioni. Di conseguenza, diversi gruppi che hanno analizzato i dati satellitari hanno ottenuto diversi dati di temperatura (vedi misurazioni di temperatura delle Microwave Sounding Unit). Tra questi gruppi ci sono Remote Sensing Systems (RSS) e l’Università dell’Alabama a Huntsville (UAH). La serie di satelliti non è completamente omogenea – è composta da una serie di satelliti a partire dal TIROS-N del 1978, dove diversi satelliti avevano una strumentazione simile ma non identica. I sensori si deteriorano nel tempo e sono necessarie correzioni per la deriva del satellite e il decadimento orbitale. Differenze particolarmente grandi tra le serie di temperatura ricostruite si verificano nei pochi momenti in cui c’è poca sovrapposizione temporale tra i satelliti successivi, rendendo difficile l’intercalibrazione.
Descrizione dei dati
Il set di dati UAH è prodotto da uno dei gruppi che ricostruiscono la temperatura dalla radianza.
UAH fornisce dati su tre ampi livelli dell’atmosfera.
La bassa troposfera – TLT (originariamente chiamata T2LT).
La troposfera media – TMT
La stratosfera inferiore – TLS
I dati sono forniti come anomalie di temperatura rispetto alla media stagionale su un periodo di base passato, così come in valori assoluti di temperatura. Il periodo di riferimento per le anomalie di temperatura pubblicate è stato cambiato nel gennaio 2021 dal 1981-2010 al 1991-2020.
Tutti i prodotti di dati possono essere scaricati dal server UAH.http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/
Riassunto delle tendenze recenti
Per confrontare la tendenza del registro delle temperature di superficie (+0,161±0,033 °C/decennio dal 1979 al 2012 secondo il NASA GISS) è più appropriato ricavare le tendenze per la parte dell’atmosfera più vicina alla superficie, cioè la troposfera inferiore. Facendo questo, fino a dicembre 2019, la tendenza lineare della temperatura UAH 1979-2019 mostra un riscaldamento di +0,13 °C/decennio.
Per confronto, un altro gruppo, Remote Sensing Systems (RSS) https://en.wikipedia.org/wiki/Remote_Sensing_Systems, analizza anche i dati MSU. Dai loro dati: il trend lineare della temperatura RSS mostra un riscaldamento di +0,208 °C/decennio.
Copertura geografica
I dati sono disponibili come media globale, emisferica, zonale e a griglia. La media globale copre il 97-98% della superficie terrestre, escludendo solo le latitudini sopra i +85 gradi, sotto i -85 gradi e, nei casi di TLT e TMT, alcune aree che superano i 1500 m di altitudine. Le medie emisferiche riguardano gli emisferi nord e sud da 0 a +/-85 gradi. I dati a griglia forniscono una mappa di temperatura quasi globale.http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/docs/readme.msu
Copertura temporale
Sono disponibili dati giornalieri globali, emisferici e zonali. Le medie mensili sono disponibili in formato griglia così come per emisfero e a livello globale. Ogni serie ha dati fino a dicembre 1978.
Confronto con altri dati e modelli
Nel confrontare queste misurazioni con i modelli di temperatura di superficie, è importante notare che i valori delle misurazioni della bassa troposfera prese dall’MSU sono una media ponderata delle temperature su più altitudini (approssimativamente da 0 a 12 km), e non una temperatura di superficie (vedi figura nell’articolo sulle misurazioni di temperatura della Microwave Sounding Unit)https://en.wikipedia.org/wiki/Microwave_Sounding_Unit_temperature_measurements#Analysis_technique. I risultati non sono quindi esattamente paragonabili alle registrazioni di temperatura di superficie o ai modelli.
