Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής ΠΜΣ Φυσική Περιβάλλοντος. Διπλωματική Εργασία

Transcript

1 Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής ΠΜΣ Φυσική Περιβάλλοντος Διπλωματική Εργασία Σύγκριση δορυφορικών δεδομένων οπτικών ιδιοτήτων νέφωσης για την περίοδο Επιβλέπων καθηγητής: Μπαλής Δημήτριος Αναπληρωτής καθηγητής ΑΠΘ Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2017

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Πρώτα απ 'όλα, θα ήθελα να εκφράσω τη βαθύτατη εκτίμησή μου προς τον υπεύθυνο καθηγητή μου κ.μπαλή Δημήτριο αλλά και στην κ.αλεξανδρή Γεωργία για την εμπιστοσύνη τους και την συνεχή καθοδήγησή τους κατά τη διάρκεια αυτής της μελέτης. Δεύτερον, θα ήθελα να ευχαριστήσω την καλή μου φίλη Νικολέτα Καλαϊτζή για την ενθάρρυνση και τις πολύτιμες συμβουλές της για οποιοδήποτε θέμα αντιμετώπισα. Ένα ιδιαίτερο ευχαριστώ στους γονείς μου, Μαρία και Γεώργιο Κωνσταντίνου, που με στηρίζουν όλα αυτά τα χρόνια με κάθε τρόπο. 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη 4 Abstract 5 Κεφάλαιο 1 ο. 6 Δορυφόροι Εισαγωγή Τροχιές δορυφόρων Ιστορική αναδρομή μετεωρολογικών δορυφόρων METEOSAT METEOSAT 1 ης γενιάς(meteosat First Generation-MFG) METEOSAT 2 ης γενιάς(meteosat Second Generation-MSG) METEOSAT 3 ης γενιάς(meteosat Third Generation-MTG) Δορυφόροι Terra και Aqua Δορυφόρος Terra Δορυφόρος Aqua Το ραδιόμετρο CERES.21 Κεφάλαιο 2 ο..22 Νέφη Εισαγωγή Οπτικές ιδιότητες νεφών Ποσοστό νεφοκάλυψης (Cloud Fractional Cover-CFC) Οπτικό βάθος νεφών (Cloud Optical Thickness-COT) Ενεργός ακτίνα. 24 Κεφάλαιο 3 ο.. 25 Δεδομένα-Μεθοδολογία CM SAF-CERES project Επεξεργασία δεδομένων.. 26 Κεφάλαιο 4 ο..27 Αποτελέσματα Ποσοστό νεφοκάλυψης-cfc Οπτικό βάθος νεφών-cot Ενεργός ακτίνα παγοκρυστάλλων-rei Ενεργός ακτίνα σταγονιδίων-rel. 45 Συμπεράσματα...52 Βιβλιογραφία-Αναφορές..54 3

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία, εξετάστηκαν οι μακροφυσικές και οι μικροφυσικές ιδιότητες των νεφών για χρονικό διάστημα 8 ετών, κατά την περίοδο Για τον σκοπό της έρευνας αυτής, χρησιμοποιήθηκαν υψηλής ανάλυσης παρατηρήσεις (0.05x0.05 degree)από το CM SAF αλλά και χαμηλότερης, συγκριτικά με αυτό, ανάλυσης από το CERES(1x1 degree). Επίσης, εξετάστηκαν και οι χωρικές και χρονικές μορφές της διαφοράς των δύο προϊόντων. Βρέθηκε λοιπόν πως η διαφορά μεταξύ CM SAF και CERES για το ποσοστό νεφοκάλυψης CFC είναι ~10% ενώ το οπτικό βάθος των νεφών από το CM SAF είναι γενικά χαμηλότερο από αυτό που εντοπίζει το CERES κατά ~10%. Ακόμη, εξετάστηκε και η ενεργός ακτίνα των σταγονιδίων αλλά και των παγοκρυστάλλων των νεφών. Έτσι, προέκυψε πως το Rel από το CM SAF είναι ~12% υψηλότερο ενώ το Rei από το CM SAF είναι χαμηλότερο ~20% σε σύγκριση με τα ίδια αποτελέσματα από το CERES. Τέτοιου είδους ερευνητικές συγκρίσεις σαν την συγκεκριμένη μας βοηθούν να πάρουμε μια εικόνα για τις δυνατότητες και τον περιορισμό των νεφικών δορυφορικών προϊόντων που χρησιμοποιούνται σήμερα από την επιστημονική κοινότητα. 4

5 ABSTRACT In this work, the macro and micro physical properties of liquid and ice clouds over Europe are examined for the 8-year period For the scopes of this research, high resolution (0.05x0.05 degree) satellite-based observations from CM SAF (Satellite Application Facility on Climate Monitoring) and coarse resolution (1x1 degree) data from CERES (Clouds and the Earth's Radiant Energy System) are utilized. The spatial and temporal patterns of the bias between the two products are examined. It is found that the difference between CM SAF and CERES cloud fractional cover (CFC) is ~10% while cloud optical thickness (COT) from CM SAF is generally lower than CERES by ~10 %. The effective radius of liquid (Rel) and ice (Rei) clouds is also examined. For the region of interest, CM SAF Rel is ~12% higher while CM SAF Rei is lower by ~20% than that of CERES. Intercomparison studies like the one presented here help us to get an insight into the capabilities and limitation of the cloud satellite products which are currently in use by the scientific community. 5

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο Δορυφόροι 1.1: Εισαγωγή Αρχικά, η λέξη δορυφόρος (λατινικά: satelles) σήμαινε τον οπλισμένο ακόλουθο ηγεμόνα, σωματοφύλακα ενώ μεταφορικά, αυτόν που ακολουθεί κάποιον δουλικά. Όταν ο Γαλιλαίος ανακάλυψε τα τεσσάρα σημαντικότερα φεγγάρια του Δία (1610), ο Κέπλερ του έγραψε ένα γράμμα, όπου πρότεινε να χρησιμοποιεί γι αυτά τα σώματα τη λέξη «δορύφοροι» (satellites) αντί για φεγγάρια. Έτσι, ο όρος δορυφόρος έγινε συνώνυμος με τη λέξη «φεγγάρι» και χρησιμοποιείται, κυρίως, για τα φεγγάρια των άλλων πλανητών. Η λέξη δορυφόρος στην Αστρονομία έχει την έννοια ενός ουράνιου σώματος που περιστρέφεται σε τροχιά γύρω από ένα άλλο, μεγαλύτερου μεγέθους. Αργότερα, ο όρος αυτός επεκτάθηκε, ώστε να συμπεριλάβει και τις ανθρώπινες κατασκευές που τίθονται σε τροχιά γύρω από τη Γη ή γύρω από άλλα ουράνια σώματα. Συχνά, για τα ανθρώπινων αντικειμένα (διαστημόπλοια) που είναι σε τροχιά, χρησιμοποιείται ο όρος «τεχνητός δορυφόρος». Οι δορυφόροι μπορούν να έχουν οποιοδήποτε σχήμα και το μέγεθός τους είναι, συνήθως, λίγα μέτρα. Γενικά, το μέγεθος και το σχήμα τους εξαρτάται από το σκοπό της αποστολής τους. Ο χρόνος ζωής ενός δορυφόρου εξαρτάται από το μέγεθός του και από το ύψος που βρίσκεται. Για να παραμείνει σε τροχιά ένας δορυφόρος πρέπει να έχει κάποια συγκεκριμένη ταχύτητα, ώστε να μην επιβραδύνεται από τον αέρα με αποτέλεσμα την πτώση του στη Γη. Πολλοί δορυφόροι που έχουν σταματήσει να λειτουργούν, λόγω τεχνικού προβλήματος, στρέφονται γύρω από τη Γη. [1] 1.2: Τροχιές δορυφόρων Η ταξινόμηση των τροχιών των δορυφόρων γίνεται σύμφωνα με: i.σχήμα της τροχιάς Η τροχιά των δορυφόρων μπορεί να είναι κυκλική ή ελλειπτική. Στην ελλειπτική, ο δορυφόρος έχει τη μέγιστη απόσταση από τη Γη στο απόγειο και την ελάχιστη στο περίγειο της τροχιάς. Το μέτρο της ταχύτητας του δορυφόρου παίρνει τη μικρότερη τιμή στο απόγειο, ενώ στο περίγειο εμφανίζει τη μεγαλύτερη τιμή. Στην περίπτωση που η τιμή της εκκεντρότητας είναι 0, τότε η τροχιά του δορυφόρου είναι κυκλική. Στην πραγματικότητα, κανένας δορυφόρος δεν εκτελεί κυκλική τροχιά, αλλά ως κυκλικές τροχιές θεωρούνται αυτές που έχουν μικρή εκκεντρότητα και επομένως, η διαφορά μεταξύ μέγιστης και ελάχιστης απόστασης από τη Γη είναι μικρή. Για να μεταβληθεί η μορφή της ελλειπτικής τροχιάς, συνήθως μεταβάλλεται η ταχύτητα του δορυφόρου στο περίγειο ή στο απόγειο. Το μόνο κοινό σημείο της νέας ελλειπτικής τροχιάς και της αρχικής είναι το σημείο όπου έγινε η μεταβολή της ταχύτητας. Για αύξηση ταχύτητας είτε στο περίγειο, είτε στο απόγειο, έχουμε αύξηση του ύψους του απογείου και του περιγείου αντίστοιχα. Για μείωση της 6

7 ταχύτητας, το αποτέλεσμα είναι το αντίθετο. Τα νέα ύψη απογείου ή περιγείου υπολογίζονται με βάση την αρχή διατήρησης της ενέργειας και της στροφορμής. Η αύξηση (μείωση) του ύψους του απογείου και του περιγείου συνεπάγονται την αύξηση (μείωση)του μήκους του μεγάλου ημιάξονα της ελλειπτικής. Επειδή η περίοδος Τ της τροχιάς εξαρτάται μόνο από το μήκος του μεγάλου ημιάξονα, η αύξηση (μείωση) της ταχύτητας έχει ως συνέπεια την αύξηση (μείωση) της περιόδου. Εικόνα 1.1: Σχήμα τροχιάς-σημειώσεις δορυφορικής τηλεπισκόπησης, Μελέτη Χ. ii.την κλίση i της τροχιάς Ανάλογα με την κλίση i της τροχιάς, οι τροχιές μπορούν να χωριστούν σε ισημερινές (i=0 ), πολικές (i=90 ) και κεκλιμένες (0 <i<90 ). Οι τροχιές χαρακτηρίζονται ως ισημερινές όταν έχουν κλίση έως 45 και ως πολικές όταν έχουν κλίση μεγαλύτερη από 45. Πολλές φορές αναφέρονται κλίσεις μεγαλύτερες από 90, δηλώνοντας ότι το επίπεδο της τροχιάς του δορυφόρου και το ισημερινό επίπεδο του βορειοανατολικού ημισφαιρίου της Γης σχηματίζουν αμβλεία γωνιά. Οι τροχιές που έχουν κλίση 90 ±20 ονομάζονται και σχεδόν πολικές. Οι πιο συνηθισμένες πολικές ή σχεδόν πολικές τροχιές είναι οι ηλιοσύγχρονες. Σε αυτή την περίπτωση ο δορυφόρος έχει σταθερό προσανατολισμό ως προς τον Ήλιο και διέρχεται από μία θέση αναφοράς (π.χ. τον ισημερινό) την ίδια τοπική ώρα. Το γεγονός αυτό δίνει το πλεονέκτημα της λήψης εικόνων κάτω σχεδόν από τις ίδιες συνθήκες φωτισμού. Οι συνθήκες φωτισμού επηρεάζονται από την εποχή του έτους αλλά και τις συνθήκες νεφοκάλυψη. 7

