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CM SAF - La climatologia sulla base di dati satellitari

Inizio del progetto 01.03.2017
Fine del progetto 28.02.2022
Temi Clima
Tempo
Regione UE
Stato Progetti conclusi

I Satellite Application Facilities (SAF) sono centri per l’elaborazione dei dati satellitari e parte integrale dell’Application Ground Segment di EUMETSAT. MeteoSvizzera è partner del progetto Satellite Application Facility on Climate Monitoring (CM SAF) sul monitoraggio del clima dal 2004.

I SAF per il monitoraggio del clima derivano dai dati satellitari i dati climatici sulle componenti fisiche delle nubi, la radiazione della superficie della Terra, il bilancio della radiazione al limite superiore dell’atmosfera e la concentrazione di vapore acqueo nell’atmosfera.

La copertura nuvolosa

Nella precedente fase di questo progetto MeteoSvizzera ha sviluppato un set di dati climatici inerente la copertura nuvolosa. Questi dati climatici si basano sulle misurazioni effettuate dai satelliti METEOSAT di prima e seconda generazione (dal 1991 a oggi) e coprono l’Africa e buona parte dell’Europa con una risoluzione spaziale di 0.05°. Nell’attuale fase progettuale è previsto di estendere questo set di dati fino al 1983.

La serie di dati sulla copertura nuvolosa è un’importante fonte di informazioni sul clima e può ampliare o completare le osservazioni visuali (SYNOP) nelle regioni con una scarsa densità di misurazioni al suolo o con un’elevata variabilità spaziale della copertura nuvolosa, ad esempio in montagna o lungo le coste. Inoltre, le informazioni sulle nubi sono spesso necessarie quale input per dedurre i parametri fisici dai dati satellitari, come ad esempio le proprietà della superficie terrestre e marina, i flussi della radiazione superficiale o le variabili dello stato dell’atmosfera quali l’umidità e la temperatura.

L’algoritmo che definisce l’estensione della nuvolosità si basa sui valori continuativi della nuvolosità anziché sull’approccio tradizionale con un albero di decisione binario. I valori sono calcolati per diversi canali e per diverse risoluzioni spaziali e temporali. Ogni valore comporta una probabilità per la copertura nuvolosa del rispettivo pixel (nuvoloso: valore > 0, privo di nubi: valore < 0). Il risultato finale, ossia la probabilità di copertura nuvolosa, si ottiene sommando tutti i valori disponibili in considerazione della diversa significatività di questi valori di giorno, di notte e su regioni ricoperte di neve.

La temperatura della superficie terrestre

La temperatura della superficie terrestre (LST) è una grandezza che esprime quanto calda o fredda è la superficie della Terra in un determinato luogo. Per chi si occupa di clima questa informazione è molto importante perché influenza gli scambi di materia e di energia fra il terreno e gli strati dell’atmosfera più vicini al suolo.  Essa completa in modo indipendente le informazioni sul cambiamento climatico fornite dalle misure di temperatura dell’aria.

La LST può essere determinata da misurazioni all'infrarosso dei satelliti Meteosat di prima e seconda generazione. Nel 2017 MeteoSvizzera ha pubblicato un ampio set di dati climatici LST come contributo al progetto CM SAF. Questo set di dati climatici si estende su 25 anni con risoluzione oraria e copre gran parte dell'Europa e dell'Africa con una risoluzione spaziale di 0,05°. È il primo set di dati climatici LST su più anni che descrive il ciclo giornaliero. Ciò significa che le informazioni sulla temperatura della superficie del suolo sono disponibili per ogni ora del giorno. Gli sviluppi relativi alla LST sono realizzati in stretta collaborazione con il gruppo SAF per l'analisi delle superfici terrestri (LSA SAF). Nella fase attuale del progetto prevediamo di estendere i dati climatici fino agli anni '80.

La LST è derivata da misurazioni satellitari che utilizzano modelli di trasferimento dell’energia radiante. I sensori satellitari misurano la temperatura al limite superiore dell'atmosfera. Per risalire con precisione alla temperatura al suolo, dobbiamo considerare anche la radiazione proveniente dall'atmosfera. La proporzione della radiazione atmosferica è calcolata utilizzando i dati dei modelli meteorologici, come il contenuto di vapore acqueo atmosferico, utilizzando un modello di trasferimento dell’energia radiante. Poiché la superficie riflette, anche nel campo dell'infrarosso, solo una piccola parte della radiazione abbiamo bisogno di ulteriori dati sull'emissività della superficie terrestre per calcolare la LST. Qui utilizziamo una climatologia dell’emissione mensile del suolo forniti dal satellite MODIS.

