Ανίχνευση και Μέτρηση των χιονοπτώσεων από το διάστημα
Από RemoteSensing Wiki
Ανίχνευση και Μέτρηση των χιονοπτώσεων από το διάστημα
Detection and Measurement of Snowfall from Space
Συγγραφείς
Vincenzo Levizzani, Sante Laviola and Elsa Cattani
Πηγή
National Research Council of Italy, Institute of Atmospheric Sciences and Climate
Εισαγωγή
Η μέση ετήσια βροχόπτωση στην Γη εκτιμάται περίπου στα 690 χιλιοστά και οι χιονοπτώσεις αντιπροσωπεύουν περίπου το 5% αυτής. Ωστόσο στα μέσα και μεγάλα γεωγραφικά πλάτη το χιόνι είναι ένα κυρίαρχο στοιχείο του συνολικού ποσού της βροχόπτωσης. Γενικώς στις περιοχές που η χιονόπτωση είναι έντονη οι μετρήσεις εδάφους είναι προβληματικές. Τα τελευταία χρόνια πολλοί αλγόριθμοι προτάθηκαν, χρησιμοποιώντας μικροκύματα παθητικών αισθητήρων (PMW) δορυφόρου, για την εκτίμηση της έντασης της βροχόπτωσης και χιονόπτωσης από το διάστημα. Οι αλγόριθμοι ουσιαστικά βασίζονται σε δύο διαφορετικές προσεγγίσεις στην σκέδαση και απορρόφηση της ακτινοβολίας από την καθίζηση του χιονιού ή της σταγόνας. Οι αλγόριθμοι όμως αυτοί παρουσιάζουν σωρεία προβλημάτων μεταξύ των οποίων το σήμα του χιονιού κάτω των 90 GHz στο PMW είναι αρκετά αδύναμο, η κάθετη δομή των νεφών του πάγου είναι ελάχιστα γνωστή και η ακτινοβολία των νιφάδων του χιονιού και των κρυστάλλων είναι πολύ πιο πολύπλοκη από εκείνη των σταγονιδίων του νερού, λόγω της εγγενής μη σφαιρικότητας. Τέλος η ύπαρξη πολύ παγωμένου νερού δεν έχει δυνατές συχνότητες ώστε να καταγραφεί. Εργαστηριακά πειράματα και επίγειες ραδιομετρήσεις πραγματοποιήθηκαν πρόσφατα για τον έλεγχο της ικανότητας των κοινών διηλεκτρικων μοντέλων του υγρού νερού και για την προσομοίωση της απορρόφησης μικροκυμάτων από τα πολύ ψύχρα σύννεφα, αποτελώντας μέθοδοι αναζήτησης της χιονόπτωσης και επιδιώκοντας παράλληλη αριθμητική παραμετροποίηση μοντέλου.
Η δομή των παγωμένων σύννεφων και η αντίδραση τους στα μικροκύματα
- Η δομή των παγωμένων σύννεφων από μελέτες πεδίου
Οι μελέτες της μικροφυσικής των νεφών του πάγου είναι αρκετά δύσκολες καθώς χρειάζεται να διενεργηθούν μέσω διεισδύσεων των αεροσκαφών σε ακραίες συνθήκες. Από την άλλη οι ανιχνευτές νέφους εξακολουθούν να υπόκεινται σε περιορισμούς ως προς την ικανότητά τους να μετρούν ρεαλιστικές κατανομές μεγέθους των υδρολογικών σχημάτων. Ωστόσο έχουν γίνει μεγάλα βήματα ώστε να αποδοθεί η δομή των σύννεφων για την παραμετροποίηση των νεφών και των εφαρμογών της τηλεπισκόπησης. Συγκεκριμένα, κατά μέσο όρο τα σύννεφα παρουσιάζουν ολική περιεκτικότητα σε νερό (TWC)> 0.01gm-3, η μέση διάμετρος του όγκου των σωματιδίων στα σύννεφα πάγου κυμαίνεται μεταξύ 20 και 35 μm καθώς και σε υγρά σύννεφα μεταξύ 10 και 12 μm.
- Η τηλεπισκόπηση των παγωμένων σύννεφων μέσω Μικροκυμάτων
Μέσα από ένα μοντέλο μεταφοράς ακτινοβολίας για διαφορετικά ποσοστά βροχόπτωσης χιονιού και χαλάζι, διερευνήθηκε η εξάρτηση των οπτικών ιδιοτήτων τους, και η ανακλαστικότητα τους από ραντάρ. Παρατηρήθηκε ότι το σχήμα και η πυκνότητα των σωματιδίων έχει σημαντικό ρόλο στην ένταση του φαινομένου. Στα μικροκύματα παθητικών αισθητήρων οι συχνότητες 150 GHz και 183-7 GHz φαίνονται οι πλέον κατάλληλες για την ανίχνευση και την ανάκτηση των ιδιοτήτων καθίζησης σε μεσαία και μεγάλα γεωγραφικά πλάτη.