8 Εικόνα 1.2: Κλίση τροχιάς-σημειώσεις δορυφορικής τηλεπισκόπησης, Μελέτη Χ. iii.το ύψος h του δορυφόρου από την επιφάνεια της Γης Ταξινόμηση των τροχιών του δορυφόρου γίνεται και βάση του ύψους που πετάνε πάνω από την επιφάνεια της Γης. Οι χαμηλού ύψους (Low Earth Orbits LEO) τροχιές έχουν απόσταση από την επιφάνεια της Γης km και είναι σχεδόν κυκλικές. Για να διατηρήσουν την τροχιά τους και να μην πέσουν στη Γη λόγω της βαρύτητας, οι δορυφόροι έχουν ταχύτητα περίπου 7.5 km/s κι εκτελούν μια πλήρη περιστροφή σε min. Επειδή βρίσκονται σε χαμηλό ύψος, έχουν μεγάλη διακριτική ικανότητα αλλά καλύπτουν μικρή περιοχή σε κάθε τους περιστροφή. Ο χρόνος ζωής των δορυφόρων είναι σχετικά μικρός, 5-7 χρόνια. Αυτό οφείλεται στο ότι δέχονται μεγαλύτερη βαρυτική έλξη από τη Γη λόγω του χαμηλού ύψους, και στο ότι η μπαταρία τους έχει χαμηλότερο χρόνο ζωής γιατί χρειάζονται να επικοινωνούν συχνότερα από ότι οι άλλοι δορυφόροι. Η κλίση αυτών των δορυφόρων κυμαίνεται από 20 έως 105, και η εκκεντρότητα από

9 Οι μεσαίου ύψους (Middle Earth Orbits MEO) είναι συνήθως σχεδόν κυκλικές και το σύνηθες ύψος είναι km. Η ταχύτητα περιστροφής των δορυφόρων είναι περίπου 5 km/s με περίοδο 6 ώρες. Οι δορυφόροι σε μεσαίες τροχιές έχουν χρόνο ζωής χρόνια, καλύπτουν μεγαλύτερη επιφάνεια και μια ομάδα από δορυφόρους επιτυγχάνει πλήρη κάλυψη της επιφάνειας της Γης. Επειδή είναι κοντά στις ζώνες ακτινοβολίας Van Allen, μπορούν να δημιουργηθούν ζημιές στα ηλεκτρονικά συστήματα του δορυφόρου. Η κλίση αυτών των δορυφόρων κυμαίνεται από 0 έως 90, με την πλειονότητα να είναι μεταξύ 45-75, και η εκκεντρότητα από Σε αυτές τις τροχιές ανήκουν και οι ημι-σύγχρονες τροχιές που έχουν περίοδο 12 ωρών και κύκλο επανάληψης 24 ώρες. Οι γεωστατικές τροχιές (Geostationary Orbits GEO) είναι κυκλικές τροχιές σε ύψος km από την επιφάνεια της Γης, με κλίση θεωρητικά 0, και με περίοδο 23h 56min και 4sec δηλαδή σχεδόν ίδια με την περίοδο περιστροφής της Γης. Στις γεωστατικές τροχιές ο δορυφόρος φαίνεται σαν να είναι σταθερός πάνω από ένα συγκεκριμένο σημείο της επιφάνειας της Γης. Η ταχύτητα περιστροφής ενός γεωστατικού δορυφόρου είναι περίπου 3 km/sec και ο χρόνος ζωής τους είναι χρόνια. Οι γεωστατικοί δορυφόροι παρέχουν συνεχή κάλυψη 42.4% της υδρογείου γεγονός που τους κάνει ιδανικούς για τηλεπικοινωνιακούς σκοπούς και για την παρακολούθηση μεγάλων καιρικών συστημάτων και κλιματικών παραμέτρων. Ένα σύστημα τριών γεωστατικών δορυφόρων καλύπτει τη Γη από 70 S-70 N. Η εκκεντρότητα πρέπει να είναι θεωρητικά 0, αλλά οι δυνάμεις που ενεργούν στο δορυφόρο δίνουν μια εκκεντρότητα της τάξης Οι γεωστατικές τροχιές είναι μια κατηγορία γεωσύγχρονων τροχιών. Γεωσύγχρονη καλείται η τροχιά ανεξαρτήτου σχήματος και κλίσης, κατά την οποία το δορυφόρος κινείται σύμφωνα με τη φορά περιστροφής της Γης με περίοδο 23h 56min και 4sec. Η κλίση αυτών των τροχιών μπορεί να είναι ως και 20 και εκκεντρότητα λίγο μεγαλύτερη από τις γεωστατικές. Μια ειδική κατηγορία τροχιών αποτελούν οι εξαιρετικά ελλειπτικές τροχιές (Highly Elliptical Orbits HEO) που έχουν μεγάλη εκκεντρότητα , κλίση (συνήθως ), περίοδο 12 ωρών και είναι κατάλληλες για την κάλυψη περιοχών με μεγάλα γεωγραφικά πλάτη, συμπεριλαμβανομένου και του Βόρειου Πόλου. Ανάλογα με την εκκεντρότητα της τροχιάς, απαιτούνται δύο ή τρεις δορυφόροι για να υπάρχει συνεχής κάλυψη. Το απόγειο αυτών των τροχιών βρίσκεται σε μεγαλύτερα ύψη από το ύψος της γεωστατικής τροχιάς, ενώ το περίγειο έχει ύψη που ανήκουν στις χαμηλού ύψους τροχιές. Εξ αιτίας του απομακρυσμένου απογείου, οι δορυφόροι που εκτελούν τέτοιου είδους τροχιές κινούνται αργά σε μεγάλο τμήμα της τροχιάς τους και χρησιμοποιούνται για τηλεπικοινωνιακούς σκοπούς. Για συνεχή κάλυψη της περιοχής που εξυπηρετούν, απαιτούνται δύο ή τρεις δορυφόροι. 9

10 Εικόνα 1.3: Χαρακτηρισμός τροχιών σύμφωνα με την απόσταση από την επιφάνεια της Γης -Σημειώσεις δορυφορικής τηλεπισκόπησης, Μελέτη Χ. Η χρήση των δορυφόρων γνώρισε μεγάλη ανάπτυξη κυρίως γιατί η χρησιμότητά τους είναι σημαντική στις τηλεπικοινωνίες(σταθερή και κινητή τηλεφωνία, τηλεόραση, ραδιόφωνο, διαδίκτυο), στην μετεωρολογία(μελέτη ατμόσφαιρας και κλίματος), στην γεωφυσική(κατασκευή χαρτών) αλλά και στον στρατό. Στην παρούσα εργασία όμως θα εστιάσουμε στους μετεωρολογικούς δορυφόρους, στην ιστορία αλλά και στις χρήσεις αυτών. [1] 1.3: Ιστορική αναδρομή μετεωρολογικών δορυφόρων Οι μετεωρολογικοί δορυφόροι είναι εφοδιασμένοι με κάμερες και άλλα επιστημονικά όργανα και παρακολουθούν την εξέλιξη των καιρικών συστημάτων. Προειδοποιούν για ακραίες καιρικές συνθήκες και χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη του καιρού. Ο πρώτος μετεωρολογικός δορυφόρος καταγράφηκε πως ήταν ο TIROS-1 ο οποίος λειτούργησε για μια τριετία πριν προσγειωθεί στην Αμερική τον Απρίλη του Τα επόμενα έξι χρόνια περίπου 10 δορυφόροι που άνηκαν στην σειρά TIROS τέθηκαν σε λειτουργία προκειμένου να πραγματοποιηθεί η συλλογή διαφορετικών δεδομένων και διάφορα πειράματα. Οι συγκεκριμένοι δορυφόροι χαρακτηρίζονται ως χαμηλού ύψους. 10

11 Το 1966 ο πρώτος γεωστατικός μετεωρολογικός δορυφόρος ο ATS-1 απογειώθηκε από τις ΗΠΑ και επιβεβαίωσε το γεγονός πως η παρατήρηση μέσω δορυφόρων ήταν αποτελεσματική για τα μετεωρολογικά δεδομένα. Το 1963 ο Παγκόσμιος Μετεωρολογικός Οργανισμός (World Meteorological Organization, WMO) δημιούργησε μέσω ενός προγράμματος ένα παγκόσμιο δίκτυο παρακολούθησης των μετεωρολογικών φαινομένων. Στο πλαίσιο αυτό διάφορες χώρες ενσωμάτωσαν τους μετεωρολογικούς του δορυφόρους δημιουργώντας ένα παγκόσμιο δίκτυο παρακολούθησης που αποτελούταν από 5 γεωστατικούς δορυφόρους σε τροχιά γύρω από τον ισημερινό σχηματίζοντας ένα δαχτυλίδι και 2 δορυφόρους πολικής τροχιάς στην αρχή της δεκαετίας του 1980, οι οποίοι παρέχουν εικόνες της επιφάνειας της Γης αλλά και της ατμόσφαιρας, στο ορατό και το υπέρυθρο. Μετά τη δημιουργία του δικτύου γεωστατικούς δορυφόρους έθεσαν σε λειτουργία και η Κίνα και η Ρωσία.[2] 1.3.1: METEOSAT Οι Meteosat είναι η γνωστότερη οικογένεια γεωστατικών δορυφόρων που διανέμονται γύρω από τον ισημερινό. Το ευρωπαϊκό μετεωρολογικό πρόγραμμα ξεκίνησε το 1972 από την ESRO (European Space Research Organization). Η ESRO ιδρύθηκε το 1962 και λειτούργησε ως οργάνωση προκάτοχος της ESA (European Space Agency) η οποία ιδρύθηκε το Στην πραγματικότητα όμως η αρχή της Ευρωπαϊκής διαστημικής μετεωρολογίας ξεκινά το 1968 όταν η CNES, η νέα γαλλική εθνική υπηρεσία διαστήματος, προτείνει στην ESRO να εξευρωπαΐσουν την ιδέα του METEOSAT. Η πρόταση έγινε δεκτή το 1972 και 8 κράτη μέλη (Βέλγιο, Δανία, Γαλλία, Ιταλία, Γερμανία, Ηνωμένο Βασίλειο, Σουηδία και Ελβετία) αποφάσισαν να χρηματοδοτήσουν το Πρόγραμμα METEOSAT. Στις 24 Μαΐου 1983, 16 χώρες υπέγραψαν την σύμβαση για την EUMETSAT η οποία τέθηκε σε ισχύ τον Ιούνιο του Ιανουαρίου 1987 η ευθύνη για την λειτουργία των δορυφόρων METEOSAT μεταφέρθηκε από την ESA στην EUMETSAT. Όλες οι δραστηριότητες συντονίζονται από την CGMS (Coordination of Geostationary Meteorological Satellites) που αντιπροσωπεύεται από τον WMO και τις χώρες που παρέχουν τους δορυφόρους: Ευρώπη (EUMETSAT), ΗΠΑ (NOAA), Ρωσία (NPO Planeta), Ιαπωνία (JMA), Ινδία (ISRO), Κίνα (CMA). Οι γεωστατικοί δορυφόροι METEOSAT είναι τοποθετημένοι στις 0 γεωγραφικού μήκους πάνω από τον ισημερινό και η γενική περιοχή κάλυψης είναι το μεγαλύτερο μέρος της Ευρώπης, το σύνολο της Αφρικής, ο Ατλαντικός Ωκεανός και το ανατολικό μισό της Νότιας Αμερικής και η Μέση Ανατολή. Ο METEOSAT περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του που είναι παράλληλος προς τον άξονα της γης. Περιστρέφεται 100 φορές ανά λεπτό. Για κάθε περιστροφή σαρώνει μια λωρίδα πλάτους 5km με κατεύθυνση από την ανατολή προς δύση. Η λωρίδα διαιρείται σε 2500 περιοχές σάρωσης. Το κάτοπτρο του σαρωτή 11