I risultati pubblicati da UAH prima del 1998 non mostravano alcun riscaldamento dell’atmosfera. In un articolo del 1998, Wentz e Schabel hanno dimostrato che questo (insieme ad altre discrepanze) era dovuto al decadimento orbitale dei satelliti NOAA. Con questi errori corretti, i dati UAH hanno mostrato un aumento di 0,07 °C/decennio nella temperatura della troposfera inferiore.
Alcune discrepanze tra le misurazioni di temperatura UAH e le temperature misurate da altri gruppi di ricerca rimangono, con (a partire dal 2019) il trend della temperatura della troposfera inferiore dal 1979-2019 calcolato come +0,13 °C/decade da UAH, e calcolato a +0,208 °C/decade da RSS.Una discussione più dettagliata può essere trovata nella sezione Confronto con le tendenze della temperatura della superficie nell’ articolo sulle misurazioni della temperatura della Microwave Sounding Unit. Comparison with surface trends Microwave Sounding Unit temperature measurements
Correzioni apportate
La tabella qui sotto riassume le correzioni che sono state applicate al set di dati UAH TLT. La ‘correzione della tendenza’ si riferisce al cambiamento della tendenza della temperatura decadale media globale in gradi Celsius/decennio come risultato della correzione.
- “UAH adjustment”. Retrieved January 15, 2011.
- ^ “CCSP sap 1.1” (PDF). Archived from the original (PDF) on December 24, 2010. Retrieved January 15, 2011.
https://en.wikipedia.org/wiki/UAH_satellite_temperature_dataset#cite_note-uah-12
NOAA-11 ha giocato un ruolo significativo in uno studio del 2005 di Mears et al. identificando un errore nella correzione diurna che porta al salto del 40% nella tendenza di Spencer e Christy dalla versione 5.1 alla 5.2.
Christy et al. hanno affermato in un articolo del 2007 che le tendenze della temperatura tropicale ottenute dalle radiosonde corrispondono più strettamente al loro dataset UAH-TLT v5.2 che a quello RSS v2.1.
Gran parte della differenza, almeno nella tendenza decadale media globale della bassa troposfera tra UAH e RSS, è stata rimossa con il rilascio della versione 3.3 di RSS nel gennaio 2011, momento in cui RSS e UAH TLT si trovavano entro 0,003 K/decennio l’uno dall’altro. Rimanevano però differenze significative nelle tendenze decadali della media troposfera (TMT). Tuttavia, nel giugno 2017 RSS ha rilasciato la versione 4 che ha aumentato significativamente la tendenza da 0,136 a 0,184 K/decennio aumentando nuovamente la differenza.
Una versione beta della 6.0 del dataset è stata rilasciata il 28 aprile 2015 via blog post. Questo dataset ha una risoluzione spaziale più alta e utilizza nuovi metodi per la media dei punti griglia.
Riferimenti
- National Research Council (U.S.). Committee on Earth Studies (2000). “Atmospheric Soundings”. Issues in the Integration of Research and Operational Satellite Systems for Climate Research: Part I. Science and Design. Washington, D.C.: National Academy Press. pp. 17–24. ISBN 0-309-51527-0.
- ^ Uddstrom, Michael J. (1988). “Retrieval of Atmospheric Profiles from Satellite Radiance Data by Typical Shape Function Maximum a Posteriori Simultaneous Retrieval Estimators”. Journal of Applied Meteorology. 27 (5): 515–549. Bibcode:1988JApMe..27..515U. doi:10.1175/1520-0450(1988)027<0515:ROAPFS>2.0.CO;2.
- ^ Jump up to:a b “INFORMATION CONCERNING THE MSU DATA FILES”. Retrieved February 28, 2011.
- ^ Dr Roy Spencer. “UAH Global Temperature Update for January 2021: +0.12 deg. C (new base period)”.
- ^ “UAH MSU Data”.
- ^ “IPCC AR5 WG1 Chapter 2: Observations Atmosphere and Surface” (PDF). ipcc.ch. Intergovernmental Panel on Climate Change. 2013. p. 193. Retrieved February 3, 2017.
