Determinación de la temperatura y la emisividad de la superficie terrestre en canarias mediante radiometría infrarrojo-térmica

Résumé

La temperatura de la superficie terrestre (TST) es un factor clave dentro del balance de agua y energía atmósfera/superficie y su conocimiento resulta fundamental para la validación y mejora de los modelos meteorológicos globales. Sin embargo, la precisión con la que se determina la TST mediante las técnicas actuales de teledetección es inferior a la requerida para cualquier tipo de estudio meteorológico o climático (±0,5 K). En esta Tesis Doctoral se aborda el problema de la falta de precisión en dicho parámetro a través del estudio de los principales algoritmos de determinación de la TST y de la emisividad de la superficie terrestre (EST) mediante su aplicación a distintas áreas situadas en Tenerife (Islas Canarias). Todo el instrumental radiométrico involucrado fue debidamente calibrado haciendo uso de cuerpos negros de referencia. La localización en altura de estas áreas garantiza un mínimo impacto del efecto atmosférico sobre los datos remotos, y su homogeneidad superficial las convierte en un excelente ejemplo para profundizar en los problemas asociados a las citadas técnicas. Se trata de nueve coladas volcánicas situadas dentro de la Caldera de Las Cañadas del Teide y de la amplia zona forestal de la Isla de Tenerife cubierta del endemismo pinus canariensis. Se obtuvo la EST de las citadas áreas por medio del Método de la caja y del radiométro CIMEL 312-2, y se comparó con los valores de emisividad obtenido por medio del algoritmo ASTER-TES. Se encontraron diferencias importantes de hasta 0,032 para superficies relativamente cercanas en el espacio como Mt. Chahorra, Ucanca y la zona forestal. Estas diferencias demostraron la incapacidad del algoritmo ASTER-TES para reproducir la emisividad en el caso de superficies caracterizadas por un bajo contraste espectral. Para estas últimas, se propone en esta Tesis una mejora en la metodología TES centrada en su módulo NEM, denominada NEM Modificado, que logra reproducir el contraste espectral de la vegetación, con diferencias respecto al valor medido experimentalmente inferiores a 0,005 para cualquier canal. Para la TST, se estudiaron las principales técnicas de determinación de este parámetro, obtenidas mediante datos de simulación y procedentes del sensor ASTER aplicadas a la zona forestal. Se introdujo una nueva metodología operativa (algoritmo GAM) que hace uso de una técnica no paramétrica que considera como términos predictores la altura sobre el nivel del mar y la estacionalidad. Se encontró que esta nueva metodología es capaz de eliminar el error sistemático con respecto a la altura presente en el resto de algoritmos estudiados, lo que constituye un requisito indispensable para la obtención de la TST sobre zonas de orografía compleja. Por último, se abordó la problemática de la falta de precisión en la metodología actual para la determinación de la TST a través del desarrollo de técnicas de validación de la TST y la EST lo más precisas posible. Se seleccionaron dos zonas test situadas en unas condiciones climáticas óptimas y caracterizadas por ser homogéneas en cuanto a su composición y temperatura: Mt. Chahorra y la zona forestal de la Isla de Tenerife. En ellas se validó la TST obtenida por medio de la metodología ASTER-TES. También se incluyó la validación de la TST de la superficie forestal obtenida por medio del algoritmo GAM. Se encontraron diferencias medias entre el valor medido superficial y los obtenidos por medio del algoritmo TES para el área de Mt. Chahorra de entre 0,6 K y 0,8 K, por debajo del umbral de precisión del propio algoritmo. Estas diferencias ascendieron a 2,1 K para la zona de validación del pinar, donde el algoritmo GAM condujo a una reducida diferencia media de 1,0 K. Respecto a la EST, el algoritmo TES no fue capaz de reproducir el reducido contraste espectral de ambas muestras. Los errores más importantes se encontraron en la EST obtenida para la banda 12 del sensor ASTER, oscilando entre 0,025 y 0,016 para la muestra de Mt. Chahorra, y entre 0,032 y 0,017 para la muestra del pinar. Únicamente el algoritmo NEM Modificado fue capaz de reproducir el reducido contraste espectral típico de la vegetación. Además, aparecieron notables discrepancias entre el producto de emisividad ASTER-TES (AST05) y el espectro medido en laboratorio para días afectados por una menor concentración de vapor de agua atmosférico. Este mal funcionamiento muestra el fallo en el que incurren los datos climatológicos usados para generar el citado producto a la hora de reproducir de manera precisa las condiciones atmosféricas, especialmente para periodo nocturno, que es precisamente el periodo más adecuado para desarrollar cualquier ejercicio de validación.