Determinación de la emisividad y de la temperatura de la superficie del mar mediante radiometría térmica.

Resumen

La medida de la temperatura de la superficie del mar (TSM) desde satélite parecía ser un problema resuelto mediante aproximaciones que partían de la homogeneidad para esta superficie. Sin embargo, en los últimos años han surgido nuevas exigencias en cuanto a la precisión en la determinación de esta magnitud clave para el estudio de los procesos de intercambio en la interfase océano-atmósfera. En esta Tesis Doctoral, y en el marco de la Misión Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) de la Agencia Espacial Europea, se abordan dos temas pendientes en el campo del desarrollo de algoritmos para la determinación precisa de la TSM a partir de observaciones desde el espacio. Se propone, en primer lugar, una metodología operativa y autónoma para la medida de la TSM in situ, que pueda servir como referencia para el desarrollo y validación de dichos algoritmos. Para ello, muchos trabajos han considerado medidas realizadas mediante sondas contacto a cierta profundidad, sin embargo la estratificación térmica de la capa más superficial del océano hace que exista una discrepancia significativa y no simple entre ambas temperaturas, apuntando a la necesidad de la medida de la TSM mediante radiometría térmica. La metodología propuesta parte de un análisis de las magnitudes participantes en el modelo radiativo para la superficie del mar, con el objetivo de establecer la mejor estrategia de medida para la obtención de la TSM con la máxima precisión posible. Dicha metodología permitió la medida de la TSM con una precisión de ± 0,15 K durante las campañas WInd and Salinity Experiment (WISE) 2000 y 2001, desarrolladas en la fase experimental de la misión SMOS. En segundo lugar, la emisividad de la superficie del mar (ESM), magnitud necesaria para la determinación de la TSM a partir de observaciones radiométricas, presenta unas dependencias que, de no estar bien caracterizadas, comportarían errores importantes en dicha temperatura. Para ello, se llevaron a cabo medidas angulares de la ESM para diferentes estados de la rugosidad del mar, que permitieron estudiar sus dependencias y, además, analizar la validez de los modelos teóricos existentes para su determinación. La comparación de estos valores experimentales con el modelo de Masuda et al. (1988) demuestra que éste estima adecuadamente la ESM para ángulos de observación inferiores a 50º, pero la subestima para ángulos superiores. Sin embargo, el modelo de Wu y Smith (1997), incorporando el efecto de la emisión reflejada de la propia superficie, consigue reproducir con mayor exactitud la ESM para cualquier geometría de observación y rugosidad de ésta. Comprobada la bondad de este modelo, pero teniendo en cuenta su complejidad matemática, la cual dificulta una aplicación operativa del mismo, el paso final fue el desarrollo de una parametrización simple pero precisa para la determinación de la ESM en función del ángulo de observación y de la velocidad del viento en superficie, la cual consigue reproducir dicha emisividad con un error inferior a ± 0,0010. Además, se proporcionan los coeficientes necesarios para el uso de dicha parametrización asociada a las bandas térmicas de sensores actualmente a bordo de satélite con posible visión para ángulos elevados: AATSR-ENVISAT, AVHRR-NOAA, MODIS-EOS Aqua/Terra y SEVIRI-MSG. La inclusión de dicha parametrizacion en los algoritmos de determinación de la TSM desde satélite permitiría corregir el decrecimiento de la ESM con el ángulo de observación, además del efecto de la rugosidad, mejorando su precisión para visiones apartadas del nadir, tanto en algoritmos de tipo multicanal como multiangular. ____________________________________________________________________________________________________ SUMMARY Sea Surface Temperature (SST) measurement from satellite seems to be solved. However, a higher accuracy in the SST is required nowadays to study the interchange processes produced in the sea-atmosphere interface. This Thesis, in the framework of the Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) Mission of the European Space Agency, deals with two pending issues in the development of algorithms for an accurate SST retrieval from space. First, an operational and autonomous methodology is proposed for the in situ SST measurement, which could be a reference for the development and validation of these algorithms. Most of the previous works have been using values measured by contact probes in depth, but there is a significant difference between both temperatures due to the surface thermal stratification and so a SST determination by thermal radiometry is required. The methodology development begins with an analysis of each term of the sea radiative model to establish the best measurement strategy to obtain the maximum SST accuracy. This methodology permitted us to determine SST with an uncertainty of ±0.15K during the WInd and Salinity Experiment (WISE) 2000 and 2001, carried out within the SMOS Mission. Secondly, the Sea Surface Emissivity (SSE), which is necessary for the SST retrieval from radiometric observations, shows physical dependences that need an accurate characterization. Thus, angular SSE measurements were carried out under a wide range of sea surface roughness conditions, which allowed us to study these dependences and to analyse the soundness of the theoretical models for SSE estimate. The model proposed by Masuda et al. (1988) works only for observation angles up to 50º, but the Wu and Smith model (1997) reproduces accurately SSE for any viewing geometry and surface roughness. Once the soundness of this last model was checked as well as its mathematical complexity, the final step was the development of a simple parametrization to obtain the SSE as a function of the observation angle and the surface wind speed. This operational algorithm is provided for several current satellite sensors: AATSR-ENVISAT, AVHRR-NOAA, MODIS-EOS Aqua/Terra and SEVIRI-MSG; and permits the SSE determination with an uncertainty lower than ±0.1%.