- ^ Jump up to:a b Spencer, Roy W. (January 3, 2020). “UAH Global Temperature Update for December 2019: +0.56 deg. C”. www.drroyspencer.com. Retrieved January 11, 2017.
- ^ Jump up to:a b “UAH v6.0 TLT” (trend data at bottom of file). nsstc.uah.edu. The National Space Science & Technology Center. Retrieved February 3, 2017.
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- ^ Mears, Carl A.; Wentz, Frank J. (2005). “The Effect of Diurnal Correction on Satellite-Derived Lower Tropospheric Temperature”. Science. 309 (5740): 1548–1551. Bibcode:2005Sci…309.1548M. doi:10.1126/science.1114772. PMID 16141071.
- ^ Christy, J. R.; Norris, W. B.; Spencer, R. W.; Hnilo, J. J. (2007). “Tropospheric temperature change since 1979 from tropical radiosonde and satellite measurements”. Journal of Geophysical Research. 112: D06102. Bibcode:2007JGRD..11206102C. doi:10.1029/2005JD006881.
I satelliti alle microonde: quadro storico
Il primo satellite meteorologico risale al primo aprile 1960 e fu messo in orbita dagli Stati Uniti d’America: chiamato Television and Infra-Red Observation Satellite (Tiros-1) era attrezzato con una semplice strumentazione costituita da due telecamere per la ripresa di immagini nel visibile che inviarono per la prima volta delle immagini della Terra vista dallo spazio. Il suo successore, TIROS-2, lanciato nel novembre 1960, fu equipaggiato con un prototipo di radiometro
all’infrarosso per l’osservazione notturna e la stima del tasso d’umidità atmosferica. Con il satellite Tiros-8 nel 1963, le immagini vengono trasmesse in tempo reale e le informazioni poterono essere ritrasmesse più rapidamente ai servizi meteorologici. La radiometria alle microonde spaziale nasce con il lancio della sonda Marinar 2 verso Venere nel 1962 (Barath et al., 1964). È necessario però attendere il Cosmos 243 e il successivo Cosmos 348 rispettivamente nel 1968 e del 1970 per avere le prime osservazioni alle microonde della Terra: i due satelliti sono infatti equipaggiati per misurare quattro frequenze comprese tra 3.5 e 37 GHz per la stima del contenuto di vapor d’acqua nell’atmosfera, della temperatura superficiale e della copertura di neve e ghiaccio (Basharinov et al., 1969). Gli anni ‘70 vedono gli Stati Uniti inviare numerosi radiometri per coprire l’intervallo di frequenze (3÷60) GHz: radiometri imbarcati sui satelliti Nimbus della National Aeronautics and Space Administration (NASA), a partire dal Nimbus-5 equipaggiato con il radiometro Electrically Scanning Microwave Radiometer (ESMR-5) nel 1972. Il radiometro ESMR-5 mostrò l’utilità delle frequenze alle microonde (19.35 GHz) per misurare l’emissione di celle precipitanti su sfondo marino a debole emissività (Wilheit ed al., 1977). Sullo stesso satellite venne installato anche il primo radiometro per il sondaggio di temperatura Nimbus-E Microwave Spectrometer (NEMS) per misurare l’emissione dell’ossigeno su tre frequenze intorno a 60 GHz (Staelin ed al., 1973). A partire dal successo dei sensori Microwave Sounding Unit (MSU, primo lancio nel 1978) a bordo prima dei satelliti meteorologici della serie TIROS e poi dei satelliti National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), diviene possibile ricavare i profili verticali di umidità e temperatura, utilizzando le frequenze centrate a 50.3, 53.74, 54.96 e 57.95 GHz sensibili alle temperature atmosferiche che vanno dalla superficie terrestre fino alla bassa stratosfera. A partire dal 1987 il radiometro Special Sensor Microwave imager (SSM/I) a bordo del satellite militare Defense Military Satellite Program (DMSP F8) permette di stimare anche il tasso di precipitazione su terra e su mare, la velocità del vento su mare, il tipo di ghiaccio e l’umidità su terra. Questo strumento ha svolto (e svolge tuttora) un ruolo chiave nello studio delle dinamiche atmosferiche e climatologiche. Sempre a bordo dei satelliti DMSP esiste anche una serie di radiometri per il sondaggio: si tratta degli Special Sensor Microwave Temperature (SSM/T) in attività dal 1979 e degli Special Sensor Microwave Imager/Sounder (SSMIS) in attività dal 1987. Infine, a partire dal 1998 la generazione dei sensori MSU viene sostituita dalla più avanzata generazione di sensori a 20 canali Advanced Microwave Sounding Unit/Microwave Humidity Sounder (AMSU/MHS), installati a bordo dei satelliti NOAA.