12 μετατοπίζεται ελεγχόμενα με τέτοιο τρόπο, ώστε με κάθε περιστροφή να σαρώνεται μια νέα λωρίδα. Για να πάρουμε μια ενιαία εικόνα ολόκληρου του γήινου δίσκου, θα πρέπει να ολοκληρωθεί η σάρωση 2500 λωρίδων, μια διαδικασία που απαιτεί 25 λεπτά. Μετά από μια πεντάλεπτη διακοπή, ξεκινάει η δημιουργία της επόμενης εικόνας. Τα δεδομένα στέλνονται σε συνεχή ροή στο κέντρο ελέγχου, στο Darmstadt της Γερμανίας, όπου το υλικό υποβάλλεται σε επεξεργασία. Η σάρωση εκτελείται σε τρία κανάλια, ένα στο ορατό και εγγύς υπέρυθρο τμήμα της ακτινοβολίας, ένα στο μέσο υπέρυθρο και ένα στο θερμικό υπέρυθρο. Με το ορατό και εγγύς υπέρυθρο φάσμα της ακτινοβολίας (κανάλι 1) μετριέται η ανακλαστική ικανότητα των διαφόρων επιφανειών. Τα σύννεφα, το χιόνι και ο πάγος έχουν ισχυρή ανακλαστικότητα και για το λόγο αυτό εμφανίζονται ως ανοικτά γκρι. Το ξηρό και γυμνό έδαφος και η άμμος είναι επίσης φωτεινά, ενώ οι περιοχές που καλύπτονται με βλάστηση έχουν ελαφρώς χαμηλότερη ανακλαστικότητα και εμφανίζονται σκοτεινότερες. Οι επιφάνειες νερού έχουν πολύ χαμηλή ανακλαστικότητα και επομένως εμφανίζονται σκοτεινές. Στις εικόνες του καναλιού 1, τα πιο παχιά νέφη φαίνονται πιο άσπρα, ενώ οι λεπτότεροι σχηματισμοί νεφών εμφανίζονται γκριζωποί, επειδή είναι εν μέρει ορατή η επιφάνεια της γης. Στο θερμικό υπέρυθρο (κανάλι 3), οι κρύες επιφάνειες φαίνονται φωτεινές και οι θερμές επιφάνειες σκοτεινές. Όπως και στο κανάλι 1, τα σύννεφα εμφανίζονται ως φωτεινές περιοχές, αλλά υπάρχουν σημαντικές διαφορές. Τα φωτεινότερα σύννεφα είναι τα πιο κρύα και κατά συνέπεια πρέπει να βρίσκονται σε ψηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας, καθώς είναι γνωστό ότι η θερμοκρασία μειώνεται όσο απομακρυνόμαστε πάνω από την επιφάνεια της γης. Όσο πιο σκοτεινός είναι ένας σχηματισμός νεφών, τόσο χαμηλότερα βρίσκεται στην ατμόσφαιρα. Στις εικόνες υπερύθρου είναι δύσκολο να γίνει διάκριση μεταξύ της χαμηλής νέφωσης και των περιοχών χωρίς νέφη, επειδή η θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ νεφών και υγρής γήινης επιφάνειας είναι πολύ μικρή. Στις εικόνες υπέρυθρου το διάστημα εμφανίζεται λευκό, καθώς το κενό δεν ακτινοβολεί στο θερμικό υπέρυθρο. Το κανάλι υδρατμών καταγράφει σε ένα μήκος κύματος όπου η ατμόσφαιρα είναι αδιαφανής (η ακτινοβολία απορροφάται σχεδόν κατά 100%). Η ακτινοβολία που λαμβάνεται από το δορυφόρο σε αυτό το κανάλι προέρχεται από το περιεχόμενο των, κατά τα άλλα, αόρατων υδρατμών της ατμόσφαιρας. Έτσι είναι δυνατό να αναλυθεί η μετακίνηση των υδρατμών, που περιέχουν μεγάλες ποσότητες λανθάνουσας θερμότητας. Αυτές οι μετακινήσεις είναι σημαντικός παράγοντας κατανομής της ενέργειας στο σύνολο της ατμόσφαιρας. Τα τροπικά δάση βοηθούν αυτή τη διαδικασία με την μεταφορά τεραστίων ποσοτήτων υδρατμών και ενέργειας στις εύκρατες ζώνες. Η κλιματολογική σημασία της 12

13 αποψίλωσης των τροπικών δασών και της επίδρασή της στην εξάτμιση παραμένει αδιευκρίνιστη. [3,4] Εικόνα 1.4: Κάλυψη METEOSAThttps:// 13

14 1.3.2: METEOSAT 1 ης γενιάς (Meteosat First Generation-MFG) Ο Meteosat-1 ήταν ο πρώτος Ευρωπαϊκός γεωσύγχρονος μετεωρολογικός δορυφόρος και εκτοξεύτηκε στις 23 Νοεμβρίου 1977, 10 χρόνια πριν από την σύσταση της EUMETSAT(European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites). Ο γενικός στόχος ήταν και εξακολουθεί να είναι η παροχή οικονομικά αποδοτικών δορυφορικών δεδομένων και των σχετικών υπηρεσιών σε συνεχή βάση για να υποστηρίξει τις απαιτήσεις των κρατών μελών EUMETSAT. Η EUMETSAT είναι η ιδιοκτήτρια της σειράς METEOSAT ξεκινώντας με τον Meteosat-4. Από τότε η ESA συνέχιζε να τρέχει το MOP (Meteosat Operational Program) ως ανάδοχος της EUMETSAT. Στις 15 Νοεμβρίου 1995,η EUMETSAT ανέλαβε τις λειτουργίες του συστήματος METEOSAT και υλοποίησε το Meteosat Transition Program (MTP). Το πρόγραμμα περιελάμβανε την παροχή και την έναρξη ενός ακόμη δορυφόρου του ίδιου σχεδιασμού (Meteosat-7), την ανάπτυξη ενός νέου συστήματος εδάφους από το Δεκέμβριο του 1995 και μετά. Το 1994 η EUMETSAT ξεκίνησε δυο νέα προγράμματα: 1)Το MSG (Meteosat Second Generation),ένα γεωστατικό πρόγραμμα με πρώτη εκτόξευση το 2002 και με λειτουργικές υπηρεσίες το )Το EPS (EUMETSAT Polar System), ένα LEO μετεωρολογικό πρόγραμμα που ξεκίνησε την χρονιά 2005/6. Το διαστημικό τμήμα αυτών των προγραμμάτων έχει αναπτυχθεί σε συνεργασία με την ESA. [3,4] 14

15 Πίνακας 1.5: Ιστορικά στοιχεία METEOSAT 1 ης γενιάς- ΔΟΡΥΦΟΡΟΣ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΣΧΟΛΙΑ Meteosat-1 23/11/1977 Παροχή υπηρεσιών ως τον Νοέμβριο Meteosat-2 19/6/1981 Λειτουργία υπηρεσίας από 12 Αυγούστου 1981 μέχρι 11 Αυγούστου Ένα κενό δεδομένων 20 μηνών βιώθηκε μεταξύ της αποτυχίας του Meteosat-1 και της έναρξης του Meteosat-2. Meteosat-3 15/6/1988 Από 1/8/1991 μέχρι τον Μάιο του 1995, ο Meteosat-3 επανατοποθετήθηκε πάνω από το δυτικό Ατλαντικό ως προσωρινή αντικατάσταση του GOES. Σταμάτησε το Meteosat-4 MOP-1 Meteosat-5 MOP-2 Meteosat-6 MOP-3 Meteosat-7 MOP-4 6/3/1989 Πρώτη εικόνα του MOP-1 στις 19 Απριλίου Ο Meteosat-4 λειτούργησε ως τον Φλεβάρη του 1994, όταν αντικαταστάθηκε από τον Meteosat-5 και αφαιρέθηκε από GEO και απενεργοποιήθηκε το Νοέμβριο του /3/1991 Ο Meteosat-5 ενήργησε πάνω από την Ευρώπη από το Φεβρουάριο του 1994 έως το /11/1993 Ο Meteosat-6 λειτουργεί σε RSS κατά τη διάρκεια της ολικής έκλειψης ηλίου τον Αύγουστο Τον Οκτώβριο του 2002, ο Meteosat-6 μετακινείται από 9o W σε 10o Ε για να φιλοξενήσει τον MSG-2. Στις 5 του Γενάρη του 2010, ο Meteosat-6 έθεσε ένα νέο ρεκόρ για όλη τη διάρκεια της επιχειρησιακής ζωής ενός δορυφόρου Meteosat. 2/9/1997 Ο Meteosat-7 ήταν μέρος της ΜΤΡ (Meteosat Transition Program) προς MSG (Meteosat δεύτερης γενιάς). Τον Ιούλιο του 2006, ο Meteosat-7 έφτασε στις 57.5o Ε πάνω από τον Ινδικό Ωκεανό. Στις 24 Ιανουαρίου 2015, ο Meteosat-7 έγινε ο μακροβιότερος δορυφόρος στην ιστορία EUMETSAT και διανύει 17 χρόνια παρακολούθησης του καιρού από το διάστημα. 15

16 1.3.3: METEOSAT 2 ης γενιάς(meteosat Second Generation-MSG) Η σειρά METEOSAT πρώτης γενιάς (Meteosat-1 έως -7) της EUMETSAT αντικαθίσταται σταδιακά από μια σειρά δεύτερης γενιάς (MSG) με εκτόξευση του πρώτου δορυφόρου MSG-1 στις 28 Αυγούστου του Ο METEOSAT 2ης γενιάς (MSG) παράγει πολυφασματικές εικόνες της γήινης επιφάνειας και των νεφικών συστημάτων με διπλάσιο ρυθμό από τον αρχικό METEOSAT(κάθε 15 λεπτά αντί κάθε μισή ώρα) και για έναν πολύ μεγαλύτερο αριθμό φασματικών καναλιών (δώδεκα έναντι τριών του αρχικού METEOSAT). Επιστρέφει συνεχώς λεπτομερείς εικόνες της Ευρώπης, της Αφρικής και τμημάτων του Ατλαντικού και του Ινδικού Ωκεανού. Επίσης διαθέτει εξαιρετικά βελτιωμένη γεωμετρική ανάλυση (1km για το ορατό κανάλι υψηλής ευκρίνειας και 3km για τα άλλα κανάλια). Οκτώ από τα κανάλια μετρούν στο θερμικό υπέρυθρο παρέχοντας, μεταξύ άλλων πληροφοριών, δεδομένα για τη θερμοκρασία των νεφών και των επιφανειών του εδάφους και της θάλασσας. Επίσης, τα κανάλια απορροφούν την ακτινοβολία του όζοντος, των υδρατμών και του διοξειδίου του άνθρακα, γεγονός που επιτρέπει την ανάλυση των ατμοσφαιρικών μαζών και την τρισδιάστατη αναπαράσταση της ατμόσφαιρας. Τα δεδομένα από τον αρχικό METEOSAT θα συνεχίσουν να αναλύονται για να μπορούν να γίνουν χρονικές συγκρίσεις. Πίνακας 1.6: Ιστορικά στοιχεία METEOSAT 2 ης γενιάς- ΔΟΡΥΦΟΡΟΣ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΣΧΟΛΙΑ Meteosat-8 MSG-1 Meteosat-9 MSG-2 Meteosat-10 MSG-3 Meteosat-11 MSG-4 28/8/2002 Ο MSG-1 άρχισε να λειτουργεί 9/1/2004 και μετονομάστηκε σε Meteosat-8. 13/5/2008 ξεκίνησε την διάδοση δεδομένων RSS από θέση 9.5 ο Ε. 22/12/2005 Ο MSG-2 τέθηκε σε λειτουργία τον Ιούλιο του 2006 και μετονομάστηκε σε Meteosat-9. 5/7/2012 Όταν ο MSG-3 μετονομάστηκε σε Meteosat- 10(18/12/2012) σταθεροποιήθηκε στις 0 ο θέση πάνω από τον ισημερινό στον Κόλπο της Γουινέας σε γεωστατική τροχιά και η ταχύτητά του ταίριαζε ακριβώς με την ταχύτητα περιστροφής της Γης. 15/7/2015 Ο τελευταίος μετεωρολογικός δορυφόρος που εκτοξεύτηκε. 16

