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Oceanografía y Satélites

Solo los dispersómetros de viento a bordo de satélites (figura 5.1) pueden obtener datos con cobertura global, de alta resolución espacial (25‑50 km) y con un muestreo frecuente. Estos instrumentos son radares diseñados para obtener mediciones globales de la sección eficaz de retrodispersión (σ0) a partir de las cuales, se estima el vector de viento sobre la superficie del océano libre de hielo. Son instrumentos que actúan en cualquier situación meteorológica, midiendo celdas amplias sobre las cuales, la retrodispersión es el promedio del conjunto de elementos dispersores, por lo que se obtiene una medida promedio de la rugosidad. La principal limitación es que precisa ver estas celdas desde varias geometrías de visión. Este capítulo tiene por objetivo presentar los fundamentos de la teledetección con dispersómetros. En la sección 2 se introducen los diferentes sensores, en la sección 3 se desarrollan los fundamentos y los diversos aspectos que afectan a la obtención del vector de viento para finalmente en la cuarta sección, examinar sus aplicaciones.

Figura 5.1. Dispersómetro de viento SeaWinds a bordo del satélite QuikSCAT. Con autorización de NASA.

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5.2. Dispersómetros a bordo de satélites 5.2.1. Geometría fija SASS El primer dispersómetro a bordo de satélite fue el SASS (Seasat‑A Satellite Scatterometer), que voló en la misión Seasat de junio a octubre de 1978, operando a una frecuencia de 14,6 GHz. El SASS utilizaba cuatro antenas dispuestas en forma de abanico para iluminar un campo de visión a cada lado del vuelo del satélite, con una huella de ± 45º y ± 135º respecto a la trayectoria del satélite (figura 5.2). Como únicamente obtenía dos mediciones azimutales para cada punto en los campos de visión, no era posible determinar una única dirección del viento sólo con los datos del dispersómetro. Los ángulos de incidencia se movían entre 25º y 55º. La resolución espacial en alcance era de 50 km por filtrado de Doppler fijo.

Figura 5.2. Geometría de visión del dispersómetro SASS.

ESCAT En 1991, la Agencia Espacial Europea (ESA, European Space Agency) lanzó el ERS‑1 llevando a bordo el ESCAT (Ers SCATterometer). Éste, formaba parte del AMI (Active Microwave Instrument) junto con un SAR y un altímetro, que opera en la banda C

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(5,3 GHz). Con el SAR en modo imagen, no funcionan simultáneamente. En modo dispersómetro, el AMI ilumina un campo de visión de 500 km de ancho a estribor del satélite. El ERS‑1 funcionó de 1991 a 1999 y en 1995 se lanzó un satélite gemelo, el ERS‑2. Al igual que el SASS, el AMI usa antenas en forma de abanico para lograr una amplia iluminación. Dentro del campo de visión de medida, el AMI del ERS‑1 ilumina huellas orientadas 45º, 90º y 135º con respecto a la trayectoria de vuelo (figura 5.3). Los ángulos de incidencia iban de 18º a 59º. Se obtienen tres medidas de σ0 desde tres direcciones de visión, para cada celda, en una malla regular a lo largo del campo de visión.

Figura 5.3. Geometría de visión del dispersómetro ESCAT.

Aplicando la función modelo geofísica correspondiente (GMF, Geophysical Model Function) CMOD4 o CMOD-IFR2 se mide viento entre 4‑24 m / s con una precisión de 2 m / s o 10% en intensidad y ± 20º en dirección. El principal inconveniente del AMI es su estrecho campo de visión y la falta de sensibilidad de la banda C al viento (sobretodo a velocidades y ángulos de incidencia bajos).