Descrizione dei dati
Il set di dati UAH è prodotto da uno dei gruppi che ricostruiscono la temperatura dalla radianza.
UAH fornisce dati su tre ampi livelli dell’atmosfera.
La bassa troposfera – TLT (originariamente chiamata T2LT).
La troposfera media – TMT
La stratosfera inferiore – TLS
I dati vengono forniti come anomalie di temperatura rispetto alla media stagionale su un periodo di base passato, così come in valori assoluti di temperatura. Tutti i dati elaborati possono essere scaricati dal server UAH http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/
LA RADIANZA RAPPRESENTA LA GRANDEZZA FONDAMENTALE NEL TELERILEVAMENTO ED È MOLTO UTILE PER QUANTIFICARE LA LUCE RIFLESSA DA UN OGGETTO CHE VIENE RICEVUTA DA UN SENSORE RIVOLTO VERSO DI ESSA. QUESTA QUANTITÀ FISICA È LEGATA SIA ALLA GEOMETRIA DELL’OSSERVAZIONE, SIA ALLE CARATTERISTICHE DEL SENSORE E PERMETTE DI DESCRIVERE COME LA RADIAZIONE SI DISTRIBUISCE NELLO SPAZIO.
LA RADIANZA È DEFINITA DALLA SEGUENTE RELAZIONE:
DOVE:
L È LA RADIANZA (W·M-2·SR-1);
Φ È LA POTENZA (W);
Θ È L’ANGOLO COMPRESO TRA LA NORMALE ALLA SUPERFICIE E LA DIREZIONE SPECIFICATA;
A È LA SUPERFICIE EMITTENTE (M2);
Ω È L’ANGOLO SOLIDO (SR).
QUANDO LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA COLPISCE UNA SUPERFICIE QUALSIASI SONO POSSIBILI TRE MECCANISMI DI INTERAZIONE: RIFLESSIONE, ASSORBIMENTO, TRASMISSIONE. UNA PARTE DEL FLUSSO RADIANTE INCIDENTE ΦI VIENE RIFLESSA ΦR, UNA PARTE VIENE ASSORBITA ΦA, E LA RESTANTE VIENE TRASMESSA ΦT.
PER IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA SI AVRÀ QUINDI: ΦI = ΦR + ΦA + ΦT.
SI DEFINISCONO I TRE COEFFICIENTI SEGUENTI:
– COEFFICIENTE DI RIFLESSIONE O RIFLETTIVITÀ, Ρ = ΦR/ΦI
– COEFFICIENTE DI ASSORBIMENTO O ASSORBIVITÀ, Α = ΦA/ΦI
– COEFFICIENTE DI TRASMISSIONE O TRASMISSIVITÀ, Τ= ΦT/ΦI
I VALORI CHE TALI COEFFICIENTI POSSONO ASSUMERE DIPENDONO DALLA LUNGHEZZA D’ONDA, DAL MATERIALE E DALLA RUGOSITÀ DELLA SUPERFICIE RADIANTE. RISCRIVENDO IL PRINCIPIO DELLA CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA CON I COEFFICIENTI ADIMENSIONALI DI CUI SOPRA, SI HA: Ρ + Α + Τ = 1.