17 1.3.4: METEOSAT 3 ης γενιάς(meteosat Third Generation-MTG) Οι MTG είναι η επόμενη γενιά των Ευρωπαϊκών γεωστατικών μετεωρολογικών δορυφόρων. Προπαρασκευαστικές δραστηριότητες για τη σειρά MTG ξεκίνησαν στα τέλη του 2000 σε συνεργασία με την ESA. Η διαδικασία έχει ως στόχο την καταγραφή των αναγκών στο χρονικό διάστημα Το υφιστάμενο σύστημα MSG θα παρέχει πληροφορίες τουλάχιστον μέχρι το Οι MTG που θα πάρουν την σκυτάλη το 2018 από τους MSG, θα βρεθούν αντιμέτωποι με σημαντικές προκλήσεις στην πρόβλεψη του, την παρακολούθηση του κλίματος και της ατμοσφαιρικής χημείας και για άλλες υπηρεσίες για τους ευρωπαίους πολίτες, όπως είναι η βελτίωση της ποιότητας του αέρα ή προειδοποιήσεις για την υπεριώδη ακτινοβολία. Τον Οκτώβριο του 2008, υπεγράφη συμφωνία που ρυθμίζει τους αντίστοιχους ρόλους, τις ευθύνες και τις οικονομικές δεσμεύσεις των δύο οργανισμών σχετικά με τις μελλοντικές φάσεις του προγράμματος MTG: Η EUMETSAT θα είναι υπεύθυνη για τη συνολική αποστολή και τη μηχανική του συστήματος και το σχεδιασμό του επίγειου δικτύου και της ανάπτυξής του. Θα χρηματοδοτήσει την προμήθεια των επαναλαμβανόμενων δορυφόρων, τις υπηρεσίες εκτόξευσης και τις φάσεις έναρξης. Η ESA είναι υπεύθυνη για την ανάπτυξη και την εφαρμογή των τεχνολογιών διαστημικού τμήματος και του πρώτου MTG δίδυμου δορυφόρου. Η ESA χρηματοδοτεί το σχετικό κόστος, εκτός από το 30% που συνεισφέρει η EUMETSAT. Το διαστημικό σκάφος της σειράς MTG και το συμπλήρωμα του αισθητήρα προσδιορίζονται να λειτουργούν σε τροχιά για 20 χρόνια, σε σύγκριση με 15 χρόνια για την MSG. Στις 25 Φεβρουαρίου 2011, το πλήρες πρόγραμμα MTG τέθηκε σε ισχύ. 17

18 Πίνακας 1.7: METEOSAT 3 ης γενιάς- ΧΡΟΝΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ : εκπόνηση μελετών Φάσης-Α : αξιολόγηση των αποστολών MTG MTG (Φάση Α): Μελέτες σκοπιμότητας των επιλεγμένων αποστολών. Διαδικασία έγκρισης των προπαρασκευαστικών προγραμμάτων MTG. Οι μελέτες Φάσης-Α ολοκληρώθηκαν με επιτυχία το Δεκέμβριο του Φάση Β: Αναλυτικές σχεδιαστικές δραστηριότητες που συντονίζονται από την EUMETSAT και την ESA Φάσεις C / D: Ανάπτυξη και δοκιμή των στοιχείων του συστήματος MTG και μετά Φάση Ε: πιθανή ημερομηνία εκτόξευσης και λειτουργίας για τη σειρά MTG. Οι μετεωρολογικοί δορυφόροι είναι ιδιαίτερα σημαντικοί στην πρόγνωση του καιρού, στην πρόβλεψη των ισχυρών βροχοπτώσεων, του παγετού ή της ξηρασίας αλλά και στον προσδιορισμό των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των νεφών. Ένα από αυτά τα χαρακτηριστικά είναι και η ενεργός ακτίνα των σταγόνων ή των παγοκρυστάλλων μέσα στα νέφη(effective Radius). Η EUMETSAT έχει σήμερα 8 SAFs (Satellite Applications Facilities) τα οποία δημιουργήθηκαν για την βελτίωση της ποιότητας και της επεξεργασίας των δεδομένων από μετεωρολογικούς δορυφόρους στον τομέα της μετεωρολογίας και της κλιματολογίας. Η CM-SAF παρέχει υψηλής ποιότητας αρχεία από γεωστατικές και πολικές τροχιές τόσο σε ευρωπαϊκή αλλά και σε παγκόσμια κλίμακα. [3,4] 18

19 1.4: Δορυφόροι Terra και Aqua 1.4.1: Δορυφόρος Terra Ο δορυφόρος Terra αποτελεί τη ναυαρχίδα του συστήματος παρατήρησης της γης (EOS-Earth Observing System) και αντιπροσωπεύει τις δυνατότητες της NASA στην διαστημική παρατήρηση της γης. Ο δορυφόρος Terra συλλέγει πολλαπλά δεδομένα, τα οποία χρησιμοποιούνται στην έρευνα που ασχολείται με τους τρόπους με τους οποίους λειτουργούν η επιφάνεια της γης, ο αέρας, οι ωκεανοί και οι πάγοι. Επίσης, ο Terra με κάθε πέρασμα που πραγματοποιεί συλλέγει πληθώρα δεδομένων. Ο δορυφόρος Terra εκτοξεύτηκε στις 18 Δεκεμβρίου του 1999, με ηλιοσύγχρονη τροχιά, όμως άρχισε να στέλνει δεδομένα προς τη γη το Φεβρουάριο του Η αρχική διάρκεια ζωής του δορυφόρου ήταν τα 6 χρόνια, όμως ο Terra συνεχίζει μετά από 15 χρόνια να δίνει πολύτιμες πληροφορίες για τον πλανήτη (2,5 φορές μεγαλύτερη διαρκεί ζωής σε σχέση με την αρχικά προγραμματισμένη). Το γεγονός αυτό οφείλεται στην εξαιρετική κατασκευή του δορυφόρου, δηλαδή τους επιστήμονες και μηχανικούς που συνεργάστηκαν για την κατασκευή του. Ο κάθε αισθητήρας έχει μοναδικά χαρακτηριστικά, που επιτρέπουν στους επιστήμονες να καλύψουν ένα ευρύ φάσμα της επιστήμης της γης. Ο δορυφόρος Terra φέρει συνολικά 5 όργανα, που είναι τα ακόλουθα: ASTER CERES MISR MODIS MOPITT Χάρη στα 5 όργανα, ο Terra έχει τη δυνατότητα να συγκεντρώνει συμπληρωματικές παρατηρήσεις από την επιφάνεια της γης και την ατμόσφαιρα. [5] Πίνακας 1.8: Στοιχεία δορυφόρου Terra. Ημερομηνία εκτόξευσης 18 Δεκεμβρίου 1999 Πληροφορίες τροχιάς Ηλιοσύγχρονη, με ύψος τροχιάς 705 χιλιόμετρα, κλίση 98,3 μοίρες (από τον Ισημερινό) και περίοδο 98,88 λεπτά Χρόνος επαναδιέλευσης Διέλευση από τον Ισημερινό 16 ημέρες (233 τροχιές) 10:30 π.μ. από βορρά προς νότο 19

20 Εικόνα 1.9: Δορυφόρος Terra : Δορυφόρος Aqua Ο δορυφόρος Aqua, αποτελεί αποστολή της NASA για την παρατήρηση της γης και ονομάστηκε έτσι λόγω της ποσότητας των πληροφοριών που συλλέγει σχετικά με τον κύκλο του νερού στη γη, συμπεριλαμβανομένων της εξάτμισης από τους ωκεανούς, τους υδρατμούς στην ατμόσφαιρα, τα νέφη, της βροχόπτωσης, της υγρασίας του εδάφους κ.α. Πρόσθετες μεταβλητές επίσης μετριούνται με τον Aqua και περιλαμβάνουν την ροή της ακτινοβολίας, αερολύματα, την φυτοκάλυψη στο έδαφος, το φυτοπλαγκτόν και τη διαλυμένη οργανική ύλη στους ωκεανούς και την θερμοκρασία στον αέρα, στο έδαφος και στο νερό. Ο Aqua ξεκίνησε στις 4 Μαΐου 2002 και έχει έξι όργανα παρατήρησης επί του σκάφους, που συλλέγουν μια ποικιλία των παγκόσμιων δεδομένων. Ο Aqua αναπτύχθηκε αρχικά με χρόνο ζωής έξι χρόνια, αλλά τώρα έχει υπερβεί κατά πολύ τον αρχικό στόχο. Συνεχίζει τη μετάδοση δεδομένων υψηλής ποιότητας από τέσσερα από τα έξι όργανα, AIRS, AMSU, CERES και MODIS, και μείωσε την ποιότητα των δεδομένων από ένα πέμπτο μέσο, το AMSR-E. Το έκτο όργανο του Aqua, το HSB, σύλλεγε περίπου εννέα μήνες υψηλής ποιότητας δεδομένα, αλλά σταμάτησε το Φεβρουάριο του [5] Πίνακας 1.10: Στοιχεία δορυφόρου Aqua. Ημερομηνία εκτόξευσης 4 Μαΐου 2002 Πληροφορίες τροχιάς Ηλιοσύγχρονη Διέλευση από τον Ισημερινό 13:30 π.μ. από νότο προς βορρά 20

21 Εικόνα 1.11: Δορυφόρος Aqua : Το ραδιόμετρο CERES To CERES (Clouds and the Earth s Radiant Energy System) είναι ένα από τα υψηλής προτεραιότητας επιστημονικά δορυφορικά όργανα που αναπτύχτηκε από το ΕΟS (NASA s Earth Observing System). Το πρώτο όργανο CERES ξεκίνησε από το από το Δεκέμβριο του 1997 πάνω στο TRMM (NASA s Tropical Rainfall Measurement Mission). Σήμερα το CERES συλλέγει παρατηρήσεις σε τρείς διαφορετικές δορυφορικές αποστολές συμπεριλαμβανομένων των παρατηρητηρίων EOS Terra και Aqua και τον S-NPP(Suomi National Polar-Orbiting Partnership). Tα προϊόντα CERES περιλαμβάνουν ηλιακή-ανακλώμενη και γήινηεκπεμπόμενη ακτινοβολία από τη κορυφή της ατμοσφαίρας ως την επιφάνεια της Γης. Οι ιδιότητες των νεφών προσδιορίζονται χρησιμοποιώντας ταυτόχρονες μετρήσεις από αλλά όργανα όπως το MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) και το VIRS(Visible and Infrared Sounder). Αναλύσεις που χρησιμοποιούν δεδομένα CERES οδηγούν στη καλύτερη κατανόηση του ρόλου των νεφών αλλά και του ενεργειακού κύκλου στη παγκόσμια κλιματική αλλαγή. [6] 21

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο Νέφη 2.1: Εισαγωγή Νέφος ονομάζεται το ορατό σύνολο των μικροσκοπικών σταγονιδίων νερού ή/και σωματιδίων πάγου που αιωρείται στην ατμόσφαιρα. Σχηματίζονται όταν μια αέρια μάζα ψύχεται με ακτινοβολία, με μεταφορά της σε ψυχρότερη περιοχή ή αδιαβατικά. Βρίσκονται σε διαρκή εξέλιξη και παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία μορφών. Η ταξινόμησή τους σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Μετεωρολογικό Οργανισμό (WMO) γίνεται σε 4 κατηγορίες (Πίνακας) Τα νέφη εξασθενίζουν ισχυρά την υπέρυθρη ακτινοβολία απορροφώντας την, ενώ δεν απορροφούν καθόλου την ορατή και την υπεριώδη, λόγω του ότι αποτελούνται από νερό και το καθαρό νερό απορροφά ελάχιστα την υπεριώδη και την ορατή ακτινοβολία. Όμως εξασθενίζουν την ορατή και την υπεριώδη μέσω σκέδασης, και επειδή το μέγεθος των υδροσταγονιδίων είναι πολύ μεγαλύτερο του μήκους κύματος της προσπίπτουσας σε αυτά ακτινοβολίας, ακολουθούν τη θεωρία του Mie. Σε αρκετές περιπτώσεις όμως η σκέδαση μπορεί να είναι καθαρά ελαστική. Παίζουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση του ηλιακού δυναμικού ενός τόπου, καθώς οπτικά πυκνά νέφη μπορούν να οδηγήσουν ακόμη και σε πρακτικά ολική εξασθένιση της ακτινοβολίας. Το μέγεθος της εξασθένισης εξαρτάται από το πάχος και το είδος της νέφωσης. Αραιά και διάσπαρτα νέφη δεν έχουν μεγάλη επίπτωση, ενώ τα χαμηλά και σκούρα νέφη προκαλούν σημαντική εξασθένιση. [7] Εικόνα 2.1: Τύποι νεφών 22