NSCAT En agosto de 1996, se lanzó el NSCAT (NASA SCATterometer) a bordo del ADEOS‑I, que obtuvo casi 10 meses de datos (falló en junio de 1997). Aunque basado

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Tabla 5.1. Dispersómetros a bordo de satélites y características principales. Satélite  /  agencia Seasat-A (NASA)

Sensor SASS

Fechas 1978-

Resolución Banda Geometría

Campo de visión

Revisita

50 / 100 km

Ku

fija

2 * 500 km

~3 días

ERS-1 (ESA)

ESCAT / AMI 1991-1996

25 / 50 km

C

fija

500 km

~4 días

ERS-2 (ESA)

ESCAT / AMI 1995-2003

25 / 50 km

C

fija

500 km

~4 días

2 * 600 km

ADEOS-1 (NASA)

NSCAT

25 / 50 km

Ku

fija

QuikSCAT (NASA)

Seawinds

1999-

25 km

Ku

rotatoria

1.800 km

~1-2 días

ADEOS-2 (NASDA)

Seawinds

2002-2003

25 km

Ku

rotatoria

1.800 km

~1-2 días

2006-

25 km

C

fija

MetOp-A (ESA)

ASCAT

1996-1997

2 * 550 km

~2 días

~2 días

principalmente en su predecesor, el SASS, el NSCAT tuvo importantes mejoras en su diseño que permitían obtener medidas más precisas y numerosas de la sección eficaz de retrodispersión y del vector de viento. Al igual que el SASS, el NSCAT operaba en la banda Ku a 13,995 GHz. Este dispersómetro permitía medir la sección eficaz de retrodispersión en dos campos de visión de 600 km de ancho (definidos por ángulos de incidencia entre 17º y 60º) y una resolución espacial de 25 km. El diseño del NSCAT resuelve dos de las deficiencias más importantes de los datos de SASS: realiza un filtrado Doppler con centro de frecuencias y ancho de bandas variable, para permitir situar en latitud todas las celdas de σ0 , y la adición de una tercera antena en azimut en cada campo de visión del vector de viento, para reducir las ambigüedades a dos, en la mayoría de los casos. Para cada punto, el NSCAT obtenía tres vistas a tres ángulos distintos, ± 45º, + 65º, ‑ 115º y ± 135º, en relación a la trayectoria (figura 5.4). Para cada ángulo se hacen medidas de polarización vertical de la sección eficaz de retrodispersión, y para + 65º y ‑ 115º se hacen mediciones adicionales con polarización horizontal. Mide el viento entre 3 y 30 m / s con precisión de 2 m / s o 10% en intensidad y 20º en dirección con resolución espacial de 25 km.

ASCAT El ASCAT (Advanced SCATterometer) a bordo del MetOP lanzado en octubre de 2006, es herencia directa de los dispersómetros que orbitaban en la serie ERS en banda C a 5,225 Ghz y polarización vertical. La geometría de visión es la misma que para el ERS, con orientaciones de antenas de 135º, 90º y 45º respecto a la dirección de vuelo (figura 5.5) y ángulos de incidencia que van de 25º a 65º. Pero el ASCAT consta de dos grupos de tres antenas (por un grupo en el caso de la serie ERS), uno orientado a la derecha y otro a la izquierda de la dirección de vuelo del satélite, cada uno centrado a 36º respecto a la vertical del satélite. Esta estructura da lugar a dos campos de visión de 550 km de ancho separados 700 km debajo del satélite. A diferencia del ERS que emitía pulsos cortos e intensos, éste, usa al igual que el SeaWindS (sección 5.2.2), modulación lineal de frecuencia (chirp) conjuntamente con

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Figura 5.4. Geometría de visión del dispersómetro NSCAT.

Figura 5.5. Geometría de visión del dispersómetro ASCAT.

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pulsos largos de intensidad media. Esta forma de emitir pulsos, hace que la resolución espacial pueda pasar de los 50 km hasta los 25 km usando la función modelo geofísica CMOD5. Mide viento entre 1‑24 m / s con una precisión 2 m / s o 10% en intensidad y 20º en dirección.