Η μέθοδος ανίχνευσης χιονοπτώσεων από το διάστημα
Γίνεται σαφές ότι οι τηλεπισκοπικές μέθοδοι που αφορούν σύννεφα πάγου, οι οποίες βασίστηκαν σε αλγορίθμους για την ανίχνευση χιονόπτωσης χρησιμοποιώντας PMW παρατηρήσεις από δορυφόρο παρουσιάζουν δυσκολίες. Ωστόσο μια σειρά μελετών πρότεινε την δημιουργία νέων αλγορίθμων για την ανίχνευση των χιονοπτώσεων βασισμένες στην παθητική μέθοδο ραδιοκυμάτων η οποία είναι σε θέση να λαμβάνει και να ξεχωρίζει τις πολύ υψηλές συχνότητες από πολύ ψηλά. Πρόσφατα σχεδιαστικέ μια σειρά αλγορίθμων που βασίζονται σε ραδιομετρικούς δορυφόρους(AMSR και AMSU) που στοχεύουν στην ανίχνευση των βροχοπτώσεων πάνω από τη θάλασσα και τη γη για εφαρμογή στην υδρολογία. Παρομοίως και για την ανίχνευση των χιονοθύελλων δημιουργήθηκαν συγκεκριμένοι αλγόριθμοι που βασίζονται σε αυτούς τους ραδιομετρικούς δορυφόρους (AMSR και AMSU). Τα ραντάρ τους στηρίζονται σε μια εκ των προτέρων γνωστή βάση δεδομένων χαρακτηριστικών της χιονοθύελλας και τα στοιχεία που συλλέγουν συγκρίνονται με αυτήν την βάση. Οι αλγόριθμοι αυτοί παρά ‘ταύτα, δεν είναι απόλυτα ακριβείς λόγω της περίπλοκης δομής του χιονιού. Εντούτοις, καθώς και επί τόπιες παρατηρήσεις μέσω διεισδύσεων αεροσκαφών δεν είναι πάντοτε δυνατές και δεν εξασφαλίζουν μια παγκόσμια κάλυψη για τη δειγματοληψία όλων των πιθανών χιονοπτώσεων που σχηματίζουν τα σύννεφα, η χρήση ραντάρ από το διάστημα εμφανίζεται ως η μόνη βιώσιμη εναλλακτική λύση για την χαρτογράφηση των χιονοπτώσεων. Στην εικόνα 1 παρατηρούμε τον Μάρτιο του 2010 την κάλυψη της γεωγραφικής περιοχής της Ιταλίας από τα καιρικά φαινόμενα(χιονιού και βροχής), μέσω των κατάλληλων αλγορίθμων από τα δορυφορικά ραντάρ.
Μέθοδοι από ραντάρ
Το CPR(ραντάρ καταγραφής χαρακτηριστικών σύννεφων) επιτρέπει μια έρευνα της οριζόντιας και κάθετης κατανομής της χιονόπτωσης σε παγκόσμια κλίμακα. Στην εικόνα 2 μπορούμε να παρατηρήσουμε την διαδρομή της χιονόπτωσης το Νοέμβριο του 2009 στην Κίνα. Η εικόνα CPR είναι μια ποιοτική απεικόνιση της ανακλαστικότητας από το ραντάρ (dBZ), εδώ η χιονόπτωση αυξάνεται από ένα ελάχιστο/ μπλε σε ένα όριο / λευκό.
Μελλοντική έρευνα
Στην μέχρι τώρα ανάλυση είδαμε ότι για την καταγραφή των κατακρημνίσεων στην περίπτωση που οι επιτόπιοι έλεγχοι είναι αδύνατοι λόγο του περιορισμένου πεδίου μελέτης, η χρήση των ραντάρ με την επεξεργασία κατάλληλων αλγορίθμων αποτελούν την βέλτιστη λύση, αν και αυτοί είναι σε μικρό βαθμό ανεπαρκείς λόγω της μη ύπαρξης σαφούς διαχωρισμού μεταξύ των σύννεφων που προορίζονται για βροχή και αυτών που δημιουργούν χιονόπτωση, επίσης οι συχνότητες των ραντάρ δεν καταγράφουν πάντα αυτές του χιονιού λόγω της πυκνότητας αλλά και του μικρού μεγέθους. Η μελλοντική έρευνα πρέπει να αντιμετωπίσει τα πιο αδύναμα σημεία των ανωτέρω ερευνητικών προσπαθειών, μεταξύ των οποίων και την ανεπαρκή εκπροσώπηση των νεφών με κάθετη δομή στο ραντάρ. Το πεδίο είναι νέο και, μόλις πρόσφατα ιδρύθηκε με την έναρξη του συστήματος CloudSat μια ολοκληρωμένου συστήματος εδαφική παρατήρηση μέσω δορυφορικού ραντάρ. Σύγχρονες μέθοδοι στοχεύουν στην βελτίωση της ανακλαστικότητας της χιονόπτωσης μέσω της προσομοίωσης των φυσικών συνθηκών σε αλγορίθμους. Εν ολίγοις, η έρευνα πρέπει να επικεντρωθεί σε: (1) Προώθηση των τεχνολογιών των ραντάρ. (2) την οργάνωση καθορισμού πεδίων και (3) να προβεί σε προσομοιώσεις μεταφοράς ακτινοβολίας που θα επιτρέψουν να δοθεί απάντηση στο ερώτημα σχετικά με το πόσο καλά μπορούμε να εντοπίσουμε την χιονόπτωση από PMW και ραντάρ από το διάστημα για τις επιχειρησιακές εφαρμογές.