23 Πίνακας 2.2: Ταξινόμηση νεφών-μαθήματα μετεωρολογίας και κλιματολογίας, Φλόκας Α. ΑΝΩΤΕΡΑ ΝΕΦΗ (h>7km ως την τροπόπαυση) Θύσσανοι (Cirrus,Ci) Λεπτά, ινώδη.άσπρα ή με μεταξωτή λάμψη. Αποτελούνται από παγοκρυστάλλους και είναι τα λευκότερα νέφη. Εμφανίζονται πρίν την ανατολή και μετά τη δύση του ήλιου και παίρνουν κόκκινο ή κίτρινο χρώμα. ΜΕΣΑ ΝΕΦΗ (2km<h<7km) Υψοσωρείτες (Altocumulus,Ac) Εκτεταμένο λεπτό στρώμα από νεφικά στοιχεία. Αποτελούνται κυρίως από νεφοσταγονίδια. ΚΑΤΩΤΕΡΑ ΝΕΦΗ (h<2km) Στρώματα (Stratus,St) Νέφη γκρίζου χρώματος. Έχουν βάση αρκετά ομοιόμορφη και χαμηλή. Αποτελούνται από νεφοσταγονίδια. Δίνουν ασθενή βροχή. ΝΕΦΗ ΑΝΟΔΙΚΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ Ή ΚΑΤΑΚΌΡΥΦΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ (0.5km<h<5km) Σωρείτες (Cumulus,Cu) Πυκνά με κατακόρυφη ανάπτυξη και με ομαλή βάση. Δημιουργούνται με αίθριο καιρό όταν οι ανοδικές κινήσεις του αέρα είναι ισχυρές. Αποτελούνται από νεφοσταγονίδια. Δίνουν βροχή μεγάλων βροχοσταγόνων. Θυσσανοσωρείτες (Cirricumulus,Cc) Αποτελούνται από πολυάριθμες σφαίρες. Είναι λευκά νέφη από παγοκρυστάλλους και νεφοσταγονίδια σε υπέρτηξη. Θυσσανοστρώματα (Cirrostratus,Cs) Αποτελούν ινώδη πέπλο, λεπτό και άσπρο που σκεπάζει μέρος ή ολόκληρο τον ουρανό. Αποτελούνται από παγοκρυστάλλους. Υψιστρώματα (Altostratus,As) Φαιό πέπλο που πολλές φορές σκεπάζει ολόκληρο τον ουρανό. Αποτελούνται από υδροσταγονίδια ή παγοκρυστάλλια και περιέχουν νεφοσταγόνες και νιφάδες χιονιού. Βροχοφόρα νέφη που δίνουν παρατεταμένη βροχόπτωση ή χιονόπτωση Στρωματοσωρείτες (Stratocumulus,Sc) Εμφανίζονται με τη μορφή σφαιρικών ή κυλινδρικών νεφικών μαζών, γκρίζου ή υπόλευκου χρώματος. Αποτελούνται από νεφοσταγονίδια και παγοκρυστάλλια. Συνοδεύονται από βροχόπτωση ή χιονόπτωση ασθενούς έντασης. Μελανοστρώματα (Nimbostratus,Ns) Χαμηλό εκτεταμένο νεφικό στρώμα με σκοτεινό γκρίζο χρώμα. Η βάση τους είναι ασαφής. Αποτελούνται από βροχοσταγόνες, παγοκρυστάλλια και νιφάδες χιονιού. Είναι τα πιο βροχοφόρα. Σωρειτομελανίες (Cumulonimbus,Cb) Έχουν πολύ μεγάλο όγκο και μεγάλη κατακόρυφη ανάπτυξη. Η βάση είναι οριζόντια και η κορυφή μπορεί να περάσει τα 12km. Είναι καταιγιδοφόρα και δίνουν ραγδαίες βροχές, χαλάζι και συνοδεύονται από ηλεκτρικά φαινόμενα. Αποτελούνται από νεφοσταγονίδια και μόνο το ανώτερο τμήμα τους περιέχει παγοκρυστάλλια. 23

24 2.2: Οπτικές ιδιότητες των νεφών Οι οπτικές ιδιότητες των νεφών χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: α) μακροφυσικές και β)μικροφυσικές ιδιότητες. Στην παρούσα μελέτη θα εξετάσουμε το ποσοστό νεφοκάλυψης από τις μακροφυσικές ιδιότητες ενώ από τις μικροφυσικές ιδιότητες έμφαση θα δωθεί στο οπτικό βάθος των νεφών αλλά και στην ενεργό ακτίνα σταγόνων και παγοκρυστάλλων του νέφους : Ποσοστό νεφοκάλυψης(cfc-cloud Fractional Cover) To ποσοστό νεφοκάλυψης αναφέρεται στη κάλυψη του ουρανού από νέφη. Όταν παρατηρείται από συγκεκριμένη τοποθεσία. Τα όγδοα είναι η πιο συνηθισμένη μονάδα μέτρησης της νεφοκάλυψης. Το ποσοστό της νεφοκάλυψης επομένως αναφέρεται στο αν ο δορυφόρος βλέπει πολλά ή λίγα νέφη.[5] 2.2.2: Οπτικό βάθος νεφών(cot-cloud Optical Thickness) Το οπτικό βάθος των νεφών είναι ένα αδιάστατο μέγεθος που δείχνει πόσο παχύ(θερμό) ή λεπτό(ψυχρό) είναι το νέφος. Με τη γνώση του οπτικού βάθους γνωρίζουμε και πόση ηλιακή ακτινοβολία διαπερνά το νέφος και φτάνει στην επιφάνεια της Γης. Τα νέφη δεν απορροφούν το ορατό μήκος κύματος της ηλιακής ακτινοβολίας αλλά αντανακλούν και σκεδάζουν περισσότερο ορατό φως. Όσο πιο παχύ είναι το νέφος τόσο περισσότερο αντανακλά και σκεδάζει.[5] 2.2.3: Ενεργός ακτίνα Η ενεργός ακτίνα είναι μια μικροφυσική οπτική ιδιότητα που εκφράζει το μέγεθος των σταγονιδίων του νέφους στην περίπτωση των υγρών νεφών (Rel) και το μέγεθος των παγοκρυστάλλων στην περίπτωση των νεφών πάγου (Rei) με μονάδα μέτρησεις τα μm. Τα σταγονίδια θεωρούνται σφαιρικά ενώ τα παγοκρυστάλλια παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσμα σχημάτων που παρατηρούνται στην φύση. Η σχέση μέσω της οποίας δίνεται το Rel, Rei είναι: CWP( ph)*3 Re( ph) 2* ( ph)* COT( ph) όπου ph: η φάση του νερού (υγρό ή πάγος) CWP: cloud water path (km/m 2 ) Re: effective radius (μm) COT: cloud optical thickness ρ: πυκνότητα νερού (υγρό=999 km/m 3, πάγος=993 km/m 3 ) Οι δυο κύριοι παράγοντες της διάδοσης ακτινοβολίας μικρού μήκους κύματος είναι το ποσοστό νεφοκάλυψης CFC(Cloud Fractional Cover) και το οπτικό πάχος των νεφών COT(Cloud Optical Thickness). 24

25 Τα Re υγρού και πάγου παίζουν σημαντικό ρόλο στον υπολογισμό του COT αλλά και στο albedo τους. Το COT είναι θετικό πάνω από ξηρά και αρνητικό πάνω από θάλασσα ενώ είναι επίσης θετικό την άνοιξη και το φθινόπωρο και αρνητικό το καλοκαίρι και τον χειμώνα. Η ανακλαστικότητα των νεφών στο ορατό συνδέεται με το COT και έχει μικρή εξάρτηση από το Re ενώ στο κοντινό υπέρυθρο είναι κυρίως συνδεδεμένη με το Re. Οι δείκτες διάθλασης νερού και πάγου αποτελούν μέτρο της απορροφητικότητας ενώ νέφη με μικρά σταγονίδια ή πάγο αντανακλούν περισσότερο από αυτά με μεγάλα σωματίδια. [5,8] ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο Δεδομένα-Μεθοδολογία 3.1: CM SAF-CERES projects Για την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας έγινε σύγκριση δορυφορικών δεδομένων για την χρονική περίοδο τα οποία ανήκουν στους δορυφόρους METEOSAT,Aqua και Terra. Οι δορυφόροι της οικογένειας METEOSAT 2 ης γενιάς παρέχουν υψηλή χρονική ανάλυση και παράγουν εικόνες της γήινης επιφάνειας και των νεφικών συστημάτων κάθε 15 λεπτά. Η χωρική ανάλυση των METEOSAT είναι επίσης υψηλή και αντιστοιχεί σε 0.05 ο x0,05 ο. Με την βοήθεια λοιπόν του CM SAF που παρέχει υψηλής ποιότητας αρχεία από γεωστατικές και πολικές τροχιές τόσο σε ευρωπαϊκή αλλά και σε παγκόσμια κλίμακα χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα για την μελέτη των μακροφυσικών και μικροφυσικών ιδιοτήτων των νεφών. Αντίθετα, οι δορυφόροι Αqua και Τerra δίνουν πληροφορίες χαμηλής ανάλυσης σε σύγκριση με τους δορυφόρους METEOSAT 2 ης γενιάς. Η χρονική ανάλυσή τους είναι χαμηλότερη από του METEOSAT αλλά και η χωρική τους ανάλυση είναι χαμηλή και αντιστοιχεί σε 1 ο x 1 ο. Έτσι, μέσω των του CERES υπολογίστηκαν οι μακροφυσικές και μικροφυσικές ιδιότητες των νεφών και πραγματοποιήθηκε η σύγκριση μεταξύ των δορυφόρων. 25

26 3.2: Επεξεργασία δεδομένων Σύμφωνα λοιπόν με τα δεδομένα από το CM SAF υπολογίστηκε η ενεργός ακτίνα των σταγονιδίων και των παγοκρυστάλλων των νεφών με χρήση της σχέσης: CWP( ph)*3 Re( ph) (3,1) 2* ( ph)* COT( ph) όπου ph: η φάση του νερού (υγρό ή πάγος) CWP: cloud water path (km/m 2 ) Re: effective radius (μm) COT: cloud optical thickness ρ: πυκνότητα νερού (υγρό=999 km/m 3, πάγος=993 km/m 3 ) Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν με την εφαρμογή των εντολών CDO (Climate Data Operators) σε αρχεία με μορφή NetCDF. Αρχικά, υπολογίστηκε η ετήσια χρονοσειρά για το Rei και το Rel αλλά και η εποχιακή διακύμανση όπως βρέθηκε από το CM SAF. Από την άλλη, στα CERES αρχεία υπήρχε η ετήσια χρονοσειρά των Rei και Rel και υπολογίστηκε μόνο η εποχιακή διακύμανση αυτών. Στην συνέχεια, έγινε σύγκριση των δεδομένων από CM SAF και CERES. Για τον λόγο αυτό όλα τα δεδομένα από το CM SAF μετατράπηκαν ανά πίξελ σε 1 ο x 1 ο για να έχουν την ίδια χωρική ανάλυση. Έπειτα, υπολογίστηκαν τα ακόλουθα στατιστικά μεγέθη τα οποία μας δείχνουν και τις διαφορές ανάμεσα στους δύο δορυφόρους: Α) Μέση τιμή της διαφοράς: Εκφράζει την διαφορά μεταξύ των μέσων τιμών των δύο χρονοσειρών, δηλαδή Mean Bias(MB)=Mean(CM SAF)-Mean(CERES) n 1 MB ( Y O ) Y O, όπου Y=CM SAF και O=CERES (3,2) n i 1 i i Β)Μέση τιμή της διαφοράς επί τοις εκατό: Εκφράζει το ποσοστό της διαφοράς μεταξύ των μέσων τιμών των δύο χρονοσειρών, δηλαδή Normalized Mean Bias(NMB)*%=(Mean(CM SAF)-Mean(CERES))/Mean(CERES) n ( Yi Oi) i 1 Y NMB x100% ( 1) x100%, όπου Y=CM SAF και O=CERES (3,3) n O ( O ) i 1 i 26