5.2.2. Geometría rotatoria SeaWinds El sensor SeaWinds del satélite QuikSCAT, lanzado en junio de 1999, fue una misión de recuperación rápida para cubrir el vacío creado por la pérdida de datos del NSCAT, al perderse el ADEOS‑I en junio de 1997. Un sensor gemelo se lanzó a bordo del ADEOS II en diciembre de 2002, pero debido a problemas eléctricos se perdió en octubre de 2003. SeaWinds es un dispersómetro que opera en banda Ku a 13,402 GHz. Una única antena parabólica de aproximadamente 1 m de diámetro, que rota aproximadamente a 18 rpm. La alimentación compensada, genera dos haces transmitidos y recibidos. Los dos haces, trazan dos círculos en la superficie de la Tierra con radios de 710 y 900 km (figura 5.6). Debido a la curvatura de la Tierra, los ángulos de incidencia en la superficie son de 46º y 54º.

Figura 5.6. Geometría de visión del dispersómetro SeaWindS.

SeaWinds es capaz de generar medidas de la sección eficaz de retrodispersión a diferentes resoluciones, a partir de la modulación lineal de frecuencia (chirp). La resolución de la recuperación del vector de viento, que se define como la dimensión de la celda de vector de viento para la cual se han agrupado las medidas de sección eficaz de retrodispersión. Mide vientos entre 3 y 30 m / s, con una precisión mayor de 2 m / s o 10% en velocidad y 20º en dirección y una resolución espacial de 25 km o 12,5 km.

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A distancias perpendiculares menores de 707 km (el radio del haz interior), las celdas de medida se muestrean desde cuatro geometrías. La primera por el haz exterior por delante del vuelo del satélite; la segunda por el haz interior por delante del vuelo del satélite; la tercera por el haz interior por detrás del vuelo del satélite; y la última por el haz exterior por detrás del vuelo del satélite. A mayores distancias, perpendiculares al vuelo del satélite, se obtienen únicamente dos medidas por el haz exterior.

5.2.3. Misiones futuras A los sensores disponibles en la actualidad, les sustituirán dispersómetros a bordo de Oceansat‑2 (India) y HY‑2 (China), con sensores muy similares a SeaWinds, y a bordo del MetOp‑B y MetOp‑C (Europa), con dispersómetros idénticos a ASCAT (ver capítulo 10). En cuanto a requerimientos para nuevas misiones, tanto EUMETSAT y ESA (Euro­pa) como NOAA y NASA (EE.UU.) están de acuerdo en que, en el futuro es necesario conservar o ampliar la cobertura espacial / temporal, mejorar la resolución espacial, obtener medidas más cerca de la costa (actualmente no se obtienen medidas en los primeros 30‑50 km de costa) y aumentar la precisión de medidas de vientos huracanados.

5.3. Medida del viento a partir de dispersómetros 5.3.1. Fundamentos Los dispersómetros de viento son radares diseñados específicamente para obtener precisas y múltiples medidas de la sección eficaz de retrodispersión (σ0 ) de la superficie oceánica. Son radares que apuntan al océano con ángulos de incidencia entre 20º y 70º y el receptor mide la energía procedente del campo de visión para calcular σ0 . Estos radares no resuelven las variaciones de σ0 en alcance y en dirección perpendicular al haz, a resoluciones altas. Las condiciones atmosféricas no afectan de manera sustancial a la radiación emitida y recibida. El estrés de viento conduce la dinámica de la capa límite atmósfera-océano, por lo que es la variable geofísica que une la generación de ondas superficiales y la rugosidad detectada por el radar. La energía retrodispersada es proporcional a la densidad de las ondas capilares gravitatorias generadas por el viento. Las crestas de estas ondas se alinean perpendicularmente a la dirección del viento que las genera. Estas ondas por resonancia, ya que su longitud de onda es similar a la de los dispersómetros, modifican la sección eficaz de retrodispersión del océano y por lo tanto, la energía retrodispersada. A ángulos de incidencia intermedios, los de funcionamiento de los dispersómetros, el mecanismo dominante que aumenta el valor de la retrodispersión es la resonancia de Bragg (1913). Si bien es cierto, que entre 20° y 30° de ángulo de incidencia, la reflexión especular también contribuye significativamente a la σ0 (Stewart, 1985).