OGNI OGGETTO È CARATTERIZZATO DA UNA PROPRIA CAPACITÀ DI RIFLESSIONE, ASSORBIMENTO E TRASMISSIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE. TUTTAVIA, LA GRAN PARTE DELLE SUPERFICI RISULTA OPACA O CARATTERIZZATA DA VALORI DI TRASMISSIVITÀ Τ PRESSOCHÉ TRASCURABILI.
PER UN CORPO OPACO SI HA: Ρ + Α = 1.
CONSIDERANDO CHE UN CORPO CON UN’ALTA ASSORBIVITÀ AVRÀ ANCHE UN’ALTA EMISSIVITÀ (LEGGE DI KIRCHHOFF Α = Ε), LA RELAZIONE PRECEDENTE PUÒ ESSERE RISCRITTA COSÌ: Ρ + Ε = 1.
PER LE SUPERFICI REALI, POICHÈ HANNO UNA FORTE DIPENDENZA DALLA LUNGHEZZA D’ONDA CONSIDERATA, L’EQUAZIONE DIVENTA: ΡΛ + ΕΛ = 1.
IN DEFINITIVA, POSSIAMO AFFERMARE CHE IL FLUSSO RADIANTE PROVENIENTE DA UNA QUALSIASI SUPERFICIE SARÀ DATO PRINCIPALMENTE DAL CONTRIBUTO DELL’ENERGIA RIFLESSA ED EMESSA.
Il telerilevamento passivo alle microonde
Per microonde si intende la regione dello spettro elettromagnetico compresa tra 1 GHz e 300 GHz, corrispondenti rispettivamente a lunghezze d’onde di 30 cm e di 1 mm. In linea di principio questa porzione dello spettro elettromagnetico ha nell’atmosfera terrestre, a differenza del visibile, una diffusione trascurabile, se si eccettua quella prodotta dalla precipitazione e, a differenza dell’infrarosso, non è quasi mai sensibile alla presenza di cirri e soltanto moderatamente sensibile alla presenza di strutture nuvolose più spesse quando a questo non sia associata della precipitazione (Petty, 1990). Queste caratteristiche rendono le microonde particolarmente indicate per specifiche applicazioni nel telerilevamento, fra le quali è opportuno citare, per le applicazioni meteorologiche la stima di
precipitazioni e la stima dei profili verticali di umidità e temperatura in condizioni di cielo non chiaro, per l’idrologia la stima dell’umidità del suolo e per l’oceanografia la stima dei venti, delle correnti superficiali, del ghiaccio e degli inquinanti del mare. Un radiometro passivo alle microonde misura l’energia, nella relativa porzione dello spettro
elettromagnetico, emessa naturalmente nel suo campo di vista istantaneo (instantaneous field-ofview – IFOV) sia dalla superficie terrestre che dall’atmosfera. Così come accade per l’infrarosso, anche per il telerilevamento alle microonde si sfrutta il fatto che qualsiasi corpo emette energia in questo intervallo dello spettro, ma a differenza dell’infrarosso, l’energia emessa nelle MW è generalmente più bassa. Il grande vantaggio del telerilevamento alle microonde rispetto a quello infrarosso è da ricercarsi nel fatto che le idrometeore che costituiscono le nubi hanno generalmente dimensioni comparabili con le lunghezze d’onda infrarosse, portando quindi la radiazione IR rapidamente all’estinzione per fenomeni di scattering. Ciò comporta che in presenza di campi nuvolosi il telerilevamento IR sia in grado di osservare solamente gli strati superiori della nube senza poter osservare gli strati sottostanti mentre le MW consentono di osservare anche le zone sottostanti la nube, giungendo fino alla superficie terrestre, almeno finché alle nubi non sia
associata alcuna precipitazione. Questa è la caratteristica più importante che rende il telerilevamento alle microonde uno strumento molto utile per l’analisi meteorologica in condizione di cielo non chiaro.