27 Γ)Μέση τιμή απόλυτης διαφοράς: Εκφράζει το μέσο όρο της απόλυτης διαφοράς μεταξύ δύο χρονοσειρών, δηλαδή Mean Absolute Bias(MAB)=Mean(absolute(CM SAF-CERES)) n 1 MAB Y O n i 1 i i, όπου Y=CM SAF και O=CERES (3,4) Παρόλα αυτά, για την ερμηνεία των ενεργών ακτίνων Rei και Rel μεταξύ του CM SAF και CERES κρίθηκε σκόπιμο να εξεταστούν και δυο ακόμα παράμετροι που σχετίζονται με τα νέφη. Αυτές είναι, το ποσοστό της νεφοκάλυψης(cfc-cloud Fractional Cover) που είναι μακροφυσική ιδιότητα των νεφών αλλά και το οπτικό βάθος των νεφών(cot-cloud Optical Thickness) που είναι μια από τις μικροφυσικές ιδιότητες των νεφών. Το CFC δείχνει αν ο δορυφόρος βλέπει πολλά ή λίγα νέφη ενώ το COT αν τα νέφη είναι θερμά ή ψυχρά. Τα παραπάνω στατιστικά μεγέθη υπολογίστηκαν και πάλι για να πραγματοποιηθεί σύγκριση μεταξύ των δύο δορυφόρων. Η παραπάνω ανάλυση των δεδομένων έγινε με σκοπό να δειχθεί ποιος από τους δύο δορυφόρους παρέχει καλύτερες πληροφορίες για τις οπτικές ιδιότητες των νεφών. Τα νέφη κατέχουν σημαντικό ρόλο τόσο στην διαμόρφωση της ατμόσφαιρας όσο και του κλίματος. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Αποτελέσματα 4.1: Ποσοστό νεφοκάλυψης-cfc Στο κεφάλαιο αυτό, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την επεξεργασία των δεδομένων από CM SAF και CERES για το ποσοστό νεφοκάλης CFC(Cloud Fractional Cover). Η χρονική περίοδος της έρευνας είναι και η παράμετρος CFC ήταν ήδη υπολογισμένη από το CM SAF και το CERES. Στη συνέχεια, για να γίνει σύγκριση των αποτελεσμάτων μεταξύ των CM SAF και CERES υπολογίστηκαν τα στατιστικά μεγέθη Mean Bias και Normalized Mean Bias σύμφωνα με τις σχέσεις (3,2) και (3,3). Έτσι, προέκυψε πως η μέση ετήσια τιμή του CFC σύμφωνα με το CM SAF είναι μεγαλύτερη κατά ~10,9% από αυτή του CERES. Από την άλλη, η εποχιακή διακύμανση κατά το CERES εμφανίζει ιδιαίτερες διακυμάνσεις με εύρος ~12%. Τέλος, για την καλύτερη κατανόηση των αποτελεσμάτων παρουσιάζονται διαγράμματα και χάρτες που απεικονίζουν την ετήσια αλλά και την εποχιακή διακύμανση του CFC. 27

28 Οι παρακάτω πίνακες παρουσιάζουν την μέση τιμή της ετήσιας και της εποχιακής χρονοσειράς καθώς και τα στατιστικά μεγέθη για το CFC. Πίνακας 4.1:Μέση τιμή ετήσιας διακύμανσης του ποσοστού νεφοκάλυψης CFC από CM SAF και CERES. ΜΕΣΗ ΕΤΗΣΙΑ ΤΙΜΗ-CFC CM SAF CERES 60,33 54,36 Πίνακας 4.2:Μέση τιμή εποχιακής διακύμανσης του ποσοστού νεφοκάλυψης CFC από CM SAF και CERES. ΜΕΣΗ ΕΠΟΧΙΑΚΗ ΤΙΜΗ -CFC SEASONS CM SAF CERES WINTER 66,67 59,71 SPRING 63 56,58 SUMMER 52,67 47,75 AUTUMN 59 53,4 Πίνακας 4.3:Μέση τιμή στατιστικών μεγεθών για το ποσοστό νεφοκάλυψης CFC από CM SAF και CERES. ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΩΝ ΜΕΓΕΘΩΝ-CFC ΜΒ ΝΜΒ% 5,97 10,92 Παρατηρούμε πως η ετήσια μέση τιμή του CFC από CM SAF είναι μεγαλύτερη κατά 10,92% από αυτήν του CERES. Στην εποχιακή κατανομή η μέση τιμή του CFC ακολουθεί την ετήσια χρονοσειρά με τις μεγαλύτερες τιμές να εμφανίζονται στο CM SAF με εξαίρεση το καλοκαίρι και το φθινόπωρο όπου παρατηρούμε πως οι τιμές του CM SAF κυμαίνονται στα πλαίσια του CERES όμως και πάλι είναι μεγαλύτερες. Μέγιστη μέση εποχιακή τιμή CFC έχουμε τον χειμώνα (66,67%) κατά το CM SAF αλλά και κατά CERES(59,71%). Ελάχιστη μέση εποχιακή τιμή CFC παρατηρείται το καλοκαίρι (52,67%) κατά το CMSAF αλλά και κατά CERES η ελάχιστη μέση εποχιακή τιμή είναι το καλοκαίρι (47,75%). Τέλος, η μεταβολή του CFC μεταξύ των εποχών κατά το CM SAF αλλά και κατά το CERES παρουσιάζει έντονες διακυμάνσεις. 28

29 CFC(%) Στο διάγραμμα που ακολουθεί απεικονίζονται τα αποτελέσματα της μέσης ετήσιας τιμής του CFC από CM SAF και CERES αλλά και το στατιστικό μέγεθος Mean Bias που εκφράζει τη διαφορά μεταξύ των δύο χρονοσειρών. Έπειτα, με την μορφή χάρτη απεικονίζεται και πάλι το CFC από CM SAF και CERES για την περιοχή της Ευρώπης CM SAF-CFC CERES-CFC CM SAF-CERES Time Διάγραμμα 4.4: Γραφική απεικόνιση της μέσης ετήσιας διακύμανσης του ποσοστού νεφοκάλυψης CFC από CM SAF και CERES καθώς και η μέση τιμή της διαφορά τους. Σύμφωνα με το παραπάνω διάγραμμα, παρατηρούμε πως το CM SAF εμφανίζει μεγαλύτερες τιμές CFC από το CERES, όμως παρουσιάζουν την ίδια διακύμανση, δηλαδή τα ίδια ελάχιστα και μέγιστα. Η διαφορά τους εμφανίζει και αυτή μια σχετική διακύμανση η οποία ακολουθεί το CM SAF και το CERES. Η μέγιστη τιμή της διαφοράς τους εμφανίζεται τον Φεβρουάριο 2010 και είναι 8,79% ενώ η ελάχιστη τον Ιούλιο 2007 και είναι 3,17%. 29

30 Χάρτης 4.5: Απεικόνιση της μέσης ετήσιας διακύμανσης του ποσοστού νεφοκάλυψης CFC από CM SAF και CERES. 30

31 CFC(%) Σύμφωνα με τους παραπάνω χάρτες, παρατηρούμε πως κατά το CM SAF εμφανίζεται διακύμανση στο ποσοστό νεφοκάλυψης. Μεγάλο ποσοστό νεφοκάλυψης εμφανίζεται σε ολόκληρο τον Ατλαντικό Ωκεανό αλλά και από την Κεντρική Ευρώπη και βορειότερα προς τα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Όσο πηγαίνουμε νοτιότερα στον χάρτη παρατηρούμε πως το ποσοστό νεφοκάλυψης μειώνεται. Το CERES από την άλλη δεν εμφανίζει κάποια διαφορά όσον αφορά τις περιοχές νεφοκάλυψης αλλά παρουσιάζει ελαφρώς μια πιο ασθενή νεφοκάλυψη συγκριτικά με το CM SAF. Το ακόλουθο διάγραμμα δείχνει την εποχιακή διακύμανση του CFC από CM SAF και CERES CM SAF-CFC CERES-CFC CM SAF-CERES JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Month Διάγραμμα 4.6: Γραφική απεικόνιση της μέσης εποχιακής διακύμανσης της ενεργούς ακτίνας του ποσοστού νεφοκάλυψης CFC από CM SAF και CERES καθώς και η μέση τιμή της διαφορά τους. Στο παραπάνω διάγραμμα παρατηρούμε πως το CM SAF εμφανίζει μεγαλύτερο ποσοστό νεφοκάλυψης από το CERES. Σύγκλιση παρουσιάζεται κατά την διάρκεια του καλοκαιριού ενώ απόκλιση έχουμε κατά την διάρκεια του χειμώνα και του φθινοπώρου. Η διαφορά τους δεν εμφανίζει κάποιο ιδιαίτερο χαρακτηριστικό όμως ακολουθεί την διακύμανση των δύο χρονοσειρών. Η μέγιστη τιμή της διαφοράς τους εμφανίζεται τον Ιανουάριο και είναι 7,03% και η ελάχιστη τιμή της διαφοράς τους τον Σεπτέμβριο και είναι 4,42%. 31

32 Χάρτης 4.7: Συγκριτική απεικόνιση μέσης εποχιακής τιμής του ποσοστού νεφοκάλυψης CFC μεταξύ CM SAF και CERES. 32

33 Οι παραπάνω χάρτες κάνουν μια σύγκριση των εποχών μεταξύ CM SAF και CERES. Παρατηρούμε λοιπόν πως το CM SAF, τον χειμώνα και την άνοιξη, μεγάλο ποσοστό νεφοκάλυψης εμφανίζεται σε ολόκληρο τον Ατλαντικό Ωκεανό αλλά και από την Κεντρική Ευρώπη και βορειότερα προς τα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Όσο πηγαίνουμε νοτιότερα στον χάρτη παρατηρούμε πως το ποσοστό νεφοκάλυψης μειώνεται. Η μείωση αυτή είναι εντονότερη κατά την διάρκεια της άνοιξης και του καλοκαιριού. Από την άλλη το CERES σε όλες τις εποχές ακολουθεί το CM SAF ως προς τις περιοχές νεφοκάλυψης, όμως εμφανίζει μικρότερα ποσοστά. 4.2: Οπτικό βάθος νεφών-cot Στο κεφάλαιο αυτό, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την επεξεργασία των δεδομένων από CM SAF και CERES για το οπτικό βάθος των νεφών COT(Cloud Optical Thickness). Η χρονική περίοδος της έρευνας είναι και η παράμετρος COT ήταν ήδη υπολογισμένη από το CM SAF και το CERES. Στη συνέχεια, για να γίνει σύγκριση των αποτελεσμάτων μεταξύ των CM SAF και CERES υπολογίστηκαν τα στατιστικά μεγέθη Mean Bias και Normalized Mean Bias σύμφωνα με τις σχέσεις (3,2) και (3,3). Έτσι, προέκυψε πως η μέση ετήσια τιμή του COT σύμφωνα με το CERES είναι μεγαλύτερη κατά ~9,83% από αυτή του CM SAF. Από την άλλη, η εποχιακή διακύμανση κατά το CERES εμφανίζει ιδιαίτερες διακυμάνσεις με εύρος 2,3. Τέλος, για την καλύτερη κατανόηση των αποτελεσμάτων παρουσιάζονται διαγράμματα και χάρτες που απεικονίζουν την ετήσια αλλά και την εποχιακή διακύμανση του COT. 33