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Las características del viento se obtienen mediante el uso de la función modelo geofísica que relaciona la intensidad y la dirección del viento marino a 10 m de altura con la σ0 de la zona iluminada por el radar. En su forma general, la función modelo puede escribirse como:

s0 = M (w, c, ..., q, p, f )

(5.1)

donde σ0 es la sección eficaz de retrodispersión normalizada de la superficie del mar, w y c son la velocidad del viento y la dirección relativa del viento respectivamente, el ángulo, medido en el plano horizontal, entre el viento y la dirección de iluminación del radar, ... la dependencia de otras variables, como la estratificación de la capa límite atmosférica, condiciones de oleaje, temperatura superficial del mar, ... y q, p y f el ángulo de incidencia, la polarización (generalmente vertical u horizontal) y la frecuencia del radar respectivamente. En realidad, la relación directa se produce entre la sección eficaz de retrodispersión y el estrés de viento (Geernaert, 1988), que depende de la velocidad del viento, de la estabilidad y de las características de la capa atmosférica que causa el estrés sobre la superficie del mar (Ross y Louis, 1990). La medida de viento obtenida, se correspondería con el viento real si esa capa límite fuera de estabilidad neutra. Las medidas de la sección eficaz de retrodispersión son ruidosas y no están situadas con precisión, la función modelo no se conoce con exactitud y no existe una única relación con la sección eficaz de retrodispersión. Incluso los parámetros de radar están corrompidos por errores (ángulos incidencia y azimut), aunque estos son de segundo orden. En consecuencia, la derivación teórica de la GMF nunca dio buenos resultados (Janssen et al., 1998), en gran medida debido a que la topografía oceánica (interacción entre olas) no se conoce lo suficientemente bien. En cambio las GMF empíricas (Wentz y Smith, 1999; Hersbach et al., 2007) han demostrado su validez.

5.3.2. Inversión de las mediciones La GMF relaciona las medidas de σ0­ con las dos incógnitas que definen el vector de viento, su dirección e intensidad, por lo que se precisa de más de una medida sobre cada celda de viento. La relevancia del número de medidas sobre cada celda de viento aumenta al tener en cuenta el ruido de las medidas de σ0 . La figura 5.7 (Portabella, 2002) ilustra la importancia del número de medidas, de la geometría de visión y de las características de los haces en los dispersómetros. En la figura 5.7a se muestra que en el caso de una geometría de visión, se obtienen infinitas soluciones de la GMF, y se tienen medidas de ruido simuladas (± 10%), el rango de soluciones se amplía. En el caso de dos geometrías de visión no ruidosas (figura 5.7b) debería haber dos posibles soluciones (intersecciones), pero la naturaleza armónica de la función nos da hasta cuatro soluciones. El caso en que las medidas de la figura 5.7b fueran ruidosas, las curvas no llegarían a cortarse, pero sus distancias mínimas deberían ser tomadas como soluciones. La GMF es casi lineal en el dominio de la velocidad del viento pero

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Figura 5.7. Los trazos representan el conjunto de valores de la velocidad y la dirección del viento, que cumplen la GMF para una medida de σ0 , cuyo ángulo de incidencia es de 54°, y que está producida por un viento de 8 m / s y 245°. El número de geometrías de visión y sus ángulos de polarización y azimutal se distribuyen como: (a) una geometría de visión polarizada verticalmente a 45° (continuo), con ruido simulado en σ0 (punteado y a rayas) que corresponden a incrementos de σ0 en +10% y ‑10%; (b) dos geometrías de visión polarizadas verticalmente a 45° (continuo) y 135° (punteado); (c) tres geometrías de visión polarizadas verticalmente a 45° (continuo), 90° (a rayas) y 135° (punteado); (d) igual que (c) pero la geometría de visión de 90° polarizada horizontalmente (a rayas); (e) tres geometrías de visión polarizadas verticalmente a 45° (continuo), 50° (punteado) y 225° (a rayas); (f) igual que (e) pero la geometría de visión de 50° polarizada horizontalmente (punteado). Las flechas apuntan al viento real y los círculos y segmentos, señalan las posibles soluciones de viento.