Rispetto all’infrarosso però, le immagini telerilevate alle microonde hanno lo svantaggio di avere una bassa risoluzione spaziale 1, definita dal relativo IFOV, questo perché il campo di vista di un radiometro è direttamente proporzionale alla lunghezza d’onda osservata λ, all’altitudine del satellite H ed inversamente proporzionale al diametro dell’antenna d:
Per via della dipendenza della risoluzione spaziale dalla lunghezza d’onda, e visto che generalmente un satellite utilizza una sola antenna per diverse frequenze, le risoluzioni variano in funzione della frequenza osservata e sono generalmente dell’ordine di qualche decina di chilometri contro i 3 km dell’infrarosso e 1 km del visibile raggiunti dal sensore Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI) a bordo del Meteosat Second Generation (MSG). Questa è la causa che finora ha impedito l’installazione di radiometri alle microonde sui satelliti geostazionari relegando questi strumenti ai soli satelliti ad orbita bassa. Per completezza conviene citare un’importante componente del telerilevamento alle microonde: la polarizzazione. Se l’onda elettromagnetica misurata dal radiometro è polarizzata linearmente in modo che la sua componente elettrica è contenuto in un piano definito dalla direzione d’osservazione del radiometro e dalla normale alla superficie nel punto d’osservazione, la polarizzazione è definita verticale. Se la componente elettrica invece è perpendicolare a questo piano, la polarizzazione è definita orizzontale. Le differenze di polarizzazioni può essere utilizzata per ricavare informazioni utili sia sull’atmosfera che sulla superficie terrestre.
L’anomalia globale della temperatura media nella bassa troposfera (LT) per febbraio 2022, secondo i dati UAH, è stata di +0.00°C in diminuzione rispetto al valore registrato nel mese di gennaio 2022 di 0,03°C.
I Dati UAH globali, emisferici, e le anomalie LT tropicali rispetto alla media di 30 anni (1991-2020) per gli ultimi 14 mesi sono rispettivamente elencati in tabella:
YEAR MO GLOBE NHEM. SHEM. TROPIC USA48 ARCTIC AUST 2021 01 0.12 0.34 -0.09 -0.08 0.36 0.50 -0.52 2021 02 0.20 0.32 0.08 -0.14 -0.65 0.07 -0.27 2021 03 -0.01 0.13 -0.14 -0.29 0.59 -0.78 -0.79 2021 04 -0.05 0.05 -0.15 -0.28 -0.02 0.02 0.29 2021 05 0.08 0.14 0.03 0.06 -0.41 -0.04 0.02 2021 06 -0.01 0.31 -0.32 -0.14 1.44 0.63 -0.76 2021 07 0.20 0.33 0.07 0.13 0.58 0.43 0.80 2021 08 0.17 0.27 0.08 0.07 0.33 0.83 -0.02 2021 09 0.25 0.18 0.33 0.09 0.67 0.02 0.37 2021 10 0.37 0.46 0.27 0.33 0.84 0.63 0.06 2021 11 0.08 0.11 0.06 0.14 0.50 -0.42 -0.29 2021 12 0.21 0.27 0.15 0.03 1.63 0.01 -0.06 2022 01 0.03 0.06 0.00 -0.24 -0.13 0.68 0.09 2022 02 0.00 0.01 -0.02 -0.24 -0.05 -0.31 -0.50
Lower Troposphere: http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/v6.0/tlt/uahncdc_lt_6.0.txt
Mid-Troposphere: http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/v6.0/tmt/uahncdc_mt_6.0.txt
Tropopause: http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/v6.0/ttp/uahncdc_tp_6.0.txt
Lower Stratosphere: http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/v6.0/tls/uahncdc_ls_6.0.txt