34 Οι παρακάτω πίνακες παρουσιάζουν την μέση τιμή της ετήσιας και της εποχιακής χρονοσειράς καθώς και τα στατιστικά μεγέθη για το COT. Πίνακας 4.8:Μέση τιμή ετήσιας διακύμανσης του οπτικού βάθους των νεφών COT από CM SAF και CERES. ΜΕΣΗ ΕΤΗΣΙΑ ΤΙΜΗ-COT CM SAF CERES 7,9 8,78 Πίνακας 4.9:Μέση τιμή εποχιακής διακύμανσης του οπτικού βάθους των νεφών COT από CM SAF και CERES. ΜΕΣΗ ΕΠΟΧΙΑΚΗ ΤΙΜΗ-COT SEASONS CM SAF CERES WINTER 8,72 10,04 SPRING 7,57 8,53 SUMMER 7,1 7,75 AUTUMN 8,2 8,81 Πίνακας 4.10:Μέση τιμή στατιστικών μεγεθών για το οπτικό βάθος των νεφών COT από CM SAF και CERES. ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΩΝ ΜΕΓΕΘΩΝ-COT ΜΒ ΝΜΒ% -0,88-9,83 Παρατηρούμε πως η ετήσια μέση τιμή του COT από CERES είναι μεγαλύτερη κατά 9,83% από αυτήν του CM SAF. Στην εποχιακή κατανομή η μέση τιμή του COT ακολουθεί την ετήσια χρονοσειρά με τις μεγαλύτερες τιμές να εμφανίζονται στο CM SAF τον χειμώνα και το φθινόπωρο όπου παρατηρούμε πως και οι τιμές του CERES κυμαίνονται στα πλαίσια του CM SAF όμως και πάλι είναι μεγαλύτερες. Μέγιστη μέση εποχιακή τιμή COT έχουμε τον χειμώνα (8,72) κατά το CM SAF αλλά και κατά CERES(10,04). Ελάχιστη μέση εποχιακή τιμή COT παρατηρείται το καλοκαίρι (7,1) κατά το CMSAF αλλά και κατά CERES η ελάχιστη μέση εποχιακή τιμή είναι το καλοκαίρι (7,75). Τέλος, η μεταβολή του COT μεταξύ των εποχών κατά το CM SAF αλλά και κατά το CERES παρουσιάζει διακυμάνσεις. 34

35 COT Στο παρακάτω διάγραμμα απεικονίζονται τα αποτελέσματα της μέσης ετήσιας τιμής του COT από CM SAF και CERES αλλά και το στατιστικό μέγεθος Mean Bias που εκφράζει τη διαφορά μεταξύ των δύο χρονοσειρών. Έπειτα, με την μορφή χάρτη απεικονίζεται και πάλι το COT από CM SAF και CERES για την περιοχή της Ευρώπης CM SAF-COT CERES-COT CM SAF-CERES Time Διάγραμμα 4.11: Γραφική απεικόνιση της μέσης ετήσιας διακύμανσης του οπτικού βάθους των νεφών COT από CM SAF και CERES καθώς και η μέση τιμή της διαφορά τους. Σύμφωνα με το παραπάνω διάγραμμα, παρατηρούμε πως το CERES εμφανίζει μεγαλύτερες τιμές COT από το CM SAF, όμως παρουσιάζουν την ίδια διακύμανση, δηλαδή τα ίδια ελάχιστα και μέγιστα. Η διαφορά τους εμφανίζει και αυτή μια σχετική διακύμανση η οποία ακολουθεί το CM SAF και το CERES. Η μέγιστη τιμή της διαφοράς τους εμφανίζεται τον Μάρτιο 2005 και είναι 0,28 ενώ η ελάχιστη τον Φεβρουάριο 2009 και είναι -2,17. 35

36 Χάρτης 4.12: Απεικόνιση της μέσης ετήσιας διακύμανσης του οπτικού βάθους των νεφών COT από CM SAF και CERES. 36

37 COT Σύμφωνα με τους παραπάνω χάρτες, παρατηρούμε πως κατά το CM SAF εμφανίζεται διακύμανση στο οπτικό βάθος των νεφών. Μεγάλο οπτικό βάθος εμφανίζεται πάνω από τους ορεινούς όγκους της Σκανδιναβίας, των Άλπεων και της Ανατολίας ενώ στην υπόλοιπη Ευρώπη δεν παρουσιάζονται έντονες διακυμάνσεις. Το CERES από την άλλη εμφανίζει μεγαλύτερο οπτικό βάθος στην Κεντρική Ευρώπη. Ο επόμενος χάρτης απεικονίζει την εποχιακή διακύμανση του COT από CM SAF και CERES CM SAF-COT CERES-COT CM SAF-CERES JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Month Διάγραμμα 4.13: Γραφική απεικόνιση της μέσης εποχιακής διακύμανσης του οπτικού βάθους των νεφών COT από CM SAF και CERES καθώς και η μέση τιμή της διαφορά τους. Στο παραπάνω διάγραμμα παρατηρούμε πως το CERES εμφανίζει μεγαλύτερο οπτικό βάθος από το CM SAF. Σύγκλιση παρουσιάζεται κατά την διάρκεια του φθινοπώρου ενώ απόκλιση έχουμε κατά την διάρκεια του χειμώνα και της άνοιξης. Η διαφορά τους δεν εμφανίζει κάποιο ιδιαίτερο χαρακτηριστικό. Η μέγιστη τιμή της διαφοράς τους εμφανίζεται τον Σεπτέμβριο και είναι -0,31 και η ελάχιστη τιμή της διαφοράς τους τον Δεκέμβριο και είναι -1,74. 37

38 Χάρτης 4.14: Συγκριτική απεικόνιση μέσης εποχιακής τιμής του οπτικού βάθους των νεφών COT μεταξύ CM SAF και CERES. 38

39 Οι παραπάνω χάρτες κάνουν μια σύγκριση των εποχών μεταξύ CM SAF και CERES. Παρατηρούμε λοιπόν πως το CM SAF, τον χειμώνα εμφανίζει μεγαλύτερο COT πάνω από τους ορεινούς όγκους της Σκανδιναβίας, των Άλπεων και της Ανατολίας ενώ στην υπόλοιπη Ευρώπη δεν παρουσιάζονται έντονες διακυμάνσεις. Το ίδιο συμβαίνει και την άνοιξη με τις τιμές του COT να μειώνονται και άλλο. Το καλοκαίρι και το φθινόπωρο δεν παρουσιάζονται διακυμάνσεις. Αντίθετα το CERES εμφανίζει μια εντελώς διαφορετική διακύμανση. Τον χειμώνα μεγάλο COT εμφανίζεται στην Κεντρική Ευρώπη το οποίο όσο μπαίνουμε στην άνοιξη μειώνεται τόσο που φαίνεται να μην υπάρχουν ιδιαίτερες διακυμάνσεις. Το καλοκαίρι μεγαλύτερο COT εμφανίζεται μόνο στα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Τέλος, κατά την διάρκεια του φθινοπώρου παρατηρούμε πως μεγαλύτερο COT παρουσιάζεται πάνω από την Κεντρική Ευρώπη. 4.3: Ενεργός ακτίνα παγοκρυστάλλων-rei Στο κεφάλαιο αυτό, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την επεξεργασία των δεδομένων από CM SAF και CERES για την ενεργό ακτίνα των παγοκρυστάλλων Rei. Η χρονική περίοδος της έρευνας είναι και η σχέση που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του Rei είναι η (3,1). Στη συνέχεια, για να γίνει σύγκριση των αποτελεσμάτων μεταξύ των CM SAF και CERES υπολογίστηκαν τα στατιστικά μεγέθη Mean Bias και Normalized Mean Bias σύμφωνα με τις σχέσεις (3,2) και (3,3). Έτσι, προέκυψε πως η μέση ετήσια τιμή του Rei σύμφωνα με το CERES είναι μεγαλύτερη κατά ~20%. Από την άλλη και η εποχιακή διακύμανση κατά το CM SAF δεν εμφανίζει ιδιαίτερες μεταβολές. Τέλος, για την καλύτερη κατανόηση των αποτελεσμάτων παρουσιάζονται διαγράμματα και χάρτες που απεικονίζουν την ετήσια αλλά και την εποχιακή διακύμανση του Rei. 39

40 Οι παρακάτω πίνακες παρουσιάζουν την μέση τιμή της ετήσιας και της εποχιακής χρονοσειράς καθώς και τα στατιστικά μεγέθη για το Rei. Πίνακας 4.15:Μέση τιμή ετήσιας διακύμανσης ενεργούς ακτίνας παγοκρυστάλλων Rei από CM SAF και CERES. ΜΕΣΗ ΕΤΗΣΙΑ ΤΙΜΗ-Rei(μm) CM SAF CERES 22,42 28,02 Πίνακας 4.16:Μέση τιμή εποχιακής διακύμανσης ενεργούς ακτίνας παγοκρυστάλλων Rei από CM SAF και CERES. ΜΕΣΗ ΕΠΟΧΙΑΚΗ ΤΙΜΗ-Rei(μm) SEASONS CM SAF CERES WINTER 22 28,26 SPRING 22,67 28,43 SUMMER 22,33 27,32 AUTUMN 22,67 28,07 Πίνακας 4.17:Μέση τιμή στατιστικών μεγεθών για την ενεργό ακτίνα των παγοκρυστάλλων Rei από CM SAF και CERES. ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΩΝ ΜΕΓΕΘΩΝ- Rei ΜΒ(μm) ΝΜΒ% -5,6-19,97 Παρατηρούμε πως η ετήσια μέση τιμή του Rei από CM SAF είναι μικρότερη κατά 19,97% από αυτήν του CERES. Στην εποχιακή κατανομή η μέση τιμή του Rei ακολουθεί την ετήσια χρονοσειρά με τις μικρότερες τιμές να εμφανίζονται στο CM SAF. Μέγιστη μέση εποχιακή τιμή Rei έχουμε την άνοιξη και το φθινόπωρο (22,67 μm) κατά το CM SAF, ενώ κατά CERES η μέγιστη μέση εποχιακή τιμή Rei εμφανίζεται την άνοιξη (28,43 μm). Ελάχιστη μέση εποχιακή τιμή Rei παρατηρείται τον χειμώνα (22 μm) κατά το CMSAF, ενώ κατά CERES η ελάχιστη μέση εποχιακή τιμή είναι το καλοκαίρι (27,32 μm). Έτσι, η εποχιακή διαφορά είναι περίπου 6 μm και δεν εμφανίζεται σημείο σύγκλισης μεταξύ των δύο. Τέλος, η μεταβολή του Rei μεταξύ των εποχών κατά το CM SAF δεν παρουσιάζει ιδιαίτερες διακυμάνσεις καθώς κυμαίνεται από 22μm-22,67μm, ενώ κατά το CERES υπάρχει διαφορά μεγαλύτερη του 1μm μεταξύ των εποχών. 40

41 Rei(micrometers) Στο διάγραμμα αυτό απεικονίζονται τα αποτελέσματα της μέσης ετήσιας τιμής του Rei από CM SAF και CERES αλλά και το στατιστικό μέγεθος Mean Bias που εκφράζει τη διαφορά μεταξύ των δύο χρονοσειρών. Έπειτα, με την μορφή χάρτη απεικονίζεται και πάλι το Rei από CM SAF και CERES για την περιοχή της Ευρώπης CM SAF-Rei CERES-Rei CM SAF-CERES Time Διάγραμμα 4.18: Γραφική απεικόνιση της μέσης ετήσιας διακύμανσης της ενεργούς ακτίνας των παγοκρυστάλλων Rei από CM SAF και CERES καθώς και η μέση τιμή της διαφορά τους. Σύμφωνα με το παραπάνω διάγραμμα,παρατηρούμε πως το CERES εμφανίζει μεγαλύτερες τιμές Rei από το CM SAF, χωρίς όμως ιδιαίτερες διακυμάνσεις. Αντίθετα, στο CM SAF οι διακυμάνσεις είναι πιο ευκρινείς. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό είναι το κενό που εμφανίζεται στο διάγραμμα στην χρονοσειρά CM SAF και CM SAF- CERES για το έτος Αυτό οφείλεται στο ότι το COT-Ice που χρησιμοποιήθηκε στην σχέση (3,1) για τον υπολογισμό του Rei, δεν έχει μετρήσεις κατά το έτος Η μέγιστη τιμή της διαφοράς τους εμφανίζεται τον Ιούλιο 2008 και είναι -4,22 ενώ η ελάχιστη τον Φεβρουάριο 2007 και είναι -7,38. 41