Radiazione alla superfice della Terra

Nell'attuale fase del progetto CM SAF (dal 2017 al 2022), MeteoSvizzera sta lavorando al bilancio della radiazione alla superficie della Terra (SRB). La SRB è una variabile climatica essenziale (ECV). MeteoSvizzera sta portando avanti nell’ambito del progetto CM SAF un ambito di attività per produrre, basandosi su misurazioni fatte dai satelliti Meteosat, un set di dati climatici di 30 anni per l'intero bilancio radiativo alla superficie terrestre, comprese la radiazione solare a onde corte incidente sulla superficie terrestre, l'albedo e la radiazione a onde lunghe. Il partner nel consorzio CM SAF RMI (www.meteo.be ) modellizza il flusso di calore latente e sensibile sulla base di componenti di radiazione calcolate da MeteoSvizzera e di informazioni esterne satellitari sullo stato della vegetazione e sull'umidità del suolo.

Questo set di dati climatici copre diversi decenni e presenta una risoluzione oraria. I dati potranno essere utilizzati dagli scienziati per analizzare il bilancio radiativo e energetico in Africa e in Europa degli ultimi 30 anni. In questa fase del progetto consolidiamo sviluppi precedentemente svolti in modo separato nel progetto CM SAF, nel progetto LSA SAF e dalla segreteria di EUMETSAT; standardizzando gli algoritmi e i dati di input. Tutti i componenti del bilancio delle radiazioni saranno quindi calcolati simultaneamente con un unico software.

MeteoSvizzera ha molta esperienza nella derivazione di radiazioni superficiali da misurazioni satellitari. Dal 2007 MeteoSvizzera produce nell’ambito del progetto CM SAF serie di dati climatici sulla radiazione globale (= radiazione solare incidente sulla superficie terrestre) e sulle sue componenti. I dati sulla radiazione globale sono particolarmente utili per la pianificazione e l’esercizio degli impianti solari, così come per la progettazione degli edifici e la stima della resa dei raccolti. Serie temporali lunghe e di elevata qualità della radiazione globale sono inoltre fondamentali per la scienza del clima.

Pubblicazioni

Stöckli, R., Bojanowski, J.S., John, V.O., Duguay-Tetzlaff, A., Bourgeois, Q., Schulz, J., Hollmann, R. (2019) Cloud Detection with Historical Geostationary Satellite Sensors for Climate Applications. Remote Sens, 11, 1052.

Bojanowski, J., Stöckli, R., Tetzlaff, A., Finkensieper, S., Hollmann, R. (2018) Performance Assessment of the COMET Cloud Fractional Cover Climatology across Meteosat Generations, Remote Sensing, 10.

Duguay-Tetzlaff, A., Bento, V.A.,  Göttsche, F.M., Stöckli, R., Martins, J.P.A., Trigo, I., Olesen, F.,Bojanowski, J.S., Da Camara, C., Kunz, H. (2015) Meteosat Land Surface Temperature Climate Data Record: Achievable Accuracy and Potential Uncertainties. Remote Sens., 7, 13139-13156.

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Posselt, R., R. Müller, J. Trentmann, and R. Stöckli (2012). Remote sensing of solar surface radiation for climate monitoring -- the CM-SAF retrieval in international comparison, Remote Sensing of Environment, 118, 186-198; doi:10.1016/j.rse.2011.11.016

Posselt, R., R. Müller, R. Stöckli, and J. Trentmann (2011). Spatial and Temporal Homogeneity of Solar Surface Irradiance across Satellite Generations, Remote Sensing, 3, 1029-1046; doi:10.3390/rs3051029

Mueller R., J. Trentmann, C. Träger-Chatterjee, R. Posselt, R. Stöckli (2011). The Role of the Effective Cloud Albedo for Climate Monitoring and Analysis. Remote Sensing, 3, 2305-2320; doi:10.3390/rs3112305

Dürr, B.; Zelenka, A.; Müller, R. & Philipona, R. (2010). Verification of CM-SAF and MeteoSwiss satellite based retrievals of surface shortwave irradiance over the Alpine region International Journal of Remote Sensing, 2010, 31, 4179 - 4198

Dürr, B. & Zelenka, A. (2009). Deriving surface global irradiance over the Alpine region from METEOSAT Second Generation data by supplementing the HELIOSAT method, International Journal of Remote Sensing 30(22), 5821 - 5841.

Schulz, J.; Albert, P.; Behr, H. D.; Caprion, D.; Deneke, H.; Dewitte, S.; Dürr, B.; Fuchs, P.; Gratzki, A.; Hechler, P.; Hollmann, R.; Johnston, S.; Karlsson, K. G.; Manninen, T.; Mueller, R.; Reuter, M.; Riihela, A.; Roebeling, R.; Selbach, N.; Tetzlaff, A.; Thomas, W.; Werscheck, M.; Wolters, E. & Zelenka, A. (2009). Operational climate monitoring from space: the EUMETSAT Satellite Application Facility on Climate Monitoring (CM-SAF), Atmos Chem Phys 9(5), 1687 - 1709.