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es altamente no lineal y armónica en el caso de la dirección. Este comportamiento se debe a que la sección eficaz de retrodispersión entre las direcciones a favor y en contra del viento presenta diferencias, pero éstas son pequeñas (generalmente mayores en el segundo caso). En cambio, en el caso de dos visiones independientes, la intensidad del viento generalmente se determina correctamente. El concepto de diversidad azimutal hace referencia a la diferencia del ángulo en azimut para que dos medidas de σ0­ sean consideradas independientes. La diferencia ideal es de 90º (figura 5.7b) por el contrario, si dos ángulos de visión son muy cercanos, por ejemplo 5º, no se encontraran intersecciones ni mínimas distancias claras (figura 5.7e). Debido a la naturaleza armónica de la función, el mismo problema ocurrirá con ángulos azimutales grandes, es decir, que difieran unos 180º. Dos visiones pueden considerarse independientes cuando su separación azimutal va de 20º a 160º. En caso de 3 o más geometrías de visión la inversión será buena en caso de que la diversidad azimutal sea adecuada. La figura 5.7c muestra la inversión de tres σ0­ libres de ruido. En ese caso el círculo de la derecha muestra la solución potencial. Sin embargo el ruido de las medidas producirá dos soluciones ambiguas. La figura 5.7d muestra la misma situación que la figura 5.7c con la salvedad que, en la visión central la polarización del haz es horizontal. La respuesta de σ0­ es diferente en función de la polarización, en este caso la inversión es claramente menos ambigua. Las figuras 5.7e y 5.7f muestras 3 medidas de σ0 ­, dos con una diferencia azimutal de 5º y otra separada de éstas 180º. La diferencia entre las dos reside en que la tercera medida está realizada con polarización horizontal. En este caso, el cambio de polarización vertical a horizontal no ayuda a reducir el problema de la inversión. A la vista de lo expuesto anteriormente, se aprecia que la geometría de visión y la polarización de los pulsos, juegan un papel crucial en el diseño de los dispersómetros de viento y el procesamiento de los datos adquiridos. Para el caso de geometría rotatoria (SeaWinds figura 5.6) incluso a pequeñas distancias perpendiculares a la trayectoria, las medidas de la sección eficaz de retrodispersión del SeaWinds son sensibles a la velocidad del viento, ya que los ángulos son constantes y elevados, independientemente de la distancia en la perpendicular de la trayectoria. Sin embargo, los ángulos azimutales (respecto a la trayectoria del satélite en el nadir) varían con la distancia en la perpendicular. Esto difiere de los dispersómetros en forma de abanico (figuras de la 5.2 a la 5.5), en los que los ángulos con respecto al azimut son constantes y lo que varía son los ángulos de incidencia. El diseño de toma de datos en pincel (pencil-beam) del SeaWinds aumenta la cobertura espacial. Como todas las medidas se toman a dos ángulos de incidencia fijos, la sección eficaz de retrodispersión es sensible al vector de viento para todas las posiciones perpendiculares a la trayectoria del satélite dentro del campo de visión de éste. En principio, el hueco de datos en el nadir, presente en todos los diseños en forma de abanico, puede ser eliminado, sin embargo, la falta de diversidad azimutal en la región nadir es una limitación importante del instrumento, ya que esta es crítica en la obtención del campo de viento (Stoffelen y Portabella, 2006). Finalmente, la función modelo geofísica necesita conocerse únicamente cerca de esos dos ángulos de incidencia correspondientes, y no para el amplio rango que se necesitaba en el caso de los sensores en forma de abanico.

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