42 Χάρτης 4.19: Απεικόνιση της μέσης ετήσιας διακύμανσης της ενεργούς ακτίνας των παγοκρυστάλλων Rei από CM SAF και CERES. Σύμφωνα με τους παραπάνω χάρτες, παρατηρούμε πως κατά το CM SAF εμφανίζεται διακύμανση στη τιμή του Rei. Μικρότερες τιμές εμφανίζονται στα μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη κυρίως πάνω από την Σκανδιναβία αλλά και πάνω από την Κεντρική Ευρώπη. Μεγαλύτερες τιμές διακρίνονται κυρίως στα μικρότερα γεωγραφικά πλάτη δηλαδή πάνω από την Αφρική αλλά και σε περιοχές όπως ο Ατλαντικός Ωκεανός και η λεκάνη της Μεσογείου. Αντίθετα το CERES δεν παρουσιάζει διακυμάνσεις στην μέση τιμή του Rei. Η μέγιστη τιμή της διαφοράς 42

43 Rei(micrometers) τους εμφανίζεται τον Ιούλιο 2008 και είναι -4,22 ενώ η ελάχιστη τον Φεβρουάριο 2007 και είναι -7,38. Στο παρακάτω διάγραμμα γίνεται απεικόνιση της εποχιακής διακύμανσης του Rei από CM SAF και CERES CM SAF-Rei CERES-Rei CM SAF-CERES JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Month Διάγραμμα 4.20: Γραφική απεικόνιση της μέσης εποχιακής διακύμανσης της ενεργούς ακτίνας των παγοκρυστάλλων Rei από CM SAF και CERES καθώς και η μέση τιμή της διαφορά τους. Στο παραπάνω διάγραμμα παρατηρούμε πως το CERES εμφανίζει μεγαλύτερες τιμές Rei από το CM SAF. Μεγαλύτερη απόκλιση διακρίνεται στις αρχές της άνοιξης και συγκεκριμένα τον Μάρτιο με διαφορά -6,62μm ενώ συγκλίνουν το καλοκαίρι, με μέγιστη σύγκλιση τον μήνα Ιούνιο με διαφορά -4,44 μm. 43

44 Χάρτης 4.21: Συγκριτική απεικόνιση μέσης εποχιακής τιμής της ενεργούς ακτίνας των παγοκρυστάλλων Rei μεταξύ CM SAF και CERES. 44

45 Οι παραπάνω χάρτες κάνουν μια σύγκριση των εποχών μεταξύ CM SAF και CERES. Παρατηρούμε λοιπόν πως το CM SAF, τον χειμώνα εμφανίζει μικρές τιμές Rei περίπου 18-20μm πάνω από την Σκανδιναβία και την Κεντρική Ευρώπη, ενώ αρκετά μεγαλύτερες τιμές Rei εμφανίζονται πάνω από τον Ατλαντικό Ωκεανό και την λεκάνη της Μεσογείου. Κατά την περίοδο της άνοιξης οι τιμές του Rei φαίνεται να ακολουθούν την ίδια πορεία με τον χειμώνα. Περνώντας στη περίοδο όμως του καλοκαιριού το Rei φαίνεται να έχει αρκετά υψηλές τιμές που ξεπερνούν τα 30μm σε όλη την Ευρώπη πλην των περιοχών στα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Τέλος, κατά την περίοδο του φθινοπώρου το Rei εμφανίζει υψηλές τιμές μόνο στις περιοχές του Ατλαντικού και της λεκάνης της Μεσογείου. Σε αντίθεση με το CM SAF, το CERES σε καμία εποχή δεν παρουσιάζει διακυμάνσεις με τις τιμές να κυμαίνονται περίπου στα 28μm. 4.4: Ενεργός ακτίνα σταγονιδίων-rel Στο κεφάλαιο αυτό, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την επεξεργασία των δεδομένων από CM SAF και CERES για την ενεργό ακτίνα των υγρών σταγονιδίων Rel. Η χρονική περίοδος της έρευνας είναι και η σχέση που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του Rel είναι η (3,1). Στη συνέχεια, για να γίνει σύγκριση των αποτελεσμάτων μεταξύ των CM SAF και CERES υπολογίστηκαν τα στατιστικά μεγέθη Mean Bias και Normalized Mean Bias σύμφωνα με τις σχέσεις (3,2) και (3,3). Έτσι, προέκυψε πως η μέση ετήσια τιμή του Rel σύμφωνα με το CM SAF είναι μεγαλύτερη κατά ~12,6%. Από την άλλη και η εποχιακή διακύμανση κατά το CERES δεν εμφανίζει ιδιαίτερες μεταβολές καθώς είναι σχεδόν σταθερή στα 10,2μm. Τέλος, για την καλύτερη κατανόηση των αποτελεσμάτων παρουσιάζονται διαγράμματα και χάρτες που απεικονίζουν την ετήσια αλλά και την εποχιακή διακύμανση του Rel. 45

46 Οι παρακάτω πίνακες παρουσιάζουν την μέση τιμή της ετήσιας και της εποχιακής χρονοσειράς καθώς και τα στατιστικά μεγέθη για το Rel. Πίνακας 4.22:Μέση τιμή ετήσιας διακύμανσης ενεργούς ακτίνας σταγονιδίων Rel από CM SAF και CERES. ΜΕΣΗ ΕΤΗΣΙΑ ΤΙΜΗ-Rel(μm) CM SAF CERES 11,5 10,22 Πίνακας 4.23:Μέση τιμή εποχιακής διακύμανσης ενεργούς ακτίνας σταγονιδίων Rel από CM SAF και CERES. ΜΕΣΗ ΕΠΟΧΙΑΚΗ ΤΙΜΗ- Rel(μm) SEASONS CM SAF CERES WINTER 11 10,21 SPRING 11,33 10,23 SUMMER 12 10,2 AUTUMN 11,67 10,22 Πίνακας 4.24:Μέση τιμή στατιστικών μεγεθών για την ενεργό ακτίνα σταγονιδίων Rel από CM SAF και CERES. ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΩΝ ΜΕΓΕΘΩΝ-Rel ΜΒ(μm) ΝΜΒ% 1,29 12,58 Παρατηρούμε πως η ετήσια μέση τιμή του Rel από CM SAF είναι μεγαλύτερη κατά 12,58% από αυτήν του CERES. Στην εποχιακή κατανομή η μέση τιμή του Rel ακολουθεί την ετήσια χρονοσειρά με τις μεγαλύτερες τιμές να εμφανίζονται στο CM SAF. Μέγιστη μέση εποχιακή τιμή Rel έχουμε το καλοκαίρι (12 μm) κατά το CM SAF, ενώ κατά CERES η μέγιστη μέση εποχιακή τιμή Rel εμφανίζεται την άνοιξη (10,23 μm). Ελάχιστη μέση εποχιακή τιμή Rel παρατηρείται τον χειμώνα (11 μm) κατά το CMSAF, ενώ κατά CERES η ελάχιστη μέση εποχιακή τιμή είναι το καλοκαίρι (10,2 μm). Έτσι, η εποχιακή διαφορά είναι περίπου 1,5 μm και δεν εμφανίζεται σημείο σύγκλισης μεταξύ των δύο. Τέλος, η μεταβολή του Rel μεταξύ των εποχών κατά το CM SAF παρουσιάζει διακυμάνσεις καθώς κυμαίνεται από 11μm-12μm, ενώ κατά το CERES δεν υπάρχει διαφορά μεγαλύτερη του 0,03μm μεταξύ των εποχών. 46

47 Rel(micrometers) Στο παρακάτω διάγραμμα απεικονίζονται τα αποτελέσματα της μέσης ετήσιας τιμής του Rel από CM SAF και CERES αλλά και το στατιστικό μέγεθος Mean Bias που εκφράζει τη διαφορά μεταξύ των δύο χρονοσειρών. Έπειτα, με την μορφή χάρτη απεικονίζεται και πάλι το Rel από CM SAF και CERES για την περιοχή της Ευρώπης CM SAF-Rel CERES-Rel CM SAF-CERES Time Διάγραμμα 4.25: Γραφική απεικόνιση της μέσης ετήσιας διακύμανσης της ενεργούς ακτίνας των σταγονιδίων Rel από CM SAF και CERES καθώς και η μέση τιμή της διαφορά τους. Σύμφωνα με το παραπάνω διάγραμμα,παρατηρούμε πως το CM SAF εμφανίζει μεγαλύτερες τιμές Rel και εμφανή διακύμανση από το CERES. Αντίθετα, στο CERES οι διακυμάνσεις δεν είναι ευκρινείς. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό είναι το κενό που εμφανίζεται στο διάγραμμα στην χρονοσειρά CM SAF και CM SAF-CERES για το έτος Αυτό οφείλεται στο ότι το COT-Liquid που χρησιμοποιήθηκε στην σχέση (3,1) για τον υπολογισμό του Rel, δεν έχει μετρήσεις κατά το έτος Η μέγιστη τιμή της διαφοράς τους εμφανίζεται τον Αύγουστο 2004 και είναι 10,2μm ενώ η ελάχιστη τον Μάρτιο 2006 και είναι 0,61μm. 47

48 Χάρτης 4.26: Απεικόνιση της μέσης ετήσιας διακύμανσης της ενεργούς ακτίνας των σταγονιδίων Rel από CM SAF και CERES. 48

49 Rel(micrometers) Σύμφωνα με τους παραπάνω χάρτες, παρατηρούμε πως κατά το CM SAF εμφανίζεται διακύμανση στη τιμή του Rel. Μικρότερες τιμές εμφανίζονται κυρίως στην Κεντρική Ευρώπη. Μεγαλύτερες τιμές διακρίνονται μόνο πάνω από τους ορεινούς όγκους της Σκανδιναβίας, των Άλπεων και της Ανατολίας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός πως πάνω από ορεινούς όγκους τα νέφη είναι συνήθως πιο παχιά και εμφανίζεται μεγάλο ποσοστό νεφοκάλυψης. Αντίθετα το CERES δεν παρουσιάζει διακυμάνσεις στην μέση τιμή του Rel. Στο παρακάτω διάγραμμα γίνεται απεικόνιση της εποχιακής διακύμανσης του Rel από CM SAF και CERES CM SAF-Rel CERES-Rel CM SAF-CERES JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Month Διάγραμμα 4.27: Γραφική απεικόνιση της μέσης εποχιακής διακύμανσης της ενεργούς ακτίνας των σταγονιδίων Rel από CM SAF και CERES καθώς και η μέση τιμή της διαφορά τους. Στο παραπάνω διάγραμμα παρατηρούμε πως το CM SAF εμφανίζει μεγαλύτερες τιμές Rel από το CERES. Σύγκλιση παρουσιάζεται κατά την διάρκεια του χειμώνα και της άνοιξης ενώ απόκλιση έχουμε κατά την διάρκεια του καλοκαιριού και του φθινοπώρου. Η μέγιστη τιμή της διαφοράς τους εμφανίζεται τον Μάϊο και είναι 1,82μm και η ελάχιστη τιμή της διαφοράς τους τον Μάρτιο και είναι 0,68μm. 49

50 Χάρτης 4.28: Συγκριτική απεικόνιση μέσης εποχιακής τιμής της ενεργούς ακτίνας σταγονιδίων Rel μεταξύ CM SAF και CERES. 50